Оценка изменчивости элементов водного баланса половодья и межени бассейна реки Волги

Гидравлика, гидрология, водные ресурсы

УДК 502/504.064.2

Г. Х. ИСМАЙЫЛОВ, Н. В. МУРАЩЕНКОВА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»

ОЦЕНКА ИЗМЕНЧИВОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ВОДНОГО БАЛАНСА ПОЛОВОДЬЯ И МЕЖЕНИ БАССЕЙНА РЕКИ ВОЛГИ*

Приведены результаты анализа и оценки изменчивости элементов водного баланса за периоды весеннего половодья и межени по 11 частным водосборам и в целом по бассейну реки Волги. В бассейне Волги выделены четыре водохозяйственных района по условиям стационарности основных статистических параметров элементов водного баланса, а также их внутрирядной и межрядной связи. Рассматривается динамика изменчивости элементов водного баланса реки Волги в пространстве и во времени. Получены уравнения связи, определяющие значения речного стока за периоды половодья и межени от определяющих их климатических факторов.

Элементы водного баланса, бассейн реки Волги, межгодовая изменчивость, половодье, межень, климат, автокорреляционная функция.

The results of the analysis and assessment of changeability of water balance elements for the periods of spring high water and low water on 11 private reservoirs and in whole on the Volga river basin are given. In the Volga river basin four water-economic areas are singled out according to the conditions of stability of basic statistical parameters of water balance elements and also their inner and inter series connection. There is also considered a dynamics of variability of elements of water balance of the river Volga in space and in time. The equations of relationship are received which determine values of the river flow for the periods of high and low water depending on climatic factors.

Elements of water balance, the Volga river basin, interannual changeability, high water, low water, climate, autocorrelation function.

Формирование элементов водного ба- азональными факторами и ландшафтной ланса (ЭВБ) в бассейнах как крупных, так структурой бассейна. Речной бассейн рас-и малых рек в естественных условиях про- сматривается как совокупность различных исходит во взаимодействии климатиче- естественных и антропогено-измененных ских и остальных физико-географических ландшафтов, каждый из которых вно-(ландшафтных) факторов. Климатическая сит свой качественный и количественный зональность в общем случае определяет вклад в формирование ЭВБ. При различных тип водного режима территории речного режимах увлажнения и антропогенных на-бассейна, но изменение режима в много- грузок на ландшафт происходит перестрой-

летнем разрезе, по генетическим фазам, по ка структуры водного баланса территории.

условиям формирования и амплитуде коле- В свою очередь, зак°н°мерн°е сочетание

баний ЭВБ зависит во многом от внутризо- ландшафтных комплексов определяет об-

нальной дифференциации, обусловленной щий характер влаг°°борота в бассейне.

__Пространственную изменчивость ЭВБ

* Работа выполнена при финансовой поддержке можно рассматривать в разных аспектах:

РФФИ (проект № 12-05-00193а). как изменчивость отдельных характери-

(64

№ 3' 2012

стик ЭВБ (их статистических параметров, годовых, сезонных, месячных значений и т.д.) по территории бассейна; изменчивость тех же характеристик в зависимости от локальных особенностей климата, от отдельных элементов ландшафта, от степени антропогенных нагрузок в различных частях бассейна. Количественные характеристики изменчивости ЭВБ за многолетний период рассмотрены в двух аспектах: интегральные, отражающие суммарную изменчивость временных рядов ЭВБ, и динамические, отражающие колебания ЭВБ за конкретный отрезок времени.

Различное сочетание климатических и неклиматических факторов, включая и антропогенные, и определяет многообразие реакции речных водосборов на одни и те же осадки. Поэтому при рассмотрении пространственной изменчивости ЭВБ в первую очередь выделяются районы,однородные по структуре водного баланса (ВБ) и многолетней динамике его элементов. Формальной основой такого районирования может служить матрица взаимной корреляции временных рядов ЭВБ принятых к рассмотрению частных водосборов.

