Estimation of water runoff perennial change of the Upper Irtysh River for water resource stability.pdf Состояние природной среды и обеспеченность водными ресурсами на территории бассейна р. Иртыш затрагивают государственные и экономические интересы трех сопредельных стран - Китайской Народной Республики, Республики Казахстан и Российской Федерации. В пределах казахстанской части бассейна р. Иртыш с площадью водосбора более 300 тыс. км2 расположены Павлодарская и Восточно-Казахстанская области Республики Казахстан. Промышленность, сельское хозяйство, гидроэнергетика, коммунально-хозяйственное водоснабжение, водный транспорт и другие объекты названных областей являются основными водопотре-бителями и водопользователями, а также прямыми источниками загрязнения одной из важнейших трансграничных водных артерий Казахстана, имеющей социально-экономическое, экологическое и геополитическое значение. Проблеме управления водными ресурсами были посвящены труды многих исследователей: А.Б. Авакяна, О.Ф. Васильева, С.Л. Вендрова, А.М. Черняева, И.С. Шахова, Н.Б. Прохоровой, Л.М. Корытного и др. [1-8]. В Казахстане изучением гидроэкологических проблем занимаются Ж. Д. Достай, А.А. Турсунов, М.Ж. Бурлибаев, разрабатывающие, в частности, проблемы вододеления в Арало-Сырдарьинском бассейне [9, 10]. На территории Республики Казахстан сток р. Иртыш зарегулирован Верхне-Иртышским каскадом водохранилищ: Бухтарминским (заполнение и пуск произведены в 1960-1966 гг.); Усть-Каменогорским (заполнение в 1952-1954 гг., выход на полную мощность в 1966 г.); Шульбинским (начало строительства в 1976 г., введен в эксплуатацию в 1987-1994 гг.). Названные водохранилища последовательно осуществляют многолетнее, сезонное, недельное регулирования стока и в соответствии со своим назначением изменяют гидрологический режим Иртыша с момента их заполнения и начала эксплуатации. Канал Иртыш - Караганда, строительство которого велось в 1968-1975 гг., производит забор воды из Иртыша для переброски части стока в Карагандинскую и Акмолинскую области, а также для водообеспечения столицы Республики Казахстан - Астаны [11]. Изменение гидрологического режима Иртыша в результате регулирования стока существующим каскадом гидроэлектростанций, повышенного водопотребления и освоения пойменных земель привело к снижению природного потенциала экосистемы самой реки и ее пойменных массивов со значительными изменениями по качественным и количественным показателям речного стока. На современном этапе водохозяйственный баланс Северо-Восточного региона Казахстана считается напряженным. Данная работа посвящена исследованию изменений природного и антропогенного происхождения в режиме водного стока рр. Черный Иртыш и Иртыш в пределах Республики Казахстан за период 1903-2010 гг. и оценке его современного состояния в условиях интенсификации водопользования и современных климатических изменений. Объект исследования. Река Иртыш, левый приток Оби, берет начало в Китае на западных склонах Монгольского Алтая и до впадения в оз. Зайсан носит название Черный Иртыш. В пределы Казахстана Иртыш входит уже судоходной рекой со средним многолетним годовым расходом воды, равным 286 м3/с (по данным 1938-2010 гг.), и впадает в оз. Зайсан. Основной объем стока Верхнего Иртыша формируется в его верховьях и ориентировочно составляет: на территории КНР - 25%, на территории Казахстана - 75% (из них 40% составляет сток малых рек, непосредственно впадающих в Иртыш от границы с КНР до устья р. Бух-тарма, и 35% приходится на рр. Ульба и Уба и другие малые притоки ниже г. Усть-Каменогорск. На верхнем участке, до впадения в оз. Зайсан, река принимает ряд притоков: рр. Окурт, Камер, Кран, Бур-чум и многоводный Кальджир, вытекающий из оз. Маркаколь. Ниже устья р. Бухтармы, где Иртыш