The regularities of temporary changes in runoff in the high water period of the Arpa River basin in the context of stabl.pdf Введение Речной бассейн р. Арпа характеризуются неравномерным пространственным и временным распределением водных ресурсов. При этом преобладающее количество атмосферных осадков и поверхностного стока приходится на многоводный период года, а в остальные сезоны (маловодный период) ощущается острый дефицит влаги, несмотря на то что в маловодный летний период есть большая потребность в воде, особенно с целью орошения сельскохозяйственных угодий. Следовательно, возникает необходимость эффективного использования и регулирования стока многоводного периода. А для стабильного развития стока важна оценка динамики стока многоводного периода, особенно в условиях глобального изменения климата. Цель работы - исследовать, проанализировать и оценить закономерности временных изменений стока многоводного периода рек бассейна р. Арпа. Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи: - исследовать, выявить и проанализировать основные физико-географические факторы, обусловливающие сток многоводного периода; - собрать, обработать и оценить данные о стоке многоводного периода и гидрологические характеристики речного бассейна; © Маргарян В.Г., 2019 DOI: 10.17223/25421379/10/3 - проанализировать особенности стока многоводного периода; - проанализировать и оценить закономерности временных изменений стока многоводного периода рек бассейна. Материалы и методы исследования Для решения поставленных задач в работе использовалась соответствующая литература [Григорьев и др., 2018; Маргарян, 2011, 2014а, б, 2015, 2016; Мусаелян, 1989; Чилингарян и др., 2002; Шик-ломанов, Георгиевский, 2007; Фролова, 2016; Ясинский, 2004; Margaryan, 2011; Nohara et al., 2006]. В качестве исходного материала в работе использованы результаты фактических наблюдений Службы по гидрометеорологии и активному воздействию на атмосферные явления МЧС Республики Армения. Река Арпа является левым притоком р. Аракс и берет начало на северо-западном склоне Сюникского нагорья, высота 3260 м, а главный ее приток Ехегис -на южном склоне Варденисского хребта, высота 3050 м. Длина реки - 128 км, площадь водосбора 2630 км2 (на территории РА - 92 км, 2080 км2 соответственно), из которых 1880 км2 - площадь водосборного бассейна до замыкающего водомерного поста Арени. Воды реки используются для орошения и в гидроэнергетических целях. Значительная часть ее вод по туннелю Воротан-Арпа-Севан втекает в оз. Севан (табл. 1). В бассейне р. Арпа гидрологические и метеорологические исследования проводились начиная с 30-х гг. XX в., результаты которых в виде книжек наблюдений и рабочих таблиц хранятся в основном гидрометеорологическом фонде Службы по гидрометеорологии и активному воздействию на атмосферные явления МЧС Республики Армения. В период 1930- 2018 гг. в бассейне р. Арпа в общей сложности действовали 43 водомерных поста, из которых 12 - только от 1 до 4 лет. Сравнительно длинный ряд наблюдений имеют 10 гидрометрических наблюдательных постов. В настоящее время в бассейне действует лишь 9 водомерных постов (табл. 1), данные которых и были использованы в исследованиях стока. Бассейн сложен в основном вулканогенными породами, в верхней части преобладают андезито-базальты четвертичного возраста, а также распространены андезиты, туфы, туфобрекчии третичного периода. В работе применены следующие методы: метод математико-статистического анализа, метод сопоставления и сравнения, экстраполяции и корреляции. Результаты и их обсуждения Многоводный период является одним из основных этапов водного режима