ОЦЕНКА ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ АНАЛИЗ ИХ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

УДК 556.168

оценка возобновляемых водных ресурсов европейской части россии и пространственно-временной анализ их распределения*

© 2016 г. Р.г. джамалов1, н.л. Фролова 2, A.A. Бугров В.Ю. григорьев 1, М.Б. Киреева2, Е.П. Рец1, т.и. сафронова1, A.A. телегина1, Е.А. телегина1

1 ФГБУН «Институт водных проблем Российской академии наук», Москва, Россия

2 ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова», Москва, Россия

Ключевые слова: естественные ресурсы, возобновляемые ресурсы, поверхностные воды, подземные воды, годовой сток, меженный сток, минимальный сток, речной сток, подземный сток, режим стока, водообеспеченность, влагозапасы, генезис стока.

Выполнена оценка и проведен анализ изменений характеристик годового, меженного и минимального месячного стока рек Европейской части России за последние 35 лет (до 2010 г.) в сопоставлении с предыдущими периодами наблюдений (1945-1977 гг.). Исследованы генезис стока для разных бассейнов рек и выявлены основные причины современных изменений стоковых характеристик. Установлены региональные закономерности гидролого-гидрогеологических процессов, проведено районирование территорий с выделением особенностей формирования стока рек. Выполнена переоценка возобновляемых (естественных) ресурсов поверхностных и подземных вод за 1970-2010 гг. Региональная оценка и анализ распределения водных ресурсов на Европейской части России позволяют судить о пространственно-временной динамике подземной и поверхностной составляющих речного стока с учетом современных особенностей их формирования под влиянием нестационарного климата. Положительные изменения средних годовых и особенно зимних температур воздуха в совокупности с атмосферными осадками оказали значительное влияние на водность рек и режим их стока. Изменения климата уже привели к существенным изменениям водного режима и условий формирования водных ресурсов в ряде крупных регионов.

Пространственно-временные распределения средних годовых, меженных и минимальных характеристик стока практически всех речных водосборов Европейской части России использованы как показатели возоб-

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ

Водное хозяйство России № 4, 2016 г.

водное хозяйство России

новляемых водных ресурсов подземных и поверхностных вод по речным бассейнам и субъектам РФ. Для визуализации и анализа распределения полученных величин водных ресурсов и ряда других параметров построены карты с использованием ГИС-технологий (рис. 1).

•у «.

Рис. 1. Водные ресурсы бассейна Оки и их изменение за период зимней межени: а - минимальные месячные естественные ресурсы подземных вод; б - изменение минимальных месячных естественных ресурсов подземных вод за 1978-2010 гг. по сравнению с 1945-1977 гг.

Водное хозяйство России № 4, 2016 г.

Гидролого-гидрогеологические условия Европейской части России сравнительно хорошо изучены. Собраны материалы по 359 водосборам, выбранным в качестве репрезентативных для пространственно-временного анализа изменений условий формирования и динамики водных ресурсов с 1945 по 2010 г. Для выделенных водосборов рек рассчитаны среднемного-летние значения и коэффициенты вариации средних годовых и минимальных месячных расходов воды зимней и летней межени, коэффициента естественной зарегулированности стока (рис. 2). Результаты статистического анализа рассматриваемых временных рядов опубликованы в работах [1, 2].

Расчеты среднемноголетних значений и коэффициента вариации проводили для интервалов в 30 и более лет, которые соответствуют периодам, когда изменения в метео- и гидрологических рядах наблюдений могут рассматриваться как репрезентативные. Показано, что именно 1978 г. характеризуется как пороговый с началом отчетливо регистрируемых изменений климатических условий для большей территории Европейской части России (рис. 3). Последнее установлено на основе совместного анализа разностных интегральных кривых стоковых характеристик для 60 репрезентативных створов бассейнов средних рек по всей территории Европейской части России. Вместе с тем, детальный анализ изменений минимальных расходов притоков рек Нижней Волги и Урала свидетельствует, что переломный год в водности на юге и юго-востоке Европейской части России сдвигается к 1982-1985 гг. Несмотря на некоторый разброс переломных лет в водности (5-7 лет), региональный анализ влияния долговременных климатических вариаций на сток рек и водные ресурсы оценивается по отклонению средних многолетних характеристик за период 1978-2010 гг. относительно значений за период 1945-1977 гг.

