Репрезентативность модельного бассейна Р. Касмалы для сравнительных ландшафтно-гидрологических исследований на Приобском плато

УДК 556.51:911.52

Д.В. Золотов, Д.В. Черных

Репрезентативность модельного бассейна р. Касмалы для сравнительных ландшафтно-гидрологических исследований на Приобском плато

D.V. Zolotov, D.V. Chernykh

The resentativeness of the Kasmala River Model Watershed for Comparative Landscape-Hydrological Studies at the Ob Plateau

Показано, что бассейн р. Касмалы, сочетая в своей структуре основные геолого-геоморфологические элементы Приобского плато (Алтайский край) и располагаясь в подзоне южной лесостепи, может служить ландшафтно-гидрологической моделью для всех рек плато, наследующих ложбины древнего стока. При сравнении среднемесячных расходов воды и годовых гидрографов в 1942, 1945-1959 гг., площади и зонального положения бассейнов четырех рек (Барнаулка, Касмала, Кулунда, Бурла) выяснилось, что подавляющая часть речного стока Приобского плато формируется в его лесостепной части. В степной части плато осадки расходуются на испарение и питание грунтовых вод, поэтому степные фрагменты бассейнов практически не увеличивают годовой объем стока. Вследствие этого результаты изучения стока модельного бассейна в южной лесостепи могут быть экстраполированы на Приобское плато. Выявлено, что характер годового гидрографа стока рек плато зависит в первую очередь от соотношения в их бассейнах увалов и днищ ложбин древнего стока. Чем выше доля увалов, тем выше паводок и ниже расходы межени, а также повышается вероятность второго небольшого пика расходов в октябре - ноябре.

Ключевые слова: речной сток, годовой гидрограф, модельный водосборный бассейн, Приобское плато.

DOI 10.14258/izvasu(2014)3.1-24

The Kasmala River watershed is situated in the southern forest-steppe subzone of the Ob Plateau (Altai Krai) and combines in its own structure the main geological-geomorphological elements of that territory. It is shown that this watershed can serve as a landscape-hydrological model for all plateau’s rivers inheriting an ancient flow valleys. When comparing average monthly water discharge and annual hydrographs in 1942, 1945-1959, the area and zonal position of four river watersheds (Barnaulka, Kasmala, Kulunda, Burla) it became clear that the most part of the Ob Plateau river runoff is formed in its forest-steppe part. In the plateau steppe part precipitation is spent for evaporation and partly replenishment of ground waters therefore steppe fragments of the watersheds practically do not increase the annual runoff volume. Thus the study results of the model watershed runoff in the southern forest-steppe can be extrapolated to the Ob Plateau. It is revealed that the type of an annual hydrograph of the plateau rivers runoff depends mainly on a ratio of ridges and the ancient flow valley bottom in their watersheds. The higher the ridges share is the higher spring flood and lower low water are. Furthermore, the probability of the second small peak of discharge in October - November increases.

Key words: river runoff, annual hydrograph, model watershed, the Ob Plateau.

Введение. Бассейны рек Приобского плато, за исключением транзитной р. Алей, весьма сходны в гидрографическом и ландшафтном отношениях: а) по зональным условиям; б) по режимам природопользования; в) современные долины рек заложены по днищам ложбин древнего стока (ЛДС), ориентированным в юго-западном направлении. «Основной признак подобия рек — сходство ландшафтных условий формирования их поверхностного стока» [1, с. 532]. Основное отличие рек Приобского плато в том, что одни (Бурла, Кулунда) наследуют течение древних потоков, а другие (Касмала, Барнаулка) имеют про-

тивоположное северо-восточное направление, впадая в р. Обь.

Кроме этого, каждый из рассматриваемых бассейнов имеет ряд структурных особенностей. Бурла и Кулунда начинаются в подзоне южной лесостепи и последовательно пересекают несколько подзон степной зоны — умеренно-засушливо-степную, засушливо-степную и сухо-степную, т.е. их верховья находятся в районах с большим увлажнением, чем низовья. При этом Кулунда в верховьях протекает в пределах Верхне-Кулундинской ЛДС, а в низовьях — в пределах Нижне-Кулундинской ЛДС, рассекая разделяющий их увал.

