Resources of atotal climatic local in the south of Western Siberia.pdf Согласно исследованиям В.В. Берникова [1], А.В. Владимирова [2], Б.Б. Богословского и др. [3], А.М. Комлева [4], А.Н. Антипова и др. [5], В.М. Кали-нина и др. [6], Б.П. Ткачева [7] в южной части Запад-ной Сибири благодаря исключительной равнинности рельефа, наличию плоско-западинного микрорельефа и засушливости климата в пределах водосборов крупных рек существуют обширные бессточные территории, с которых не происходит поступления воды поверхност-ным или подземным путем в существующие тальвеги и суходолы. Водные ресурсы атмосферных осадков здесь расходуются главным образом на испарение и частич-но на питание глубинных подземных вод. Бессточные площади осложняют структуру геосистем и влияют на их функционирование. Исследуя географические (кли-матические, геолого-геоморфологические, почвенно-растительные) условия юга Западной Сибири, Б.П. Ткачев [7] относит этот регион к пограничному бореальному рубежу (бореальному экотону) между северными гумидно-мерзлотными и аридными бес-сточными областями. Спецификой этого региона явля-ется одновременное наличие черт континентально-аридной бессточности и северной мерзлотности.Существование огромных бессточных территорий на юге Западной Сибири в междуречных пространст-вах таких крупных транзитных рек, как Тура, Тобол, Ишим, Иртыш (рис. 1), объясняется недостаточной глубиной вреза древних ложбин стока в пределах дену-дационных равнин, недостаточным дренированием подземных водоносных горизонтов в летний период даже при глубине вреза долин 50-60 м. Вследствие этого ландшафты междуречных равнин имеют специ-фическую структуру и функционирование, связанные с характером увлажнения, особенностями местного стока и дренированностью. Бессточность юга Западной Си-бири объясняется главным образом континентально-стью климата территории и наличием значительной по глубине сезонной и островной вечной мерзлоты. Нали-чие островной и таликовой мерзлоты, чередование мерзлых и немерзлых погребенных горизонтов встре-чаются вплоть до широты 55-56º с.ш. (до линии Сверд-ловск - Ишим - Новосибирск) [8]. В эпохи похолода-ний плейстоцена южная граница вечной мерзлоты пе-ремещалась к югу до 52-54º с.ш. [9]. Существованиебессточных областей юга Западной Сибири связывают с наличием мерзлото-суффозионно-просадочных мор-фоскульптур, определяющих условия для формирования микропонижений и колочной лесостепи и препятствующих стоку. В годы малой и средней водности бассейны с бессточными площадями испытывают недостаток воды, а в многоводные годы значительно переувлажнены и частично затоплены.За счет меридиональной дифференциации на юге равнины происходит резкое изменение соотношения влаги и тепла, приводящее к чередованию вдоль 70-75º в.д. в полосе шириной всего в 300 км (от 57 до 54º с.ш.) природных зон от южной тайги (с избыточным увлажнением), зоны смешанных лесов (с оптимальным увлажнением) до северной, центральной, южной лесостепи и степи (с недостаточным увлажнением) [7, 10].Сезонное промерзание грунтов на юге Западной Сибири имеет наибольшую глубину (2,0-2,5 м), что связано с малоснежностью и суровостью зимнего периода, нарастающими с запада на восток региона. Сезонные криогенные процессы в почвогрунтах способствуют формированию весеннего стока половодья, стекающего по мерзлому водоупору, в объеме 80-90% от годовой величины. Летний же период оказывается безводным, приводя к пересыханию водотоков. По данным А.В. Владимирова [2], известно, что на территории юга Западной Сибири систематически пересыхают реки в районах, где величина минимального 30-дневного стока не превышает 0,5 л/(с·км2). И только в юго-восточной части равнины наблюдается пересыхание части рек с площадью бассейна около 200 км2 при обводненности территории до 3 л/(с·км2). В Северном Казахстане постоянно пересыхают реки с площадью бассейна 900-1000 км2, и далее к югу эта величина возрастает до 10000 км2. Бессточные площади водосборов меняются по величине в зависимости от водности года, увеличиваясь в маловодные и уменьшаясь в многоводные годы.