Comparative analysis of conditions for snowmelt runoff formation in representative lowland (Kasmala) and low-mountain (M.pdf Гидротермический индекс Г.Т. Селянинова. Прогнозируемые предстоящие изменения в увлажненности Прикаспийского региона также будут оказывать влияние на сельскохозяйственную деятельность человека. Для оценки предстоящих изменений мы использовали гидротермический индекс, оценивающий влагооборот территории, введенный Г.Т. Селяниновым. Определяется он как отношение количества осадков за вегетационный период к сумме температур выше 10 °С, уменьшенной в 10 раз: ГТК = йх10/£с, (6) где R - количество осадков, выпавшее за вегетационный период, мм; £t - сумма температур, °C за период с температурами выше +10 °C. Вычисление Xt по натурным наблюдениям охватывают период 1980-2019 гг. Анализ корреляционных зависимостей показал, что количество активных сумм температуры за год хорошо коррелировало со значением средней температуры за весну-осень и находилось в диапазоне значений корреляции от 0,70 до 0,89, в зависимости от пункта. Корреляционная зависимость суммы осадков за вегетационный период и суммы осадков за год менее выражена, находится в диапазоне от 0,62 до 0,85 ед. Полученные корреляции характеризуются достоверностью связи на уровне значимости а = 0,05. Для оценки предстоящих изменений условий для сельского хозяйства, так же как и для предыдущего индекса, использовались данные моделирования с сайта Климатического центра Росгидромета. Количество градусодней Xt и суммы осадков за вегетационные периоды 1981-2000, 2050-2059 и 2090-2099 гг. были высчитаны с использованием уравнения линейного тренда. Расчеты производились с условием зависимости между средней температурой воздуха за весну-осень и количеством активных сумм температуры (более 10 °C), а также между количеством выпавших осадков за вегетационный период и количеством осадков за год (табл. 4). Введение Для малых по водоносности рек фаза половодья играет важную роль, так как на нее, как правило, приходится большая часть годового стока. Прикладные аспекты, связанные с безопасностью жизнедеятельности и рациональной организацией водопользования, стимулируют высокий научный интерес к этой фазе водного режима рек, а понимание особенностей формирования стока половодья на разнотипных водосборах является ключом к его прогнозированию [Попов О.В., 1968; Аполлов и др., 1974]. История изучения условий формирования стока на реках бассейна Верхней Оби насчитывает более полувека. В ранних работах [Воскресенский, 1962; Комлев, Титова, 1966; Фащевский, 1967] на основе накопленных к тому времени гидрометеорологических данных и экспериментальных исследований для рассматриваемой территории были определены основные гидрологические характеристики, в том числе условия формирования талого стока. В работах конца ХХ - начала XXI в. [Паромов, 2002; Галахов, 2009, 2015; Бураков, Литвинова, 2010; Аванесян, 2013] с использованием более длительных рядов наблюдений предлагается ряд зависимостей талого стока как от отдельных факторов, так и их совокупности. Атмосферные осадки холодного периода вносят основной вклад в сток половодья (талый сток) на реках средних широт. Так, В.П. Галахов для горной реки определяет тесную связь объема половодья и коэффициента снежности [Галахов, 2015]. Д.А. Бураков и О. С. Литвинова, рассматривая факторы стока весеннего половодья бассейнов рек лесоболотной, лесостепной и степной зон, отмечают, что показатели водно-балансовых зависимостей изменяются исходя из ландшафтно-гидрологического фона территории [Бураков, Литвинова, 2010]. При этом знание только суммы твердых осадков за зиму не дает полной гарантии обоснованного прогноза объема стока за период половодья. Отмечается, что важным фактором формирования талого стока является осеннее увлажнение бассейнов. При этом в степной зоне недостаточного увлажнения в качестве репрезентативного показателя осеннего увлажнения рекомендуется использовать сумму осенних осадков. В заболоченных районах с близким залеганием к дневной поверхности грунтово-болотных вод более показательной характеристикой увлажнения является осенний сток рек [Бураков, Литвинова, 2010]. Еще одним значимым показателем является количество осадков на спаде половодья [Галахов, 2009]. В качестве объектов исследования выбраны низкогорный бассейн р. Майма и равнинный бассейн р. Касмала, которые относительно хорошо обеспечены метеорологической и гидрологической информацией. Кроме этого, выбор модельных территорий определяется их репрезентативностью для соответствующих областей бассейна Оби. В частности, р. Касмала, как и большинство рек Приобского плато, наследует ложбину древнего стока. В связи с этим в пределах бассейна представлены все основные элементы ландшафтной структуры данной территории. Река Майма целиком расположена в пределах низко-горий Алтая, где, по мнению ряда исследователей, формируется значительная часть стока первой волны весеннего половодья на Оби. © Лубенец Л.