Впадающие в р. Обь Барнаулка и Касмала характеризуются тем, что в направлении к их низовьям атмосферное увлажнение увеличивается [2]. Однако при близкой протяженности вмещающих их ЛДС реки сильно различаются по длине и площади бассейна, поскольку бассейн р. Барнаулки полностью охватывает Барнаульскую ЛДС, а бассейн р. Касмалы — только северо-восточную часть Кас малинской ЛДС, тогда как юго-западная ее часть относится к бассейну оз. Горького, в пределах которого протекает другая р. Касмала, имеющая противоположное направление стока. В результате бассейн р. Барнаулки является зонально неоднородным: река, беря начало в подзоне засушливой степи, пересекает подзону умеренно-засушливой степи и впадает в р. Обь в южной лесостепи. Бассейн р. Касмалы целиком расположен в подзоне южной лесостепи.

Модельный участок бассейна р. Касмалы до с. Ро-гозихи, где расположен гидропост, полностью находится в центральной части подзоны южной лесостепи, т.е. примерно на равном удалении от границ смежных подзон. Таким образом, он является репрезентативным для всей южной лесостепи Приобского плато, а величину стока с единицы его площади можно примерно принять таковой для лесостепных частей бассейнов Барнаулки, Кулунды и Бурлы. Исходя из этой особенности была сформулирована первая задача исследования: выявить вклад в общий сток рассматриваемых бассейнов их частей, расположенных в различных подзонах.

На всех четырех реках имеются гидропосты с различными рядами наблюдений: на р. Барнаулке в г. Барнауле — в 1942, 1945-1959 гг.; на р. Касмале в с. Рогозихе — с 1940 г.; на р. Кулунде в с. Шимолино — с 1935 г.; на р. Бурле в с. Хабары — с 1932 г. Используем для сравнения данные по среднемесячным расходам воды (база данных ИВЭП СО РАН) для периода наблюдений на р. Барнаулке.

Для решения первой задачи удобно сравнить Касмалу и Барнаулку, имеющие одинаковое направ-

Из таблицы 1 следует, что наиболее сильная связь коэффициента корреляции Пирсона и средних расхо-

ление течения и гидропосты, расположенные в южной лесостепи. Однако в этих бассейнах наблюдается различное соотношение площадей, занятых увалами и днищами ЛДС. Для бассейна Касмалы характерна большая ширина увалов, в то время как днища ЛДС с ленточными борами примерно одинаковы по ширине в обоих бассейнах. Так, ширина модельного бассейна Касмалы составляет 28,7-32,2 км, а днища Касмалинской ЛДС — 6,5-6,7 км, тогда как для бассейна Барнаулки на смежном участке эти показатели составляют 24,7-26,0 и 6,2-6,9 км соответственно. Отношение днища ЛДС к увалам в бассейне Касмалы 1 : (3,3-4,0), а в бассейне Барнаулки 1 : (2,8-3,0). В результате была сформулирована вторая задача: выявить зависимость между характером годового гидрографа стока рек Приобского плато и соотношением в их бассейнах увалов и днищ ЛДС.

Результаты. В сводке «Ресурсы поверхностных вод СССР» [3] указывается, что бассейн Барнаулки имеет площадь 5690 км2, а гидропост был расположен в 2 км от устья. По нашим данным [4], площадь бассейна Барнаулки — 5862,6 км2, а его часть ниже гидропоста — 4,7 км2. Таким образом, водосбор выше гидропоста — 5857,9 км2. Эти расчеты произведены на базе ландшафтной карты бассейна р. Барнаулки (рабочий масштаб 1 : 100000). Согласно [3] площадь бассейна Касмалы до гидропоста — 1650 км2, он расположен в 48 км от устья. По нашим расчетам, по топокартам масштаба 1 : 25000 и космоснимкам, площадь этого бассейна до гидропоста составляет 1768,5 км2.

Проведем корреляционный анализ величин средних расходов рек Касмалы и Барнаулки на основе коэффициента Пирсона. В данном случае мы рассматриваем календарные, а не гидрологические или балансовые годы, так как иначе период уменьшится на два года, что существенно для выборки из 16 лет. Поскольку реки смежные и сходные по природным условиям, то и колебания расходов должны быть синхронными (табл. 1).

дов стока наблюдается для апреля, мая и июня. Еще более высокая корреляция наблюдается для средних

Таблица 1

Коэффициенты корреляции Пирсона ^) для средних расходов (2, м3/с) рек Барнаулки и Касмалы

в 1942, 1945-1959 гг. по месяцам

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII XI-ПI VII-X год

Я 0,37 0,48 0,45 0,85 0,72 0,78 0,59 0,55 0,10 0,30 0,43 0,18 0,20 0,90 0,53 0,85

Єб 0,79 0,80 1,26 18,59 8,49 3,96 2,42 2,19 1,76 1,75 1,59 0,88 1,06 10,35 2,03 3,71

Єк 0,19 0,17 0,61 16,66 5,25 1,42 0,68 0,48 0,38 0,71 0,80 0,33 0,42 7,77 0,56 2,31

Єб/Єк 4,16 4,71 2,07 1,12 1,62 2,79 3,56 4,56 4,63 2,46 1,99 2,67 2,52 1,33 3,63 1,61

Примечание. Полужирным шрифтом выделены значения R выше критических при р < 0,05; 2Б — средние расходы р. Барнаулки; 2К — средние расходы р. Касмалы.

