Реакция стока р. Селенги на изменение интенсивности осадков и состояния водосборного бассейна

Река Селенга - трансграничный водный объект, является самым крупным притоком Байкала, в среднем за год она приносит в озеро около 30 км 3 воды, что составляет половину всего притока в озеро. Изменение водности р. Селенги неизбежно ведет к изменению уровенного режима оз. Байкал со всеми вытекающими последствиями. Ввиду сказанного выше анализ реакции стока р. Селенги на изменения климатических и бассейновых факторов является актуальной задачей.

Сток представляет собой сложный процесс, обусловленный влиянием комплекса физико-географических факторов и хозяйственной деятельности [8]. Главная роль в определении величины стока, а также его изменчивости прежде всего принадлежит атмосферным факторам [3; 7; 11]. В то же время режим стока реки, а также ее водность во многом определяются природными особенностями водосборного бассейна, в пределах которого проявляется влияние факторов биосферы, гидросферы и литосферы. Таким образом, речной сток относится к многофакторным природным процессам. Действие различных природных факторов проявляется по-разному. Одни из них способствуют стеканию атмосферных осадков по земной поверхности, другие замедляют сток или вовсе исключают возможность его образования [8]. Основными факторами стока, определяющими его развитие, являются климатические. Климат воздействует на сток не только непосредственно, но и через другие природные факторы: почву, растительность, рельеф. На общем фоне воздействия климата на формирование стока и его величину проявляется влияние других, не климатических факторов: рельефа бассейна, геологического строения, степени облесенности, озерности и заболоченности и т. д. Известное влияние оказывает также размер бассейна, его форма, а в горах - ориентация склонов по отношению к сторонам горизонта и влагоносным воздушным потокам. Влияние всех этих факторов сказывается на режиме двояко: с одной стороны, они изменяют климатические условия - осадки, температуру воздуха, испарение, а с другой стороны, влияют на добегание воды со склонов в русла и потери на инфильтрацию [8; 9].

Особое внимание при изучении факторов формирования стока должно уделяться исследованию хозяйственной деятельности, оказывающей на водные ресурсы и режим рек влияние в двух направлениях: непосредственного изменения режима стока в руслах и изменения условий влагонакопления и расходования влаги в бассейне [16]. В первом случае мероприятия включают создание плотин и водохранилищ, изъятие воды из русел на орошение, питьевые и хозяйственные нужды [2]. Во втором случае изменения происходят в результате агротехнических, лесомелиоративных и гидромелиоративных мероприятий, включающих обработку земли, посадку или вырубку лесов, орошение и обводнение в зонах неустойчивого и недостаточного увлажнения, осушения болот. Эти мероприятия изменяют гидрологический режим сравнительно медленно и стихийно. Влияние на водный объект посредством хозяйственной деятельности в пределах его водосбора обусловлено тем, что водосборный бассейн представляет собой систему различных по структуре и функциям ландшафтных образований, которые объединяются в ландшафтно-гидрологическую систему, и между географическим строением водосборного бассейна и функционированием гидрографической сети существует тесная связь [10; 13].

Хозяйственная деятельность, осуществляющаяся в пределах водосбора р. Селенги без соблюдения необходимых экологических требований, приводит к серьезным негативным изменениям окружающей среды: нарушению водного баланса; усилению эрозионных процессов; загрязнению вод продуктами эрозии почв и смываемыми с полей органическими веществами; изменению структуры стока в сторону увеличения поверхностного; ухудшению экологической обстановки и увеличению пожарной опасности в лесу; интенсификации селей и лавин. Часть водосбора р. Селенги на территории Монголии является наиболее плотно населенной и интенсивно осваиваемой территорией, где сосредоточены крупнейшие города Монголии, размещены горнодобывающая, металлургическая, химическая отрасли промышленности, расположены пахотные, пастбищные и сенокосные поливные земли [6; 12].