Ф ., Черных Д .В., Коломейцев А. А., 2021 DOI: 10.17223/25421379/21/10 Цель исследования - выявление основных особенностей формирования талого стока на реках Майма и Касмала, относящихся к бассейну р. Обь. Задачи исследования: 1) охарактеризовать холодный период в каждом речном бассейне на основе метеоданных о температуре воздуха, количестве осадков и состоянии снежного покрова; 2) по ежедневным расходам воды для каждой из рек построить годовые гидрографы, выделить на них периоды половодья и рассчитать главные показатели (объем, слой и коэффициент стока); 3) качественно оценить влияние ведущих факторов на формирование талого стока в бассейнах при сопоставлении многолетней динамики показателей половодья и индивидуальных физико-географических характеристик. Материалы и методика исследования Исходные данные и территория исследования. В исследовании для анализа холодного периода и расчета характеристик стока половодья по обоим речным бассейнам использованы месячные и ежедневные данные по метеостанциям и ежедневные данные по гидропостам за период с 1998 по 2017 г. Бассейн р. Майма находится на территории Республики Алтай в низкогорной части Русского Алтая, располагаясь на северном окончании хребта Иолго. Майма является притоком второго порядка р. Обь и правобережным притоком первого порядка р. Катунь. Бассейн р. Касмала расположен на территории Алтайского края в северо-восточной части Приобского плато. Река Касмала является притоком первого порядка р. Обь (табл. 1). В бассейне р. Майма метеостанция расположена в с. Кызыл-Озёк (наблюдения с 1940 г.), в бассейне р. Касмала - в с. Ребриха (с 1940 г.). Гидрологические посты находятся, соответственно, в с. Майма (с 1939 г.) и в с. Рогозиха (с 1940 г.). Геологическое строение. Дочетвертичные породы в низкогорьях Северного Алтая собраны в складки разных дисклокаций [Геологическое строение..., 2001], образуя «фундамент» для четвертичных отложений разного генезиса, завершающих разрез. Последние по генезису и времени образования разделяются на несколько фациальных групп, которые условно можно объединить в две: склоновая и русловая. Отложения первой группы выполняют склоны и водоразделы внутри бассейна, имеют пестрый состав пород, большую вариацию крупности и слабую сортировку. Их мощность колеблется от первых метров вверху склонов до 15-20 м - у подножий. Отложения второй группы слагают днища долин водотоков, имеют меньшую вариацию крупности и хорошую ока-танность. Представлены валунными галечниками, гравийными песками, супесями, суглинками и глинами [Земцов и др., 1973]. На р. Майма аллювий имеет мощность до 15 м [Геологическое строение..., 2001]. Днище Касмалинской ложбины древнего стока, часть которой занимает долина р. Касмала, сложено аллювиальными отложениями касмалинской свиты (QI-IIksm), перекрытыми с поверхности эоловыми песками верхнеплейстоцен-голоценового возраста мощностью 8-10 м. Таблица 1 Основные морфометрические и гидрологические характеристики водосборов р. Касмала и р. Майма (составлено по материалам [Золотов и др., 2012; Бирюков, 2013; Черных и др., 2014; Лубенец, Черных, 2015] Table 1 Main morphometric and hydrological features of Kasmala and Maima catchments (compiled by materials [Zolotov et al., 2012; Biryukov, 2013; Chernykh et al., 2014; Lubenets, Chernykh, 2015] Характеристика Майма Касмала Площадь водосбора по замыкающему створу, км2 780 1 650 Длина, км 51,1 63,3 Средняя ширина бассейна, км 15,3 26,0 Средняя высота бассейна*, м 670 233 Минимальная высота, м 260 167 Максимальная высота, м 1 460 290 Средний уклон, %о 213 17 Преобладающие углы наклона, градусы / % Покатые (4-10°) и пологие (10-20°) / 87 % плоские ( 15 % от значения расхода предшествующей даты). Окончанием половодья считали дату, с которой кривая спада становилась примерно параллельной оси абсцисс. Дождевые паводки, проходившие в период