расходов трех этих месяцев, которые можно считать временем паводка. На рисунке 1 видно, что пик паводка приходится на апрель, а затем расходы резко падают, но и в июне они в несколько раз превышают

меженные, т.е. вполне правомерно рассматривать его как конец паводка. Таким образом, паводком можно считать апрель - июнь, летне-осенней меженью — июль - октябрь, зимней меженью — ноябрь - март.

месяцы

Рис. 1. Среднемесячные расходы воды в реках Барнаулке и Касмале в 1942, 1945-1959 гг.

Интересно сравнение гидрографов Барнаулки и Касмалы (рис. 1, табл. 1, 2), как среднегодового, так и по отдельным годам. Годовые гидрографы этих рек по среднемесячным значениям за период 1942, 1945-1959 гг. коррелируют чрезвычай-

но высоко. Все они значимы при р < 0,05, а при р < 0,0005 исключение составляет только 1942 г. Таким образом, можно констатировать, что годовые гидрографы сравниваемых рек почти идентичны.

Таблица 2

Коэффициенты корреляции Пирсона (Я) для годовых гидрографов расходов рек Барнаулки и Касмалы в 1942, 1945-1959 гг., средние расходы за паводок (апрель - июнь) и год

Год R Средние расходы за апрель - июнь, м3/с Среднегодовые расходы, м3/с

р. Барнаулка р. Касмала р. Барнаулка р. Касмала

1942 0,78 7,86 5,98 3,91 2,10

1945 0,90 6,88 2,68 2,45 0,84

1946 0,88 5,74 5,96 2,06 1,93

1947 0,97 11,61 11,17 4,16 3,40

1948 0,96 13,09 10,78 4,63 3,18

1949 1,00 13,88 11,06 4,53 2,99

1950 0,96 17,53 11,55 5,89 3,16

1951 0,99 8,15 7,11 2,87 1,94

1952 0,90 3,01 2,56 1,25 0,78

1953 1,00 6,98 5,60 2,37 1,74

1954 0,99 12,45 10,28 4,29 3,07

1955 0,86 12,58 9,03 4,23 2,49

1956 0,94 5,10 4,28 2,19 1,48

1957 1,00 12,21 9,30 3,93 2,70

1958 0,98 19,11 14,01 6,81 3,91

1959 0,96 9,35 3,05 3,71 1,16

Среднее 0,99 10,35 7,77 3,71 2,31

Тем не менее следует указать на крайне важное отличие: меженные расходы Касмалы, как зимние, так и летне-осенние, значительно ниже, чем Барнаулки, тогда как в пик паводка (апрель) они близки (см. табл. 1). Во время зимней межени, когда поверхностный сток с водосбора отсутствует, а питание рек осуществляется грунтовыми водами, расходы Барнаулки значительно выше за счет большей площади ее бассейна и большей доли в нем песчаного днища ЛДС. Кроме того, в верховьях Барнаулки больше крупных озер, которые поддерживают как поверхностный, так и подземный сток. Эти причины обеспечивают более высокие расходы Барнаулки и в летне-осеннюю межень, когда они падают после паводка медленнее, чем расходы Касмалы. Бассейн Барнаулки как более инерционная система собирает воду в болотах и озерах, а затем постепенно отдает ее. Расходы Касмалы в этот период снижаются более стремительно, так как в ее бассейне меньше «резервуары» для хранения воды.

В паводок, наоборот, расходы рек почти совпадают. Это объясняется большей долей водоразделов в бассейне Касмалы, которые быстро отдают воду в паводок, превосходя аккумулятивные возможности днища, но значительно меньше питают реку в межень.