входит в узкое горное ущелье, располагается Бухтар-минское водохранилище. В результате образовавшегося подпора Бухтарминское водохранилище вобрало в себя оз. Зайсан. В водохранилище впадает ряд крупных притоков - Курчум, Нарым, Бухтарма, Бол. Буконь, Таинты. Ниже второй плотины - Усть-Каменогорской ГЭС - на выходе реки из гор в нее впадает еще два крупных правобережных притока - рр. Ульба и Уба. Левобережные притоки Иртыша менее значительны - Ковалевка, Кызылсу, Чар, Мукур, Ащису. Самыми крупными притоками Иртыша являются Бухтарма и Уба. Ниже г. Семипалатинска Иртыш на протяжении более 1 200 км (до г. Омска) не принимает ни одного значительного притока, за исключением р. Шаган, которая является проточной только в многоводные годы, поскольку протекает по полупустынной и сухостепной территории Казахстана. Вследствие большой протяженности территории для различных ее частей характерны разные природно-климатические условия и уровень хозяйственной деятельности человека. Бассейн Верхнего Иртыша по характеру рельефа разделяется на две части: горную и равнинную. Казахстанский Алтай, являясь частью Алтайской горной страны, в орографическом отношении состоит из трех обособленных районов: Южного Алтая, западной части Центрального Алтая и Калбинско-го хребта. Восточная окраина Южного Алтая отличается особенно высокогорными формами рельефа с постепенным понижением на запад. Высота отдельных хребтов колеблется от 2 500 до 3 800 м [12]. Характер гидрографической сети находится в тесной связи с орографическими и климатическими условиями. Для рек Восточного Казахстана характерно смешанное питание с преобладанием снегового. Дождевое питание имеет подчиненное значение и не превышает 15-20%, ледниковое является существенным лишь для створов, расположенных у ледников. Исходные данные и методика исследования. Для изучения характера воздействия Верхне-Иртышского каскада водохранилищ на гидрологический режим р. Иртыш в пределах Республики Казахстан использовались гидрометрические данные по стоку в пяти гидростворах (табл. 1). Т а б л и ц а 1 Гидрографические и гидрологические характеристики водосборов р. Иртыш Пост F, км2 L1, км L2, км H, м дср, м3/с eg, % Cv ecv,% Период наблюдений, гг. N с. Буран 55900 3688 560 1290 286 3,21 0,27 8,58 1938-2010 73 г. Усть-Каменогорск 147000 3076 1172 1070 588 1,97 0,20 6,95 1903-2010 108 с. Шульба 179000 2922 1326 991 893 2,11 0,20 7,52 1903-1994 92 с. Семиярское 229000 2643 1605 897 1,87 0,19 6,96 1903-1997, 1999-2010 107 г. Павлодар 240000 2396 1852 854 2,30 0,22 7,44 1903-1995, 2009-2010 95 Примечание. F - площадь водосбора, км2; L1 - расстояние от устья, L2 - расстояние от истока, км; H - средняя высота водосбора, м; Q0p - средний многолетний годовой расход воды за период наблюдений, м3/с; eQ - относительная погрешность выборочного среднего расхода воды за весь период наблюдений, %; Cv - коэффициент вариации годового стока; ecv - относительная погрешность коэффициента вариации годового стока, %; N - количество наблюдений. Совместный анализ рядов годового стока производился для периода наблюдений 1938-1994 гг., репрезентативный для всех постов, приведенных в табл. 1. Оценка репрезентативности осуществлялась по разностной интегральной кривой среднегодовых расходов воды и среднеквадратической ошибке нормы стока в соответствии с [13]. Статистический анализ гидрологических данных включал в себя проверку рядов годовых расходов на случайность и однородность по среднему и дисперсии по критериям Стьюдента и Фишера, нулевых гипотез о согласии рядов наблюдений и их частей с нормальным законом распределения по критериям Колмогорова-Смирнова, Лилиефорса и Шапиро-Уилкса в пакете «Statistica». Анализ динамики рядов на наличие значимых тенденций проводился по двум критериям: