ГЕНЕЗИС МАКСИМУМОВ ВОДНОСТИ РЕК И ИЗМЕНЧИВОСТЬ ВОДНОГО РЕЖИМА В СОВРЕМЕННЫЙ КЛИМАТИЧЕСКИЙ ПЕРИОД

УДК 556. 535

генезис максимумов водности рек и изменчивость водного режима в современный климатический период

© 2016 г. В.А. Дмитриева, С.В. Бучик

ФГБУВО «Воронежский государственный университет», г. Воронеж, Россия

Ключевые слова: река Дон, река Хопёр, весеннее половодье, межень, водный режим, экстремальная водность, речная система, генезис максимумов.

Рассмотрен водный режим рек Верхнего Дона в современный климатический период в сравнительной характеристике 19391970, 1971-2000, 2001-2014 гг. Выявлены особенности формирования максимумов половодья: сроки половодья сместились как в сторону более ранних дат его наступления, так и более позднего окончания. При увеличении общей продолжительности половодья на 15-20 суток отмечается более позднее наступление максимумов. Вследствие более мягких зим и уменьшения глубин промерзания почвы на подъеме половодья вода на склонах речных водосборов фильтруется в большей степени в почву, чем идет на формирование склонового стока. И только при более интенсивном снеготаянии и поступлении воды в русло реки образуется максимум стока половодья. Отмечается временная и пространственная неоднородность формирования максимумов в речных системах Дона и Хопра, представляющих в верховье две самостоятельные, обособленные зоны формирования стока. В бассейне Хопра максимумы формируются позднее, чем в бассейне собственно Дона. Становится почти закономерностью образование февральских оттепелей. В феврале 2016 г., аномальном по метеорологическим условиям, граница между сезонами зимы и весны вследствие многочисленных оттепелей оказалась условной. Участилась повторяемость двухвершинного половодья в бассейне Хопра.

В целом в текущем столетии (по данным за 2001-2014 гг.) снижение стока весеннего половодья и его доли в годовом объеме до 38-45 % на реках Среднерусской возвышенности правобережья Дона ведет к смене приоритетности источников питания. В бассейне Хопра преобладающим видом питания рек остается снеговое питание.

г\

С.В. Бучик

В.А. Дмитриева

Водное хозяйство России № 5, 2016 г.

водное хозяйство России

Современная перестройка глобальной климатической системы, имеющая выраженное региональное проявление, вызывает ответную реакцию природных процессов, в т. ч. и гидрологических. Заметное повышение температуры воздуха холодного полугодия меняет многолетние условия снегонакопления, промерзаемости почвы, образования и разрушения ледяного покрова на водных объектах, распределение водного стока внутри года, продолжительности основных фаз водного режима, формирования максимумов весеннего половодья. Целью данного исследования является установление особенностей формирования весеннего половодья на реках бассейна Верхнего Дона, изменчивости водного режима, генезиса экстремальных расходов воды половодного периода. В задачи исследования входило рассмотрение снегового половодья, как фазы водного режима, по величине водности, продолжительности на разные временные уровни; сравнение максимальных расходов воды за период наблюдений и характерные по водности годы; определение дат наступления максимумов, доли объема стока весеннего половодья в годовом объеме и прогнозирование тенденции в речном стоке. Выявлены причинно-следственные связи динамики фаз водного режима в бассейне Дона и Хопра, указано на зависимость образования максимумов весеннего половодья от трансформации стокоформирующих факторов, оценена доля стока весеннего половодья в годовом объеме с учетом физико-географических особенностей современного климатического периода, что придает новизну исследованиям водного режима рек.

Изучение современного водного режима рек бассейна Верхнего Дона исключительно актуально, особенно для Воронежской области, взявшей курс на подъем сельскохозяйственной отрасли экономики, что невозможно реализовать без орошения земель, аккумуляции воды в искусственных резерватах и, соответственно, без учета внутригодового перераспределения речного стока.

В современный климатический период основные фазы водного режима -половодье и межень - претерпевают существенные изменения, что выражается в уменьшении объемов речного стока, формирующегося в период весеннего половодья, увеличении объемов стока летне-осенней и особенно зимней межени. Одновременно меняются сроки прохождения половодья, продолжительность и характер паводочной волны.

