Реакция горных рек Кавказа на изменения климата

УДК 551.435

О.В. Виноградова1, Н.Н. Виноградова2

РЕАКЦИЯ ГОРНЫХ РЕК КАВКАЗА НА ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА3

В многолетних изменениях стока горных рек Кавказа прослеживается чередование многоводных и маловодных периодов, связанное с циклическими изменениями климата. Существенное увеличение расходов наблюдается в последнее десятилетие и связано с возрастанием количества осадков. Влияние таяния ледников на водность рек неоднозначно по длине реки и проявляется в изменении расходов на небольшом расстоянии от ледника. Изменения климата практически не сказываются на интенсивности горизонтальных деформаций русел горных рек.

Ключевые слова: горные реки, изменения климата, расходы воды, периоды повышенной и пониженной водности, ледники, осадки, температура воздуха, русловые деформации.

Введение. В последнее время в связи с проблемой глобального потепления климата все больший интерес вызывают вопросы, касающиеся состояния водных ресурсов — одного из важнейших компонентов природной среды. При этом в последние десятилетия отмечается увеличение водных ресурсов и изменение внутригодового распределения стока во многих районах европейской части России [7, 8, 10]. Повышение температуры воздуха приводит к усилению интенсивности таяния ледников, что также влияет на водные ресурсы. Однако эти вопросы рассматривались в основном для крупных рек, для небольших горных рек они мало изучены. Поскольку сток рек — один из основных факторов формирования их русел, то актуальны и исследования особенностей деформации русел горных рек в связи с изменениями климата.

Постановка проблемы. Обозначенная проблема включает два взаимосвязанных аспекта. Один из них — исследование вариации водности рек, обусловленной изменениями климата. Непосредственное влияние на водный сток рек таких климатических характеристик, как осадки, рассмотрено еще Н.И. Маккавеевым [9] и М.А. Великановым [1]. В этих работах общие закономерности изменения стока связывают с зональностью климата. В последнее время вопрос о влиянии климата на изменение водности рек привлекает к себе особое внимание. При этом существуют разные точки зрения, связанные с представлениями исследователей о тенденциях изменения климата: носят ли они глобальный, направленный или циклический характер. Оценка влияния температуры воздуха, количества осадков и снегозапасов на многолетние изменения стока для относительно крупных рек (в том числе Кубани и Терека) приведена в монографии "Водные ресурсы России и их использование" [5], где вековые колебания

стока рек связывают с климатическими ритмами, выделенными А.В. Шнитниковым [13, 14], и проанализированы изменения стока рек в зависимости от климатических характеристик в современных условиях. Другие исследователи отмечают направленное увеличение водности рек в связи с глобальным потеплением климата [7]. Дискуссионен и недостаточно изучен вопрос о влиянии таяния ледников на водность горных рек. Общепринято, что в горных реках, имеющих ледниковое питание, в процессе таяния ледника происходит увеличение расходов воды. В случае полной деградации питающего реку ледника водность реки снижается, однако этот вопрос изучен недостаточно.

Другой аспект поставленной проблемы касается влияния изменения климата на русловые процессы в горных реках. Некоторые вопросы зависимости морфологии и морфометрии русел от изменения климата рассмотрены для равнинных рек. Например, в результате исследования интенсивности деформаций русел равнинных рек Удмуртии установлено увеличение скорости плановых смещений русел с возрастанием годового стока рек [11]. Для горных рек такие исследования немногочисленны [3, 12]. Изучение колебания расходов воды в горных реках и особенностей русловых деформаций, связанных с климатическими изменениями, позволяют подойти к прогнозу тенденций вариации их водности и интенсивности деформаций русел, выявить закономерности формирования стока и факторы, влияющие на эти процессы.

К основным задачам исследований относились оценка изменения стока воды в горных реках Кавказа, выявление факторов, определяющих формирование стока горных рек в современных условиях, и анализ характера и интенсивности деформаций русел в зависимости от изменений климата.

