Формирование гидрологического режима водосборов малых равнинных рек

4.3 Вклад изменчивости характеристик климата в холодный и теплый сезоны в изменчивость их средних годовых величин

Многолетние изменения средних годовых характеристик климата обусловлены различной степенью связности и сложной суперпозицией их колебаний за холодный и теплый сезоны года и имеют как общие для всех природных зон черты, так и существенные отличия (рис. 2).

Основными общими закономерностями их изменений являются:

а). Синхронность колебаний средней годовой и за холодный сезон температуры воздуха во всех природных зонах в периоды, когда длительные фазы их изменений полностью совпадают: 1939 -1970 гг. – фаза их уменьшения и 1988-89 гг. – по настоящее время – фаза повышения, обусловившие более высокую корреляцию между средней годовой и за холодный сезон температурой воздуха   , чем за теплый -

б). Наоборот, изменения средних годовых и за теплый сезон сумм атмосферных осадков, более синхронны, чем за холодный, о чем свидетельствуют и более высокая корреляция между средними годовыми и за теплый сезон суммами осадков, чем за холодный -    для м/с Новый Иерусалим и   для других м/с, соответственно.

в). В каждой природной зоне отсутствует связь между средними годовыми температурами и суммами осадков.

г). Существует определенная последовательность в начале наступления фазы устойчивого повышения показателей климата, как внутри каждой природной зоны, так и между ними:

1. Во всех природных зонах из всех рассматриваемых показателей климата раньше всего начиналось увеличение осадков холодного сезона года.

2. В каждой из природных зон существует одно и то же запаздывание во времени в среднем в 12 лет между началом увеличения осадков холодного сезона и началом увеличения средних годовых и за теплый сезон осадков. Но начало наступления фазы увеличения одноименных видов осадков в лесостепной и степной зонах запаздывает на те – же в среднем 12 лет по отношению к началу их роста в южной части лесной зоны.

3. Фаза устойчивого увеличения средних годовых сумм атмосферных осадков во всех природных зонах наступает раньше, чем фаза повышения средней годовой температуры воздуха. Разница между временем наступления фазы повышения соответственно средних годовых осадков и температуры воздуха составляет в южной части лесной зоны 6 лет (1963-1964 и 1969-1970 гг), в других природных зонах – 10 -11 лет (1976 - 1977 и 1987 - 1988 гг).

4. Наибольшие отличия для всех природных зон присущи многолетней изменчивости температуры воздуха в теплый сезон. Для южной части лесной и степной зон ее изменения асинхронны в течение практически всего многолетнего периода. Для южной части лесной зоны характерна общая тенденция к ее постоянному увеличению, начиная с 1930 г до настоящего времени.

5. Анализ матрицы межзональных коэффициентов корреляции между всеми показателями климата показал, что наиболее тесные связи существуют, также как и внутри каждой зоны, между средними годовыми и за холодный сезон температурами воздуха. Более высокая теснота связи характерна для соседних друг с другом с севера на юг природным зонам. Степень межзональных связей между различными видами осадков в целом невелика и значительно уступает межзональным связям температуры воздуха.

Выявленные закономерности в многолетних изменениях показателей климата в разные сезоны года позволили сделать вывод о том, что во всех природных зонах изменения температуры воздуха в холодный сезон года оказывают более значительное влияние на изменения средней годовой температуры воздуха, чем в теплый.

30

Рис 2. Разностно-интегральные кривые сумм температур воздуха и осадков по данным опорных метеостанций: а –м/с «Новый Иерусалим; б- м/с «Нижнедевицкая БВС»;в - м/с «Волгоград» .    

                 – теплый период;                     -  за год;                         - холодный период.

30

Наоборот, определяющий вклад в изменения сумм годовых осадков оказали их изменения в теплый сезон. В межзональном взаимодействии изменения средних многолетних осадков в каждой природной зоне не зависят от их изменений в других зонах и, наоборот, изменения средней годовой и за холодный сезон температуры воздуха с севера на юг в одной природной зоне, оказывают существенное влияние на их изменения в других природных зонах. Однако, в связи с тем, что запаздывание начала наступления фазы устойчивого повышения средних годовых осадков произошло в среднем на 12 лет и средней годовой температуры воздуха на 18 лет позже в лесостепной и степной зонах по отношению к южной части лесной зоны, можно считать, что в многолетних колебаниях показателей климата определяющую роль в целом играет их внутри зональная изменчивость и значительно меньшую – их межзональное взаимодействие.