Исключительно высокая водность, приводящая к разным по уровню наводнениям, в т. ч. и катастрофическим, относится к категории экстремальной водности. Как справедливо отмечено [1], экстремальные гидрологические ситуации весьма разнообразны, но они сводятся к «трем основным видам: многоводьям, маловодьям и существенному изменению качественного состава вод». Следствием экстремальных гидрологических ситуаций

Водное хозяйство России № 5, 2016 г.

могут быть экономический, экологический, социальный ущерб, нарушение гидроэкологической безопасности населения [2]. Экстремальные гидрологические ситуации являются результатом формирования максимальных и минимальных характеристик состояния гидрологического режима водных объектов: расходов и уровней воды, расходов наносов, скоростей течения, температуры воды, толщины льда и т. д., которые в каждом конкретном случае имеют свою специфику образования.

Экстремальные гидрологические ситуации, обусловленные формированием высокой и низкой водности, вызывают интерес с точки зрения познания их природы и с позиций их воздействия на различные аспекты жизнедеятельности человека. Качество вод является проблемой локальной и требует пристального внимания в местах наибольшей напряженности водопользования, возникающей при дисбалансе забора воды из водного объекта и его естественных ресурсов, сбросе загрязненных сточных вод в объеме, превышающем ассимилирующую способность водного объекта. К проблемным водным объектам в верховье Донского бассейна относятся, прежде всего, искусственные емкости Матырского и Воронежского водохранилищ, являющихся приемниками сточных вод.

В реках верховьев Дона опасные катастрофические наводнения после 1970 г., высшего по водности для текущего периода, не отмечаются, но возможны затопления при уровнях подъема воды в реках более чем на 2 м [3]. Формирование расходов воды в реках с вероятностью превышения менее 16,7 %, относящихся к очень многоводным годам [4], происходит все реже. Фактические максимальные расходы воды весеннего половодья редкой повторяемости зарегистрированы в 1888, 1942, 1970 гг. В последующие годы, как показывает анализ измеренных расходов воды за многолетний период по гидрологическим постам Верхнего Дона, максимумы половодий снизились. Сравнительный анализ выполнен за три периода: 19391970, 1971-2000, 2001-2014 гг., наиболее информативных и однородных по исходному материалу (табл. 1).

Характерной особенностью формирования максимальной водности в Донском бассейне является отсутствие полной синхронности во времени наступления максимумов стока (табл. 1). Наибольшее совпадение наблюдалось в периоды 1939-1970 и 2001-2014 гг. Не исключено, что перестройка климатической системы, наиболее значительная в 1971-2000 гг., сказалась на формировании водного режима и максимальных расходов воды данного периода. Стабилизация тенденций в температуре воздуха, увлажнении в последующие годы прямо или опосредованно проявилась в режиме весеннего половодья.

Водное хозяйство России № 5, 2016 г.

Таблица 1. Максимумы суточных расходов воды в годы экстремально высокой водности на реках Донского бассейна