1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, научно-исследовательская лаборатория эрозии почв и русловых процессов имени Н.И. Маккавеева, ст. науч. с., канд. геогр. н.; e-mail: o.v.vinogradova@gmail.com

2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, научно-исследовательская лаборатория эрозии почв и русловых процессов имени Н.И. Маккавеева, ст. науч. с., канд. геогр. н.; e-mail: nad-vinogradova@mail.ru

3 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 13-05-00303) и гранта Президента РФ для поддержки ведущих научных школ (проект НШ-79.2012.5).

Материалы и методы исследований. Изменения водности рек изучались на примере горных рек Кавказа. Анализ проводился на основании многолетних данных Роскомгидромета о среднегодовых и среднемесячных расходах воды с помощью разностных интегральных кривых, а также об изменении расходов в течение этих периодов. Расходы воды в реках сопоставлялись с климатическими характеристиками (количеством осадков и температурой воздуха), фиксируемыми на метеорологических станциях (м/с), которые расположены в бассейнах исследуемых рек, и интенсивностью таяния ледников в бассейне р. Баксан, данные о которой представлены в работе Е.А. Золотарева [6].

Для оценки изменения морфологии русел и интенсивности деформаций обобщены результаты многолетних стационарных исследований на тех же горных реках Кавказа.

Результаты исследований и их обсуждение. Изменение водности горньх рек Кавказа. Оценка изменения водности горных рек Кавказа за многолетний период, охватывающий вторую половину ХХ и начало XXI в., проведена для двух групп рек: 1) рек Баксан и Теберда, протекающих на Северном склоне Кавказского хребта и имеющих большую долю ледникового питания (35—45%); 2) рек Бзыбь, Гумиста и Мзымта на Черноморском побережье Кавказа, протекающих практически вне ледниковой зоны (площадь оледенения в последних составляет доли процента). Исследуемые реки Кавказа характеризуются растянутым весенне-летним половодьем, частыми дождевыми паводками, прида-

ющими гидрографу гребенчатый вид. Протяженность рек 50—170 км, уклоны изменяются от 7 до 27%о. Долины рек в верхнем течении глубоко врезаны, ограничены крутыми склонами.

При существенных колебаниях расходов от года к году на реках Северного склона Кавказского хребта (за исключением р. Теберда и верховьев р. Баксан, гидропост (г.п.) Тегенекли) и Черноморского побережья отмечается тренд к их незначительному увеличению в течение всего периода наблюдений (рис. 1). На р. Баксан с 1978 по 2009 г., когда на территории России преобладали положительные аномалии температуры воздуха [5], увеличение среднегодовых расходов воды по сравнению с периодом до 1977 г. было незначительным и составляло 1—4%. На реках Черноморского побережья повышение расходов было существеннее. Средний расход воды р. Мзымта за 1978—2007 гг. возрос по сравнению с предшествующим периодом на 10,1%, рек Бзыбь и Гумиста за 1978—1988 гг. — на 10,6 и 49% соответственно. Однако сопоставимые по масштабу повышения расходов воды отмечались в некоторые периоды и в предыдущие десятилетия (рис. 1), что свидетельствует о повторяемости лет с повышенной водностью.

В результате оценки общей тенденции измене -ния стока рек Кавказа по разностным интегральным кривым среднегодовых расходов воды выделены периоды повышенной и пониженной водности (таблица). Как видно из данных таблицы, наряду с короткими отрезками времени (3—7 лет) выделяются периоды