непараметрическому, основанному на подсчете числа инверсий, и параметрическому критерию Аббе [14]. Результаты. Установлено, что естественный режим стока р. Иртыш в гидростворах г. Усть-Каменогорск, c. Шульба, с. Семиярское и г. Павлодар (1960-1966 гг.) сменился на искусственно регулируемый. Средний годовой сток. В 1960 г. были завершены наполнение и пуск Бухтарминского водохранилища, это привело к уменьшению среднегодовых расходов и размаха его колебаний на нижележащих створах, что четко просматривается на кривых многолетних расходов у г. Усть-Каменогорск и с. Семиярское, для которых имеются более чем 100-летние ряды наблюдений (рис. 1). Для исследования был использован следующий прием, применяемый в практике водохозяйственного проектирования. Из длительного ряда наблюдений за стоком в створе гидроузла выбирались два периода: до строительства гидроузла - бытовой (далее период естественного режима), и после строительства гидроузла -эксплуатационный (далее период измененного режима), с близкими по величине параметрами годового стока, причем годы первоначального наполнения водохранилищ исключались. Поскольку Бухтарминское водохранилище по объему значительно превосходит Усть-Каменогорское и на полную мощность они были выведены в 1966 г., то расчетный период естественного режима в данной работе принят с 1903 по 1959 г. включительно, а период измененного режима, соответствующий совместной работе всех водохранилищ, принят с 1967 по 1994 г. либо 1967-2010 гг. в зависимости от наличия данных для конкретного створа. Если за 50 лет (1910-1960 гг.) естественного режима Иртыша у с. Семиярское через каждые 2, 3, 4 года наблюдался расход, превышающий 1 000 м3/с (19 раз), то за последующие полвека он был зафиксиирован всего 9 раз, причем с большими перерывами длительностью до 16 лет (1974-1989 гг.) (рис. 1). Однако средний многолетний расход измененного режима уменьшился незначительно, за исключением створа у г. Усть-Каменогорск: у с. Семиярское на ~ 5%, у г. Павлодар - на 2% (табл. 2). Причина этого достаточно проста. Общеизвестно, что результатами регулирования стока водохранилищами гидротехнических установок являются снижение максимальных естественных расходов (уровней) воды в период половодья и резкое увеличение меженных расходов воды, особенно в зимний период. Действительно, например, в створе с. Семиярское минимальные среднегодовые расходы после 1960 г. ни разу не опускались ниже 600 м3/с (рис. 1). Таким образом, произошло смещение границ максимальных и минимальных средних годовых расходов: максимальные расходы уменьшились, минимальные - увеличились, в результате средний многолетний расход за нарушенный период изменился незначительно. В связи с этим средние многолетние расходы рассматриваемых двух периодов на равнинной части бассейна Иртыша не отражают трансформацию стока. 1400 2100 1200 ■ 1000 ■ 800 - 600 - 400 ■ 200 1800 3 1500 1200 900 600 300 1900 1910 1920 1930 1940 1950 I960 1970 1980 1990 2000 2010 1973 г. Рис. 1. Многолетние колебания годового стока рр. Черный Иртыш и Иртыш р « я s р w р о р О Т а б л и ц а 2 Статистические характеристики водного стока естественного (I) и нарушенного (II) режимов р. Верхний Иртыш Пост Оср, м3/с Sq, % Cv SCv, % ДОср, % N I II I II I II I II I II г. Усть-Каменогорск 628 559 2,8 2,1 0,21 0,14 9,57 10,8 - 10,9 57 44 с. Шульба 909 894 3,0 2,5 0,23 0,13 9,61 13,5 - 1,7 57 28 с. Семиярское 921 876 2,9 2,2 0,22 0,15 9,59 10,8 - 4,7 57 44 г. Павлодар 885* 867 2,8 2,8 0,21 0,15 9,57 13,5 - 2,0 57 28 Примечание. Qcp - средний годовой расход воды за период наблюдений; Sq - относительная погрешность выборочного среднего расхода; Cv -коэффициент вариации; sCv - относительная погрешность коэффициента вариации; ДОср - изменение среднего многолетнего расхода, рассчитанное по формуле (Qh-Qi)/Qi 100%; N - число наблюдений; I - период естественного режима (1903-1959 гг.); II - период измененного режима (1967-2010 гг. - для створов у г. Усть-Каменогорск и с. Семиярское, 1967-1994 гг. - для с. Шульба и г. Павлодар). У г. Павлодара расходы за 1930 и 1983 гг. восстановлены по створу Семиярское. Значительное уменьшение стока (на 11%) произошло в створе у г. Усть-Каменогорска, расположенного на участке каскада водохранилищ. Неоднородность по среднему в стоковых рядах зафиксирована у него значительно раньше, чем в других створах, - с 1946 г., т.