Для выделенных районов, однородных по структуре ВБ и динамике его элементов, затем осуществляется поиск наиболее значимых зависимостей характеристик ЭВБ от определяющих их природно-хозяйственных факторов. Параметры таких зависимостей отражают специфику природно-

хозяйственных условий отдельных регионов и, в свою очередь, могут быть поставлены в зависимость от тех или иных интегральных факторов, демонстрирующих данную специфику. Это открывает возможность

оценки изменения параметров районных зависимостей ЭВБ от определяющих их факторов для различных сценариев возможных изменений данных факторов в будущем и, как следствие, изменения собственно ЭВБ частных водосборов и бассейна в целом.

Для выявления пространственно-временных закономерностей изменения ЭВБ речных бассейнов авторами получены временные ряды за период с 1914/1915 по 2000/2001 годы (п = 87 лет) основных элементов водного баланса (речной сток, атмосферные осадки, суммарное испарение и бассейновые влагозапасы) по 11 частным водосборам бассейна реки Волги за период половодья, межени и года в целом [1,2]. Разумеется, наличие столь длительных временных рядов позволило осуществить оценку изменения основных характеристик ЭВБ бассейна реки Волги как в пространстве, так и во времени. Дополнительно к традиционно рассматриваемым ЭВБ были определены также разности «осадки - сток», «осадки - испарение». Кроме того, для оценки изменчивости гидротермического режима территории бассейна реки Волги рассмотрены также изменения температуры воздуха на вышеуказанных 11 частных водосборах бассейна реки Волги, включая бассейн в целом.

Для всех рассматриваемых временных рядов были определены выборочные оценки основных статистических параметров (среднее значение, стандарт, коэффициент вариации,внутрирядные и межрядные связи), а также распределения вероятностей (вероятность превышения) характерных величин ЭВБ отдельных частных водосборов в бассейне реки Волги и в целом бассейна (табл.1).

Таблица 1

Выборочные оценки основных статистических параметров временных рядов годовых и сезонных величин ЭВБ зоны формирования стока в бассейне реки Волги за 1914/1915 - 2000/2001 годы ^ = 87 лет), мм

Статистический параметр Весеннее половодье

РВ ИВ ЕВ ±VB РМ ИМ ЕМ ±VM РГ КГ ЕГ ±VГ

Среднее значение 329 87 141 -101 341 56 388 0 670 143 529 0

Минимальное значение 218 51 -22 -233 217 29 218 -351 481 85 312 -351

Максимальное значение 464 134 226 13 481 107 517 150 924 216 665 150

Амплитуда 246 83 248 246 264 78 299 501 443 131 353 501

Стандарт 47 18 43 50 58 16 61 87 84 28 71 87

Коэффициент вариации Су 0,14 0,21 0,31 -0,49 0,17 0,28 0,16 - 0,13 0,20 0,13 -

Коэффициент асимметрии С8 0,29 0,42 0,61 -0,98 0,34 0,57 0,31 - 0,26 0,40 0,26 -

г[1] -0,08 0,18 0,18 0,17 0,08 0,44 0,36 0,48 0,11 0,51 0,53 0,48

№ 3' 2012

1бб)

Анализ временных рядов ЭВБ позволил разделить всю территорию бассейна реки Волги на четыре района по условиям стационарности основных статистических параметров элементов водного баланса, а также их внутрирядной и межрядной связи. Следовательно, по изменчивости структуры и динамике элементов водного баланса территория бассейна реки Волги разделена на четыре водохозяйственных района (ВХР): Верхняя Волга (частные водосборы Иваньковского, Углического, Рыбинского и Нижегородского водохранилищ), Средняя Волга (частные водосборы Чебоксарского и Куйбышевского водохранилищ), река Кама (частные водосборы Камского, Воткинского и Нижнекамского водохранилищ) и Нижняя Волга (частные водосборы Саратовского и Волгоградского водохранилищ).По климатическим условиям обширную территорию бассейна реки Волги климатологи разделяют на три зоны: Верхнюю Волгу, Среднее Поволжье и Нижнее Поволжье [3]. Для временных рядов выделенных ВХР были также определены выборочные оценки основных статистических параметров (табл. 2).