Периоды различной водности на горных реках

ср

Река — пост Периоды повышенной водности Периоды пониженной водности

годы О ^ср Кср годы Оср Кср

Р. Баксан — с. Тегенекли 1950—1958 11,2 1,12 1959—1988 9,64 0,96

Р. Баксан — г. Тырныауз 1971—1972 26,6 1,07 1973—1978 22,6 0,92

1979—1989 26,1 1,06 1990—1999 21,3 0,87

2000—2007 29,6 1,20 2008—2009 22,3 0,90

Р. Баксан — с. Заюково 1936—1941 35,6 1,04 1932—1935 32,8 0,95

1960—1963 36,2 1,05 1945—1959 32,5 0,94

1977—1990 35,9 1,04 1964—1976 33,6 0,90

2001—2009 39,3 1,14 1991—2000 31,0 0,81

Р. Теберда — пгт Теберда 1948—1972 26,8 1,04 1973—1977 24,0 0,93

1978—1982 29,5 1,14 1983—2003 24,2 0,94

2004—2005 26,4 1,02

Р. Бзыбь — с. Джирхва 1937—1946 117 1,19 1932—1936 86,5 0,89

1963—1968 103 1,05 1947—1962 88,5 0,90

1976—1988 104 1,07 1969—1975 86,1 0,88

Р. Гумиста — с. Ачадара 1976—1987 40,9 1,24 1952—1975 29,4 0,89

Р. Мзымта — с. Казачий Брод 1978—1983 61,1 1,10 1969—1977 51,4 0,93

1987—1989 63,0 1,14 1984—1986 45,8 0,88

2001—2007 66,1 1,20 1990—2000 47,6 0,86

Рис. 1. Изменение среднегодовых расходов воды рек Кавказа: 1 — р. Баксан, г.п. Заюково; 2 — р. Теберда, г.п. Теберда; 3 — р. Бзыбь,

г.п. Джирхва; 4 — р. Мзымта, г.п. Казачий Брод

продолжительностью в среднем 9—15 лет. В течение указанных периодов отмечаются отдельные годы с колебаниями стока в сторону его повышения или понижения, но они в целом не нарушают общего характера изменения водности. С конца 70-х гг. XX в. повышенной водностью отличаются периоды 1977—1990 и 2001—2009 гг., а пониженной — 1964—1976 и 1990— 2000 гг. Эти периоды с тем или иным разбросом совпадают по времени с аналогичными периодами для рек Северного склона и Черноморского побережья Кавказа, что свидетельствует о синхронности изменения расходов для обеих групп рек. Неоднократная смена этих периодов позволяет говорить об общей цикличности изменения водности исследуемых рек.

Наиболее показательны для характеристики стока его сезонные изменения, которые характеризуются трендом к повышению расходов во все сезоны при изменении внутригодового распределения. На исследуемых реках, как и на многих реках России [7], за период с 1978 г. отмечается незначительное уменьшение доли летнего стока (на 0,9—2,5%) и увеличение осенне-зимнего и весеннего (на 0,4—1,9%), что связано, скорее всего, с повышением доли количества зимних осадков и подземных вод в формировании стока. Что касается значений расходов воды в разные сезоны, то их изменения за сопоставляемые периоды были больше. Так, расходы воды р. Баксан в летний период возросли на 2,7—3,6%, в осенне-зимний период — на 5,9—7,3, в весенний — на 11,7—12,4%. Более существенные изменения стока по сезонам наблюдаются на реках Черноморского побережья Кавказа. На р. Бзыбь расходы воды в весенне-летний период увеличились на 12,5%, в осенний и зимний периоды — на 29,6 и 21,0% соответственно. Следует отметить, что периоды разной водности, выделяемые по интегральным кривым сезонного стока, в общих чертах совпадают с периодами, выделенными по интегральным кривым среднегодового стока. Этот факт еще раз подтверждает наличие общих циклических изменений в формировании стока рек, которые определяются планетарными климатическими изменениями.

Для выявления факторов, определяющих периоды разной водности, их изменения сопоставляли с колебаниями климатических характеристик (годового количества осадков и среднегодовой температуры воздуха) и интенсивностью таяния ледников. На ряде метеостанций, расположенных в бассейнах исследуемых рек, наблюдения за температурой воздуха охватывают столетний период (с 1889 по 1989 г.). В течение даже такого продолжительного периода среднегодовая температура испытывала незначительные изменения с мало выраженной тенденцией к повышению. По интегральным кривым значений среднегодовой температуры воздуха в бассейнах рек обеих групп отмечается одновременность в чередовании периодов с повышенными и пониженными значениями температуры. Однако эти периоды по времени не совпадают с периодами повышенной и пониженной водности и часто асинхронны ей. Таким образом, повышение температур воздуха не является фактором, непосредственно определяющим водность рек. Что касается осадков, то начиная с 2000 г. на большинстве метеостанций отмечена четко выраженная тенденция к увеличению их годового количества. В изменении годовых сумм осадков, так же как и для среднегодовых расходов, выделяются периоды с их повышенными и пониженными значениями, практически совпадающими по времени с колебаниями расходов (рис. 2). Это свидетельствует о значительной роли осадков в формировании стока рек. Как и для расходов, продолжительность периодов повышенного и пониженного количества осадков не превышает 15 лет и образует закономерно чередующиеся циклы. Учитывая, что последний цикл повышения количества осадков и расходов начался в 2000 г., вполне возможно предположить изменение положительного тренда этих показателей на отрицательный в течение ближайших десятилетий.

