ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ, 2007, № 5, с. 71-81
= ПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ДИНАМИКА ГЕОСИСТЕМ
УДК 551.4822157
ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ И ВРЕМЕННЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ВЕСЕННЕГО СКЛОНОВОГО И РЕЧНОГО СТОКА
НА РУССКОЙ равнине1
© 2007 г. С. В. Ясинский, Е. А. Кашутина
Институт географии РАИ Поступила в редакцию 12.09.2006 г.
Проанализированы многолетние данные наблюдений за поверхностным весенним склоновым (ПВСС) и речным стоком на сети воднобалансовых станций Роскомгидромета и стационаров других ведомств. Проведена оценка устойчивости во времени зависимостей ПВСС от зональной величины речного стока для различных угодий. Выявлены пространственные и временные закономерности изменения ПВСС на территории России равнины за многолетний период.
На воднобалансовых станциях Роскомгидромета (ВБС), научных стационарах, в заповедниках и национальных парках России (СССР) накоплен колоссальный объем данных мониторинга практически за всеми компонентами окружающей среды. Значительное внимание в программах мониторинга уделялось метеорологическим и гидрологическим наблюдениям [24, 26]. Создание компьютерных баз гидрометеорологических данных на этих стационарах позволяет подойти к комплексному анализу вертикальных и горизонтальных потоков влаги, минеральных и органических веществ, биологических форм во всей области активного водообмена. Эта область включает поверхность водосбора, зоны аэрации и насыщения грунтов на пути от водоразделов до русла реки [29].
Расположение стационаров в различных природных зонах и наблюдения в типичных для конкретного региона природных и природно-антро-погенных геосистемах позволяют выявить географические закономерности в специфике взаимодействия поверхностных и подземных вод, особенности условий формирования на водосборах гидрологических и геохимических процессов, а также протекающих вблизи них водотоков. Выявление достоверных зависимостей между характеристиками этих процессов и обусловливающими их факторами необходимо при разработке моделей гидрологического цикла в целях раскрытия фундаментальных закономерностей функционирования и динамики исследуемых элементарных и региональных геосистем. Кроме того, такие зависимости могут быть основой прогноза экологического состояния речных систем в современных, значительно меняющихся, условиях землепользо-
1 Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект < 05-05-64884).
вания, а также при возможных климатических изменениях.
Одним из наиболее интересных и крайне важных в научном и практическом отношении гидрологических процессов является поверхностный весенний склоновый сток (ПВСС). При этом под склонами понимается та часть водосбора, которая в общем случае располагается выше бровок оврагов, балок, речных долин и других элементов гидрографической сети. Именно на склонах, включая и плакорные участки, располагается основная часть сельскохозяйственных полей и других природно-антропогенных геосистем.
ПВСС играет определяющую роль в формировании речного стока, общего притока воды в естественные и зарегулированные водные объекты -озера и водохранилища, а также в пополнении запасов почвенных вод, обусловливающих продуктивность и урожайность естественных и сельскохозяйственных геосистем [2, 15]. В другие периоды года поверхностный склоновый сток на большей части Русской равнины возникает лишь эпизодически и по величине значительно уступает весеннему. Объем и гидрограф ПВСС - основные энергетические характеристики таких катастрофических явлений, как эрозия почвы и оврагообразование, а также диффузного (рассеянного) загрязнения водных объектов, в значительной степени определяющих их антропогенное эвтрофирование [3].
Современное состояние исследований ПВСС рассмотрено в [15], где проанализированы этапы и методы его изучения, выявлены закономерности его пространственных и временных изменений на территории Русской равнины.
Наиболее надежный метод получения данных о характеристиках ПВСС и обусловленных им процессах - эрозии почвы и миграции химических элементов с жидким и твердым стоком, а также
определяющих их факторов - это экспериментальные стационарные и полустационарные наблюдения на стоковых площадках и малых суходольных логах. Эти наблюдения весьма трудоемкие и требуют значительных затрат на создание объектов наблюдений и их оснащение необходимым оборудованием и приборами [7].
Формирование ПВСС и речного стока определяется одними и теми же факторами. Основные из них: метеорологические, геоботанические, почвенные, геоморфологические.
Для речного стока, кроме указанных выше факторов, важны также гидрогеологические характеристики водосбора, такие как степень его расчлененности и уровень залегания подземных вод. Однако в связи со значительными размерами водосборов водных объектов пространственное распределение всех этих факторов по территории имеет случайный характер, поэтому они оказывают интегральное, сглаженное влияние на формирование стока.