В период половодья среднемного-летние значения осадков колеблются от 261 мм (354 км3) - для водосбора Волгоградского водохранилища и до 344 мм (468 км3) - для водосбора Камского водохранилища. Характерной особенностью распределения осадков по территории является то, что наибольшие значения приходятся на районы Верхней и Средней Волги и район Камы, а наименьшие значения - на район Нижней Волги -261...270 мм (355...367 км3). Аналогичная тенденция свойственна и для меженного периода. Наиболее высокие значения осадков относятся к районам Верхней и Средней Волги и району Камы - 336.383 мм (457.521 км3), а наименьшие значения осадков относятся к району Нижней Волги - 222.249 мм (302.339 км3). Соответственно вышесказанному можно отметить, что по степени валовой увлажненности территорию бассейна реки Волги можно разделить на три зоны: избыточного увлажнения - районы Верхней Волги и Камы, достаточного увлажнения - район Средней Волги и недостаточного увлажнения - район Нижней Волги.

Прежде чем характеризовать изменение речного стока за период полово-

CÖ

Я

В ч

IQ cti Н

И М

ffi

и

я g

* 1 в й

§ 1? М ф

ч

СО

В Л

X 5

3 ^

Й ^

§ §

S I

м о

0 о W о

К (N

г'

1 -

и а

и S

^

S ^

Ф iH

а да

М тН

м а

0 м

н в

Ь

S IS

й &

1 S

« ф

и а

5

В \

h о

« и

й >в

Л <ц

и

М

о

в Л 8 и

л в tf о а о о

3 М

в

ф м н

а «

К

м

о

*

о

«

о м

<Й к

В

й ф

а

3 X о 'В d а

ф

3 X

м ф

я н о

'В «

и О X о

4 о М

Год (IV - III) P-R о Tf 0,18 -0,05

P-E CO Ю 0,42 0,48

и > +1 1 1 0,31

ЕГ о Tf 0,12 0,11

и Й CO Ю 0,22 0,50

РГ CO Oi CO 0,15 0,22

Межень (VII - III) P-R CO Ю CO 0,23 с, о

Р-Е о о 0,86 0,38

§ > +1 1 1 0,31

EM ю со 0,14 0,03

RM 00! 0,31 0,42

PM со ю 0,21 0,12

Весеннее половодье (IV - VI) P-R о 00 0,27 -0,03

P-E со 0,27 0,06

М > +1 со аз - -0,52 -0,03

EB t- 00 t- 0, 0,26

RB со ю 0,23 0,21

PB со со 7 0, 0,02

Статистические параметры Среднее значение Коэффициент вариации Су r[1]

(бб\

№ 3' 2012

N

а

а н

ч

VO ей н

О)

н н

OI

ш

ч о ч о ft

к

н

и ч

0

и

=н

01

н

ш

н

к

я

н

0

=н

ей

ft

Щ

я

н н

01 N

н

о

=н «

и О

и о ч о

и

Год (IV - III) P-R со 0,20 ©0

P-E 00 со -2,06 0,29

Г > +1 1 1 0,24

ЕГ со 0,25 0,14

и Й 00 со 0,46 0,44

РГ <м о ю 0,18 0,07

Межень (VII - III) P-R со со 0,31 0,19

Р-Е о 5,59 0,27

§ > +1 1 1 0,24

EM со со 0,24 0,11

RM о 0,57 0,58

PM со 0,30 0,22

Весеннее половодье (IV - VI) P-R t- 0,28 0,03

P-E со ю 0,64 7 0,

М > +1 -104 -0,76 0,10

EB со 0,60 0,34

RB 00 0,50 0,36

PB со со 0,24 -0,01

Статистический параметр Среднее значение Коэффициент вариации CV г[1]

дья и межени, отметим, что для бассейна реки Волги характерно преимущественно снеговое питание с высоким половодьем и низкой зимней меженью. В летне-осенний период нередки дождевые паводки, что обусловливает большую водность рек по сравнению с зимним сезоном.

Анализ изменения среднемноголет-него стока за период половодья по частным водосборам бассейна реки Волги показал следующее: для района Верхней Волги среднемноголетнее значение стока колеблется от 110 (150 км3) до 149 мм (203 км3); для района Средней Волги - от 46 (62 км3) до 79 мм (107 км3); для района Камы - от 121 (164 км3) до 191 мм (260 км3); для района Нижней Волги - от 33 (45 км3) до 62 мм (84 км3). Аналогичная картина характерна и для периода межени. Так, например, для района Камы среднемноголетний сток за период межени составляет от 75 (102 км3) до 130 мм (177 км3), а для района Нижней Волги -от 10 (14 км3) до 29 мм (39 км3).