Материалы и методы

Для изучения реакции стока р. Селенги на изменение климатических и бассейновых факторов в рамках данного исследования было изучено изменение внутригодового распределения стока за период с 1948 по 2013 г. и изменение связи ее стока с величиной осадков в пределах водосборного бассейна. Для этого привлекались данные о среднемесячных расходах р. Селенги в створе разъезд Мостовой.

Кроме этого, собраны данные об осадках из архива реанализа NCEP/NCAR (The National Centers for Environmental Prediction / The National Center for Atmospheric Research). Реанализ NCEP/NCAR - это совместный проект Национального центра исследований окружающей среды и Национального центра атмосферных исследований США по реанализу исторических метеоданных (с 1948 г. по настоящее время) с использованием современной глобальной спектральной метеомодели и обширного массива данных глобального мониторинга атмосферы и земной поверхности (данные наземных стационарных станций, самолетов и аэрометеозондов, передвижных сухопутных и океанических метеостанций, данные дистанционного спутникового зондирования). Данные находятся в свободном доступе на сайте ESRL (The Earth System Research Laboratory) в формате NetCDF (Network Common Data Form) - двоичном формате файлов, призванном обеспечить хранение и обработку данных в переносимом и самоопределяе- мом виде и являющимся стандартом для обмена научными данными. В работе привлекались данные проекта NCEP/NCAR о средней за месяц интенсивности осадков, предоставляемые в узлах регулярной сетки 1°* 1°.

Для оценки негативных изменений, происходящих в пределах водосборного бассейна р. Селенги, задействовались картографические материалы, составленные автором на основании анализа данных прибора AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) и подробно описанные в [14; 15].

Основные результаты

Климатические данные реанализа NCEP/NCAR свидетельствуют об уменьшении по водосбору р. Селенги в среднем на 11 % величины интенсивности осадков за весь период с 1948 по 2013 г. (рис. 1, А-В). Кроме этого, в пределах той же территории наблюдается увеличение температуры воздуха в среднем на 1,2 K (рис. 1, Г-Е), а вместе с ростом температуры должно происходить увеличение зависящей от нее величины испаряемости, т. е. потенциально возможного (не лимитируемого запасами воды) испарения в данной местности.

При изучении трансграничного водосбора р. Селенги, имеющего существенные размеры около 447 600 км 2, наиболее оправданно использование материалов дистанционного зондирования Земли. В ходе проведенного ранее исследования состояния подстилающей поверхности водосбора р. Селенги по данным AVHRR [14; 15] было выявлено наличие интенсивной трансформации ландшафтов (рис. 2), проявляющейся за период только с 1999 по 2012 г. в значительном сокращении площади, занимаемой густыми лесами, на 17 % и увеличении площади степей на 21 %.

Сохранение выявленных темпов деградации ландшафтов неизбежно приведет к существенному сокращению гидрографической сети и изменению водного режима сначала малых рек, а затем к изменению водного режима самой р. Селенги.

Рис. 1. Средние многолетние значения интенсивности осадков, мм/сут.

(А - за период с 1948 по 1969 г.; Б - за период с 1970 по 1991 г.; В - за период с 1992 по 2013 г.) и температуры воздуха на высоте 2 м, К (Г - за период с 1948 по 1969 г.; Д - за период с 1970 по 1991 г.; Е - за период с 1992 по 2013 г.) в пределах водосбора р. Селенги, по данным реанализа ЫСЕР/КСАЯ

Для анализа изменений параметров водного режима р. Селенги вслед за изменением климатических и бассейновых факторов массив данных об осадках и расходах был поделен на 3 подмассива: с 1948 по 1969 г., с 1970 по 1991 г. и с 1992 по 2013 г. Далее для каждого из указанных периодов были построены кривые зависимости расходов от осадков со сдвигом 1 мес. с учетом среднего времени добегания по скользящим средним значениям данных величин за 5 мес., что обусловлено генетическими особенностями формирования стока и регулирующим и аккумулирующим влиянием речного бассейна, особенно в холодное время года (рис. 3).