Другое важнейшее отличие заключается в том, что гидрограф Барнаулки — это классическая линия истощения после паводка до нового паводка, тогда как на гидрографе Касмалы наблюдается второй небольшой пик в октябре - ноябре. Он обусловлен повышением увлажнения прежде всего в силу снижения испарения за счет падения температур. Кроме того, в рассматриваемый период по метеостанции Ребриха, расположенной в бассейне Касмалы, наблюдается большее количество осадков в октябре (48,6 мм), чем

в сентябре (35,6 мм). В ноябре расходы Касмалы еще немного повышаются, хотя в этом месяце прекращается поверхностный сток с водосбора, что связано с добеганием грунтовых вод от осенних осадков. В декабре расходы вновь снижаются и далее падают до февраля, а в марте несколько повышаются за счет начала снеготаяния.

Проанализируем слой стока сравниваемых бассейнов. Исходя из среднегодовых значений за рассматриваемый период слой стока бассейна Касмалы — 41,0 мм, а бассейна Барнаулки — 19,9 мм, т.е. более чем в два раза меньше при условии, что он принимается одинаковым по всему бассейну. Однако бассейн р. Барнаулки зонально неоднороден, и в степной его части меньше как осадки, так и сток.

Ранее нами установлено [4], что засушливо-степная часть бассейна Барнаулки имеет площадь 1724,4 км2, умеренно-засушливо-степная — 1219,1 км2, южно-лесостепная — 2919,1 км2. За вычетом территории, находящейся ниже гидропоста, южно-лесостепная часть имеет площадь 2914,4 км2.

Из таблицы 3 следует, что весь годовой сток р. Барнаулки может стекать с площади, меньшей, чем его лесостепная часть. Таким образом, вся или подавляющая часть годового стока реки формируется в лесостепи, тогда как в степной части все осадки расходуются на испарение и пополнение подземных вод. Наименьшая площадь расчетного бассейна Барнаулки необходима для расходов паводка, а наибольшая — для межени, во время которой расчетный бассейн может даже превышать реальный. Другими словами, во-первых, регулирующее влияние степной части бассейна р. Барнаулки проявляется в основном во время межени. Во-вторых, явно имеет место перераспределение стока во времени.

Таблица 3

Средние расходы рек Касмалы и Барнаулки, расчетная площадь бассейна Барнаулки при условии, что он является полным аналогом бассейна Касмалы в южной лесостепи Приобского плато

Среднии расход, м3/с Бассейны рек

р. Касмала, 1768,5 км2 р. Барнаулка, 5857,9 км2 расчетный р. Барнаулка, км2

Год 2,31 3,71 2840,3

Паводок 7,77 10,35 2355,7

Апрель 16,66 18,59 1973,4

Зимняя межень 0,42 1,06 4463,4

Январь - февраль 0,18 0,80 7860,0

Летне-осенняя межень 0,56 2,03 6410,8

Август - сентябрь 0,43 1,98 8143,3

В таблице 4 и на рисунке 2 приводятся соотноше- в апреле относительный объем стока р. Касмалы прения значений стока рек Барнаулки и Касмалы. Только восходит таковой р. Барнаулки, в мае они примерно

равны, а в остальные месяцы соотношение обратное. нению с р. Касмалой задерживается в озерах и болотах

В паводок 14,5% годового стока р. Барнаулки по срав- ЛДС и медленно расходуется в остальную часть года.

Таблица 4

Соотношение среднего объема стока рек Барнаулки и Касмалы в 1942, 1945-1959 гг. по месяцам года, нормированного к 100%

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII XI-IП VП-X год

W Б 1,8 1,7 2,9 41,3 19,5 8,8 5,5 5,0 3,9 4,0 3,5 2,0 11,9 69,6 18,5 100,0

К 0,7 0,6 2,2 59,7 19,4 5,1 2,5 1,8 1,4 2,6 2,9 1,2 7,6 84,1 8,3 100,0

2,6 3,0 1,3 0,7 1,0 1,7 2,2 2,9 2,9 1,5 1,2 1,6 1,6 0,8 2,2 1,0

Рис. 2. Соотношения среднего объема стока рек Барнаулки и Касмалы, нормированного к 100%, по месяцам

Из таблицы 5 видно, что в бассейне Барнаулки морфных (на 4,3%) и зонально-водораздельных (на

доля днища ЛДС (псаммофильные и современно- 1,6%). Именно большая доля днища ЛДС обеспечи-

долинные ландшафты) на 5,9% больше, чем в бас- вает р. Барнаулке более низкий относительный паво-

сейне Касмалы, где, наоборот, больше галогидро- док и более равномерный сток в течение года.

