Snowmelt-runoff in low mountains of the Upper Ob basin (by the example of a small low-mountain Maima catchment).pdf Введение Основной целью снежной гидрологии является изучение вклада снега в речной сток, точное прогнозирование сроков и объемов снегового половодья [Holko, Gorbachova, Kostka, 2011]. При этом водный цикл, в котором преобладают талые воды, чрезвычайно чувствителен к климатическим изменениям. Основные последствия современного потепления климата, которые могут оказать влияние на снеговое половодье в средних широтах, - это замена твердых осадков жидкими и более раннее таяние снега весной [Berghuijs, Woods, Hrachowitz, 2014; Brown, Robinson, 2011]. Именно снегозапасы играют ведущую роль (более 50 %) в колебаниях годового стока в бассейнах крупнейших сибирских рек - Оби и Енисея [Попова, 2011; Галахов, 2009]. Снеговые наводнения по причиняемому ущербу находятся на втором месте в Сибири, уступая лишь наводнениям, формирующимся в результате дождевых паводков [Таратунин, 2008], аналогичных катастрофическому паводку, имевшему место на Алтае в мае-июне 2014 г. Особо острая ситуация складывается в горных водосборах, где снежный покров оказывает максимальное влияние на сток. В китайском Алтае в последние годы фиксируется увеличение снего-запасов за счет большего количества зимних осадков [Han et al., 2014]. На некоторых реках бассейна верхнего Иртыша, где на талый сток приходится до 70 % годового стока, пиковые расходы с июня по май увеличились за период с 1960 по 2010 г. [Shen et al., 2007]. На Русском Алтае около 70 % стока половодья формируется талыми водами [Аполлов, Калинин, Комаров, 1974; Галахов, 2015], поэтому главной задачей при прогнозировании объема и сроков половодья является оценка снегозапасов в речном бассейне и исследование гидрометеорологических процессов, определяющих интенсивность поступления талых вод в речную сеть в процессе снеготаяния. Проведенное исследование представляет собой очередной этап работ по изучению пространственной дифференциации снегозапасов в низкогорном бассейне р. Майма [Лубенец, Черных, Першин, 2018; Лубенец, Черных, 2019]. Основная его цель - анализ динамики снегового половодья в бассейне р. Майма за период с 1997 по 2017 г. Задачи исследования: 1) анализ динамики основных метеопараметров в холодный период, предшествующий снеговому половодью и во время снегового половодья; 2) расчет и анализ динамики основных гидрологических характеристик во время снегового половодья 1997-2017 гг. в сравнении с более ранним периодом, предшествующим значительному росту глобальной и региональной температуры (1940-1970-е гг.); 3) выявление зависимости между метеопараметрами и характеристиками стока за период снегового половодья. Территория исследования Река Майма является притоком второго порядка р. Обь и правым притоком первого порядка р. Катунь. Бассейн р. Майма находится на территории Республики Алтай в низкогорной части Русского Алтая на северном окончании хребта Иолго [Атлас, 1978]. Длина реки - 57 км, средний уклон - 10 %о. Абсолютные высоты бассейна изменяются от 260 до 1 140 м, средняя высота - 670 м. Площадь водосбора - 780 км2. Рассматриваемый бассейн расположен преимущественно в горно-лесном поясе: по площади преобладают чернево-таежные субнеморальные (31,9 % общей площади; диапазон высот 518-1104 м) и подтаежные (62 %; 386-586 м) ландшафты. Незначительную площадь в пределах бассейна занимают лесостепные ландшафты (6,1 %; 327-577 м) [Черных, Самойлова, 2011]. Ландшафтная структура бассейна является типичной для северной периферии Алтая. Спецификой бассейна является то, что его территория является наиболее освоенной и заселенной частью Республики Алтай. Кроме этого, в бассейне имеется метеостанция, расположенная в с. Кызыл-Озек (наблюдения с 1940 г.), абсолютная высота 324 м, и гидрологический пост в с. Майма (наблюдения с 1939 г.), абсолютная высота нуля графика 251,98 м. Средняя годовая температура воздуха составляет +1,0 °C, средняя годовая сумма осадков - 795 мм [http://www.meteo.ru]. Исходные данные и методы исследования Термины и понятия, используемые в исследовании. Опираясь на разработки С.П. Хромова и Л.