Данные графики демонстрируют (см. рис. 3) снижение величин расходов при одинаковых величинах осадков за каждый из рассматриваемых периодов по сравнению с предыдущими. При этом наиболее выраженные изменения произошли именно за последний период - с 1992 по 2013 г. Кроме того, в более поздние периоды наблюдается все большее отклонение графиков зависимостей от прямой линии.

Рис. 2. Распределение типов подстилающей поверхности в пределах водосборного бассейна р. Селенги в 1999 г. (А), 2012 г. (Б) и карта с изображением нарушений подстилающей поверхности за 1999-2012 гг. (В): 1 - тайга и смешанный лес (густая растительность); 2 - тайга и смешанный лес (разреженная растительность); 3 - лесостепь, кустарниковая растительность; 4 - степь, сельскохозяйственные угодья, луговая растительность; 5 - заболоченные участки, открытая почва, пустыни, полупустыни, крупные населенные пункты; 6 - вода [14; 15]

Также в более ранний период - с 1948 по 1969 г. кучность точек несколько выше, чем в последующие периоды. Большая кучность точек в данном контексте говорит о меньшем диапазоне возможных расходов при одной и той же величине осадков и может соотноситься с большей регулирующей способностью бассейна в период с 1948 по 1969 г. и постепенным снижением этой способности в более поздние периоды в связи с характерным для негативных изменений подстилающей поверхности увеличением склоновой составляющей стока.

В целом полученные зависимости и характер распределения точек показывают, что произошло понижение расходов при одних и тех же значениях, что вполне соотносится с увеличением расходных статей водного баланса, происходящим вследствие как увеличения температуры, так и деградации ландшафтов и нерационального ведения лесного и сельского хозяйства. Для исследования данных проявлений, помимо оценки изменения характера связи расходов с осадками, в работе также анализировалось преобразование внутригодового изменения стока указанных водотоков в указанные периоды.

Рис. 3. Графики зависимости скользящих средних за 5 мес. значений расходов р. Селенги в створе разъезд Мостовой и осадков, осредненных по всем узлам в пределах водосбора р. Селенги с учетом времени добегания

В практике гидрологических расчетов внутригодовое распределение стока обычно оценивается для лет с водностью, наиболее близкой к характерной. Поэтому в рамках данной работы было определено внутригодовое распределение методом реального года [1; 4; 5] для многоводных (обеспеченностью 10 и 25 %), средневодных (50 %) и маловодных (75 и 90 %) лет.

Ниже на рис. 4-6 приведено внутригодовое распределение стока в многоводные, средневодные и маловодные годы в створе разъезд Мостовой на р. Селенге за периоды с 1948 по 1969 г. (см. рис. 4), с 1970 по 1991 г. (см. рис. 5) и с 1992 по 2013 г. (см. рис. 6), оцененное в ходе исследования.

На данных столбчатых диаграммах явно прослеживается последовательное снижение регулирующей способности бассейна за указанные периоды времени. При этом видно, что за период с 1948 по 1969 г. при любой водности сток с мая по сентябрь имеет близкие значения в долях от стока за год. В последующие периоды начинает более выраженно проявляться повышение стока в отдельные месяцы, особенно в годы с высокой и средней водностью. Значительнее всего обнаруживается снижение регулирующей функции бассейна в период с 1992 по 2013 г., в годы с высокой водностью (обеспеченностью 10 %).

На диаграммах (рис. 7-9), отображающих внутригодовое распределение осадков в годы с водностью, близкой к заданной, видно, что существенных различий в распределении осадков во все указанные периоды не наблюдается, а в период с 1992 по 2013 г. пики даже менее выражены.

Рис. 4. Внутригодовое распределение стока р. Селенги в створе разъезд Мостовой в годы с различной водностью за период с 1948 по 1969 г.

Рис. 5. Внутригодовое распределение стока р. Селенги в створе разъезд Мостовой в годы с различной водностью за период с 1970 по 1991 г.