Если на севере Западной Сибири имеется густая сеть постоянных водотоков, на которых производятся режимные гидрометрические наблюдения, то при продвижении к югу, в южной лесостепи, южнее изолинии нормы годового гидрометрического стока Y = 40--50 мм/год и нормы коэффициента стока 8… 10% на223гидрографической карте исчезают средние и малые реки, остаются лишь реки с транзитным стоком, временные водотоки и многочисленные озера. При этом климатические водные ресурсы местного стока хоть и небольшие, но имеются (рис. 2). Часто при отсутствии водотоков в таких областях и, следовательно, достоверных данных о гидрометрическом стоке единственным источником информации о водных ресурсах мест-ного стока может стать карта рассчитанного для метеостанций климатического стока (рис. 3), построенная с использованием метода гидролого-климатических расчетов [11-13]. По этому поводу М.А. Великанов [14] писал, что «...чисто гидрометрическое изучение стока должно быть отвергнуто как нереальное и нерациональное заменено гидрологическим на основе метода водного баланса».атинск cjVKaMeHorop скРис. 1. Схема бессточных областей бассейна р. Иртыш (штриховка), створов существующих и проектируемых гидроузлов (ромбики): 1 - Бухтарминский гидроузел; 2 - Усть-Каменогорский гидроузел; 3 - Шульбинский гидроузел; 4 - Пристанской створ; 5 - Усть-Заостровский створ; 6 - Крутогорский створ; 7 - Калачевский створ; 8 - канал Иртыш-Караганда; 9 - Китайский гидроузел; 10 - канал Иртыш-Карамайпв.'кУипрУсловные осЧпначсння224Рис. 2. Структура водного баланса Западной Сибири (темной заливкой показана доля стока)Рис. 3. Климатический местный сток в средний год Уна юге Западной Сибири, мм/годИзучение стока бессточных областей связано с необходимостью выделения их границ, использования для этого крупномасштабных карт, натурных наблюдений. Исследуя бессточные области юга Западной Сибири, Б.П. Ткачев [7] предлагает ландшафтный подход к определению границ водосбора, его действующей и бессточной площади и отмечает, что бессточные области не имеют функциональных границ. Однако при изучении макроландшафтных географических закономерностей для решения задачи районирования в некоторых случаях может быть достаточно гидролого-климатической информации, полученной с помощью метода гидролого-климатических расчетов.Для обозначения границ территории бессточных областей нами предлагается использовать среднюю величину слоя стока Y = 30 мм/год в интервале 15-45 мм/год (или модуля стока М в интервале 0,5-1,5 л/(с-км2) и определить природный гидрографический рубеж как линейное местоположение на суше границы, на которой прерывается постоянная речная сеть с местным стоком [15-18]. Гидрографический рубеж на картах тесно коррелирует не только с определенной изолинией нормы стока, но также соответствует изолиниям нижнего уровня оптимальности увлажнения для растений (сочетания влаги и тепла с коэффициентом увлажнения (Зкх = KXIZm = 0,65) и средней годовой относительной влажности деятельного слоя в долях наименьшей влагоемкости на уровне V^W^I W-gz = 0,6 = VpK, соответствующей влажности разрыва капилляров. Эта гидролого-почвенно-мелиоративная квазиконстанта принята нами в качестве количественного индикатора гидрографического рубежа на гидрологических картах. Гидрографический рубеж образует динамическую гидрографическую пограничную зону, мигрируя в пространстве в годы с различной структурой водного и теплового балансов, т.е. сухие и влажные годы повторяемостью 1 раз в 5 лет (соответственно с обеспеченностью 20 и 80%) согласно продолжительности циклов водности рек Западно-Сибирской равнины, выявленных В.А. Земцовым [19].Режим гидрометрического стока, измеряемого в замыкающих створах речных бассейнов, зависит в значительной степени от процессов трансформации стока наповерхности водосборов при формировании руслового стока, в то время как местный климатический сток в основном отражает взаимодействие местного увлажнения и местного испарения при косвенном учете гидравлических условий формирования стока и испарения. Несмотря на эти различия, при незначительной антропогенной трансформации речного стока в определенных природных условиях наблюдается равенство местного климатического и гидрометрического стоков. Такие условия существуют в равнинных и предгорных ландшафтах при оптимальном сочетании влаго- и теплоресурсов испарения. Как показывают исследования [10, 19, 20], на территории Западной Сибири условия оптимального увлажнения наблюдаются к северу от границы лесной и лесостепной зон. Именно здесь измеренный сток с водосборов средних рек площадью более ^гкр = 2 тыс. км2 (вторая критическая площадь по [21-23]), при которой стабилизируется грунтовое питание рек, тесно коррелирует с расчетными значениями климатического стока.