И. Мамонтовой [Хромов, Мамонтова, 1974] и с учетом анализа метеоусловий в период прохождения снегового половодья в низкогорной части бассейна Верхней Оби, авторами приняты понятия: «снеговое половодье», «волна тепла», «волна холода» и «период постепенного потепления». «Снеговое половодье» - период, характеризующийся высоким и длительным подъемом воды на реках, вызванным таянием снега [https://geogra-phy_ru.academic.ru/6511/]. «Волна тепла» - значительное потепление во время снегового половодья со средней суточной температурой воздуха выше 0 °С от трех и более дней, связанное с адвекцией теплой воздушной массы. «Волна холода» - резкое понижение температуры во время снегового половодья, связанное с вторжением холодной воздушной массы, средняя суточная температура воздуха при этом резко падает ниже 0 °С от трех и более дней и затем, по прохождении волны холода, снова возвращается к прежней. Минимальная продолжительность волны холода может быть два дня при минимальной суточной температуре ниже -5 °С. «Период постепенного потепления» - устойчивый и длительный переход средних суточных температур выше 0 °С. При условии отсутствия волн холода и наступления периода постепенного потепления с начала снегового половодья периодически наблюдается температурный скачок, характеризующий резким повышением максимальной суточной температуры воздуха выше 20 °С. «Слой стока» - количество воды, стекающее с водосбора за интервал времени, равное толщине слоя (в мм), равномерно распределенного по площади этого водосбора [ГОСТ 19179-73..., 1988]. «Коэффициент стока» - отношение величины стока к величине выпавших на площадь водосбора осадков, обусловивших возникновение этой порции стока [Чеботарев, 1978]. Под «холодным периодом» понимается период, когда осадки выпадают на земную поверхность в твердой фазе и отсутствует поверхностный сток на водосборе. Исходные данные и методика расчета параметров снегового половодья. Для анализа стока снегового половодья использовались данные по ГМС Кызыл-Озёк (за период наблюдений 1940-2017 гг.), по гидрологическому посту Майма (1997-2017 гг.) и материалы снегомерных работ, выполненных авторами в 2015-2017 гг. и объединенные в базу данных [Pershin et al., 2020]. Для оценки динамики гидрологических характеристик периода 1997-2017 гг. в сравнении с периодом до начала потепления в конце XX в. использовались имеющиеся данные основных гидрологических характеристик (ОГХ) за период 19401975 гг. [Ресурсы1979]. Выделение волн тепла и холода осуществляли на основе расчета суммы суточной температуры воздуха за волну при сопоставлении ее с минимальной и максимальной. Волна тепла - период от трех и более дней, когда на фоне относительно ровного хода средней суточной температуры воздуха около 0 °С наблюдается всплеск ее значений в среднем на 7 °С (пик) с интенсивностью 4 °С в сутки. На графике этот всплеск принимает форму волны. При данном критерии процесс постепенного потепления (с монотонным увеличением температуры от 0 °С) мы не считаем волной тепла. Волна холода - период от трех и более дней, когда средняя суточная температура воздуха опускается ниже 0 °С в среднем на 6 °С (пик) с интенсивностью 4 °С/сут. Параметры снегового половодья - даты начала и окончания, продолжительность, максимальный расход и дата его наступления, объем и слой стока -определяли на основе следующих данных: среднесуточные расходы воды в р. Майма, суточная температура воздуха и количество осадков, характеристики снежного покрова. Для каждого года строились комплексные графики [Руководство., 1989], включающие гидрограф половодья, график хода суточных температур воздуха и сумм осадков. За начало половодья нами в данной работе принималась дата с повышением расходов воды 5Q > 15 % от значения расхода предшествующей даты. Окончание половодья нами определялось как момент, во время которого происходит нарушение соответствия на комплексном графике между ходом температур и расходов воды, когда дальнейший рост температур не вызывает увеличения расходов [Харшан, 1970], с учетом периода добегания талых вод в речную сеть. Такой подход дает возможность сравнительного анализа характеристик половодья в современный период с более ранними, данные о которых опубликованы в гидрологических справочниках за период 19401975 гг. [Ресурсы., 1979]. Оценка доли талого, дождевого и подземного стока в общем стоке половодья выполнялась путем расчленения гидрографа. Величину подземного стока выделяли путем «срезки» гидрографа по значению устойчивого предвесеннего расхода [Руководство., 1989]. В талый сток, помимо вод, вызванных таянием снега, были включены жидкие осадки, выпадающие до окончания таяния снежного покрова, поскольку условия их стекания в целом схожи и отделить сток этих осадков от стока талых вод затруднительно [Аполлов, Калинин, Комаров, 1974; Бураков, Иванова, 2010]. На спаде половодья выделялись дождевые паводки, формируемые жидкими осадками, выпавшими после окончания снеготаяния. Выделение дождевых паводков на спаде половодья осуществляется с помощью типовых кривых спада (различные способы их построения представлены в ряде работ [Комлев, Титова, 1966; Аполлов, Калинин, Комаров, 1974; Руководство., 1989]) либо путем «срезки» отдельных пиков с привлечением гидрометеорологической информации о температуре и осадках. В данной работе использовался второй подход. В расчетах из объема талого стока исключался не только объем единичных ярко выраженных в гидрографе дождевых паводков, но и общий объем близко расположенных нескольких паводков и разделяющих их дней (1-3, в редких случаях 5) и, возможно, отделяющихся короткими