Анализировались также данные по рядам наблюдений годовых и сезонных осадков и температуре приземного воздуха для более 200 метеостанций в пределах Европейской части России.

Речные водосборы Европейской части России отличаются определенной антропогенной нагрузкой (рис. 4). В связи с этим современные условия формирования водных ресурсов на исследуемой территории следует понимать как условно-естественные, соответственно, ввести понятие «условно-естественные ресурсы поверхностных и подземных вод». Учитывая возоб-новляемость данных ресурсов, для краткости в дальнейшем используется понятие «возобновляемые ресурсы» или устоявшийся термин «естественные ресурсы». Неоднородность формирования водных ресурсов в различных естественных и нарушенных условиях оценивается по величине модуля в л/(с-км2) как основной характеристики при региональной оценке и их картировании в мелком и среднем масштабах.

Водное хозяйство России № 4, 2016 г.

0,9-| 0,80,70,60,50,40,3-

р. Воронеж - г. Липецк р. Медведица - Лысые горы

0,2

1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Рис. 2. Статистически значимое увеличение естественной зарегулированности стока ф рек Европейской части России (а); изменение величины естественной зарегулированности стока на примере р. Воронеж - г. Липецк, р. Медведица -

Лысые горы (б).

Водное хозяйство России № 4, 2016 г.

а

ф

Возобновляемые (естественные) ресурсы подземных вод оценивались по среднему меженному расходу воды, когда практически отсутствует сне-годождевое питание и река пополняется преимущественно подземными водами, а также по методу генетического расчленения гидрографа среднего годового расхода речного стока [3]. Сопоставление результатов расчетов этими основными методами показало состоятельность такой оценки для всех климатических зон Европейской части России. Значения меженных расходов воды за 20-30 лет практически совпадают со средними величинами подземного стока по расчленению гидрографов. Систематическое отклонение составляет не более 5-20 % в зависимости от ландшафтно-климатических и гидролого-гидрогеологических условий для различных водосборов Европейской части России. Следовательно, сопоставление результатов генетического расчленения гидрографа с расчетами меженного стока различными методами показало состоятельность такой оценки для всех климатических зон Европейской части России.

В результате сложившейся климатической ситуации создались в целом благоприятные условия для формирования водных ресурсов. Характер атмосферной циркуляции, увеличение числа, продолжительности и «глубины» оттепелей, общее сокращение длительности холодного периода года служат причиной общего уменьшения глубины промерзания зоны аэрации. Уменьшение глубины промерзания почвы сопровождается также значительным повышением минимальной годовой температуры почвогрунтов (рис. 5) в горизонтах глубже 60 см, что отмечается во всех природных зонах Европейской части России [4, 5].

Важным следствием увеличения числа, продолжительности и «глубины» оттепелей на Европейской части России стал рост потерь талого стока на инфильтрацию по сравнению с предыдущими десятилетиями. Рост уровня грунтовых вод на водно-балансовых станциях составляет 50-130 см. В связи с увеличением питания подземных вод их гидродинамическое состояние в последние годы в целом условно стабильное. Даже в зоне влияния крупного водоотбора в пределах сформированных воронок депрессии на территории Центрального федерального округа истощения запасов в 2013 г. не отмечалось.

Реакция стока на изменчивость климатических факторов особенно быстро проявляется на малых водосборах, где сокращение глубины промерзания зоны аэрации сопровождается активным формированием ячеистой структуры с преобладанием слабо мерзлых площадей (до 50-60 %). В связи с этим снижаются весенний склоновый сток и пики половодья в речной сети, что приводит к значительному росту меженного стока рек. Коэффициент талого стока уменьшается до 0,3-0,4, гидрограф половодья распла-

Водное хозяйство России № 4, 2016 г.

2020

Рис. 3. Районирование бассейна Волги по году перегиба (а); разностно-интегральные кривые по данным поста р. Битюг - г. Бобров (б): 1 - величина стока за зимнюю межень, м3/с; 2 - сумма отрицательных температур за зимний период, °С; 3 - сумма положительных температур за зимний период, °С; 4 - сумма жидких осадков за зимний период, мм; 5 - сумма осадков за летне-осенний период (апрель-октябрь), мм.

Водное хозяйство России № 4, 2016 г.

а

4i" S0L (О' ТГ

ML II

kM""

4P.