Соотношение родов ландшафтов в бассейнах рек Касмалы и Барнаулки

Таблица 5

Роды ландшафтов Бассейн р. Касмалы Лесостепная часть бассейна р. Барнаулки

км2 % км2 %

А — зонально-водораздельные (легкие и средние суглинки) 1137,3 64,3 1830,6 62,7

В — галогидроморфные (супеси) 255,4 14,4 296,0 10,1

C+D — псаммофильные и современно-долинные (пески) 375,7 21,2 792,5 27,1

Всего 1768,5 100,0 2919,1 100,0

В сводке «Ресурсы поверхностных вод СССР» [3] указывается также, что при одинаковой лесистости (20%) бассейнов Барнаулки и Касмалы первый сильнее заболочен (10% против <5%) и заозёрен (4% против <1%). Кроме того, у р. Барнаулки меньше средний (0,43 против 0,79) и средневзвешенный (0,35 против 0,82) уклоны. Однако эти данные характеризуют весь бассейн, тогда как вся или подавляющая часть стока формируется в его лесостепной части, где приведенные соотношения выполняются, но различие не столь резкое.

Предполагая, что и в бассейнах Кулунды и Бурлы подавляющая часть стока формируется в лесостепной части их бассейнов, сравним коэффициенты корреляции Пирсона для среднегодовых расходов воды (табл. 6). Все связи статистически значимы и достоверны. В общем, чем дальше расположены реки, тем меньше между ними корреляция.

Связь рек Барнаулки, Касмалы и Кулунды достоверна при исчезающе малой вероятности ошибки (р < 0,0005), а наиболее низкая корреляция между расходами рек Барнаулки и Бурлы значима при

р < 0,01. У Касмалы связь с Бурлой более сильная (р < 0,005). В целом бассейн р. Касмалы при значительно меньших, чем у других сравниваемых бассейнов размерах, имеет значимую и достаточно высокую корреляцию со всеми ими, а следовательно, являет-

ся бассейном-аналогом для них. Таким образом, бассейн р. Касмалы — репрезентативный и компактный модельный объект для изучения ландшафтно-гидрологических процессов более крупной вмещающей территории.

Таблица 6

Kоэффициенты корреляции Пирсона для среднегодовых расходов рек в 1942, 1945-1959 гг.

р. Барнаулка р. ^смала р. Еулунда р. Бурла

р. Барнаулка 1,0000

р. ^смала 0,8541 1,0000

р. ^лунда 0,849б 0,82бб 1,0000

р. Бурла 0,б127 0,б529 0,8770 1,0000

Следует отметить, что пары смежных рек, текущих в одном направлении, имеют наиболее высокие коэффициенты корреляции (Кулунда и Бурла, Касмала и Барнаулка). Причем в каждой паре один бассейн полностью (р. Касмала) или почти полностью (р. Бурла) расположен в лесостепи, тогда как второй — в степи и лесостепи (р. Барнаулка и р. Кулунда). Это еще раз подтверждает тот факт, что сток рек Приобского плато формируется в южной лесостепи.

Любопытно, что связь р. Барнаулки с р. Кулундой несколько сильнее, чем таковая последней и смежной с ней р. Касмалой. Более высокая корреляция расходов первых двух рек, несмотря на противоположность направления их течения, вероятно, обусловлена

сходством зонального строения их бассейнов — наличием сопоставимых по площади степной и лесостепной частей.

Выводы

1. Подавляющая часть стока рек Приобского плато формируется в лесостепной его части, поэтому результаты изучения модельного бассейна р. Касмалы в ее пределах могут быть экстраполированы на все бассейны Приобского плато.

2. Характер годового гидрографа стока рек Приобского плато зависит в первую очередь от соотношения в их бассейнах основных геолого-геомор-фологических элементов этой территории — увалов и днищ ЛДС.

Библиографический список

1. Алексеевский Н.И., Косицкий А.Г., Носань В.В., Христофоров А.В. Подобие рек и их систем // Водные ресурсы. — 2013. — Т. 40, № 6.

2. Золотов Д.В., Николаева О.П., Черных Д.В. Динамика атмосферного увлажнения западной части Алтайского края как характеристика климато-гидрологи-ческого фона // Известия Алт. гос. ун-та. — 2012. — № 3/1 (75).

3. Ресурсы поверхностных вод СССР. Основные гидрологические характеристики (за 19б3-1970 гг. и весь период наблюдений). — Т. 15. Алтай, Западная Сибирь и Северный ^захстан, Вып. 1 : Верхняя и Средняя Обь / под ред. Е.П. Шурупа. — Л., 1975.

4. Черных Д.В., Золотов Д.В. Пространственная организация ландшафтов бассейна реки Барнаулки / отв. ред. И.Н. Ротанова. — Новосибирск, 2011.