волнами тепла или температурными скачками выше 20 °С [Руководство., 1989]. В анализе, наряду с датами выпадения дождей в период половодья, в расчет принималось и количество выпавших жидких осадков. Величиной, определяющей значимость паводка, принят слой стока 5 мм. Время добегания талых вод в речную сеть оценивалось на основе динамики расходов воды в связи с выпадением жидких осадков в период половодья. Анализировались дожди, перед проявлением и в процессе прохождения которых не было волн тепла, либо наблюдающиеся после волны холода. Расчет коэффициентов стока талых и дождевых вод производился при помощи стандартной методики, применяемой для горных бассейнов [Аполлов, Калинин, Комаров, 1974], c использованием формул: Пт Х?х;/;+^"х11/;+(Ьс+х1л)/л , п = уд 1д .f.’ 2j1 x2lJl (1) (2) где Пт и Пд - коэффициенты стока талых и дождевых вод, ут и уд - слой стока талых и дождевых вод, индекс i обозначает высотную зону; si - запасы воды в снежном покрове, x1i - количество осадков за время снеготаяния, x2i - количество осадков за время от схода снега в зоне до окончания половодья в расчетном створе; ht и х1л - соответственно слой стаивания и слой жидких осадков за время снеготаяния на площади f, занятой ледниками (для бассейнов с современным оледенением). В расчетах использовались средневзвешенные сне-гозапасы по бассейну, полученные на основе статистической обработки данных полевых снегомерных работ (2015-2017 гг.) и алгоритма картографического моделирования снегозапасов с использованием ландшафтной картографической основы, с учетом разнообразия наземных покровов и особенностей рельефа [Лубенец, Черных, Першин, 2018; Лубенец, Черных, 2019]. При установлении даты окончания снеготаяния использовались следующие данные: 1) дата схода снежного покрова на площадке гидрометеостанции Кызыл-Озёк; 2) сокращение относительной площади бассейна, покрытой снегом, на основе данных космических снимков Landsat-8 и Sentinel-2. Дата схода снега определялась при сокращении его площади до 10-15 % от общей площади бассейна [Аполлов Калинин, Комаров, 1974]. В связи с тем, что в пределах изучаемого бассейна статистически значимой связи снегонакопления и абсолютной высоты не установлено, при расчете жидких осадков их распределение принято безгради-ентным. В качестве аналога при анализе зависимости осадков от высоты был принят смежный и схожий по физико-географическим условиям бассейн р. Сема, в пределах которого проводились инструментальные наблюдения за твердыми и жидкими осадками в разных высотных зонах. Материалы показали, что четкая вертикальная зональность осадков наблюдается лишь в верховьях бассейна, а в нижней части бассейна до с. Топучая (абсолютная высота 1 100 м) сумма осадков с высотой практически не изменяется [Комлев, Титова, 1966]. Формулы для расчета коэффициентов талого и дождевого стока в таком случае выглядят следующим образом: Пт = 7^, (3 Пд =Т’ (4) где s - средние по бассейну запасы воды в снежном покрове, x1 - количество осадков за время снеготаяния, x2 - количество осадков за время от схода снега до окончания половодья (по данным гидрометеостанции Кызыл-Озёк). Результаты и обсуждение Река Майма и ее притоки имеют преимущественно снеговое питание с участием дождевого и грунтового [Ресурсы..., 1969; Галахов, 2015]. Половодье достаточно отчетливо выделяется на фоне зимней и летней межени. Объем половодья, сроки его начала и окончания, форма гидрографа для каждого конкретного года во многом определяются динамикой основных метеопараметров в холодный период, предшествующий снеговому половодью; датами начала и окончания снеготаяния, особенностями хода температур и количеством осадков в период снеготаяния. Тенденции изменения температуры воздуха и количества осаДков холоДных периоДов 1997-2017 гг. Современная динамика среднегодовой температуры на территории Западной Сибири выражается устойчивым положительным трендом (0,34 °С / 10 лет) [Ипполитов и др., 2014; Доклад., 2018]. При этом процесс потепления неодинаков в различные сезоны: с середины 1990-х гг. после быстрого потепления для зим появилась обратная тенденция, что обусловило некоторое замедление темпов роста годовой температуры. На большей части территории наблюдается рост годового количества осадков. В отличие от изменений температуры, имеющих глобальный характер, динамика жидких и твердых осадков часто имеет противоположные тренды в различных регионах [Ипполитов и др., 2014]. На Алтае с конца 1960-х гг. наблюдается снижение годовой суммы осадков, в основном за счет зимних месяцев [Сухова, Модина, 2007]. При этом в последнее десятилетие наблюдается увеличение повторяемости многоснежных зим [Харламова, Казарцева, Дьякова, 2016]. По результатам анализа на гидрометеостанции Кызыл-Озёк к концу всего периода наблюдений (1940-2017 гг.) просматривается монотонное увеличение значений средней суточной температуры воздуха в холодные периоды (рис. 1). Период с 1997 по 2017 г. характеризуется превышением средней температуры холодного периода на 0,7 °С (средняя температура -10,6 °C) по сравнению со средней температурой за весь период исследований на метеостанции (-11,3 °C). Наблюдается четыре наиболее холодные зимы (1997/98, 2011/12, 2010/11, 2009/10) с температурой на 3,1-3,6 °C ниже средней за период наблюдений; четыре менее холодные зимы (1998/1999, 2004/05, 2005/06, 2012/13) - на 0,1-0,4 °С. Больше половины зим из периода исследований (1996/97, 1999/00, 2000/01, 2002/03, 2003/04, 2006/07, 2007/08, 2008/09, 2013/14, 2014/15, 2015/16, 2016/17) относятся к теплым (значения средней суточной температуры равно (-11,3 °C) или выше (-6,3...