ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2012, том 39, № 3, с. 269-291
ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ ^^^^^^^^^^^^
И РЕЖИМ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
УДК 556.551
ВЛИЯНИЕ РЕГИОНАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ КЛИМАТА И ХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА ИЗМЕНЕНИЯ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА ВОДОСБОРОВ И СТОКА МАЛЫХ РЕК1
© 2012 г. С. В. Ясинский, Е. А. Кашутина
Институт географии РАН 119017Москва, Старомонетный пер., 29 Поступила в редакцию 09.08.2010 г.
Выявлены закономерности многолетних внутри- и межзональных изменений показателей климата (температуры воздуха и атмосферных осадков) и получены оценки времени реакции на них факторов гидротермического состояния водосборов на начало снеготаяния (максимальных снегозапасов, глубины промерзания и влажности почвы), поверхностного весеннего склонового стока, годового и весеннего речного стока малых рек в разных природных зонах Русской равнины.
Ключевые слова: показатели климата, гидротермическое состояние водосборов, поверхностный весенний склоновый сток.
Одна из актуальных проблем современности, затрагивающая жизненно важные интересы всего человечества, — проблема глобальных изменений климата. Исследованию различных аспектов этой проблемы посвящено множество работ, выполненных в разных странах мира, которые в значительной степени обобщенны в трудах М.И. Буды-ко [4, 5], Ю.А. Израэля [19], К.Я. Кондратьева [30], В.М. Котлякова [33, 34, 35] и других исследователей [42], а также в докладах Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК, 1РСС) [22]. Глобальные изменения климата неизбежно приводят к трансформации естественного хода многих природных процессов и изменениям во всех компонентах биосферы на глобальном, региональном и локальном уровнях [16].
Оценка экологических, экономических и социальных последствий изменения климата — важное направление исследований этой проблемы [13].
В рамках этого направления исследований получены оценки: трансформации границ и площади природных зон в разных регионах Мира [9, 25, 26, 47], изменений речного стока и качества воды крупных рек [1, 3, 14, 18, 23, 24, 31], режима подземных вод [28], влажности почвы и суммарного испарения [7, 10, 11], мощности и площади распространения вечной мерзлоты [2, 38], продуктивности и урожайности естественных и сельскохозяйственных биоценозов [8, 29], показателей
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 09-05-00665).
экологического состояния водных экосистем [50] и ряда других природных процессов и явлений.
Функционирование и развитие экономики страны в целом и ее отдельных отраслей во многом зависит от состояния окружающей среды, наличия и качества тех или иных природных ресурсов. Поэтому разработке возможных сценариев развития энергетики, водного, сельского, лесного и других отраслей в зависимости от прогноза изменений используемых ими природных ресурсов, вызванных климатической изменчивостью, также уделено большое внимание [6, 15, 20, 21, 39, 41, 48].
Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в исследовании реакции различных природных процессов и социально-экономических систем на изменения климата, малоизученным остается вопрос о влиянии этих изменений на речной сток малых равнинных рек, поверхностный весенний склоновый сток (ПВСС) и на факторы, определяющие условия формирования этих процессов (максимальные снегозапасы, влажность почвы, глубина ее промерзания). В то же время его решение очень важно для выявления тенденций изменения водного режима водных объектов и территорий, а также для разработки и осуществления адаптационных мероприятий [49]. На ПВСС и обусловленный им годовой и весенний речной сток малых рек помимо изменений регионального климата существенное влияние оказывает хозяйственная деятельность человека [51, 52]. Поэтому многолетние изменения этих гидрологических процессов рассматривались как результат их совместного влияния.
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Оценка реакции межгодовой изменчивости рассматриваемых гидрологических процессов на соответствующие колебания характеристик климата в данной работе основана на решении нескольких частных задач с использованием различных статистических методов анализа временных рядов [17, 45, 46]. Этими задачами были следующие:
оценка репрезентативности данных наблюдений о многолетней изменчивости характеристик климата на опорных метеостанциях для других территорий в пределах рассматриваемых природных зон;
оценка вклада колебаний показателей климата в теплые (апрель—октябрь) и холодные (ноябрь-март) сезоны года в формирование многолетней изменчивости их средних годовых величин;
выявление закономерностей в многолетней изменчивости средних годовых значений показателей климата, факторов гидротермического состояния водосборов, ПВСС и речного стока малых рек;
оценка однородности рядов наблюдений;
оценка времени запаздывания в наступлении маловодных и многоводных фаз в многолетних изменениях гидрологических процессов на водосборах и речного стока малых рек по отношению к соответствующим многолетним изменениям характеристик климата.