Нагрузка на ресурсы подземных вод. % <10 10 - 20 20- 40 40-60 >60

Рис. 4. Нагрузка на ресурсы подземных вод (а); минимальные месячные водные ресурсы (б), %.

Водное хозяйство России № 4, 2016 г.

а

б

стывается [6, 7]. Следовательно, происходит перестройка водного режима стока рек Европейской части России, приводящая к сокращению расходов за половодье и увеличению зимних расходов воды, т. е. к изменению основных фаз гидрологического режима (рис. 6).

Следует отметить неоднородную реакцию формирования половодного, меженного и минимального стока рек, которая зависит, прежде всего, от широтного расположения водосбора, а также от характера и масштабов хозяйственной деятельности. Закономерности распределения величин ресурсов подземных вод на территории Европейской части России определяются тремя основными природными факторами: климатическими (соотношение внутригодового распределения температур, атмосферных осадков и испарения), ландшафтно-орографическими (рельеф и абсолютные отметки подстилающей поверхности, эрозионная расчлененность, характер растительности) и гидрогеологическими (состав и фильтрационные свойства водовмещающих пород и зоны аэрации, глубина залегания грунтовых вод, степень дренированности).

Статистический анализ рядов годового стока рек севера Европейской части России за 1945-2010 гг. показал отсутствие значимых изменений годового стока практически для всех створов. Вместе с тем, незначительный рост общих водных ресурсов или годового стока (на 15-30 %) наблюдается на реках, расположенных примерно между 56° и 60° с. ш. (левобережные притоки Волги в ее верхнем и среднем течении, часть бассейна Камы), т. е. преимущественно в лесостепной зоне. К северу и югу от этой полосы рост общих водных ресурсов находится в пределах ошибки их региональной оценки, а именно - выше средних многолетних значений на 5-15 %. Такая тенденция характерна для бассейна Печоры, верховьев Северной Двины бассейна Вычегды, левобережных притоков Волги и верховьев Днепра, а также для левобережных притоков Дона и рек горной части бассейна Кубани. На остальной территории Европейской части России современные изменения годового стока незначительны, более того, в отдельных случаях наблюдается слабая тенденция уменьшения годового стока.

Во внутригодовом распределении стока заметно последовательное снижение максимальных расходов и распластывание волны половодья, постепенное увеличение меженного стока. В результате одновершинные гидрографы с четким весенним максимумом сменяются современными гидрографами с гребенчатой формой в фазу повышенной водности. При этом превышение весенних максимальных расходов воды над меженными сокращается с 10-15 до 3-5 раз. Анализ фактических данных за последние 100 лет показывает, что ранее таких изменений водного режима не происходило [6].

Водное хозяйство России № 4, 2016 г.

40° 50°

Годы

1976 1981 1986 1991 1996 2001 2006 2011

0

5 и -50

К

ГО го -100

(и

>

о

о.

о го I -150

£ -200

-250

Рис. 5 (а, в). Уменьшение средней глубины промерзания почвы Волжского бассейна (%) за период 1978-2012 по сравнению с 1950-1977 гг. [8] (а); изменение глубины промерзания почвы за зимний период на глубинах 80 и 160 см (б).

Водное хозяйство России № 4, 2016 г.

а

б

ь °с

1977

1982

2002

2007

Годы

1987 1992 1997 —80 —160

Рис. 5 (в). Изменение минимальных температур почвы за зимний период на глубинах 80 и 160 см (в). Агрометеорологический пост в среднем течении

Волги (Сергач - р. Пьяна).

О, т3/с

4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0

1961-70 гг.

194 1-50 гг.

1981-90 гг.

I I 2001-10 гг.

I I

1 \ Л Л

Рис. 6. Осредненные гидрографы за десятилетия с 1941 по 2010 гг. по гидрологическому посту р. Ока - Половское.

в

4

Таким образом, в последние годы происходят радикальные изменения условий формирования годового стока и его режима, сопровождающиеся значительным снижением неравномерности внутригодового распределения, увеличением подземной и уменьшением поверхностной составляющих речного стока. Эти процессы носят региональный характер, что в конечном итоге приводит к значительному увеличению естественной заре-

Водное хозяйство России № 4, 2016 г.