В районах Верхней и Средней Волги, Камы сток за период половодья хорошо коррелирует с атмосферными осадками, выпадающими на водосборе за зимний и весенний периоды. Коэффициент корреляции изменяется от 0,45 до 0,60 в районе Нижней Волги (г = 0,18...0,27). Анализ связи между стоком и эффективными осадками (разность «осадки - испарение») показал, что существует более тесная связь в годовом и сезонном разрезе. Для весеннего половодья эта связь изменяется от 0,45 (для частного водосбора Воткинского водохранилища) и до 0,99 (для частного водосбора Куйбышевского водохранилища), а для межени- от 0,61 до 0,99 (для тех же частных водосборов). Это свидетельствует о том, что для оценки величин речного стока можно выбрать прежде всего «эффективные осадки», а также собственно атмосферные осадки и суммарное испарение.

В отношении изменения испарения по территории обнаруживается несколько иная ситуация. Так, например, в период половодья, если для зоны избыточного увлажнения испарение изменяется от 65 до 123 мм (88.167 км3), то для зоны достаточного увлажнения - от 153 до 191 мм (208. 260 км3) и для зоны недостаточного увлажнения - от 109 до 132 мм (148.180 км3). Для периода межени

№ 3' 2012

характерна высокая степень испарения по всем частным водосборам - от 325 до 441 мм (442.600 км3).

Изменению бассейновых влагозапа-сов свойственна следующая закономерность. В период половодья они имеют накопительное свойство, а в период межени происходит сработка, и в результате годовой баланс стремится к нулю. Для района Верхней Волги в период половодья накопление бассейновых влагозапасов изменяется от 88 до 105 мм (120.143 км3), для района Средней Волги - от 96 до 97 мм (130.132 км3), для района Камы - от 101 до 106 мм (137.144 км3), для района Нижней Волги - от 102 до 106 мм (139.144 км3). Таким образом, бассейновые влагозапасы, накопленные в период половодья, участвуют в формировании дополнительного испарения и поверхностного стока в период межени, тем самым повышая степень водообеспеченности территории частного водосбора речного бассейна в период межени.

Анализ тенденции изменения ЭВБ показывает, что для района Верхней Волги в период межени характерно увеличение речного стока за исследуемый период на 14 мм за 87 лет. В то же время таким элементам водного баланса, как атмосферные осадки и испарение, свойственно умеренное снижение. Так, например, за рассматриваемый период осадки уменьшаются на 18 мм за 87 лет, а испарение - на 15 мм за 87 лет. Но бассейновые влагоза-пасы, которые участвуют в компенсации

как речного стока, так и испарения, увеличиваются на 17 мм за тот же период. К сожалению, исследование изменения ЭВБ за период половодья показало незначительное изменение этих элементов, особенно малозаметное изменение свойственно речному стоку (3 мм/87 лет) и испарению (5 мм/87 лет).

Наиболее заметные изменения ЭВБ происходят в районах Средней и Нижней Волги и в районе Камы за период межени (лето - осень и зима). Как видно из рисунка, за период межени в целом по бассейну реки Волги атмосферные осадки имеют тенденцию к увеличению на 42 мм/87 лет. Аналогичная тенденция наблюдается в динамике речного стока, увеличение которого составляет 25 мм/87 лет. Суммарное испарение и изменение бассейновых влагозапасов за рассматриваемый период уменьшается соответственно на 113 мм/87 лет и 130 мм/87 лет.

Выявленное увеличение и снижение ЭВБ наиболее заметно за последнее 30-летие. При этом изменения ЭВБ за период весеннего половодья не столь существенны по сравнению с периодом межени. Одна из причин увеличения речного стока объясняется увеличением атмосферных осадков за рассматриваемый 87-летний период.