4.4  Многолетняя изменчивость показателей регионального климата по данным

опорных метеостанций

Анализ статистических параметров рядов средних годовых, за теплый и холодный сезоны года показателей регионального климата, а также их однородности для опорных метеостанций позволил установить следующие закономерности их многолетних изменений. Для всех метеостанций с большой уверенностью диагностируется существенное изменение региональных климатических условий после конца 70 – ых годов прошлого века: статистически значимо возросли средние годовые и за остальные сезоны года осадки (вероятность превышения наблюденной величины t -критерия от 1,4 до 3,0%). Наибольшее абсолютное и относительное увеличение средних годовых сумм осадков отмечается для м /c Волгоград – СХИ – на 85 мм или на 26,2%. Для м/с Новый Иерусалим и Нижнедевицкой БВС рост средних годовых сумм осадков сопоставим между собой: на 63,1 мм (11%) и на 67 мм (12,5%), соответственно.

Увеличение атмосферных осадков сопровождалось статистически значимым повышением температуры воздуха. С высокой вероятностью превышения наблюденной величины t -критерия от 0,2 до 3,5% диагностируется увеличение среднегодовой и за холодный сезон температура воздуха (на 0,70С и 0,90С, по м /c Новый Иерусалим, на 10С и 1,90С по м/с остальных ВБС), соответственно. С меньшей, но также с достаточно высокой статистической значимостью (вероятность превышения t - критерия от 3,5 до 30%) повысилась температура воздуха в теплый сезон на 0,1 – 0,40С на метеостанциях, расположенных во всех природных зонах

4.5 Влияние региональных колебаний характеристик климата на многолетнюю изменчивость факторов гидротермического состояния малых водосборов на начало снеготаяния и ПВСС

Факторы гидротермического состояния водосборов на начало снеготаяния (максимальные снегозапасы, глубина промерзания и влажность почвы) достаточно быстро реагирует на региональные изменения показателей климата. Совместный анализ разностно – интегральных кривых (РИК) показателей климата и факторов гидротермического состояния малых водосборов в лесостепной и степной зонах показал, что период увеличения снегозапасов и глубины промерзания почвы (до 1980 г на стоковых площадках ВНИАЛМИ и до 1988 г для лога «Малютка») практически полностью соответствует периодам понижения среднегодовых и за холодный сезон осадков и температуры воздуха. Увеличение температуры воздуха в холодный сезон, начиная с 1969 г в степной зоне и с 1988 г - в лесостепи, привело к увеличению числа и продолжительности оттепелей и сокращению длительности зимнего сезона. В этой связи, несмотря на продолжающийся рост осадков, началась фаза одновременного уменьшения величины максимальных снегозапасов и глубины промерзания почвы на начало снеготаяния.

Результатом изменений этих показателей гидротермического состояния водосборов явилось увеличение влажности почвы к началу и снижение ПВСС непосредственно в сам период снеготаяния. В работе приведены данные о фактических величинах и статистической значимости (вероятность превышения t -критерия от 2.2 до 2.3 %) изменений показателей гидротермического состояния водосборов и ПВСС (рис. 3)

Показано, что общая тенденция снижения ПВСС на водосборе «Малютка» была прервана в 1985г из – за наступления аномально благоприятных условий для его формирования в 1985 - 1987 и особенно в 1996 годах, не наблюдавшихся здесь за весь многолетний период. Сделан вывод о том, что факторы гидротермического состояния водосборов практически одновременно реагируют на изменения, прежде всего, температуры воздуха в холодный сезон.

4.6 Реакция годового речного стока малых равнинных рек на колебания показателей регионального климата и хозяйственной деятельности

Многолетние колебания речного стока, в большей степени, чем ПВСС обусловлены не только климатической изменчивостью, но различиями в геологическом строении, рельефе, почве и других физико-географических характеристик водосборов в этих природных зонах, влияющих на процесс трансформации осадков в речной сток.

         Σ(Ki-1)

Рис. 3. Динамика  ПВСС  на опорных ВБС за многолетний период .

Малая Истра:                 - поле;                      - лес. Нижнедевицк                   - лог Малютка.

Волгоград:                - светло-каштановые почвы – зябь;                  - светло-каштановые    почвы – уплотненные.

При этом хозяйственная деятельность на водосборах и в речной сети может в значительной мере как усиливать, так и компенсировать влияние климатических изменений на годовой и весенний речной сток.

В работе приведены примеры совместного влияния изменений характеристик климата и хозяйственной деятельности на изменение годового и весеннего стока рек в разных природных зонах. На рис. 4 показаны совмещенные РИК средних годовых температуры воздуха (в отклонениях от среднего), осадков и годового стока малых рек, протекающих в зоне распространения данных опорных БВС и метеостанций.

Рис. 4. Разностно-интегральные кривые средних годовых величин показателей климата и речного стока в различных природных зонах Русской равнины:           - средняя годовая температура воздуха   (в отклонениях  от среднего); -       средние  годовые  осадки;                  - средний годовой речной сток. а) – южная часть лесной зоны; б) – лесостепная зона; в) – степная зона.