-11,2 °C) на 0,15 °C средней температуры за период наблюдений). Нет очень холодных зим (со средней температурой ниже -14 °С), как свойственно девяти зимам из всего периода наблюдений на гидрометеостанции (рис. 1). Зимы первой половины исследуемого периода в целом теплее (средние температуры от -6,3 до -11,7 °С), чем зимы с 2007/08 по 2013/14 гг. (-10,2... -13,9 °С), за исключением 1997/98 и 1998/99 (-13,4 и -11,5 °С соответственно). С 2014/15 г. и до окончания периода изучения начинается вновь повышение средней суточной температуры (-8,2...-9,3 °С). За исследуемый период с 1997 по 2017 г. наблюдалось незначительное повышение количества осадков. Близкое к среднему (142 мм) от 124 до 161 наблюдалось в 30 % из изучаемых зим (1998/99, 2001/02, 2002/03, 2003/04, 2004/05, 2007/08). Количество осадков выше среднего (161-223 мм) отмечалось в 35 % случаев: 2000/01, 2005/06, 2008/09, 2009/10, 2012/13, 2014/15, 2016/17; ниже среднего (69-124 мм) - в 35 %: 1997/98, 1999/00, 2006/07, 2010/11, 2011/12, 2013/2014, 2015/16. Наиболее снежными являются зимы 2016/17 (сумма осадков 223 мм) и 2009/10 гг. (223 мм). Резкое уменьшение количества осадков по сравнению с другими зимами периода исследования характерно для зим 2006/07 (80 мм) и 2011/12 (69 мм). Особенности проявления волн тепла и холоДа во время снегового половоДья (1997-2017 гг.). Сход снежного покрова на метеостанции Кызыл-Озёк наблюдается в период с 24 марта по 27 апреля. Чаще это происходит в первой (35 % от общего количества рассматриваемых лет), второй (30 %) и в третьей (30 %) декадах апреля. Наиболее ранние сроки схода снега (10 %) приходятся на третью декаду марта. Продолжительность и интенсивность снеготаяния зависят от величины снегозапасов перед началом таяния и от хода температур в начале весеннего сезона. Кроме того, важнейшей характеристикой, имеющей нередко определяющее значение в установлении максимальных расходов воды в реке, является кого повышения (близкое 20 °С и выше) максималь-проявление во время прохождения волны тепла рез- ной суточной температуры воздуха. Рис. 1. Тенденция изменения средней суточной температуры воздуха за холодный период на метеостанции Кызыл-Озёк (1940-2017 гг.) Fig. 1. Tendency in average daily temperatures for the cold period at the Kyzyl-Ozek weather station (1940-2017) Проведенный на основе данных [http://www.me-teo.ru] анализ суточных температур воздуха (средних и максимальных) за период с 1997 по 2017 г. показывает, что за половодье проявляются в среднем четыре волны тепла (включая кратковременные скачки максимальной температуры воздуха выше 20 °С на фоне постепенного потепления); минимальное количество проявлений - 1 (2016 г.), максимальное - 8 (2000 г.). Средняя продолжительность волны составляет 7 дней. Средняя за рассматриваемый период дата образования волны тепла, при условии последующей ее смены волной холода, наблюдается в первой фазе половодья (11-й день после начала). Максимально позднее проявление отмечается на 24-й день от начала половодья (например, в 2003 г.). В большинстве изучаемых лет волны тепла образуются в третьей декаде марта (35 % от общего количества рассматриваемых лет) и в первой декаде апреля (30 %). Наименьшее количество (5 %) отмечается в первой декаде мая. Во время прохождения волны тепла нередко проявляется резкий рост максимальной суточной температуры воздуха близкий или выше 20 °С продолжительностью от двух дней. Это наблюдается в среднем в третьей фазе половодья на 36-й день (табл. 1). Таблица 1 Характеристика наибольшего расхода воды и волн тепла в снеговое половодье в бассейне р. Майма (рассчитано по материалам [http://www.meteo.ru; Ежегодные..., 1997-2017]) Table 1 Characteristics of maximum water discharge and heat waves during snowmelt flood in the Maima river basin (calculated from the materials [http://www.meteo.ru; Annual..., 1997-2017]) Наибольший расход воды Волна тепла Период Дата м3/с Дата начала и окончания Длительность, сут Колебания температуры воздуха за волну, °С Сумма температур за волну, °С С повышением максимальной суточной температуры воздуха (близкой или выше 20 °С) 1998 30.04 39,7 30.04-01.05 2 20,4-21,0 41,4 