Уменьшение испарения, по-видимому, объясняется тем, что преимущество берут накопительные процессы на отдельных частных водосборах, которые влияют на снижение испарительной способности территории и усиление речного

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Изменение элементов водного баланса в бассейне реки Волги за период межени с 1914/1915 по 2000/2001 годы

№ 3' 2012

стока. В этом плане очень важно сопряженно анализировать не только ЭВБ, но иизменение термического режима рассматриваемых районов бассейна реки Волги.

В результате статистической обработки рядов увлажнения частных водосборов, водохозяйственных районов и бассейна в целом получена достаточно детальная картина распределения коэффициентов вариации увлажнения в бассейне реки Волги. Наибольшая изменчивость сумм атмосферных осадков за период половодья и межени наблюдается в южной части территории бассейна (частные водосборы, входящие в район Нижней Волги), которая изменяется от 0,22 до 0,30. Наименьшие значения коэффициента вариации - в районах Верхней и Средней Волги и Камы (от 0,15 до 0,19). Изменчивость суммарных осадков за период половодья и межени выше, чем изменчивость годовых осадков.

Коэффициент вариации речного стока за период половодья, начиная с частного водосбора Иваньковского водохранилища, постепенно уменьшается с 0,33 и на частном водосборе Куйбышевского водохранилища достигает 0,27, а затем, начиная с частного водосбора Саратовского водохранилища, повышается с 0,48 до 0,74 (для частного водосбора Волгоградского водохранилища). Для района Камы коэффициент вариации речного стока в период половодья достаточно высок и достигает 0,57 (для частного водосбора Воткинского водохранилища). В период межени изменчивость речного стока колеблется от 0,33 (частные водосборы Чебоксарского и Камского водохранилищ) и до 0,70 (частный водосбор Волгоградского водохранилища).

Наибольшего значения коэффициент вариации испарения за период половодья достигает в частных водосборах бассейна реки Камы и в районе Нижней Волги, а в районе Верхней Волги коэффициент вариации снижается и колеблется в пределах от 0,17 до 0,21.

Для меженного периода свойственно понижение коэффициента вариации до 0,06.0,10 для района Верхней Волги, тогда как для района Камы и Нижней Волги коэффициент вариации повышается и достигает 0,32 (частный водосбор Волгоградского водохранилища).

Выводы

Происходящие в последнее время глобальные изменения климата проявились в Волжском бассейне. Так, начиная

№ 3' 2012

с 1980-х годов наблюдается постепенное увеличение стока реки Волги, что наиболее заметно проявляется в период межени (лето - осень и зима).

Характерной чертой является большая изменчивость режима увлажнения, во многом обусловленная особенностями атмосферной циркуляции отдельных лет.

Для бассейна реки Волги существенное значение имеет изменение бассейновых влагозапасов, причем наблюдается следующая закономерность в динамике изменения бассейновых влагозапасов. Во всех 11 частных водосборах в период весеннего половодья происходит преимущественно процесс накопления (в диапазоне от 80 до 105 мм), а в период межени - процесс сработки накопившихся во время половодья влагозапасов. При этом максимальный уровень сработки бассейновых влагазапасов приходится на конец марта - начало апреля.

1. Исмайылов Г. Х., Федоров В. М.

Межгодовая изменчивость и взаимосвязь элементов водного баланса бассейна реки Волги // Водные ресурсы. - 2008. - Т. 35. -№ 3. - С. 259-276.

2. Исмайылов Г. Х., Муращенкова Н. В. Пространственно-временные закономерности изменчивости и взаимосвязи ЭВБ половодья и межени в бассейне реки Волги в ХХ веке: Современные проблемы стохастической гидрологии и регулирования стока: труды Всероссийской научной конференции,посвященной памяти выдающегося ученого-гидролога профессора А. В. Рождественского. - М., 2012. -С. 354-363.

3. Гидрометеорологические условия Волжского региона и современные изменения климата / О. А. Анисимов [и др.] // Метеорология и гидрология. - № 5. - 2011. - С. 33-42.

Материал поступил в редакцию 10.07.12. Исмайылов Габил Худуш оглы, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Гидрология, метеорология и регулирование стока» Тел. 8 (495) 976-23-68 E-mail: gabil-1937@mail.ru Муращенкова Наталья Владимировна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Гидрология, метеорология и регулирование стока» Тел. 8 (495) 976-17-45 E-mail: splain75@mail.ru

1б9)