Изменения расходов воды на реках Северного склона Кавказа сопоставлены с интенсивностью таяния ледника Большой Азау в бассейне р. Баксан [6]. Большой Азау, с которого берет начало р. Баксан, — в настоящее время наиболее активно отступающий

1Ж-1

1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

Годы

Рис. 2. Интегральные кривые среднегодовых расходов воды и годовых сумм осадков: расходы воды: 1 — р. Баксан, г.п. Заюково; 2 — р. Бзыбь, г.п. Джирхва; годовые суммы осадков: 3 — м/с Тырскол; 4 — м/с Гагра

ледник. За 150 лет он отступил на 3000 м, т.е. средняя скорость его отступания составляет 20 м/год. В 1997— 2007 гг. наблюдается увеличение темпа деградации ледника. По результатам наблюдений отступание ледника Большой Азау происходило неравномерно [6]. Установлены два периода его стационарного состояния и некоторого продвижения, т.е. снижения интенсивности таяния — 1910—1920 и 1973—1980 гг. Исследования показали, что влияние таяния ледника на сток реки проявляется неоднозначно по ее длине. В верховьях р. Баксан, в 11 км от истока (г.п. Тегенекли), наблюдается синхронность уменьшения водности с периодом стационирования ледника. Ниже по течению (г.п. Тырныауз, в 45 км от истока и г.п. Заюково, в 90 км от истока), несмотря на интенсивное таяние ледника, в последние десятилетия водность р. Баксан увеличилась незначительно, хотя на этом участке в него впадают небольшие притоки, некоторые из которых берут начало в ледниках. Наибольшее увеличение водности за многолетний период наблюдалось в основном в осенние и зимние месяцы, в течение которых таяние ледника отсутствует. Периоды стационирования и продвижения ледника с некоторым сдвигом совпадают с периодами повышенных расходов на р. Баксан (г.п. Тырныауз, 1979—1989; г.п. Заюково, 1977—1990). Таким образом, зависимость изменения расходов воды от интенсивности таяния ледника проявляется только в верховьях реки, в непосредственной близости от питающего ее ледника.

Влияние изменений климата на морфологию русел и интенсивность их деформаций. Изменения климата влияют на вариабельность одного из главных факторов руслоформирования — стока воды, который в свою очередь определяет интенсивность деформаций русел. Опосредованное влияние климата на морфологию русел и интенсивность деформаций оценено на основании результатов почти 30 лет стационарных наблюдений (1963—1990) за деформациями русловых форм и слагающими их наносами на р. Бзыбь на участках с разными типами русел [12] и 10 лет полевых

исследований, проведенных на р. Баксан и ее притоках [3]. Несмотря на существенные различия характеристик гидрологического режима (расходы воды и наносов, число и интенсивность паводков и т.п.) и количества осадков (общее, число дождей и ливней и т.п.) в разные периоды наблюдений, изменения морфодина-мического типа русел как на реках Северного склона Кавказа, так и на Черноморском побережье не происходили.

На р. Бзыбь в течение всего периода наблюдений за динамикой русловых форм для горного и полугорного типа русел, характерного для горных участков рек, положение побочней и осередков было практически стабильным [2]. Отмечались лишь небольшие горизонтальные деформации побочней и осередков за счет размыва и аккумуляции наносов по их внешнему краю в приурезовой полосе. На Северном склоне Кавказа горные реки в межселевой период также характеризуются небольшой скоростью горизонтальных деформаций русел, несмотря на большие уклон и скорость течения. Формы, создаваемые селевым паводком, водный поток с расходом 5—50 м3/с "преобразовать" не может, он только приспосабливается к ним, несколько моделируя их, ограничивает русловые деформации и валунно-галечный состав руслоформи-рующих наносов.