В отличие от речного стока формирование ПВСС в значительно большей степени зависит от локальных геоморфологических факторов, таких как экспозиция, длина, уклоны склонов, строения водосборов (выпуклый, вогнутый), структуры эфемерной ручейковой сети [21]. Кроме того, на величину его объема и гидрограф существенное влияние оказывает пространственная внутри-склоновая неоднородность гидрофизических и агрохимических характеристик и влажности почвы [8, 30, 32].
Для учета многообразия локальных ландшафтных условий в конкретном регионе экспериментальные наблюдения за ПВСС и определяющими его факторами проводятся одновременно на геосистемах, имеющих различные геоморфологические характеристики и разный вид подстилающей поверхности. Наибольшую ценность имеют данные наблюдений, которые осуществлялись на одних и тех же объектах в течение многих лет. К настоящему времени период наблюдений на некоторых ВБС и стационарах составляет 25-40 лет, что открывает значительные перспективы для совершенствования методов расчета водного баланса, характеристик ПВСС и речного стока, учитывающих ландшафтную структуру водосборов. Кроме того, появляются возможности для уточнения и выявления новых закономерностей в многолетних колебаниях ПВСС под влиянием климатических изменений и хозяйственной деятельности [5, 6, 17, 33].
Одним из направлений исследований по обобщению данных о ПВСС и определяющих его факторов является мелкомасштабное картирование характеристик, позволяющее получить количественную оценку процесса для конкретной территории. Обзор карт среднемноголетнего слоя
ПВСС, разработанных их авторами на разной методической основе, приведен в [14, 17]. В работе [5] для разных регионов страны разработана таблица модульных коэффициентов, с помощью которых, зная значение ПВСС 50%-ной обеспеченности, определенное по картам, можно получить значение стока различной обеспеченности, что важно для оценки его экстремальных величин при разработке противоэрозионных мероприятий.
Другое направление обобщения данных о ПВСС - разработка расчетных методов и моделей, с помощью которых оценивается на только объем (слой) ПВСС, но и гидрограф, а также другие элементы гидрологического цикла периода снеготаяния [25, 35]. В развитых физико-математических и динамико-стохастических моделях речного стока блок расчета характеристик ПВСС на водосборе является одним из элементов общей модели и позволяет оценить приток воды в овражно-балочную и речную сеть [19, 20]. Однако на практике такие модели используются крайне редко. Это обусловлено сложностями создания необходимых для их реализации баз данных о сто-кообразования факторах, прежде всего метеорологических, отличающихся высокой динамикой. Кроме того, на точность расчета характеристик ПВСС и речного стока большое влияние оказывает правильное задание ряда используемых в этих моделях параметров снежного покрова, мерзлой почвы и растительного покрова, которые сами являются функциями других переменных, зависящих от физико-химических свойств этих сред.
Недостаточная информационная обеспеченность моделей формирования ПВСС и речного стока обусловила разработку более простых методов расчета характеристик гидрологических процессов, формирующихся на водосборе. Среди методов, ориентированных на минимальный объем доступной информации об обусловливающих эти процессы факторах, необходимо отметить весьма дискуссионное, особенно в части описания гидрологических процессов, геоэкологическое или интегральное моделирование [27]. В практических приложениях, на данном этапе развития гидрологии, в частности в прогнозах речного стока весеннего половодья, широко используются физико-статистические зависимости стока от обусловливающих факторов, которые по существу явились предшественниками развитых моделей гидрологического цикла [4, 12, 23]. Что касается ПВСС, то для оценки его среднемноголетней величины весьма эффективны в практических приложениях физически обоснованные зависимости от среднемноголетнего весеннего речного стока, полученные в Институте географии РАН, при разработке метода элементной дифференциации водного баланса территории Русской равнины [14, 16, 28, 34]. Такие зависимости получены
60
30
смешанные леса
ШШШ лесостепь
40
степь
полупустыни и пустыни
50
50
Рис. 1. Расположение стационаров на Русской равнине
Номера станций: 1 - Валдайская, 2 - Вилайняй, 3 - Вологда (Семенково), 4 - Подмосковная, 5 - Прибалтийская, 6 -Богуславская, 7 - Курский стационар ИГ РАН, 8 - Нижнедевицкая, 9 - Придеснянская, 10 - Новосильская АГЛОС, 11 - Велико-Анадольская, 12 - Каменная степь, 13 - Молдавская, 14 - Дубовская, 15 - Волгоградское опытное хозяйство.
для основных видов подстилающей поверхности, остающихся на водосборах к моменту установления снежного покрова: зяби, уплотненной к осени почве и леса. В группу подстилающей поверхности с уплотненной почвой включались такие разные типы поверхности, как многолетние травы, озимые, пастбища, залежь, стерня, однако обладающие сходным типом режима ПВСС [14]. Данные по полям под зябью были объединены с информацией по полям под паром, после уборки картоф
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.