Река - пост Период, годы

1939-1970 1971-2000 2001-2014

а, мз/с Дата а, м3/с Дата а, м3/с Дата

Красивая Меча - г. Ефремов 1080 06.04.1970 1080 06.04.1979 611 10.04.2003

Дон - г. Задонск 6120 06.04.1970 3320 25.03.1981 2820 11.04.2010

Сосна - с. Беломестное 2660 06.04.1970 1630 24.03.1971 1050 09.04.2003

Сосна - г. Елец 4240 05.04.1970 3650 11.04.1979 1840 10.04.2003

Ворона - с. Чутановка 1220 25.04.1942 1040 03.04.1987 528 13.04.2006

Тим - с. Новые Савины 319 25.02.1943 197 23.03.1971 77,4 10.04.2003

Ворона - г. Борисоглебск 1570 15.04.1955 790 10.04.1982 523 29.03.2011

Девица - г. Девица 345 04.04.1970 240 18.03.1972 108 09.04.2013

Чигла - пос. Первомайский 114 02.04.1970 142 24.03.1971 48,2 15.02.2002

Хопёр - г. Поворино 2010 05.05.1942 1710 28.04.1975 847 04.05.2012

Хопёр - г. Новохопёрск 3901 28.04.1962 2030 01.05.1994 1270 08.05.2012

Битюг - г. Бобров 1530 05.04.1953 865 10.04.1975 315 26.03.2010

Дон - г. Лиски 9860 12.04.1970 9860 12.04.1981 2380 17.04.2003

Подгорная - г. Калач 562 11.03.1963 415 21.03.1974 153 09.04.2003

В генезисе максимумов весеннего половодья фактор географической зональности играет важную роль. На реках, находящихся в относительно однородных физико-географических условиях формирования стока, максимумы наступают в одни и те же годы (табл. 1). Расходы воды, как и весь объем половодья, образуются за счет основного источника питания - талых снеговых вод. Однако полного совпадения не наблюдается. Причина заключается в многофакторности формирования весеннего половодья и его максимумов. Местные особенности - расчлененность рельефа, ориентация речных долин по отношению к господствующему влагопереносу, снегонакопление, снегозапасы, промерзаемость почвы, метеоусловия накануне и в период половодья и др. - формируют отличительные черты водного режима каждого, отдельно взятого, большого или малого речного бассейна.

Водное хозяйство России № 5, 2016 г.

Наибольшая однородность обнаруживается в текущем столетии. Обращает на себя внимание 2010 г. Весной во время половодья в р. Битюг у г. Боброва образовался наибольший максимальный сток, а летом во время межени сформировалась очень низкая водность, вследствие чего годовой сток был ниже средней величины на 20 %. В р. Дон у г. Задонска водность межени снивелировала многоводье весны. В итоге средний годовой сток почти не отличался от средних статистических годовых значений.

Многолетние колебания стока являются следствием периодических изменений климата и отражают его вариации. Пределы колебания водности можно охарактеризовать амплитудой, определяемой по длительным рядам наблюдений. Наиболее полное представление о временной изменчивости стока дают графики многолетних колебаний водности за период мониторинга (рис. 1).

12000 10000 8000

^

"к 6000 а

4000 2000

О средний по периодам

О средний многолетний

у = -22,5х + 4622

Рис. 1. Максимальные расходы воды весеннего половодья р. Дон -г. Лиски за 1881-2015 гг.

Динамика многолетних колебаний максимальных расходов воды имеет устойчивую тенденцию снижения. В Донском бассейне наблюдавшиеся в 1970 г. максимальные расходы воды в последующие годы по своей величине не получили подтверждения (рис. 1).

Подобная динамика в стоке наблюдается и в бассейне р. Хопёр, но имеются некоторые отличительные черты. Реки Дон и Хопёр в верховье представляют самостоятельные речные системы, расположенные в близких, но не абсолютно идентичных природных условиях. Исток Дона лежит на Среднерусской возвышенности в Тульской области, исток Хопра - на При-

Водное хозяйство России № 5, 2016 г.

0

волжской возвышенности в Пензенской области. Бассейн верховья Хопра располагается в более континентальных условиях, чем верховье Дона, характеризующихся более устойчивой зимой, устойчивым снежным покровом, более ранним его образованием и поздним сходом, в меньшей степени подверженным оттепелям. Таким образом, бассейны Дона и Хопра в верховье имеют свои особенности формирования водного режима, присущие только бассейну Дона и только бассейну Хопра. Различия заметно проявляются на территории Воронежской области, по которой протекают обе реки. Их подтверждают разные по длительности и срокам залегание снежного покрова, накопление снегозапасов, характер половодья, а также доля стока половодья в годовом объеме. Общие черты современной динамики максимальных расходов имеют лишь полную аналогию снижения, но максимальный расход воды в бассейне Хопра наблюдался не в 1970 г., как в р. Дон, а много позже, в 1994 г., повторив расход воды 1963 г. и продолжив тенденцию уменьшения максимума снегового половодья (рис. 2). Таким образом, зачастую в образовании максимальных расходов воды отмечается не только запаздывание во времени в течение одного календарного года, но и несовпадение по годам.

Рис. 2. Максимальные расходы воды р. Хопёр - г. Поворино за 1883-2015 гг.

Подобные несоответствия сглаживаются в текущем столетии. Например, на фоне низких весенних максимумов предшествующих лет в 2012 г. образовался относительно высокий слой стока за счет второй волны половодья, становящейся все более частой приметой водного режима весеннего разлива рек (рис. 3).