половодья и осложняющие кривую спада характерными пиками, идентифицировались с использованием ежедневных данных о количестве осадков, характерных температурах воздуха и состоянии снежного покрова. Участки кривой спада, соответствующие дождевым паводкам, линейно интерполировали («срезали»), приводя кривую к классическому виду. В итоге получали значение объема стока за выделенный период половодья без учета дождевых паводков. Результаты Водность рек Майма и Касмала за период исслеДования 1998-2917 гг. Анализ ряда данных наблюдений за стоком (на основе среднегодовых расходов) показывает, что чередования максимальных и минимальных пиков до 2010 г. для рек происходят либо асинхронно, либо они сдвинуты по фазе (рис. 1). К концу исследуемого периода водность обеих рек увеличивается. Среднегодовые значения расходов воды за период 1998-2017 гг. на р. Майма колеблются в пределах 4,32-11,90 м3/с (среднее 8,41 м3/с), на р. Касмала -0,43-3,04 м3/с (1,78 м3/с). Различная конфигурация интегральных кривых отражает различные условия формирования стока на исследуемых реках. Характеристика холодного периода (19982017 гг.). В бассейне р. Майма этот период обычно начинается в первой-второй декадах ноября (65 % случаев за период), реже (25 %) - в третьей декаде октября. Продолжительность составляет 109155 дней. Окончание приходится на вторую-третью декаду марта (80 % случаев), реже - на первую декаду марта (15 %) и апреля (5 %). Наименьшее значение суммы осадков за период наблюдений отмечено в 2012 г. (69 мм), наибольшее - в 2017 г. (223 мм); среднее - 142 мм. Начало холодного периода в бассейне Касмалы в большинстве случаев (55 % за рассматриваемый период) приходится на первую декаду ноября, значительно реже - на третью декаду октября (25 %) и вторую декаду ноября (15 %), единожды на конец ноября (5 %). Продолжительность за весь период исследования на реке составляет 113-162 дня. Окончание наступает во второй (20 %) - третьей (60 %) декадах марта, реже в первой (10 %) - второй (10 %) декадах апреля. Наименьшее значение средней суммы осадков (46 мм) наблюдалась в 2012 г., наибольшее (167 мм) - в 2001 г.); среднее - 100 мм. Среднегодовые и среднемноголетние характеристики половодья (1998-2017 гг.). Увеличение расходов воды на р. Майма начинается обычно в третьей декаде марта (60 % случаях за период наблюдений), реже - во второй декаде марта (25 %) и первой декаде апреля (15 %). Продолжительность половодья 39-65 дней (рис. 2). Окончание приходится на вторую-третью декаду мая, нередко сопровождается осадками, вызывающими пиковые повышения расходов воды. Максимальные значения расходов (20,60-110,00 м3/с) на р. Майма наблюдаются в среднем через 24 дня после начала половодья (минимально - через 7, максимально - через 45 дней). Максимальный расход - 110,00 м3/с, отмечен 15 апреля 2004 г. На р. Касмала весеннее половодье проходит одной ярко в ыраженной волной, начало отмечается в третьей декаде марта (60 % за период наблюдений), реже -во второй декаде марта (15 %) и первой (15 %) - второй (10 %) декадах апреля. Окончание наблюдается обычно в первой декаде июня (60%), а также третьей декаде мая (35 %), и единожды во второй декаде июня (5 %). Рис. 1. Разностные интегральные кривые модульных коэффициентов среднегодового стока для рек Майма и Касмала (1998-2017 гг.) Fig. 1. Difference integral curves of modulus coefficients of annual mean runoff for Maima and Kasmala Rivers (1998-2017) Длительность составляет 48-81 день (рис. 3). В период половодья значительно реже, чем в бассейне р. Майма, отмечаются дождевые паводки. Максимальные расходы воды в половодье (3,52150,00 м3/с), которые являются и максимальными за год, наблюдаются в большинстве случаев в начале -середине апреля, в среднем за период с 1998 по 2017 г. на 18-й день после начала (минимально - на 4-й день, максимально - на 34-й). Максимальный расход - 150,00 м3/с - отмечен 15 апреля 2015 г. По основным показателям половодья рассматриваемые реки контрастны (табл. 2). В среднем объем стока половодья на р. Майма в 1,5, а средний расход в 3 раза больше, чем на р. Касмала. При этом пиковые максимальные расходы на Касмале имеют большие значения, что говорит о различиях условий снеготаяния в этих речных бассейнах. Коэффициенты стока (1998-2017 гг.). Многолетние колебания стока рек тесно связаны с колебаниями количества атмосферных осадков [Снежно-водноледниковые ресурсы..., 1986], выпадающих