не только рек бассейна р. Арпа, но и республики. Он каждый год наблюдается на всех реках в виде хорошо выраженной волны, формируясь снеготаянием, дождями и подземными водами. В это время по рекам изучаемой территории проходит большая часть годового стока, около 55-69%. Максимальный расход воды также наблюдается преимущественно в этот период. Несмотря на общность многих черт гидрологического режима, характер многоводного стока на реках не является однотипным, а отличается большим разнообразием, отражая в основном особенности питания рек, взаимосвязь поверхностных и подземных вод, влияние местных факторов. Большое значение при этом имеют распределение водосборных площадей по высотным зонам, средняя высота бассейнов, изрезанность поверхности водосборов, обусловливающая затяжной характер таяния снега, что находит отражение в условиях формирования многоводного стока. Поэтому если у равнинных рек длительность последнего определяется в основном морфометрическими характеристиками, в частности длиной реки и размерами ее бассейна, то для горных рек решающими факторами являются распределение водосборных площадей по высотным зонам и средняя высота бассейна [Ресурсы поверхностных вод СССР, 1973]. Таблица 1 Основные гидрометрические характеристики рек бассейнаАрпа и их водосборов [Маргарян, 2017] Table 1 Main hydrometric characteristics of Arpa rivers basin and its catchment [Margaryan, 2017] Река - пункт Расстояние от устья, км Уклон реки, %о Основные ха рактеристики водосбора средний от наиболее удаленной точки средневзвешенный от наиболее удаленной точки площадь, км2 средняя высота, м средний уклон, %0 Арпа - Джермук 105 52 48 199 2790 188 Арпа - Ехегнадзор 56 30 22 1220 2140 - Арпа - Арени 40 26 20 1880 2110 - Вайк - Заритап 6,5 94 85 58,0 2280 257 Гладзор - Вернашен 8,4 153 122 19,8 2300 407 Ехегис - Эрмоне 24 71 55 205 2630 308 Ехегис - Шатин 10 57 43 458 2350 337 Артабун - Артабуйнк 4,0 127 125 45,0 2460 369 Салигет - Шатин 0,6 73 59 144 2070 346 Таблица 2 Многолетние средние фактические значения основных метеорологических элементов по данным метеорологической станции Ехегнадзор Table 2 Average long-term actual values of main meteorological elements by data of Yeghegnadzor meteorological station Показатель Месяц I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Температура воздуха, °C Средний -4,40 -2,10 3,90 10,3 15,4 19,8 24,1 24,4 20,2 13,3 5,60 -1,40 Средний максимум 0,60 3,10 9,40 16,1 21,7 26,4 30,9 31,3 27,1 19,9 11,3 3,60 Средний минимум -8,10 -6,30 -0,9 5,00 9,30 12,8 17,0 17,2 13,0 7,30 0,90 -4,80 Абсолютный максимум / год 15,9 / 1966 19,0 / 1993 23,5 / 1970 26,6 / 1970 30,5 / 1974 35,2 / 1975 38,5 / 1966 38,3 / 1976 35,2 / 1975 29,1 / 1987 22,1 / 1974 16,7 / 1961 Показатель Месяц I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Средний абсолютный максимум 7,69 10,7 17,0 22,5 27,1 31,9 35,9 35,3 31,9 25,4 17,5 11,3 Абсолютный минимум / год -22,5 / 1972 -21,9 / 1972 -20,0 / 1985 -10,5 / 1965 0,90 / 1984 1,50 / 1967 8,50 / 1992 9,00 / 1988 2,50 / 1992 -5,20 / 1965 -10,8 / 1964 -18,5 / 1994 Средний абсолютный минимум -17 -15 -9 -2 4 8 12 12 7 2 -6 -13 Температура поверхности почвы, °C Средний 1,77 -1,83 5,47 13,2 19,4 26,2 31,1 30,3 23,7 13,5 5,46 -0,88 Средний максимум 14,9 20,6 39,4 47,7 54,8 62,2 65,6 63,9 57,2 44,9 30,9 19,9 Абсолютный максимум / год 28,0 / 1963 39,0 / 1970 45,1 / 1990 56,1 / 2000 63,6 / 1989 70,0 / 1980 70,1 / 1996 68,0 / 1983 62,0 / 1980 49,0 / 1969 36,2 / 1998 29,0 / 1983 Средний минимум -19,8 -19,6 -12,9 -4,51 1,26 5,84 9,98 9,72 4,15 -2,78 -8,56 -15,8 Абсолютный минимум / год -34,0 / 1972 -32,0 / 1972 -27,9 / 