Водное хозяйство России № 5, 2016 г.

1400

1200

1000

3 800 "к

а 600 400 200

^—2010 год

1 ^—1970 год

\

та

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

Месяц, ы

Рис. 3. Гидрографы р. Хопёр - г. Поворино.

В 2016 г. весеннее половодье также приобрело двухвершинную форму: низкое половодье местного формирования в южной части Верхнего Дона (Воронежская, Белгородская области) и более высокое за счет поступления транзитных вод из верхних притоков Дона и Хопра, а также второй волны половодья. Первая волна половодья сформировалась во второй декаде марта, вторая - в начале апреля. Благодаря обильным дождевым осадкам в апреле, превысившим норму в 4,5 раза, на волну половодья наложились дождевые паводки и практически сохранили водность половодья.

Современной особенностью водного режима является календарное смещение времени наступления максимумов весеннего половодья. Анализ максимальных экстремумов стока синхронизирован во времени и рассмотрен для двух периодов: 1971-2000 и 2001-2014 гг., в которые наблюдения за максимальными расходами не имели пропусков на постах. Широтная зональность природных явлений довольно четко прослеживается в формировании максимальных экстремумов весеннего половодья (табл. 2).

Из анализа табл. 2 следует, что сроки наступления максимумов половодья в современный период сместились примерно на декаду в сторону более позднего наступления. Возможно, одной из причин, объясняющих данную особенность, является нетипичный ход весеннего половодья, формирующийся в современный климатический период. Очевидный факт - половодье начинается раньше и принимает затяжной характер. Снег тает постепенно, медленно, при этом фильтрация воды повышенная, поскольку неглубокое осеннее промерзание почвы способствует свободному просачиванию воды вглубь толщи почвогрунтов. При последующем наполнении почвы водой до состояния насыщения, заполнении микропонижений рельефа, нарастании притока тепла и интенсивности снеготаяния начинает формироваться

Водное хозяйство России № 5, 2016 г.

0

Таблица 2. Время наступления максимальных экстремумов весеннего половодья на реках Верхнего Дона, декада/месяц

Река - пункт 1971-2000 гг. 2001-2014 гг.

Декада/ месяц Число случаев, %

Красивая Меча - г. Ефремов 111/03 30

1/04 30

Сосна - с. Беломестное 111/03 47

Сосна - г. Елец 111/03 37

Тим - с. Новые Савины 111/03 40

Дон - г. Задонск 111/03 48

Девица - г. Девица 1/03 27

11/03 23

1/04 23

11/04 8

Битюг - г. Бобров 1/04 37

Чигла - пос. Первомайский 1/03 33

1/04 23

Дон - г. Лиски 11/04 40

11/03 23

111/03 23

Подгорная - г. Калач 111/03 56

1/04 33

Ворона - с. Чутановка 1/04 43

11/04 33

Хопёр - г. Поворино 111/04 52

Ворона - г. Борисоглебск 111/04 50

11/04 23

1/05 23

Хопёр - г. Новохопёрск 111/04 53

максимум весеннего половодья. Вследствие этих особенностей и происходит сдвиг даты образования максимума весеннего половодья примерно на 10 дней, что и демонстрируют наблюдения на р. Ворона у г. Борисоглебска за период мониторинга (рис. 4).

В современных климатических условиях меняется характер прохождения половодья. Нередко началу половодья предшествуют февральские оттепели, «оттягивающие» на себя часть объема стока весеннего снегового половодья и снижающие максимумы половодья. При этом границы половодья становятся менее определенными и все более размытыми, а характер перехода гидрологического сезона зимы в гидрологический сезон весны все более условным. Периоды половодья удлинились за счет сдвига как начала половодья в

Водное хозяйство России № 5, 2016 г.

сторону более ранних сроков, так и его конца в сторону более поздних сроков завершения. Смещение во времени наметилось в конце прошлого столетия и закрепилось в текущем веке (табл. 2). В современный период половодье растягивается даже до первой декады мая, что раньше в верховье Дона наблюдалось крайне редко в годы запоздалой весны (рис. 4). Общая продолжительность весеннего половодья продолжает увеличиваться (рис. 5).