гулированности стока. Статистически значимый возрастающий тренд коэффициента ф (отношение базисного стока к годовому) проявляет себя для большинства рассматриваемых рек Европейской части России [5, 6]. Изменение естественных ресурсов подземных вод (меженного стока) отмечается для большинства рек. Положительные значимые тренды (при уровне 95 %) стока зимней и летне-осенней межени характерны для бассейнов верхней и средней Волги, Оки (южная часть лесной и лесостепной зон), большей части бассейна Урала. Наибольшие изменения ресурсов подземных вод (70 % и более) отмечены для верховьев Оки и Урала.

В начале XXI в. модули меженного (подземного) стока рек и, соответственно, естественные ресурсы подземных вод Европейской части России возросли в среднем на 40-60 % или примерно в 1,5 раза по сравнению с величинами до середины 1970-х годов. Максимальное изменение меженного стока характерно для лесостепной зоны, что связано не столько с увеличением снегозапасов, сколько с особенностями снижения весеннего стока и перевода его в подземный.

Ресурсы подземных вод европейского севера показывают некоторую тенденцию их увеличения для большинства бассейнов рассмотренных рек. В среднем доля подземного стока составляет ~30-40 % и незначительно меняется для рек этого региона. Для рек бассейна Волги (за исключением Камы) наблюдается существенное увеличение (45-70 %) зимнего меженного стока. Примерно такая же величина характерна для изменения подземного стока верховьев Дона. Вместе с тем, на севере Европейской части России, а также южнее Цимлянского водохранилища отмечается либо незначительное уменьшение меженного стока, либо столь же статистически незначимое увеличение. На реках южного склона Европейской части России (Дон, Кубань, Терек и др.) увеличение стока за маловодный период происходит за счет роста как зимних расходов воды, так и летних минимальных расходов, обусловленных увеличением суммы атмосферных осадков.

Подземный сток (ресурсы подземных вод) в различных климатических зонах формируется за счет так называемых эффективных осадков, просачивающихся до уровня подземных вод. Для средней полосы Европейской части России это обычно осадки зимне-весеннего и осеннего сезонов года. Однако в современных климатических условиях зимний сезон за счет частых оттепелей характеризуется повышенным стоком снегодож-девого происхождения с ноября по февраль-март. Для величин подземного стока ряда рек установлены тесные корреляционные связи (0,5-0,7) с суммарным количеством осадков за апрель-ноябрь-апрель предшествующего года (рис.7).

Водное хозяйство России № 4, 2016 г.

300 250 200 150 100 50 0

1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

1  2

Рис. 7. Сглаженные методом скользящего среднего с интервалом в 5 лет значения характеристик: 1 - средний сток за зимнюю межень; 2 - сумма

осадков за 8-10 месяцы.

Изменения минимального месячного стока или естественных минимальных водных ресурсов не столь существенны и в среднем составляют 1-2 л/с-км2. Максимальные модули месячных ресурсов (до 2-3 л/с-км2) характерны для северных регионов. В низовьях Дона и Волги значения минимального модуля уменьшаются до 1 л/с-км2 и менее. Наиболее существенное увеличение минимальных ресурсов (50-70 %) происходит в верхнем течении Оки, среднем течении Волги, в бассейне Урала и в верхнем течении Дона. К югу от этой полосы (устье и среднее течение Дона, Предкавказье) рост минимального стока менее значителен (до 15 %) вплоть до его снижения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, установлено, что наиболее значимые изменения условий формирования водных ресурсов связаны с подземной составляющей речного стока (меженный и минимальный месячный сток), которая служит лимитирующим фактором водообеспечения территорий. В результате проведенных исследований установлено:

- в последние десятилетия происходят существенные увеличения сто-кообразующих климатических показателей (температуры и осадков, особенно жидких за холодный период), что привело к внутригодовой неравномерности стока рек и увеличению зимнего меженного стока;

Водное хозяйство России № 4, 2016 г.

- установлены масштабы изменения меженного и минимального месячного стока в различных ландшафтно-климатических зонах за последнее 30-летие и декадные периоды;

- наблюдаемые гидролого-гидрогеологические процессы приводят к увеличению за последние 25-30 лет естественных (возобновляемых) ресурсов подземных вод. Статистический анализ полученных величин свидетельствует о их значимом росте: от 15-30 % для водосборов северных рек до 70-100 % для рек южного склона Европейской России;

- рассмотрена степень участия генетических типов природных вод в формировании половодного и паводочного стока в различных ландшафтно-климатических условиях. Данный гидрологический режим стока согласуется с особенностями формирования годового и сезонного стока на малых водосборах в современных климатических условиях. Увеличение зимнего стока обусловлено режимом разгрузки почвенных и подземных вод, которые получают дополнительное питание при частых оттепелях и слабом промерзании зоны аэрации.