1999 30.04 47,4 30.04-07.05 8 19,8-30,0 213,7 2003 25.04 59,0 25.04-29.04 5 19,7-29,7 116,5 2004 15.04 110,0 15.04-16.04 2 19,5-20,9 40,4 2005 22.04 71,5 19.04-22.04 9 20,7-27,7 218,2 2006 19.04 83,5 18.04-19.04 2 21,3-23,4 44,7 2007 08.04 28,1 06.04-08.04 3 20,3-23,5 66,1 2010 28.04 86,1 25.04-30.04 6 22,9-30,5 157,1 Период Наибольший расход воды Волна тепла Дата м3/с Дата начала и окончания Длительность, сут Колебания температуры воздуха за волну, °С Сумма температур за волну, °С 2011 13.04 41,6 10.04-16.04 8 21,1-29,3 191,7 2013 14.04 91,4 13.04-14.04 2 26,7-27,5 54,2 2014 02.04 37,4 01.04-03.04 3 24,5-27,5 77,8 2015 14.04 77,5 11.04-12.04 2 23,8-27,2 51,0 2000* 17.04 53,9 14.04-15.04 2 20,6-22,2 44,8 С повышением среДней суточной температурой возДуха выше 0 °С 2001* 17.04 81,7 10.04-16.04 7 2,2-12,8 57,3 2002* 11.04 24,9 08.04-11.04 4 0,6-7,0 15,9 2008 08.04 36,3 28.03-05.04 8 9,5-15,3 35,1 Примечание. Наибольший расход воды в реке сформировался при влиянии двух факторов: 1) прохождение волны тепла; 2) проявление периода дождей. Note. Maximum water discharge in the river was formed under the influence of two factors: 1) heat waves; 2) rainy season. Средняя минимальная сумма положительных температур воздуха за волну тепла 27,0 °С, средняя максимальная - 189,2 °С. При этом максимальная суточная температура за одну волну тепла колеблется в интервале 21-35,5 °С (максимум 35,5 °С наблюдался в 2004 г. в третьей фазе половодья; близкое к максимальному значение (34,6 °С) - в 1999 г. во второй фазе). Волна холода в среднем проявляется один раз, максимально - три. Для четырех лет из двадцатилетнего периода нехарактерно проявление волн холода. Начало волн холода отмечается во второй (31 %) -третьей (25 %) декадах марта и в первой декаде апреля (38 %); редко (6 %) - во второй и третьей декадах апреля. Продолжительность волн холода незначительная - в среднем 3 дня. Наиболее длинная волна (9 дней) отмечалась весной 2005 и 2006 гг. Максимальные суммы отрицательных температур воздуха колеблются в пределах от -3 до -48,9 °С; минимальные - от -1,1 до -41,7 °С. Наибольшие значения суммы температур (-48,9 °С) характерны для волны холода, отмеченной весной 2010 г. во второй фазе половодья (с 18-го по 24-й день от начала половодья); близкое к наибольшему со значением более -30 °С - в 2002 (волна длится 5 дней), 2003 (9 дней) и 2006 (9 дней) гг. Волны холода с наиболее низкими температурами (минимальная температура за сутки ниже -15 °С) наблюдаются в первую-вторую фазу половодья 2001 (-17,8 °С), 2005 (-16,2 °С), 2009 (17,7 °С) и 2011 гг. (17,0 °С). Динамика основных гиДрологических характеристик снегового половоДья. Анализ динамики расходов половодья на р. Майма по данным гидропоста в с. Майма в 1997-2017 гг. [Ежегодные..., 1997-2017] и сравнение полученных данных с характеристиками половодья в период 1940-1975 гг. [Ресурсы., 1979], предшествующий началу значительного потепления, позволил выявить ряд особенностей (см. табл. 1). Половодье на реке в период 1997-2017 гг. начинается обычно в третьей декаде марта (60 % случаев за период наблюдений), реже - во второй декаде марта (25 %) и первой декаде апреля (15 %). Средняя дата начала половодья - 24 марта. Окончание приходится на май (вторая-третья декады), нередко сопровождается осадками, вызывающими пиковые повышения расходов воды. По сравнению с периодом 19401975 гг. [Ресурсы., 1979], происходит смещение сроков начала и окончания половодья, а также даты наибольшего расхода воды на 5-6 дней на более ранние сроки при сохранении продолжительности половодья. Очевидно, это связано с повышением температуры и сокращением холодного периода. В период 1997-2017 гг. относительно предыдущего, отмечается незначительное (на 3,5 %) сокращение годового стока, связанное с уменьшением количества осадков, в том числе в зимний период. Наиболее показательно изменение внутригодового распределения стока. Суммарный слой стока половодья в период с 1997-2017 гг. сократился на 28,8 % по сравнению с периодом 1940-1975 г. С начала наблюдений доля стока половодья в годовом стоке сократилась с 49,2 до 36 % (табл. 2). Подобное перераспределение стока рек, выраженное в увеличении меженного стока, особенно зимнего, за счет уменьшения доли стока половодья в последние десятилетия наблюдается повсеместно на территории России и Западной Сибири [Водные ресурсы., 2008; Попова, Шмакин, Симонов, 2010]. Механизм внутригодового перераспределения стока связан, в первую очередь, с повышением температур в холодный период и, как следствие, уменьшением глубины промерзания почвы. Эти процессы вызывают увеличение зимнего стока и уменьшение талого стока весной за счет потерь на инфильтрацию [Калюжный, Лавров, 2012]. Таблица 2 Основные характеристики половодья в 1940-1975 гг. [Ресурсы..., 1979] и 1997-2017 гг. (рассчитано авторами по материалам [http://www.meteo.ru]) Table 2 