1985 -14,0 / 1965 -3,10 / 2000 0,00 / 1967 4,90 / 1957 6,00 / 1971 -0,60 / 1989 -7,80 / 1985 -17,0 / 1981 -27,0 / 1975 Влажность воздуха Упругость водняного пара, гПа 3,61 4,01 4,99 7,01 9,24 11,0 13,0 12,3 9,65 7,90 6,01 4,41 Относительная влажность, % 71,5 69,4 61,1 58,1 56,6 49,8 45,7 43,8 44,9 56,5 65,2 72,2 Недостаток насыщения, гПа 1,40 2,00 3,20 6,40 9,40 14,2 19,3 20,0 15,3 8,10 3,60 1,60 Скорость ветра, м/сек Средняя скорость 0,50 0,69 1,29 1,51 1,71 1,75 1,62 1,14 0,84 0,61 Атмосферные осадки Количество осадков, мм 31,5 33,9 40,4 59,4 59,7 41,4 20,1 13,5 15,2 36,6 29,6 33,1 Высота снежного покрова, см 12 9 1 4 1,61 1,82 Важными метеорологическими элементами в формировании стока многоводного периода рек бассейна р. Арпа являются температура воздуха и атмосферные осадки. Особое значение имеют осадки, выпавшие в виде снега. Большую роль играет также приток тепла [Гидрография Армянской ССР, 1981; Маргарян, 2011, 2017; Шагинян, 1981]. Условия формирования стока многоводного периода из года в год меняются в зависимости от метеорологических факторов. В табл. 2 представлены многолетние средние фактические значения основных метеорологических элементов по данным метеорологической станции Ехегнадзор. В связи с разнообразием природных условий изучаемой территории сток многоводного периода распределяется весьма неравномерно (табл. 3), но при этом ведущая роль принадлежит климату в сочетании с особенностями рельефа, почвенно-растительного покрова и геолого-гидрогеологического строения речных водосборов. Средний суммарный слой стока многоводного периода рек бассейна р. Арпа колеблется в больших пределах: от 117 (р. Арпа - п. Ехегнадзор) до 563 мм (р. Арпа - п. Джермук). В многоводный период по рекам проходит более 55-69% годового стока (см. табл. 3), а это время в свою очередь сменяется летне-осенней и зимней меженью, когда проходят остальные 31-45% стока. Таблица 3 Table 3 Средние величины характеристик многоводного периода рек бассейна р. Арпа Average values of characteristics of high water period of Arpa rivers basin Река - пост Дата (день, месяц) Продолжительностьп ериода, сутки Суммарный слой стока за период, мм Сток (%) от годового начала окончания Арпа - Джермук 04.04 07.07 95 563 60 Арпа - Ехегнадзор 29.03 21.06 85 117 55 Арпа - Арени 20.03 29.06 101 144 63 Вайк - Заритап 30.03 22.06 85 172 66 Гладзор - Вернашен 24.03 08.06 78 158 67 Ехегис - Эрмоне 22.03 31.06 102 397 68 Ехегис - Шатин 23.03 03.07 103 287 69 Артабун - Артабуйнк 25.03 01.07 99 389 60 Салигет - Шатин 21.03 24.06 95 252 64 Многоводный период в речном бассейне в створах рек в среднем начинается в конце марта - начале апреля. Указанный период обычно в среднем заканчивается в конце июня - начале июля. Средняя продолжительность многоводного периода колеблется в пределах 2,5-3,5 месяца (табл. 3, 4). Такая же картина получена нами в результате прошлых исследований [Маргарян, 2011, 2015, 2017; Margaryan, 2011]. Сроки наступления и окончания, продолжительность многоводного периода зависят в основном от условий питания рек и высотного расположения их водосборов. Существенную роль при этом играют метеорологические условия данного года, причем особенное значение имеет характер весны - насколько она бывает дружной или затяжной, ранней или запоздалой. При дружном таянии снега половодье обычно протекает бурно, отличается высокими подъемами уровня воды, проходит в более или менее короткие периоды времени, имеет одну асимметричную волну с резко выраженным интенсивным подъемом и более плавным спадом. При рано начавшемся таянии снега и последующей затяжной весне сход снежного покрова происходит