на поверхность водосборов. Расчет коэффициентов стока за половодье позволяет определить соотношение суммы осадков за холодный период и талого стока в речном бассейне, а также выявить характер и тесноту их связи (см. табл. 2). Согласно расчетам, средний за период коэффициент стока за половодье на р. Майма в 2,5 раза больше, чем на р. Касмала, также различна для рек и многолетняя динамика этого показателя (рис. 4, 5). Обсуждение Водосборные бассейны исследуемых рек значительно различаются между собой по целому ряду характеристик (см. табл. 1). Из значимых при формировании поверхностного стока нужно выделить площадь водосбора, среднюю высоту, средний уклон, залесенность. Кроме этого, для бассейна Маймы так же, как и для других горных бассейнов, значимым фактором является экспозиция склонов. При площадях поверхностных водосборов, отличающихся в 2 раза, по водоносности реки Майма и Касмала вполне сопоставимы. По среднегодовому расходу воды обе реки в соответствии с классификацией Огиевского относятся к категории «очень малые» [Чеботарев, 1978]. В среднем водоносность Маймы несколько выше в связи с влиянием орокли-матического фактора (высоты и расчлененности местности) на выпадение атмосферных осадков в данной области. Рис. 2. Гидрографы р. Майма за характерные годы в период 1998-2017 гг.: 1998 - минимальный, 2002 - средний, 2013 - максимальный по водности Fig. 2. Maima River hydrographs for characteristic years of 1998-2017: 1998 - minimum, 2002 - average, 2013 - maximum water content Рис. 3. Гидрографы р. Касмала за характерные годы в период 1998-2017 гг.: 2012 - минимальный, 2001 - средний, 2015 - максимальный по водности Fig. 3. Kasmala River hydrographs for characteristic years of 1998-2017: 2012 - minimum, 2001 - average, 2015 - maximum water content Таблица 2 Основные характерные гидрологические показатели половодья за период наблюдений на р. Майма (М) и р. Касмала (К) (1998-2017 гг.) (рассчитано на основе материалов [Ежегодные данные..., 1998-2017 гг.] Kw,Kf 1.60 0.20 -I------------------I------------------i------------------i------------------I------------------I------------------i------------------I------------------I------------------I------------------I------------------!------------------1------------------!------------------!------------------!------------------1------------------!------------------!------------------ 1998 1999 3000 3001 3003 3003 3004 3003 3006 3007 300S 3009 3010 ЗОН 3013 3013 3014 3013 3016 3017 | ■ -Коэффициент водности (Кте)_- - Коэффициент стока за половодье (Ki) | L 1 Рис. 4. Динамика модульного коэффициента водности и коэффициента стока для р. Майма за период 1998-2017 гг. Table 2 Main specific hydrological flood indicators of rivers Maima (M) and Kasmala (K) for observation periods of 1998-2017, respectively (calculated due to [Annual data..., 1998-2017]) Значение показателя Средний расход воды, м3/с Объем, м3 Слой стока, мм Коэффициент стока М К М К М К М К Среднее 19,39 6,82 62 176 260 40 178 603 80 24 0,57 0,24 Минимальное 9,85 1,22 26 497 152 5 128 528 34 3 0,32 0,06 Максимальное 27,34 14,73 111 313 435 78 466 752 143 48 0,73 0,71 Fig. 4. Dynamics of modulus water content and runoff coefficients for Maima River (1998-2017) Рис. 5. Динамика модульного коэффициента водности и коэффициента стока для р. Касмала за период 1998-2017 г. / 7 / / \\ \\ / / ГГ ----у ✓ \\ \\ / / ..... \\ \\ / / \\ \\ S ✓ \\ - \\ и* ' Fig. 5. Dynamics of modulus water content and runoff coefficients for Kasmala River (1998-2017) Увлажнение бассейна Маймы в холодный период в 1,5 раза, а средний уклон поверхности водосбора -примерно в 12 раз - больше, по сравнению с Касма-лой. Поэтому для первого бассейна время добегания воды в русловую сеть меньше. Однако залесенность водосбора Маймы (см. табл. 1) определяет более растянутое половодье. При анализе многолетней динамики водности, коэффициента стока за половодье (см. рис. 4, 5), суммы осадков за холодный период и слоя стока за половодье (рис. 6, 7) для рассматриваемых бассейнов рек можно отметить вза-имопротивоположные тенденции: 1) хорошо прослеживается качественная зависимость между коэффициентом водности года и коэффициентом стока за половодье для бассейна Касмалы и плохо - для бассейна Маймы; 2) хорошо прослеживается качественная зависимость слоя стока половодья от суммы зимних осадков для бассейна Маймы и плохо - для бассейна Касмалы. Рис. 