Исходными данными были длительные ряды: ПВСС и значений факторов гидротермического состояния водосборов (>40 лет) для экспериментальных водосборов трех опорных воднобалансо-вых станций (ВБС), расположенных в южной части лесной, лесостепной и степной зонах Русской равнины; средних месячных величин температуры воздуха и сумм осадков на ближайших к ним метеостанциях, годового стока в близких к БВС гидрометрических створах малых рек (от 60 до 75 лет). Ими были, соответственно
воднобалансовый стационар "Малая Истра", м/с "Новый Иерусалим", р. Истра—пос. Павловская Слобода; Нижнедевицкая ВБС с одноименной м/с, р. Хопер—пос. Новохоперск; Волгоградский стационар Всероссийского НИИ агролесомелиорации РАСХН (ВНИАЛМИ), м/с "Волгоград— СХИ" и р. Иловля—пос. Александровка.
Особенностью использованных данных было то, что они охватывали весь современный период вплоть до 2000—2004 гг. Расположение опорных БВС на территории Русской равнины приведено на рис. 1. Состав и длительность наблюдений на опорных воднобалансовых станциях приведены в табл. 1.
Для восстановления пропущенных данных о значениях факторов гидротермического состояния водосборов и ПВСС использованы уравнения регрессии между этими факторами и различными метеорологическими характеристиками в зимние сезоны в лесостепной и степной природных зонах Русской равнины, коэффициент корреляции между которыми г > 0.4 (рис. 2).
Из приведенных на рис. 2 графиков видно, что наиболее тесные связи существуют между средней температурой воздуха за холодный период года и тремя показателями: глубиной промерзания почвы, максимальным запасом воды в снеге (сне-гозапасами) и величиной ПВСС. На основе полученных уравнений проводился расчет значений этих факторов и ПВСС в те годы, когда информация о них отсутствовала, и сформированы ряды экспериментальных данных за весь многолетний период наблюдений.
Репрезентативность данных опорных метеостанций о многолетних колебаниях регионального климата для других регионов в пределах природных зон
Возможность распространения многолетних метеорологических данных наблюдений на опорных метеостанциях для территорий других регионов в пределах рассматриваемых природных зон исследована путем оценки средних многолетних характеристик показателей климата и их пространственной изменчивости, рассчитанных по данным для субъектов РФ и сопредельных государств (Белоруссия, Украина, страны Балтии), агрегированных по рассматриваемым природным зонам [40]. В качестве характеристик пространственной изменчивости использовались значения среднеквадратического отклонения а, поскольку температура воздуха может иметь отрицательные значения, а для осадков для большей наглядности рассчитывался также С,. Оценка репрезентативности данных наблюдений опорных метеостанций осуществлялась путем сравнения со значениями пространственной изменчивости этих характеристик, осредненных для территории всех рассматриваемых природных зон (табл. 2).
В лесной зоне расположено 29 регионов [31]. Однако для южной части лесной зоны, в которой находится м/с "Новый Иерусалим", использованы данные только для 19 регионов, северные — были исключены. Для лесостепной и степной зон включены данные по 24 и 15 регионам соответственно.
Результаты расчетов показывают, что пространственная изменчивость средних многолетних годовых осадков и средней многолетней годовой температуры воздуха в каждой из природных зон в целом невелика. Это позволяет считать,
а
б
в
г
Рис. 1. Расположение опорных воднобалансовых станций в основных природных зонах территории Русской равнины. 1 — ВБС—"Малая Истра"; 2 — Нижнедевицкая ВБС; 3 — Волгоградский стационар ВНИИАЛМИ РАСХН; а — зона смешанных лесов; б — зона лесостепи; в — зона степи; г — зона полупустыни и пустыни.
что закономерности их многолетних изменений, полученные для рассматриваемых опорных метеостанций, могут быть распространены на территорию других регионов, расположенных в пределах одной и той же природной зоны.
Для подтверждения этого вывода был проведен также расчет коэффициентов корреляции уже между средними годовыми значениями рассматриваемых показателей климата на опорных метеостанциях и метеостанциях, расположенных на
Максимальный снегозапас и температура за холодный период
М, мм
180
160 -
140 -
120 -
100 -
80 -
60 -
40 -
20 -
0
♦
♦ м = -8.26/ + 15.0
♦ ♦ Я2 = 0.21
___♦ ♦ ♦
1 ♦
Ф
♦ ^^ 1 1
-10
-6
-4
-2
/, °С
Глубина промерзания и температура за холодный период
/, °С
Склоновый сток и температура в холодный период мм
8 7 6 5 4 3 2 1 0
5 = -0.35/ - 0.4 Я2 = 0.21
/, °С
Ж, мм
500 -
400
300 -
200 -
100 -
0
Глубина промерзания и влажность почвы
Ж = -0.59Ь + 395 Я2 = 0.27
20 40 60 80 100 120 140 160 Глубина промерзания Ь, см
0
Рис. 2. Зависимости между факторами гидротермического состояния водосборов и температурой воздуха в холодный сезон, глубиной промерзания и влажностью почвы на начало снеготаяния.
Таблица 1. Объекты и состав наблюдений на опорных воднобалансовых станциях Русской равнины
и
о й м Е
и ч
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.