медленно, талые воды в русла рек поступают с перебоями (особенно у водотоков высокогорной зоны), что обусловливает низкое растянутое половодье с несколькими волнами-подъемами [Ресурсы поверхностных вод СССР, 1973; Шагинян, 1981]. Наблюдения показывают, что при достижении температуры воздуха 5-10°С начинается подъем уровня основной волны многоводного периода (рис. 1). Это особенно касается тех створов, в бассейнах которых образуется устойчивый снежный покров. Таблица 4 Характеристика элементов многоводного периода Table 4 The characteristics of elements of high water period Средняя дата Ранняя дата Поздняя дата Общая продолжительность половодья, дни Река - пункт начала половодья конца половодья начала половодья конца половодья начала половодья конца половодья наибольшая (год) средняя наименьшая (год) Арпа - Джермук 04.04 07.07 08.03.2010 06.06.61 28.04.2009 23.08.92 145 (1992) 95 50 (1961) Гладзор - Вернашен 24.03 09.06 01.03.1998, 2006 09.04.2008 16.04.2007 08.07.1986 118 (1965) 78 37 (2007) Артабун - Артабуйнк 25.03 01.07 01.03.2010, 2014 31.05.1998 15.04.1974, 1981 29.07.1986 135 (1978) 99 63 (2015) Салигет - Шатин 21.03 24.06 27.02.1962 15.05.1998 15.04.1986, 1995 21.07.1986, 2006 130 (1978) 95 36 (1998) В годы, когда в горах образуются большие запасы влаги, аккумулирующейся в снежном покрове, сток многоводного периода может почти в 2-3 раза превысить средние многолетние величины последнего, а при малых запасах снега - в такое же число раз быть меньше нормы. Так, например, это имело место зимой 1987-1988 г. (XI-III), когда на метеостанции Джермук было зарегистрировано 570 мм осадков, что в 1,7 раза больше среднемноголетней величины (341 мм). В то же время на р. Арпа -п. Джермук сток многоводного периода в 1,8 раза превысил средние многолетние величины последнего. Зимой 1960-1961 г. на метеостанции Джермук было зарегистрировано 161 мм осадков (что в 2,1 раза меньше среднемноголетнего (341 мм). В то же время на р. Арпа - п. Джермук сток многоводного периода в 1,8 раза был меньше средних многолетних величин последнего (рис. 2). 28 23 18 13 8 3 -2 -7 -12 Дни и месяцы Рис. 1. Ход температуры воздуха на метеостанции Джермук и расход воды на р. Арпа - п. Джермук за 2013 г. о о в а р о в д о ах рс еа ут Т Fig. 1. The course of air temperature at Jermuk meteorological station and water flow on r. Arpa - p. Jermuk for 2013 Рис. 2. Гидрографы р. Арпа - п. Джермук в характерные многоводный (1988), средний по водности (2006) и маловодный (1961) годы Fig. 2. The hydrographs of r. Arpa - p. Jermuk in characteristic high water period (1988), average water content (2006) and low water period (1961) years Таблица 5 Слой стока за многоводный период, мм Table 5 Runoff layer for high water period, mm Период наблюдений За период наблюдений Обеспеченность, % Река - пункт годы кол-во наибольший средний многолетний 1 2 5 10 25 лет мм год мм Ср С, Арпа - Джермук 1958-2015 58 996 1988 557 0,29 0,55 996 935 847 772 657 Гладзор - Вернашен 1964-1968, 1970-2015 51 415 1988 157 0,53 0,57 382 350 305 266 207 Артабун - Артабуйнк 1962-2015 54 728 2010 389 0,41 0,17 778 729 658 595 492 Салигет - Шатин 1945-2015 71 655 1969 253 0,51 0,88 633 574 493 427 327 На изучаемой территории сток многоводного периода в 1969, 1987, 1988, 2007 гг. был наибольшим по сравнению с предыдущими годами наблюдений. А 1961, 1998, 1999 и 2001 гг. были с наименьшими по объему стока в сравнении с предыдущими наблюдениями. В табл. 5 обобщены данные характеристик слоя стока за многоводный период (половодье). Объем стока многоводного периода для рек бассейна р. Арпа составляет 55-69% от общего объема годового