6. Динамика суммы осадков за холодный период по метеостанции Кызыл-Озёк и слоя стока за половодье для р. Майма в период 1998-2017 гг. Fig. 6. Dynamics of total precipitation for the cold period at Kyzyl-Ozek w. s. and runoff depth during flooding for Maima River (1998-2017) Ftv.BffjvtMj 200 1------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 |_ 1 Сумма о садков за холодный период (Рте)_- -- Слой стока за половодье (Hf)_| Рис. 7. Динамика суммы осадков за холодный период по метеостанции Ребриха и слоя стока за половодье для р. Касмала в период 1998-2017 гг. Fig. 7. Dynamics of total precipitation for the cold period at Rebrikha w. s. and runoff depth during flooding for Kasmala River (1998-2017) Первая тенденция подтверждает тот факт, что Касмала, в отличие от Маймы, относится к рекам с преимущественно снеговым питанием, для которых величина талого стока определяет водность года. На р. Майма при смешанном питании со значительным вкладом дождевого водность года в меньшей степени зависит от величины стока за половодье. Вторая тенденция косвенно может говорить о различном влиянии геолого-геоморфологического фактора на величину поверхностного талого стока в бассейнах при специфических условиях снеготаяния. На р. Майма при больших уклонах поверхности и меньшей мощности покровных четвертичных отложений водоотдача происходит быстрее, и величина талого стока пропорциональна количеству осадков за холодный период. Различие средних коэффициентов стока за половодье более чем в 2 раза прямо отражает разнородность бассейнов по площади, увлажнению за холодный период и влиянию геолого-геоморфологического фактора на сток. Изменчивость коэффициента за исследуемый период на р. Майма очень небольшая, тогда как на Касмале случаются значительные его повышения в отдельные годы. Последнее можно связать со специфическими условиями формирования половодья, когда интенсивное снеготаяние в бассейне происходит при мерзлых почвогрунтах. Время формирования максимальных расходов половодья в среднем меньше на р. Касмала. Отмеченные выше различия в приходе суммарной солнечной радиации на поверхность водосбора, коэффициентах залесенности и суточном температурном режиме весной определяют различие во времени начала снеготаяния и наступления максимальных расходов воды на рассматриваемых реках. В бассейне р. Майма в связи с влиянием экспозиционного фактора и углов наклона световые (югозападные, южные юго-восточные) склоны освобождаются от снега еще до начала интенсивного снеготаяния. Но это не дает значимого стока и не определяет начала половодья. Более высокие значения прихода суммарной солнечной радиации и меньшая за-лесенность в бассейне Касмалы при интенсивном снеготаянии определяют не только раннее увеличе ние расходов воды в реке, но иногда и большие их значения за половодье по сравнению с Маймой. Заключение Репрезентативные для бассейна Верхней Оби малые реки Майма и Касмала, водосборы которых различаются по комплексу физико-географических условий, характеризуются рядом особенностей формирования стока в весеннее половодье за период 1998-2017 гг. 1. Равнинная р. Касмала при больших длине и площади бассейна характеризуется меньшим объемом и слоем стока в период более растянутого по времени половодья, по сравнению с низкогорной р. Майма. Такая ситуация объясняется повышенными значениями годовой и зимней увлажненности низкогорий Алтая, по сравнению с южной частью Западно-Сибирской равнины, а также уклонами в горах. 2. Максимальные расходы с момента начала половодья на р. Касмала формируются, как правило, раньше, чем на р. Майма, что объясняется, в первую очередь, высокой распаханностью первой. 3. Для бассейна р. Касмала выявлена лучшая, чем для бассейна р. Майма, качественная зависимость между годовым коэффициентом водности и коэффициентом стока половодья. Данная закономерность служит подтверждением того факта, что Касмала, в отличие от Маймы, относится к рекам с преимущественно снеговым питанием, а водность года на Майме в меньшей степени зависит от величины стока за половодье. Однако на р. Майма прослеживается лучшая качественная зависимость между величиной осадков за холодный период и величиной слоя стока половодья. Это, в свою очередь, как и ряд других отмеченных особенностей, связано с разницей в условиях снеготаяния, вследствие чего водоотдача с бассейна р. Майма происходит быстрее.

Скачать электронную версию публикации