Main flood characteristics of 1940-1975 [Resources..., 1979] and 1997-2017 (calculated by the authors from the materials [http://www.meteo.ru] Характеристика Период 1940-1975 1997-2017 Средняя дата начала половодья 30.03 24.03 Средняя дата окончания половодья 23.05 18.05 Средняя дата наибольшего срочного расхода воды 21.04 15.04 Наибольший среднесуточный расход воды за половодье, м3/с 88 60 Средняя продолжительность половодья, сут 55 56 Годовой слой стока, мм 352 340 Суммарный слой стока за половодье, мм 170 121 Сток за половодье, % от годового 47,5 36 РасхоДы воДы и сток половоДья за периоД 19972017 гг. Наибольшие значения средних расходов воды за половодье (более 24 м3/с при среднем за период 19.4 м3/с) наблюдались в 2001, 2005, 2006, 2015, 2017 гг., наименьшие (менее 15 м3/с) - в 2007, 2008, 2012 и 2014 гг.; близкие к средним - в 1999, 2004, 2010 и 2016 гг. Средняя дата наступления максимального расхода половодья - 15 апреля. Максимальные расходы (20,6-110 м3/с) на реке наблюдаются в среднем через 24 дня после начала половодья (минимально - через 7, максимально - через 45 дней). Максимальный за исследуемый период расход (110 м3/с) отмечен 15 апреля 2004 г. Интересной особенностью является то, что многоводные годы характеризуются более поздним началом половодья - на 3-13 дней позже средней даты наступления. Выделяются основные факторы, определяющие время прохождения максимальных расходов воды р. Майма. Больше чем в половине исследуемых лет (1998, 1999, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2010, 2011, 2013, 2014, 2015) максимальные расходы формируются в результате проявления первой за половодье волны тепла с резким повышением суточной температуры воздуха - максимальная температура около 20 °С и выше (за исследуемый период колебания от 19.5 до 30,5 °С) и сумма за всю волну более 40 °С (40,4-218,2 °С) и наблюдаются в первые-вторые, реже третьи сутки после роста температуры (см. табл. 2). Например, в период половодья в 2007 г. максимальный расход 28,1 м3/с был зафиксирован в конце трехдневной волны тепла с выраженным резким подъемом максимальной суточной температуры от 20,3 до 23.5 °С и суммой за всю волну 66,1 °С. Формирование высоких расходов во многом зависит от выпадения жидких осадков во время половодья. Так, в 2009, 2012, 2016 и 2017 гг. максимальные расходы воды проявились в середине или конце периода дождей (табл. 3). При этом величина расходов зависит от суммы выпавших осадков: меньшее количество (8,8 мм) соответствует низкому значению расходов - 20,6 м3/с (2012 г.) и наоборот: 63,2 и 49,2 мм - 73,9 и 92,4 м3/с (2016 и 2017 гг. соответственно). Пик максимальных расходов в большинстве случаев наблюдается на вторые-третьи сутки после начала дождей. Так, например, 13-19 апреля 2017 г. дожди с суммой 49,2 мм на спаде половодья вызвали с 13-го по 20-е апреля резкое увеличение расходов воды в реке (максимальный расход 77,1 м3/с) (табл. 3). В некоторых случаях максимальные расходы воды в р. Майма наблюдаются во время или после прохождения волны тепла, следующей за выпадением жидких осадков. Такая ситуация характерна для четырех из изучаемых половодий - 2000, 2001, 2002, 2015 гг. (см. табл. 1, 3). В 2001 г. наибольший расход воды зафиксирован после длительной (7 сут) волны тепла со средней суточной температурой воздуха от 2,2 до 12,8 °С и ее суммой 57,3 °С, и на вторые сутки дождей с суммой осадков за два дня 14,5 мм. Анализ динамики расходов воды после начала снеготаяния в результате выпавших жидких осадков и с учетом условий проявления волн холода позволил определить период добегания вод в речную сеть. При этом исключалось влияние сопутствующих факторов, в первую очередь, повышения температуры воздуха, усиливающего снеготаяние и дополнительный приток воды в реку. После периода дождей с суммой осадков более 5 мм, а также при быстром нарастании положительных температур воздуха (минимальные значения средней суточной температуры воздуха за волну 5 °С), поступление вод в речную сеть наблюдается чаще всего в первые сутки. Так, например, в половодье 2005 г. значительное повышение расходов воды (61 % от предыдущих суток) с 15-го по 18-е апреля спровоцировано дождями суммой 35,8 мм. При этом до дождей проявлялась 9-дневная волна холода, а во время дождей повышения суточных температур не наблюдалось. Оценка доли талых вод в общем объеме стока половоДья (1997-2017 гг.). С помощью расчленения гидрографа нами был рассчитан слой стока половодья каждого года с выделением талого стока (табл. 4, рис. 2, приведен пример за 2015 г.). Доля талого стока в общем стоке половодья изменяется в разные годы от 59 до 92 %, составляя в среднем 80 %. Как правило, для рек, имеющих значительную долю талых вод в стоке половодья, статистические зависимости стока половодья от снего-запасов (либо сумм осадков) имеют линейный характер с коэффициентами корреляции от 0,7 до 0,9 