стока. Между двумя этими категориями стока имеется сравнительно тесная связь. Отметим, что, как правило, на территории Республики Армения годовая водность рек бассейна р. Аракс тесно связана со стоком многоводного периода. Эту связь можно использовать для прогноза годового стока. Такие результаты были получены также во всех предыдущих исследованиях [Маргарян, 2014а, 2017]. На величину слоя стока влияют многие природные факторы, среди которых определяющими являются климатические условия и особенно осадки. Так, общая картина распределения слоя стока многоводного периода по бассейну р. Арпа в основном соответствует распределению норм сезонных (зимних и весенних) сумм атмосферных осадков, величина которых колеблется от 300 до 780 мм (рис. 3). Распределение осадков, а следовательно, и формирование слоя стока многоводного периода зависят также от взаимодействия различных по происхождению воздушных масс, сложного и разнообразного рельефа поверхности, ориентации склонов горных хребтов относительно направления движения влажных воздушных масс, а также от ряда местных факторов. В связи с этим характер выпадания осадков и их абсолютные величины существенно меняются по территории, а это в свою очередь является причиной того, что у водосборов, расположенных примерно на одной высоте, наблюдается разный по величине слой стока за половодье [Ресурсы поверхностных вод СССР, 1973]. сумма атмосферных осадков (XI-V) слои стока многоводного периода Рис. 3. Распределение слоя стока многоводного периода р. Арпа - п. Джермук и сумм атмосферных осадков на метеостанции Джермук 1100 т 950 800 650 500 350 200 Й -§ § Л g а а С о § ° If о ^ К о S S3 й и о н о « О н С Fig. 3. Distribution of runoff layer of high water period of r. Arpa - p. Jermuk and sums of rainfall at Jermuk meteorological station 900 1050 У = 468,84ln(x) - 1984 R2 = 0,9903 750 ■u « § о О « К I vp o4 600 450 -- 300 100 200 300 400 500 600 Средний слой стока многоводного периода Рис. 4. График связи между слоем стока 1%-ной обеспеченности и средним его значением Fig. 4. Graph of the relationship between runoff layer of 1% security and its average value Для подавляющего числа створов величина коэффициента вариации слоя стока многоводного периода не превышает 0,60, чаще всего она находится в пределах 0,35-0,55 и несколько превышает показатель изменчивости годового стока. Значения коэффициентов вариации слоя стока за многоводный период для различных рек приведены в табл. 5. Коэффициент асимметрии изменяется от 0,2 до 1,9. В табл. 5 представлены данные, полученные при построении кривых различной обеспеченности (1, 2, 5, 10 и 25%-ной) величин слоя стока многоводного периода для рек рассматриваемого бассейна. Следует отметить, что имеет место достаточно тесная связь между средним многолетним слоем стока и его значениями различной обеспеченности. На рис. 4 представлена связь только между величинами слоя стока 1%-ной обеспеченности и его средними многолетними значениями. Другие связи не рассматриваются в данной работе. Это даст возможность оценить величины слоя стока различной обеспеченности малоизученных рек. В ходе исследований выяснилось, что в замыкающих створах рек бассейна р. Арпа наблюдается тенденция как уменьшения (причем, преимущественно), так и повышения слоя стока многоводного периода (рис. 5). С различной степенью выраженности фиксируется сокращение доли стока за половодье в среднем годовом стоке воды в речных бассейнах других географических районов [Киреева, 2013; Киреева, Фролова, 2013]. С другой стороны, проведенные исследования [Обязов, 2013] показывают, что однонаправленные устойчивые тенденции