При современном уровне изученности элементов водного баланса водосборов юга Западной Сибири в некоторых случаях в качестве наиболее надежной основы для описания местного элементарного стока приходится использовать не измеренный сток, а поля изолиний годовых норм гидрометрического стока, а внут-ригодовой ход рассчитанного стока рассматривать в качестве наиболее обоснованной модели. Гидрометрический сток из-за потерь на испарение с водосборов бессточных областей, определенный при номинальной площади водосбора с помощью карт изолиний, оказывается несколько меньшим, чем местный климатический сток, рассчитанный по методу ГКР.Вместе с тем исследование территориальных географических закономерностей формирования стока, единых для большого количества малых бассейнов в пределах относительно однородной по физико-географическим условиям территории, возможно с использованием метода ГКР. Его генетическая обоснованность и гибкость расчетных параметров, обладающих ясным физическим смыслом, дает исследователю инструмент, позволяющий выразить и получить в явном и неявном виде любой элемент водного баланса, в том числе и сток. Как показыва-225ют исследования [10], точность расчетов по данному методу соизмерима с точностью измерений стока, влажности почвы и испарения.Исходными данными для воднобалансовых расчетов и количественной индикации границы бессточных областей рубежей в данной работе послужили материалы Омского, Западно-Сибирского, Уральского, Красноярского УГМС. Результаты средних годовых, ежегодных, ежемесячных и подекадных (за период инструментальных наблюдений с 1936 по 2007 г.) расчетов элементов водного баланса и тепловлагообеспеченности для 238 метеостанций Западно-Сибирской равнины с использованием современного подхода к оценке теплоэнергетических ресурсов процесса испарения [24, 25] позволили комплексно проанализировать условия тепловлагообеспеченности юга Западной Сибири, в том числе с учетом влияния грунтовых вод на элементы водного баланса и характеристики естественной тепловлагообеспеченности. При анализе положения гидрографического рубежа на территории Западно-Сибирской равнины были использованы гидрографические карты Атласа СССР [26], карты Экологического атласа России [27] и Атласа мирового водного баланса [28], а также построенные с помощью программы Surfer векторные поля изолиний, полученных расчетным путем характеристик естественной тепловлагообеспеченности [15, 16].Пространственное распределение средних годовых величин суммарного климатического местного стока Y на территории Западной Сибири определяется взаимодействием климатических и ландшафтных условий, рельефом и уклонами поверхности. На распределение зональных величин годового стока также оказывают влияние мерзлота, болотная аккумуляция осадков, наличие бессточных районов. Так, наибольшие значения слоя стока относятся к побережью Карского моря (180 мм/год), северовосточным окраинам Западной Сибири по правому берегу Енисея (260 мм/год) и северо-восточным предгорьям Уральского хребта (300 мм/год). Наименьшие значения среднего годового климатического стока получены для расположенных на юге Западной Сибири междуречий Тобол - Ишим, Ишим - Иртыш, Кулундинской и Бара-бинской степи (5-50 мм/год).Малые величины климатического стока и коэффициентов стока (см. рис. 2, табл. 1) объясняют слабое развитие речной сети на юге Западно-Сибирской равнины. В целом ход изолиний климатического стока подчиняется закону географической зональности, т.к. для данной слаборасчлененной и слабодренированной территории расчлененность рельефа оказывает слабое влияние. Выполненные расчеты и векторное картографирование элементов водного баланса позволяют анализировать его территориальную структуру и внутри-годовой ход величин климатического стока (см. рис. 2, 4, табл. 2). Внутригодовая структура водного баланса на территории Западной Сибири на примере крайних станций представлена в табл. 3.