е. с начала строительства водохранилища. По расчетам разных авторов, только испарение с зеркала Бухтар-минского водохранилища составляет от 1,5 [15] до 1,79 км3/год [16]. Значительное уменьшение среднего многолетнего расхода у этого створа носит комплексный характер, связанный также с интенсивным развитием промышленности и размещением в этом районе крупных водоемких промышленных предприятий. О возросшей зарегулированности стока свидетельствует также снижение коэффициента вариации, бывшего невысоким и в период естественного режима (табл. 2). Средние многолетние годовые расходы, приведеные в табл. 2, расчитаны по репрезентативным выборкам, относительная погрешность среднего расхода не превышает допустимой (Eq < 3%). Особый интерес представляет водный сток у гидроствора с. Буран, расположенного выше каскада водохранилищ и таким образом сохраняющего естественный режим, что важно для проведения сравнительного анализа с другими постами. Однако в многолетнем ряду среднегодовых расходов в створе с. Буран с 1973 г. (на фоне чрезвычайно засушливых 1973-1974 гг.) наблюдается резкое уменьшение годового стока, в дальнейшем не восстановившегося, что подтверждается значимым нарушением однородности по среднему с 1973 г. Обращает на себя внимание вид разностной интегральной кривой среднегодовых расходов в створе с. Буран (рис. 2). Кривая представляет собой один полный цикл водности с точкой перелома в 1973 г., причем 1938-1973 гг. соответствует многоводный, а 1974-2010 гг. - маловодный период. 5,00 -1,00 4.00 3,00 £ 2.00 ы 1.00 0,00 -4943 1953 1963 19 73 1983 I993 2004 V Рис. 2. Разностная интегральная кривая годового стока р. Черный Иртыш - с. Буран (1938-2010 гг.) Уменьшение среднего многолетнего расхода в створе с. Буран на 19%, оцененное по выборкам за 1938-1972 и 1973-1994 гг. (распределены по нормальному закону, однородны по дисперсии на уровне значимости 0,05), может быть связано, на наш взгляд, с двумя факторами. Во-первых, уменьшение стока произошло на маловодной ветви долгопериодического цикла колебаний водности Черного Иртыша, т.е. связано с изменением климатических условий формирования стока и, во-вторых, с возможным забором воды на производственные нужды из р. Черный Иртыш на территории Китая. В связи с этим водный режим Черного Иртыша на современном этапе правильнее характеризовать как условно-естественный. Нарушение естественного водного режима р. Иртыш ниже каскада водохранилищ в створах с. Се-миярское и г. Павлодар можно косвенно проследить также по изменению значений их парных коэффициентов корреляции со стоком в створе с. Буран (табл. 3). Так как наблюдения за стоковым режимом Черного Иртыша в створе с. Буран начались с 1938 г., то для анализа изменений корреляции стока с нижележащими по течению створами период измененного режима был уменьшен (см. табл. 3). Следует отметить, что и в период естественного режима (до ввода в эксплуатацию водохранилищ) между годовым стоком в створах, приведенных в табл. 1, имелись значимые корреляции, что объясняется их компактным расположением на транзитном участке р. Иртыш. Наибольшие изменения коэффициентов парной корреляции произошли на участке каскада, в створах г. Усть-Каменогорск и с. Шульба, что