речного стока отсутствуют, а имеют место тренды, меняющие во времени свои величину и знак вследствие преобладания в его изменениях циклических составляющих. Вместе с тем выявлены разнонаправленные изменения стока в различные по водности фазы цикла: в многоводные фазы (периоды) сток повышается, а в маловодные -снижается. При этом соответственно возрастают его изменчивость и экстремальность. В табл. 6 приведены статистические параметры и стандарт ошибки слоя стока (мм) за многоводный период. В результате исследований стало очевидным, что в изучаемом речном бассейне также наблюдается однотипная картина, относящаяся к изменению динамики количества осадков в зимний период. р. Арпа - п. Джермук Ш IL 1 , 'I PI 450 300 150 0 -150 -300 -Е / # / ^ ^ / ^ ^ ^ ^ Годы Рис. 5. Динамика изменения отклонения слоя стока многоводного периода от его среднего многолетнего значения 400 300 200 100 0 -100 -200 -300 y = -0,5537x + 1100 R2 = 0,0033 н о Й о s а (D а о и о и ч о « о и о и й Л оФ XV ^ V V V V ^ ^ # / ^ р. Салигет - п. Шатин 3 о н о « о 4 о « 5 и (D и о y = 1,0167x -2012,8 R2 = 0,0265 111 I _ н с: Fig. 5. Dynamics of changes in the deviation of the high-water period runoff layer from its multi-year mean Таблица 6 Статистические параметры, стандарт ошибки и коэффициенты автокорреляции слоя стока за многоводный период, мм Table 6 Statistical parameters, error standard and autocorrelation coefficients of runoff layer for high-water period, mm Река-пункт Статистические параметры Стандарт ошибки расчета (при а = 5 %) Автокорреляция с, cs cs/cv а ас„ ас г R( 1) Арпа - Джермук 0,29 0,55 1,88 25,0 0,01 0,33 0,16 0,19 Гладзор - Вернашен 0,53 0,57 1,08 14,1 0,06 0,35 0,20 0,24 Артабун - Артабуйнк 0,41 0,17 0,43 29,1 0,05 >0,36 0,29 0,34 Салигет - Шатин 0,51 0,88 1,72 17,8 0,06 0,35 0,15 0,17 Таким образом, наблюдается тенденция уменьшения количества зимних осадков. Что касается изменения динамики температуры, отметим, что последняя увеличивается. Выводы 1. Многоводный период в речном бассейне в среднем начинается в конце марта - начале апреля и заканчивается в конце июня - начале июля. 2. Средняя продолжительность многоводного периода колеблется в пределах 2,5-3,5 месяца. 3. Средний суммарный слой стока многоводного периода рек бассейна р. Арпа колеблется в больших пределах: от 117 мм до 563 мм, что в основном обусловлено синоптическими процессами и гидрометеорологическими условиями данного года. В многоводный период по рекам проходит более 55-69% годового стока. 4. Величина коэффициента вариации слоя стока многоводного периода изменяется в пределах 0,290,53, коэффициент асимметрии - от 0,2 до 1,9. 5. Распределение слоя стока многоводного периода по бассейну р. Арпа в основном соответствует распределению норм сезонных (зимних и весенних) сумм атмосферных осадков. 6. В изучаемом речном бассейне преимущественно наблюдается тенденция уменьшения слоя стока многоводного периода. 7. Наблюдается тенденция уменьшения количества зимних осадков и увеличения температуры. 8. В природно-климатических условиях Армении в изучаемом речном бассейне гидроресурсы в основном можно накопить за счет воды, текущей по рекам только во время многоводного периода, поскольку в это время сельскохозяйственные угодья не нуждаются в орошении и по рекам проходит около 55-69% годого стока и более. В изучаемом речном бассейне понижение стока -результат как изменения климата, так и деятельности человека. Следовательно, необходимо запланировать, разработать и осуществить соответствующие мероприятия и программы по смягчению и адаптации последствий изменения климата.

Скачать электронную версию публикации