Из них видно, что колебания годового речного стока малых рек, протекающих в разных природных зонах, различны. Проведен сравнительный анализ этих изменений в маловодный и многоводный по осадкам периоды и показано, что неоднородная реакция речного стока этих рек в разных природных зонах Русской равнины на многолетние колебания характеристик климата обусловлена следующими основными причинами: 1- различиями в условиях увлажнения территорий этих зон; 2 – различиями в залесенности водосборов и в мощности зоны аэрации от поверхности до подземных водоносных горизонтов, дренирующихся речными долинами; 3 - хозяйственной деятельностью человека. В маловодную по осадкам фазу во всех природных зонах основное питание рек осуществляется за счет ПВСС. В южной части лесной зоны лесной и лесостепной зонах наличие лесов приводит к уменьшению его общего объема, который мог бы сформироваться при их отсутствии. В степной зоне, наоборот, отсутствие лесов приводит к тому, что весь объем ПВСС, формирующийся на склонах, практически полностью стекает в малые реки.

В многоводную по осадкам фазу в результате повышения средней годовой и за холодный сезон температуры воздуха происходит перестройка структуры водного баланса малых водосборов. Она заключается в том, что значительная часть аккумулированных за зиму в снеге осадков расходуется уже не на ПВСС, а идет на пополнение почвенных и подземных вод. За счет эффекта запаздывания, вызванного увеличением времени дренирования талых и дождевых вод, формирующихся на водосборе, реакция годового речного стока наступает не одновременно с началом наступления изменений показателей климата, а с определенным временным запаздыванием. Для южной части лесной и лесостепной зонах время запаздывания  составило 6-8 лет. В степной зоне отсутствием лесов и большой мощностью зоны аэрации обусловлена асинхронность речного стока по отношению к другим природным зонам, а влияние климатических изменений на годовой речной сток происходит с большой задержкой. В многоводный по осадкам период происходит медленное накопление подземных вод и снижение речного стока, в маловодный по осадкам период – их сработка и увеличение речного стока. В связи с тем, что многоводный по осадкам период продолжается до настоящего времени, сделан вывод о том, что реакция речного стока на многолетние изменения климата в этой природной зоне составляет 25 и более лет. В работе приведены примеры того, как хозяйственная деятельность на водосборах могут увеличивать или уменьшать время реакции годового речного стока на изменения показателей регионального климата.

4.7 Влияние колебаний климата и хозяйственной деятельности на ПВСС и весенний речной сток

Проведен анализ совмещенных РИК средних годовых величин ПВСС на водобалансовых объектах с разным видом подстилающей поверхности (зябь и уплотненная почва) для нескольких БВС, расположенных в рассматриваемых природных зонах и весеннего речного стока малых рек, протекающих вблизи этих стационаров [С.В.Ясинский, Е.А.Кашутина, 2008]. Показано, что влияние хозяйственной деятельности в руслах этих рек на весенний речной сток значительно превосходит влияние колебаний характеристик климата в этот сезон, в то время как  синхронность этих колебаний с ПВСС, независимо от вида подстилающей поверхности во всех природных зонах, свидетельствует о преобладающем их влияние на формирование этого процесса на водосборах малых равнинных рек.

Глава 5. Геоэкологический анализ антропогенных воздействий на водосборы малых равнинных рек

Максимальная экологическая и экономическая эффективность планирования и проведения природоохранных мероприятий, направленных на улучшение состояния малых равнинных рек, в значительной степени зависят от тщательности учета природных и антропогенных факторов, обусловливающих геоэкологическое состояние их водосборов. Поэтому очень важно иметь объективную оценку геоэкологического состояния того или иного малого водосбора, на основе которой можно выявить те из них, где требуется первоочередное, неотложное проведение водо и природоохранных мероприятий. Получение такой оценки сопряжено со значительными трудностями. Прежде всего, они вызваны большим числом разнообразных источников антропогенного загрязнения, а также недостатком и неполнотой информации о мощности и интенсивности каждого из них. В значительной мере преодоление этих трудностей возможно при применении геоэкологического анализа (ГЭА). Дан обзор современных представлений о сущности ГЭА, на основе которого показано, что ГЭА представляет собой междисциплинарный вид деятельности, направленный на агрегирование разнообразной и разнородной информации о природных условиях и антропогенных воздействиях в достаточно целостную объективную картину, отражающую остроту экологической ситуации на рассматриваемой территории (водосборе). В то же время методика проведения такого геоэкологического анализа, применительно к водосборам водных объектов в полной мере не разработана. В работе приводится вариант такой методики, разработанной на примере бассейна р. Истры [С.В.Ясинский,2000;2003].