является следствием влияния одноименных водохранилищ на сток Иртыша на этом участке. Т а б л и ц а 3 Коэффициенты корреляции (г) годового стока на нарушенном участке р. Иртыш со стоком в створе р. Черный Иртыш - с. Буран Пост Период Расположение створа естественного режима (1938-1959 гг.) измененного режима r r годы г. Усть-Каменогорск 0,89 0,54 1967-2010 На участке каскада водохранилищ с. Шульба 0,89 0,61 1967-1994 с. Семиярское 0,76 0,64 1967-2010 Ниже каскада водохранилищ г. Павлодар 0,77 0,75 1967-1994 Между стоком в створе с. Семиярское и расположенным ниже по течению створом в г. Павлодар и после ввода в строй всех трех водохранилищ сохранилась высокая значимая корреляция (r = 0,98), т.е. колебания средних годовых расходов этих двух постов практически синхронны. Характерной особенностью водного режима Верхнего Иртыша на равнинной части бассейна является падение расходов воды вниз по течению на участке с. Семиярское - г. Павлодар - с. Черлак при увеличении площади водосбора на 9,6%. Считается, что это уменьшение вызвано аккумуляцией значительных объемов воды в пойме и повышенными потерями на испарение с заливных лугов. Уменьшение стока на этом участке имеет критическое значение для сельскохозяйственного комплекса Павлодарской области. На кривой многолетних колебаний разности среднегодовых расходов воды между с. Семиярское и г. Павлодар, рассчитанной по формуле ДО = (ОПавл-ОСем)/ОСем х 100%, есть два продолжительных периода 1903-1933 и 1956-1975 гг., в которые на пути до Павлодара стабильно терялось около 4% стока, что соответствует 40-45 м3/с (рис. 3). Однако эта многолетняя закономерность стала нарушаться примерно с 1934 г., т.е. еще до начала строительства водохранилищ, возможно, из-за недоучета объемов воды на пойме в предшествующий период. Рис. 3. Многолетние колебания разности среднегодовых расходов воды между г. Павлодаром и с. Семиярское Наиболее интенсивное снижение расходов отмечается на участке г. Павлодар - с. Черлак. Последний расположен в Омской области на границе с Республикой Казахстан ниже канала Иртыш - Караганда. Средний многолетний расход воды за период 19752010 гг., после ввода в эксплуатацию канала, сократился на 10% по сравнению с нормой стока, определенной по ряду с 1903 по 1973 г. В гидрологическом отношении 1973 г. является особым для всех стоковых рядов в равнинной части бассейна Верхнего Иртыша, так как с этого года нарушается однородность стоковых рядов по среднему, что связано, возможно, с проявлением маловодья (с 1973 г.) в бассейне Черного Иртыша. Исключением является гидропост у с. Шульба, стоковые ряды которого для всего периода наблюдений остаются однородными по среднему. Примечательно, что до начала строительства каскада водохранилищ в стоковых рядах всех рассматриваемых створов отсутствуют значимые тенденции (табл. 4). Наличие статистически достоверных тенденций (убывающих), совпавших по двум критериям, обнаружено только в створах с. Буран и г. Усть-Каменогорск в рядах среднегодовых расходов за весь период наблюдений. Естественный режим стока любой реки имеет отпечаток определенной зарегулированности, оцениваемый коэффициентом ф, численно равным отношению базовой площади кривой продолжительности среднемесячных расходов воды к площади за год. За счет перераспределения стока водохранилищами из половодья на межень степень зарегулированности должна повышаться. У с. Се-миярское коэффициент зарегулированности повысился с 0,69 (естественный режим) до 0,81 (измененный режим). Т а б л и ц а 4 Тенденции в стоковых рядах Черного и Верхнего Иртыша Пост Естественный режим Измененный режим Весь период наблюдений Годы Y у min Наличие тренда Годы Y у min Наличие тренда Годы Y у min Наличие тренда с. Буран 19381959 0,92 0,66 * Нет/нет 19672010 0,78 0,75 Нет/нет 