Результаты расчетов месячных норм местного климатического стока Y (см. табл. 2) позволили составить карты месячных норм стока, характеризующие территорию юга Западной Сибири в апреле среднего года значениями 2-8 мм/мес, в мае - значениями от 10-20 мм/мес. на крайнем юге равнины до 40...50 мм/мес. на юго-востоке и в Обь-Иртышском междуречье. С продвижением фронта снеготаяния с юго-запада на северо-восток в июне территориальный максимум слоя стока оказьшается в северной половине лесоболотной зоны (120-160 мм/мес), а в июле - в лесотундре и тундрах крайнего севера территории (120-180 мм/мес). В июле в северной лесостепи слой месячного стока составляет всего лишь 10-15 мм/мес. В северной половине лесоболотной зоны слой стока уменьшается в августе до 30-50 мм/мес и поддерживается атмосферными осадками, а в южной чисти равнины сток составляет 10-15 мм/мес. К сентябрю на всей территории Западной Сибири слой стока за месяц наименьший - от 5 до 25 мм/мес.Анализ результатов воднобалансовых расчетов выявил территориальные и структурные закономерности климатического местного стока, т.е. соотношения элементов водного баланса в зависимости от широты и степени континентальности климата. В Западной Сибири при общем увеличении с севера на юг теплоэнергетических ресурсов в структуре затрат водных ресурсов атмосферного увлажнения КХ в средний год отмечается увеличение доли стока Y от тундры к таежной зоне и уменьшение доли испарения Z. В южной части Западной Сибири территориальные закономерности структуры водного баланса указывают на резкое уменьшение от подтайги к степной зоне доли стока Y и увеличение доли испарения Z от величины атмосферного увлажнения КХ соразмерно с уменьшением атмосферного увлажнения и ростом теплоэнергетических ресурсов (см. рис. 2). На рис. 4 представлена географическая закономерность изменения внутригодового распределения рассчитанного месячного климатического стока с севера на юг Западной Сибири. На диаграммах-гидрографах видно, что максимум стока половодья по мере продвижения с севера на юг смещается с лета на весну, а его годовая величина уменьшается. Представленные карты позволяют наглядно отобразить выявленные территориальные и временные закономерности стока, в том числе для бессточных областей, и дают территориально согласованную информацию для решения различных географических, экологических и инженерно-гидрологических задач.В ходе анализа результатов воднобалансовых расчетов количественно изучена внутригодовая структура климатического стока, формирующегося за счет дренирования различных по мощности слоев почвогрунта. Анализ расчетных данных табл. 4 показывает, что и при глубоком, и при высоком залегании грунтовых вод согласно расчетной схеме метода ГКР в первую очередь происходит дренирование верхних слоев деятельного слоя (0-50 см), переувлажненных в результате перераспределения части зимних осадков на весенний период. Весенний сток в основном формируется за счет дренирования верхнего полуметрового слоя. К середине летнего периода, когда возрастают теплоресурсы испарения, интенсивнее осушаются более глубокие горизонты (0-100 см). Суммарный сток значительно возрастает при повышении уровня грунтовых вод hT, выраженного в долях высоты капиллярной каймы hK, особенно при их близком к поверхности расположении226Таблица 1 Годовые и летние (05-08) нормы водного эквивалента теплоэнергетических ресурсов Zm, осадков КХ, суммарного увлажнения Н, суммарного испарения Z, климатического стока Y (мм/год, мм/05-08) коэффициентов атмосферного Ркх и общего рн увлажнения, испарения pz и стока цСтанцияZmКХKXos-OS-^05-08Z7pra=_07ZmР#05-08- -^osW Zwo5-repz= Z/Zmr\=YIKXСалехард4196756066133653001,611,730,870,47Туруханск3817536626713463301,982,080,910,54Тарко-Сале3896865836083482801,761,850,820,49Верхне-Имбатское4577656796853963201,671,770,870,47Березово4797136236334072841,491,560,850,42Подкаменная