и выше [Аполлов, Калинин, Комаров, 1974]. Для периода с 1997-2017 гг. было проанализировано соотношение сумм твердых осадков и талого стока с использованием данных наблюдений на гидрометеостанции Кызыл-Озёк. Получена линейная зависимость (коэффициент корреляции 0,84) слоя талого стока от суммы твердых осадков за холодный период (рис. 3). Значимый коэффициент корреляции показывает наличие связи между этими двумя параметрами. При уточнении этой статистической связи и проверке на независимом материале возможно использовать полученные материалы для долгосрочных прогнозов стока половодья. Таблица 3 Характеристика периода дождей и наибольшего расхода воды в снеговое половодье в бассейне р. Майма (рассчитано по материалам [http://www.meteo.ru; Ежегодные..., 1997-2017]) Table 3 Characteristics of a rainy season and maximum water discharge during snowmelt flood in the Maima River basin (calculated from the materials [http://www.meteo.ru; Annual..., 1997-2017]) Период* Наибольший расход воды Период дождей Дата м3/с Дата начала и окончания Длительность, сут Сумма осадков, мм 2000** 17.04 53,9 16.04-17.04 2 15,7 2001** 17.04 81,7 16.04-17.04 2 14,5 2002** 31.03/11.04 24,9 25.03-31.03/11.04 5/1 23,3/9,4 2009 08.04 47,8 05.04-07.04 3 22,2 2012 08.04 20,6 06.04-08.04 3 8,8 2015** 14.04 77,5 13.04-14.04 2 17,1 2016 13.04 73,9 07.04-13.04 7 63,2 2017 19.04 92,4 13.04-19.04 7 49,2 Примечание. * Взяты годы с «чистыми» дождевыми паводками - классические формы, четко обособленные на гидрографе, не осложненные многопиковыми структурами; ** наибольший расход воды в реке сформировался при влиянии двух факторов: 1) прохождение волны тепла (табл. 1); 2) выпадение дождей. Note. * Years with "pure" rain floods are taken into account - classic forms, clearly separated on the hydrograph, not complicated by multi-peak structures; ** maximum water discharge in the river was formed under the influence of two factors: 1) heat wave (table 1); 2) rains. Рис. 2. Ход гидрометеорологических элементов в 2015 г. 1 - средние суточные расходы воды, м3/с; отдельно выделены период половодья (2) и подземный сток (3); 4 - средние суточные температуры, °С; 5 - суточные суммы осадков, мм (гидропост р. Майма - с. Майма, метеостанция Кызыл-Озек) Fig. 2. A graph hydrometeorological parameters, 2015 1 - average daily discharges, m3/s; 2 - average daily discharges during high water, m3/s; 3 - underground runoff, m3/s; 4 - average daily temperatures, °C; 5 - precipitation total, mm (the Maima gauge at Maima village, to the Kyzyl-Ozek weather station) Таблица 4 Характеристики холодного периода и снегового половодья в бассейне р. Майма (1997-2017 гг.) (рассчитано по материалам [http://www.meteo.ru; Ежегодные..., 1997-2017]) Table 4 Characteristics of a cold period and snowmelt flood in the Maima river basin (1997-2017) (calculated from the materials [http://www.meteo.ru; Annual..., 1997-2017]) Г идрологический год Холодный период Коэффициент снежности Половодье Сумма осад ков, мм Слой стока, мм Средний расход воды за половодье, м3/с Доля талого стока в стоке половодья, % Начало, дата Окончание, дата Продолжительность, сут Начало, дата Окончание, дата Продолжительность, сутки Холодный период Расчетное половодье Общий за половодье Слой талого стока 1997/98 12.11 27.03 136 0,84 1.04 15.05 45 119,5 106,4 81,4 66,0 16,3 81,1 1998/99 12.11 31.03 140 0,90 3.04 24.05 52 128,0 93,6 108,4 94,0 18,8 86,7 1999/00 10.11 21.03 133 0,84 29.03 25.05 57 119,3 139,1 148,0 115,0 23,0 77,7 2000/01 19.10 13.03 149 1,38 26.03 26.05 64 195,3 140,6 191,6 170,0 27,0 88,7 2001/02 28.10 13.03 137 0,91 13.03 8.05 57 128,4 99,4 101,3 72,0 16,0 71,1 2002/03 8.11 24.03 137 0,95 27.03 29.05 65 134,3 78,6 108,1 88,0 15,3 81,4 2003/04 30.10 26.03 149 1,14 31.03 20.05 50 161,2 134,8 138,5 124,0 21,8 89,5 2004/05 1.11 20.03 140 0,90 24.03 20.05 58 127,9 153,5 140,1 124,0 24,7 88,5 2005/06 3.11 20.03 138 1,40 27.03 25.05 60 197,7 223,7 181,1 140,0 27,2 77,3 2006/07 21.11 12.03 112 0,56 20.03 27.04 39 79,7 55,4 47,5 35,0 11,0 73,6 2007/08 24.10 16.03 145 0,88 19.03 17.05 60 124,1 78,5 95,1 78,0 14,3 82,0 2008/09 14.11 20.03 127 1,21 21.03 17.05 58 171,8 80,8 111,4 95,0 17,4 85,2 2009/10 23.10 17.03 146 1,57 19.03 14.05 57 222,5 60,4 126,7 113,0 20,1 89,2 2010/11 19.11 19.03 119 0,83 25.03 14.05 51 118,3 58,0 91,3 72,0 16,2 78,8 2011/12 30.10 15.03 138 0,49 21.03 15.05 56 68,9 84,7 61,1 41,0 9,9 67,1 2012/13 1.11 10.03 130 1,20 11.03 14.05 65 169,6 85,9 161,4 148,0 22,4 91,7 2013/14 21.11 9.03 109 0,53 21.03 7.05 48 75,0 79,2 76,3 57,0 14,4 74,7 2014/15 9.11 2.04 109 1,15 7.04 21.05 45 163,5 76,4 136,3 105,0 27,3 77,1 2015/16 2.11 3.03 123 0,75 12.03 11.05 61 106,2 176,5 127,7 75,0 18,9 58,7 2016/17 13.10 16.03 155 1,58 27.03 27.05 62 223,4 144,2 177,0 147,0 25,9 83,1 Среднее 5.11 19.03 134 - 24.03 18.05 56 141,7 107,5 120,5 98,0 19,4 80,2 Рис. 