19382010 0,81 1,22 Есть/есть г. Усть-Каменогорск 19031959 0,82 0,78 Нет/нет 19672010 0,25 0,75 Есть/нет 19032010 0,59 1,18 Есть/есть с. Шульба 19031959 0,83 0,78 Нет/нет 19671994 0,38 0,69 Есть/нет 19031994 0,74 1,20 Есть/нет с. Семиярское 19031959 0,84 0,78 Нет/нет 19672010 0,63 0,75 Есть/нет 19032010 0,77 1,18 Есть/нет г. Павлодар 19031959 0,83 0,78 Нет/нет 19671994 0,46 0,69 Есть/нет 19031994 0,75 1,20 Есть/нет Примечание. у - статистика критерия Аббе; у min - критическое значение статистики Аббе; * - в числителе приведен результат испытания по критерию Аббе, в знаменателе - по методу показателя трендовых изменений. Среднемесячные расходы. В отличие от годового стока, нарушения в среднемесячных расходах проявились сразу после ввода в эксплуатацию соответствующего гидроузла из каскада, например в створе г. Усть-Каменогорск - с 1960-1961 гг., в с. Семиярское - с 19641965 гг., что хорошо видно на хронологических графиках средних месячных расходов (рис. 4) и подтверждается проверкой статистических гипотез об однородности рядов по среднему и дисперсии. Внутри года перераспределение стока подчиняется следующей закономерности: в фазу половодья, летней и частично осенней межени сток уменьшается, в зимнюю межень - увеличивается. Изменения в режиме месячного стока произошли значительные. Например, в створе г. Усть-Каменогорск наибольшее увеличение месячного стока измененного режима зафиксировано с декабря по февраль и составляет соответственно 105, 95 и 98% естественного за эти же месяцы (или в абсолютном выражении 283, 249 и 241 м1/с). Средний месячный сток измененного режима уменьшился в мае-октябре соответственно на 53, 58, 37, 22, 10 и 1% от естественного за эти же месяцы. Максимальным 58% в июне соответствует уменьшение стока на 715 м3/с. В равнинной части бассейна Верхнего Иртыша изменения в месячном стоке выражены несколько меньше и, например, в створе с. Семиярское характеризуются следующими величинами: сток в мае-сентябре уменьшился соответственно на 27, 48, 36, 19, 12% по сравнению со стоком естественного режима. Уменьшение расхода на 48% в июне эквивалентно потере 987 м3/с. Для остальных месяцев года характерно увеличение стока: минимальное - в октябре (8%), максимальное - в марте (97%). В створе с. Буран, начиная с 1959 г., в месячном стоке с июля по октябрь также наблюдается статистически значимая неоднородность, что предположительно вызвано изъятием стока Черного Иртыша в пределах территории Китая. Выводы. Регулирование стока воды р. Иртыш Верхне-Иртышским каскадом водохранилищ, а также изъятие воды в верховьях реки на территории КНР привели к существенному изменению общей водности и гидрологического режима реки: 1. Существенное изменение в величинах годового стока началось с 1973 г. в створе с. Буран, расположенного выше каскада водохранилищ. Уменьшение среднего многолетнего расхода воды в этом створе составило 19% (1973-2010 гг.) по сравнению со значением годового стока за предшествующий период наблюдений (1938-1972 гг.). 2. В створах, расположенных ниже каскада водохранилищ, средние многолетние значения годового стока измененного режима (1967-2010 гг.) уменьшились незначительно. 3. Для створа у с. Семиярское уменьшение среднего годового стока в современный период (1992-2010 гг.) составило 7% в сравнении с естественным режимом. 4. Изъятие части стока из реки Иртыш каналом Иртыш - Караганда привело к уменьшению на 10% (за 1975-2010 гг.) среднего многолетнего расхода в створе р. Иртыш - с. Черлак, расположенном в Омской области у границы с Республикой Казахстан. 5. Наиболее значительные изменения произошли в распределении стока по месяцам. Рис. 4. Многолетние колебания среднего месячного стока июля и января в створе г. Усть-Каменогорска

Скачать электронную версию публикации