60

I 2 декада марта  1 декада апреля I 3 декада апреля I 3 декада марта  2 декада апреля I май

Период наблюдений

Рис. 4. Распределение дат наступления (по декадам) весенних максимумов половодья в р. Ворона у г. Борисоглебска за период мониторинга.

& 80

3 70

о

со

° 60

О

£ 50

и

г 40

£ 30 ^

X

§ 20

4

10

у = 0,192х + 51

г = 0,66

0 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

ЮСПГ^ЬПСО^Н^ГГ'^ОГОЮСПГ^ЬПСО^Н^ГГ'^ОГОЮСПГ^ЬПСО^Н^ГГ'^ ^^г^г^г^гогого^^^г^гьпьпьпюююг^г^г^г^сосососпспспииис.

Рис. 5. Продолжительность весеннего половодья на р. Дон - г. Лиски.

Продолжительность половодья увеличилась от самого скоротечного в 1961 г., длившегося всего 41 сут, до самого затянувшегося до 78 сут в 2001 г. Подобное течение половодья обязано более спокойному притоку инсоляции, постепенному нарастанию температуры воздуха. Современные изме-

Водное хозяйство России № 5, 2016 г.

нения климата формируют особенности гидрологических процессов, и, в частности, режима весеннего половодья. Аномальным по формированию весеннего половодья является текущий 2016 г. На половодье от таяния снега наложился мощный дождевой паводок, образованный выпавшими в апреле обильными, четырехкратно превысившими норму дождевыми осадками. На р. Битюг паводок продолжался до середины мая. За всю историю наблюдения на гидрологическом посту г. Бобров самый поздний пик максимума выпал на вторую декаду апреля.

С выделением границ половодья тесно связано определение объемов стока весеннего половодья. В настоящее время доказательно можно говорить о снижении объемов стока половодья, принимающего устойчивый характер, что отмечено также в исследованиях [5, 6]. Доля объемов стока колеблется в диапазоне 35-60 % от годового объема и имеет некоторые различия процентного соотношения в бассейне Дона и Хопра (рис. 6).

Современной особенностью весеннего половодья является сокращение его объема. Доля объема талых снеговых вод весны снижается в общем объеме годового стока, но по-прежнему для большей части территории, за исключением стекающих в Дон со Среднерусской возвышенности на территории Белгородской области южных притоков Верхнего Дона (Черная Калитва, Тихая Сосна), остается преобладающей. В бассейнах правобережных южных притоков доля объема стока весны составляет 35-45 % [7, 8], что заставляет пересмотреть отнесение указанных водотоков к рекам с преобладающим снеговым питанием и считать их водотоками со смешанным типом питания. Данный вывод укрепляют исследования водного режима рек Восточно-Европейской равнины Н.И. Алексеевского и др. [9].

Сокращение объемов снегового половодья имеет положительные и отрицательные аспекты. Снижение максимальных расходов воды редкой повторяемости повышает гидроэкологическую безопасность населения. Отрицательной стороной данного процесса является притупление страха населения перед водной стихией, снижение профилактической работы по предотвращению негативного воздействия вод. Именно по этой причине активно застраиваются пойменные участки рек без учета элементарных знаний о гидрологическом режиме водного объекта, о закономерностях циклических колебаний стока, его возможных исторических вариациях.

Уменьшение объемов половодья, отсутствие выхода воды на пойму оставляет без воды многочисленные пойменные озера, заполняемые вешней водой. Страдает при этом и биота, в частности, воспроизводство рыбы в связи с изменением условий нереста. Высыхание озер имеет негативные последствия для окружающей среды и человека. Пойменные луга, лишенные естественного удобрения природным илом, поступающим при разливе рек, становятся скудными по биоразнообразию. Раннее освобождение

Водное хозяйство России № 5, 2016 г.

а

б

Рис. 6. Доля весеннего стока в годовом объеме (%): а - за 1939-1970; б - 1971-2000 гг.

Водное хозяйство России № 5, 2016 г.

от воды снижает продуктивность пойменных лугов. Уменьшение объемов половодья, зачастую его отсутствие, негативно сказывается на заполнении прудов вешней водой, особенно рыбоводных, в которых вода с двухгодичной цикличностью должна обновляться. Например, в 2014 г. наполнение рыбоводных прудов Павловского муниципального района Воронежской области стало большой проблемой.