Более заметны в межселевой период вертикальные деформации русел. На р. Баксан в 2003—2008 гг. врезание составляло от 30 до 120 см. При этом амплитуда врезания увеличивается еще и за счет одновременного накопления материала на русловых формах [3]. Таким образом, русловые формы горных рек характеризуются высокой степенью устойчивости. Стабильность русловых форм обусловлена их формированием в условиях жесткого каркаса скального ложа, образующегося при врезании рек в коренные породы [4]. По-бочни и осередки в горных реках служат ареной транспортировки наносов, которая осуществляется путем обмена между наносами, переносимыми в русле и слагающими русловые формы. Сами же русловые формы

оставались стабильными благодаря цокольным основаниям.

Выводы:

— в условиях современного потепления климата отмечается незначительное увеличение водности горных рек Кавказа; в изменении водности горных рек выявлена периодическая смена периодов повышенных и пониженных расходов воды, связанная с циклическими изменениями климата;

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Великанов М.А. Русловой процесс. М.: Госфизматиз-дат, 1958. 395 с.

2. Виноградова Н.Н. О роли побочней и осередков в транспорте наносов горных рек // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 1987. № 6. С. 98—102.

3. Виноградова Н.Н., Крыленко И.В., Сурков В.В., Тар-беева А.М. Ледниковые реки Приэльбрусья — условия рус-лоформирования и взаимосвязь морфодинамики долин и русел // Эрозия почв и русловые процессы. Вып. 17. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2008. С. 96—115.

4. Виноградова О.В., Хмелева Н.В. Русловые процессы и формирование аллювиальных россыпей золота. М.: Изд-во Моск. ун-та, 2009. 170 с.

5. Водные ресурсы России и их использование / Под ред. И.А Шикломанова. СПб.: ГГИ, 2008. 498 с.

6. Золотарев Е.А. Эволюция оледенения Эльбруса. М.: Научный мир, 2009. 238 с.

7. Кислов А.В., Евстигнеев В.М., Малхазова С.М. и др. Прогноз климатической ресурсообеспеченности ВосточноЕвропейской равнины в условиях потепления XXI века. М.: МАКС Пресс, 2008. 287 с.

— изменение водности определяется в большей степени изменением количества осадков и мало зависит от колебаний температуры воздуха;

— влияние таяния ледника на расходы воды проявляется в непосредственной близости от ледника;

— в отличие от равнинных рек, где изменения климата отражаются на интенсивности горизонтальных деформаций, в горных реках горизонтальные деформации носят весьма ограниченный характер.

8. Лурье П.М. Водные ресурсы и водный баланс Кавказа. СПб.: Гидрометеоиздат, 2002. 506 с

9. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. М.: Изд-во АН СССР, 1955. 354 с.

10. Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Т. 2. М.: Росгидромет, 2008.

11. Рысин И.И., Петухова Л.Н. Русловые процессы на реках Удмуртии. Ижевск: Ассоциация "Научная книга", 2006. 176 с.

12. Хмелева Н.В., Виноградова Н.Н. и др. Бассейн горной реки и экзогенные процессы в его пределах. М.: Изд-во Моск ун-та, 2000. 186 с.

13. Шнитников А.В. Изменчивость общей увлажненности материков Северного полушария // Зап. ГО СССР. 1957. Т. 16. С. 1—336.

14. Шнитников А.В. Внутривековая изменчивость компонентов общей увлажненности. Л.: Наука, 1969. 244 с.

Поступила в редакцию 12.11.2012

O.V. Vinogradova, N.N. Vinogradova RESPONSE OF CAUCASIAN RIVERS TO CLIMATE CHANGES

The long-term dynamics of Caucasian rivers discharge shows the alternation of high-water and low-water periods resulting from the cyclic climate changes. A considerable increase of discharge during the recent decade results from the higher precipitation. The effect of glacier melting on river flow is not uniform along the river course and manifests itself within a small distance from the glacier. Climate changes have practically no impact on the intensity of lateral deformations of mountain river channels.

Key words: mountain rivers, climate changes, water discharge, high-water and low-water periods, glaciers, precipitation, air temperature, channel deformations.