Актуальность выполненных исследований постоянно возрастает в связи с сохраняющейся нестационарностью климатических характеристик.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Dzhamalov R.G., Frolova N.L., Kireeva M.B., Rets E.P. Present-day surface and subsurface water resources of European Russia: conditions, use and forecast // IAHS Publ. 2014. 363. P. 215-220.

2. Джамалов Р.Г., Фролова Н.Л., Рец Е.П., Бугров А.А. Особенности формирования современных ресурсов подземных вод Европейской части России // Водные ресурсы. 2015. Т. 42. № 5. С. 457-466.

3. Куделин Б.И. Принципы региональной оценки естественных ресурсов подземных вод. М.: Изд-во МГУ, 1960. 344 с.

4. Калюжный И.Л., Лавров С.А. Основные физические процессы и закономерности формирования зимнего и весеннего стока рек в условиях потепления климата // Гидрология и метеорология. 2012. № 1. С. 68-81.

5. Джамалов Р.Г., Фролова Н.Л., КричевецГ.Н., Сафронова Т.И., КирееваМ.Б., Иго-нина М.И. Формирование современных ресурсов поверхностных и подземных вод Европейской части России // Водные ресурсы. 2012. Т. 39. № 6. С. 571-589.

6. Водные ресурсы России и их использование /под ред. И.А. Шикломанова. СПб.: ГГИ, 2008. 598 с.

7. Джамалов Р.Г., Фролова Н.Л., Киреева М.Б. Современные изменения водного режима рек в бассейне Дона // Водные ресурсы. 2013. Т. 40. № 6. С. 573-584.

8. Калюжный И.Л., Лавров С.А. Гидрофизические процессы на водосборе: Экспериментальные исследования и моделирование. СПб.: Нестор-История, 2012, 616 с.

Водное хозяйство России № 4, 2016 г.

сведения об авторах:

Джамалов Роальд Гамидович, д-р геол.-минерал. наук, профессор, заведующий лабораторией, ФГБУН «Институт водных проблем Российской академии наук», Россия, 119333, Москва, ул. Губкина, 3; e-mail: roald@iwp.ru

Фролова Наталья Леонидовна, д-р геогр. наук, профессор, заведующий кафедрой гидрологии суши, ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова», Россия, Москва, ул. Ленинские горы, 1; e-mail: frolova_ nl@mail.ru

Бугров Антон Алексеевич, младший научный сотрудник, ФГБУН «Институт водных проблем Российской академии наук», Россия, 119333, Москва, ул. Губкина, 3; e-mail: antonbugrov@yandex.ru

Григорьев Вадим Юрьевич, младший научный сотрудник, ФГБУН «Институт водных проблем Российской академии наук», Россия, 119333, Москва, ул. Губкина, 3; e-mail: vadim308g@mail.ru

Киреева Мария Борисовна, канд. геогр. наук, научный сотрудник, ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова», Россия, 119991, Москва, ул. Ленинские горы, 1; e-mail: kireeva_mb@mail.ru

Рец Екатерина Петровна, канд. геогр. наук, научный сотрудник, ФГБУН «Институт водных проблем Российской академии наук», Россия, 119333, Москва, ул. Губкина, 3; e-mail: retska@mail.ru

Сафронова Татьяна Ивановна, ведущий инженер, ФГБУН «Институт водных проблем Российской академии наук» Россия, 119333, Москва, ул. Губкина, 3; e-mail: tisafr@yandex.ru

Телегина Анна Андреевна, младший научный сотрудник, ФГБУН «Институт водных проблем Российской академии наук», Россия, 119333, Москва, ул. Губкина, 3; e-mail: annatelegina29@yandex.ru

Телегина Екатерина Андреевна, младший научный сотрудник, ФГБУН «Институт водных проблем Российской академии наук», Россия, 119333, Москва, ул. Губкина, 3; e-mail: teleginakaterina@gmail.com

Водное хозяйство России № 4, 2016 г.