3. Зависимость слоя талого стока от суммы осадков за холодный период (1997-2017 гг.) по ГМС Кызыл-Озек и гидрологическому посту р. Майма - с. Майма Fig. 3. Dependence of snowmelt-runoff depth and winter precipitation total according to the Kyzyl-Ozek weather station, the Maima gauge at Maima village (1997-2017) Коэффициенты стока талых и дождевых вод рассчитаны на основе расчленения гидрографа и выполненной приближенной оценки слоя талого и дождевого стока. Для этого отдельно анализировались годы, для которых имеются средневзвешенные снего-запасы по бассейну, полученные в результате снегомерных съемок (табл. 5). В период половодья с 2015 по 2017 г. коэффициент талого стока изменялся от 0,59 до 0,81, в среднем составив 0,69. Эта величина близка к оценкам А. М. Комлева для бассейна р. Семы (0,65-0,87) [Комлев, Титова, 1966] и Ш.А. Харшана в целом для рек Алтая (0,7-0,9) [Харшан, 1970]. Межгодовые различия в коэффициентах талого стока объясняются неодинаковыми синоптическими условиями каждого конкретного года, определяющими суммарные потери талого стока на инфильтрацию (степень увлажнения и промерзания грунтов) и испарение со снежного покрова и почвы. Наиболее высокий коэффициент талого стока 0,81 отмечен весной 2016 г. Вероятно, это связано с тем, что предшествующая зима, в отличие от двух других, была малоснежной, что способствовало большему промерзанию почвогрунтов и уменьшению потерь талого стока. На спаде половодья, после окончания снеготаяния и оттаивания почвогрунтов, коэффициенты стока закономерно уменьшаются [Комлев, Титова, 1966; Харшан, 1970; Аполлов, Калинин, Комаров, 1974]. Установлено, что в 2015-2017 гг. коэффициенты дождевого стока в 3-3,5 раза ниже и меняются из года в год менее значительно, чем коэффициенты талого стока. Таблица 5 Характеристики стока половодья в 2014/15-2016/17 гг. и суммы осадков, участвующих в его формировании (рассчитано по материалам [http://www.meteo.ru; Ежегодные..., 1997-2017] и данным снегомерных съемок) Table 5 Characteristics of flood runoff in 2014/15-2016/17 and precipitation involved (calculated from the materials [http://www.meteo.ru; Annual..., 1997-2017] and data from snow surveys) Гидрологический год Сумма осадков, мм Слой стока половодья, мм Коэффициенты стока Доля талого стока, % s X1 х2 Ут Уд уобщ Пт Пд В стоке половодья В годовом стоке 2014/15 110 67,3 47 105,0 9,0 136,3 0,59 0,19 77 41 2015/16 70 22,6 153,9 75,0 36,0 127,7 0,81 0,23 59 27 2016/17 152 66,8 81,4 147,0 18,0 177,0 0,67 0,22 83 40 Примечание. s - средние по бассейну снегозапасы; х1 - количество осадков за время снеготаяния; х2 - количество осадков за время от схода снега до окончания; ут и уд - слой стока талых и дождевых вод; уобщ - слой стока половодья, включая талый, дождевой и подземный сток; пт и пд - коэффициенты стока талых и дождевых вод. Note. s - average snow-water equivalent reserves in the basin; x1 -precipitation amount for a snowmelt period; x2 - precipitation amount for the period from start to end of snow melting; ут and уд - melt and rainwater runoff depth; ytotal - flood runoff depth, including snowmelt,rain and underground runoff; пт and ^-coefficients of snowmelt and rainwater runoff. Выводы 1. На р. Майма максимальные расходы (20,6110 м3/с) фиксируются в среднем на 24-й день после начала снегового половодья в результате проявления первой за половодье волны тепла с резким повышением суточной температуры воздуха близкой и выше 20 °С, и наблюдаются чаще всего в первые-вторые сутки после роста температуры либо на вторые-третьи сутки после выпадения сильных дождей. 2. Период 1997-2017 гг. характеризуется незначительным сокращением годового стока, что связано с уменьшением годовой суммы осадков, в первую очередь за счет зимних месяцев. При этом наблюдается внутригодовое перераспределение стока, выраженное в уменьшении доли стока половодья в годовом стоке и смещении сроков половодья, обусловленное ростом температур и сокращением продолжительности холодного периода. С начала наблюдений доля стока за половодье в годовом стоке сократилась с 49,2 до 36 %. Сроки начала, окончания половодья и даты наибольшего расхода воды наблюдаются на 5-6 дней раньше. По сравнению с периодом 1940-1975 гг. суммарный слой стока за половодье сократился на 28,8 %; наибольшие среднесуточные расходы половодья уменьшились на 31,8 %. 3. Во время половодья 2015-2017 гг. коэффициент талого стока составил от 0,59 до 0,81, в среднем 0,69. Наиболее высокий коэффициент талого стока (0,81) отмечен весной 2016 г. после малоснежной зимы. Вероятно, это связано с большим промерзанием почвогрунтов и меньшими потерями талого стока на инфильтрацию. Коэффициенты дождевого стока в 3-3,5 раза ниже и меняются из года в год менее значительно, чем коэффициенты талого стока. Доля талого стока в годовом стоке в эти годы составила от 27 до 41 %.

Скачать электронную версию публикации