Тунгуска5088167267354383401,611,690,860,46Сургут5286545745844202181,241,310,800,35Ларьяк5306986126174342521,321,380,820,37Енисейск5777466596684652521,291,350,810,37Шаим5975794645004331500,971,010,730,25Колпашево6075982844814401890,991,010,720,26Томск6316372765284571761,011,300,720,28Тобольск649567266473457890,870,900,700,19Тюмень696524241416488720,750,600,700,14Новосибирск681514249414442580,750,770,650,13Курган687473211376420470,690,670,610,11Омск691438216357398410,630,630,580,08Кустанай764373165293351130,500,500,460,05Кокчетав743406188320376200,550,570,510,06Павлодар79335213827633390,460,460,420,04Рубцовск763454173362406280,600,630,530,10Таблица 2 Внутригодовой ход климатического стока Y (мм) и коэффициента стока цСтанция04050607080910ГодТамбей--201147221-233--0,072,711,610,35-0,54Салехард-271301043815-316-0,071,971,420,480,22-0,47Тарко-Сале-241331104320-334-0,071,561,330,550,22-0,49Сургут-34112532010-232-0,101,730,700,260,15-0,35Ягыл-Яг13606537191142150,060,930,820,410,220,160,070,32Томск1263532512611760,051,230,780,310,160,120,020,28Тобольск54431136411060,030,870,510,160,090,060,010,19Тюмень631188421720,040,650,340,100,060,040,020,14Барнаул86433114211260,030,450,590,150,070,050,020,20Омск216105210360,010,440,170,070,040,030,010,08Кустанай2942100190,020,270,110,030,020,010,000,05Кокчетав21263210260,020,350,130,050,030,020,010,06Павлодар2831100160,010,310,100,030,010,010,000,04Таблица 3 Сводные результаты внутригодовых расчетов элементов теплового и водного балансов по месяцам для станций Салехард и ОмскСт. СалехардМесяц, сезонЗима 10-04Апрель 04Май 05Июнь 06Июль 07Август 08Сентябрь 09Октябрь 10Лето 05-08ГодН10-4620623013257-613681Zm10-207913911754-152419Z8-19761269442-314365Y3-271301043815-298316vcp1,051,051,731,901,401,081,041,051,531,29Ст. ОмскМесяц11-030405060708091005-08ГодН30120120355773513454438Zm3012951491731479817564691Z7972949167418325398Y12161052103236vcp0,720,910,950,780,670,610,570,620,750,72227Рис. 4. Внутригодовая структура среднего годового климатического местного стока 7Внутригодовое распределение климатического стока Y (мм) в средний год по слоямпри различном относительном положении уровня грунтовых вод Т = hr/hK (соотношении глубины уровня грунтовых вод Аг и высоты капиллярной каймы Ак)Таблица 4Станция^слоя, смhj hK04050607080910ГодТомск0-1005,067632128651530-50 15112166657178Барнаул0-1008693494331360-50 20113173234171Томск0-1002,067633138651560-50 15113176667182Барнаул0-100108247168651850-50 22131278656219Томск0-1001,01012880463022163560-50 211765432262118379Барнаул0-100231911751075844306800-50 4427213583514132718Величина стока при этом может возрастать в 2-3 раза по сравнению с периодами глубокого расположения уровня грунтовых вод. Рассчитанные нормы и характеристики изменчивости климатического стока за год и посезонам приведены в табл. 5, 6. Временная изменчивость суммарного стока уменьшается с поднятием уровня грунтовых вод. Коэффициенты вариации стока за летний и весенний периоды превышают годовые его величины.228Таблица 5 Средний многолетний годовой, летний (05-08) и весенний (04-06) климатический сток при различном положении уровнягрунтовых вод Т = hr/ hKСтанция7 при Т = hj hK Г =5,02,01,0 Год05-0804-06Год05-08Год05-08Томск126103105153124553432Посевная76611429475411309Маслянино7659619474414309Центральный Рудник82266551890572715821238Барнаул766782124104604462Таблица 6 Коэффициенты вариации годового, летнего (05-08) и весеннего (04-06) климатического стока Y при различном положении относительного уровня грунтовых вод Т= hr/ hKСтанцияCvY при T = hJ hK Г =5,02,01,0 Год05-0804-06Год05-08Год05-08Томск0,3980,4400,4610,3670,4070,1940,217Посевная0,4410,4970,5310,4070,4580,2000,221Маслянино0,4250,4620,4640,3920,4250,1940,205Центральный Рудник0,2030,2100,2210,1960,2030,1640,172Барнаул0,5150,5410,5500,4420,4650,2140,225Полученные в ходе водно-балансовых расчетовно-гидрологических и эколого-географических задач,количественные характеристики стока и их обобще-например при обосновании водохозяйственных меро-ния в виде полей изолиний для условий отсутствияприятии в целях водообеспечения населенных пунк-постоянных водотоков на юге Западной Сибири могуттов или изучении гидрологических закономерностейбыть использованы при решении различных инженер-функционирования геосистем.ЛИТЕРАТУРА

Скачать электронную версию публикации