Рис. 6. Внутригодовое распределение стока р. Селенги в створе разъезд Мостовой в годы с различной водностью за период с 1992 по 2013 г.

Рис. 7. Внутригодовое распределение средних на территории водосборного бассейна осадков в годы с различной водностью за период с 1948 по 1969 г.

Рис. 8. Внутригодовое распределение средних на территории водосборного бассейна осадков в годы с различной водностью за период с 1970 по 1991 г.

Рис. 9. Внутригодовое распределение средних на территории водосборного бассейна осадков в годы с различной водностью за период с 1992 по 2013 г.

Таким образом, значительное изменение во внутригодовом распределении стока р. Селенги не связано с внутригодовым распределением осадков, которое не претерпело каких-либо существенных перемен.

Возможное объяснение трансформации внутригодового распределения стока может заключаться в увеличении склонового стока под влиянием деградации ландшафтов, которое может негативно сказываться как на величине годового стока, так и на его внутригодовом распределении и привести к уменьшению регулирующей роли водосборного бассейна.

При значительной величине водосборного бассейна, как у р. Селенги, в условиях, приближенных к естественным, должна в значительной степени проявляться его роль как регулятора стока, так как в пределах такого большого водосбора количество и режим поступления на его поверхность талых и дождевых вод становится значительно разнообразнее. Кроме того, с увеличением размеров бассейна возрастает длина путей движения воды по русловой сети и время добегания воды через толщу почв и горных пород, возрастают глубина вреза речного русла и относительный объем подземного стока в общей его величине. В некоторой степени водосборный бассейн таких размеров может осуществлять не только внутригодовое, но и многолетнее регулирование речного стока. В многоводные годы в большей степени пополняются запасы почвенных и грунтовых вод, часть которых переходит на следующий год.

Исследования влияния типа подстилающей поверхности в пределах водосбора на сток [7; 8; 9] показали, что в лесу в целом водопроницаемость почвы выше, чем в поле. Этому способствует как мощная корневая система деревьев и подлеска, так и лесная подстилка. Значительная роль принадлежит также богатым гумусом, рыхлым, частично оструктуренным верхним слоям почвы в лесах. Лесная подстилка обладает большой влагоемкостью и предохраняет почвенные поры от заиливания. Склоновый сток как снеговых, так и дождевых вод в лесу крайне мал. Это является следствием хорошей инфильтрационной способности лесных почв. Просачиванию воды в почву весной способствуют также относительно меньшие интенсивность снеготаяния весной и глубина промерзания почвы зимой по сравнению с полем. Часто дожди, вызывающие хорошо выраженные паводки в речных бассейнах, лишенных леса, в лесу не образуют паводочного стока. В лесу питание грунтовых вод более обильное, чем в поле. При дренировании подземных вод речной сетью это приводит к увеличению грунтового стока в реки и повышению меженного стока. В этом большое водоохранное и регулирующее значение леса.

Рубки леса, выпас скота нарушают лесную подстилку, ухудшают ин- фильтрационную способность почв и видоизменяют водный баланс. Степень этого влияния различная. После механизированных рубок с применением трелевочных тракторов водоохранное значение лесов даже с возобновлением древостоев надолго ослабляется вследствие ухудшения водорегулирующей способности лесных почв [8; 9].

Таким образом, в результате дефорестации и остепенил ландшафтов, выявленных в ходе исследования, происходит увеличение максимальных расходов половодья и паводков при уменьшении их продолжительности. В связи с этим увеличивается опасность катастрофических наводнений, эрозии и смыва почвы. Сток при этом в целом уменьшается, но становятся более выраженными пики экстремальных расходов, а распределение в году оказывается менее выровненным за счет уменьшения роли подземных вод и их поступления и в целом снижения регулирующей роли бассейна, что и наблюдается при сопоставлении внутригодового распределения стока р. Селенги в различные периоды.

Выводы