Несмотря на низкие половодья текущих лет, все же, отмечается факт многочисленных затоплений низководных мостов на реках Ворона, Ивни-ца и ряде других в Воронежской, Липецкой, Тамбовской областях.

ВЫВОДЫ

В современных климатических условиях в бассейне Верхнего Дона сформировались характерные особенности водного режима рек: уменьшение объемов снегового половодья и сокращение до 35-45 % доли стока весеннего половодья в годовом объеме в правобережных притоках Дона на территории Воронежской и Белгородской областей; снижение максимумов весеннего половодья в реках бассейнов Дона в два, Хопра - в три раза; увеличение общей продолжительности половодья на 15-20 сут, смещение даты наступления максимума половодья на более поздние сроки, примерно на 10 сут. Устойчивой приметой современного периода стали зимние оттепели. Границы гидрологических сезонов зимы и весны становятся все более условными.

Водное хозяйство России № 5, 2016 г.

В связи с уменьшением роли талого снега в питании рек происходит смена приоритетности типа питания с преобладающего снегового на смешанное для рек Среднерусской возвышенности. В бассейне Хопра преимущественным остается снеговое питание рек. Гидрограф половодья приобретает двухвершинный вид для рек Верхнего Дона на территории Воронежской области за счет усиления бассейновой контрастности физико-географических условий формирования весеннего половодья.

При сохранении сценария устойчивого потепления возможно дальнейшее выравнивание речного стока внутри года при незначительной вариации годового стока [8]. Более полные и обоснованные прогностические предположения о динамике водного режима могут быть сделаны лишь при одновременных исследованиях всех элементов гидрологического цикла: атмосферных осадков, испарения, подземных вод.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Экстремальные гидрологические ситуации / под ред. Н.И. Коронкевича, Е.А. Барабановой, И.С. Зайцевой. М.: ООО Медиа-ПРЕСС, 2010. 464 с.

2. Данилов-Данильян В.И., Лосев К.С. Потребление воды: экологический, экономический, социальный и политический аспекты. М.: Наука, 2006. 221 с.

3. Коронкевич Н.И., Зайцева И.С., Барабанова Е.А. Экстремальные гидрологические ситуации и мероприятия по защите от них [Электронный ресурс] // Труды XIV съезда РГО. 2010. Т. III. Ч. 2. С. 165-168 [CD-ROM].

4. Методические рекомендации по определению расчетных гидрологических характеристик при отсутствии данных гидрометрических наблюдений / под ред. А.В. Рождественского. СПб.: Нестор-История, 2009. 193 с.

5. Джамалов Р.Г., Фролова Н.Л., Киреева М.Б. Современные изменения водного режима в бассейне Дона // Водные ресурсы. 2013. Т. 40. № 6. С. 544-556.

6. Киреева М.Б., Фролова Н.Л. Современные особенности весеннего половодья рек бассейна Дона // Водное хозяйство России. 2013. № 1. С. 60-76.

7. Дмитриева В.А., Маскайкина С.В. Изменчивость водного режима в верховье Донского бассейна в современный климатический период // Вестн. Воронежского гос. ун-та. Серия «География. Геоэкология». 2013. № 1. С. 17-21.

8. Дмитриева В.А. Водные ресурсы Воронежской области в условиях меняющихся климата и хозяйственной деятельности. Воронеж: Изд. дом ВГУ, 2015. 192 с.

9. Алексеевский Н.И., Лебедева М.Ю., Соколовский Д.К. Источники питания и изменчивость их вклада в формирование стока рек Европейской территории // Водные ресурсы. 2007. № 1. С. 5-17.

Сведения об авторах:

Дмитриева Вера Александровна, д-р геогр. наук, доцент, ФГБУ ВО «Воронежский государственный университет» (ФГБУ ВО ВГУ), Россия, 394018, г. Воронеж, Университетская площадь, 1; e-mail: verba47@list.ru

Бучик Светлана Васильевна, аспирант, ФГБУ ВО «Воронежский государственный университет» (ФГБУ ВО ВГУ), Россия, 394018, г. Воронеж, Университетская площадь, 1; e-mail: bychik_svetlana@mail.ru

Водное хозяйство России № 5, 2016 г.