Многолетняя динамика изменения стока рек Южного Урала и Приуралья (в пределах республики Башкортостан)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Многолетняя динамика изменения стока рек Южного Урала и Приуралья (в пределах республики Башкортостан)

А.М. Гареев,

доктор географических наук, профессор,

заведующий кафедрой,

Башкирский государственный университет

Ю.В. Галиуллина,

ведущий гидролог, ООО «Югранефтегазпроект»,

В.И. Барышев,

аспирант,

Башкирский государственный университет

В статье раскрыты характеристики, отражающие изменчивость и динамику изменения речного стока по бассейнам рек Белая и Урал в пределах Республики Башкортостан. В качестве объектов исследования выбраны гидрологические посты сети Росгидромета, расположенные на реках в пределах исследуемой территории. На основании статистического и графического анализа материалов наблюдений выявлены основные тенденции изменения речного стока в многолетнем разрезе. Показано, что при наличии явных тенденций (трендов) изменения, отражающих увеличение или уменьшение расходов воды во времени, обнаруживается многолетняя и внутривековая цикличность с многоводными и маловодными фазами, что является причиной возникновения водных и водохозяйственных проблем по отдельным бассейнам рек в засушливые годы. На изменение количественных характеристик водных ресурсов оказывают существенное влияние антропогенные факторы, наиболее значимыми из которых являются: промышленное и коммунально-бытовое (в т.ч. хозяйственно-питьевое) водоснабжение, показатели искусственного зарегулирования речного стока прудами, водохранилищами и др.

Так, если промышленное, коммунально-бытовое и хозяйственно-питьевое водоснабжение являются причиной количественного истощения водных ресурсов, то искусственное зарегулирование речного стока прудами и водохранилищами способствует заметному увеличению минимальных расходов воды в реках как в летнее, так и зимнее время. Указанное имеет большое значение не только в решении водохозяйственных проблем, но и существенном улучшении экологических условий в водотоках. В целом, решение актуальных водохозяйственных и экологических проблем в пределах изучаемой территории требует необходимости оценки значимости как естественных, так и антропогенных факторов, обосновывая критерии оптимизации водопользования и водоохранных мероприятий по бассейнам рек.

Ключевые слова: годовой сток, максимальный сток, минимальный летне-осенний и зимний сток, расход воды, водохранилища, водохозяйственная обстановка, водопользование, экологические условия

A.M. Gareev¹, Yu. V. Galiullina², V.I. Baryshev¹

LONG-TERM DYNAMICS OF THE RIVER RUNOFF OF THE SOUTH URALS AND THE CIS-URALS (WITHIN THE REPUBLIC OF BASHKORTOSTAN) башкортостан река белая урал

The article presents the main features of the variability and dynamics of the river flow through the Belaya and Ural river basins within the Republic of Bashkortostan. The object of the study includes hydrological posts of the Rosgidromet network on the rivers within the area in question. Statistical and graphical analysis of the observation materials makes it possible to identify major trends of the river flow changes over a long-term period. It is shown that in the presence of evident trends that reflect an increase or decrease in water discharge in time, one can see long-term and mediumterm cycles with high-water and low-water phases, which causes water-management problems in some river basins in dry years. The change in the quantitative characteristics of water resources is much affected by anthropogenic factors, the most significant of which are industrial and municipal (including domestic water supply) water supplies and indicators of artificial regulation of river runoff by ponds, reservoirs, etc.

Thus, if industrial, community and domestic water supplies are responsible for the quantitative depletion of water resources, artificial regulation of river runoff by ponds and reservoirs contributes to a marked increase in the minimum water discharges in rivers both in summer and winter. This is important not only for solving water problems, but also for significantly improving environmental conditions in watercourses. Accordingly, their solution requires the need to assess the relevance of both natural and anthropogenic factors and substantiate the criteria for optimizing water use and water-protective measures on river basins.

Key words: annual runoff, maximum runoff, minimum summer-autumn and winter runoff, water discharge, water reservoirs, water-management situation, water use, ecological conditions

На основании анализа многочисленных опубликованных работ можно установить, что в течение последних десятилетий обнаруживается обострение водных проблем в разрезе большого количества государств, территории которых располагаются не только в условиях засушливости климата, но и характеризуются переменным увлажнением и влиянием различных отраслей экономики при высоком уровне их развития. Это характерно и для территории Российской Федерации, в т.ч. Республики Башкортостан, где обнаруживаются пространственные и временные различия в обеспеченности водными ресурсами [1-3]. Указанное довольно отчетливо проявляется на примере территорий Башкирского Предуралья и Зауралья, прежде всего по показателям внутригодового распределения речного стока, а также его изменчивости в многолетнем разрезе. Так, например, если по бассейнам малых и средних рек в Предуралье во внутригодовом распределении на долю весеннего стока приходится 65-85% годового стока, то в Зауралье - 9096%. Имеются и характерные особенности в соотношениях летне-осеннего и зимнего минимального стока, которые, соответственно, колеблются в пределах 12-24%, 3,5-11,5% (в Предуралье) и 3,3-22,6%, 0,6-6,4% (в Зауралье). Как видно, реки Башкирского Зауралья, преимущественно относящиеся к бассейну р. Урал, отличаются наибольшей изменчивостью стока внутри года с формированием минимальных показателей расходов воды как летом, так и зимой. Характерно, что значительное количество малых и очень малых рек в условиях отсутствия прудов и водохранилищ в засушливые годы пересыхают, зимой промерзают [4-6].

Особенности удовлетворения потребностей различных отраслей экономики базируются на обеспеченности тех или иных территорий водными ресурсами. В то же время водные ресурсы во времени не остаются постоянной величиной. В зависимости от циклической изменчивости происходит формирование многоводных и маловодных фаз в ходе многолетних, внутривековых и многовековых колебаний стока, которые оказывают существенное влияние на условия водопользования в разрезе промышленных узлов, центров и различных хозяйственных объектов. Так, примерами возникновения острых проблем, связанных с удовлетворением потребностей хозяйственно-питьевого и промышленного водоснабжения, являются 2010, 2012 гг., когда в течение продолжительного летнего времени наблюдалась жара, способствующая резкому снижению эксплуатационных ресурсов поверхностных и запасов подземных вод во многих районах республики. В свою очередь, острота водных и водохозяйственных проблем наблюдалась относительно дифференцированно по территории, главным образом, в зависимости от уровня водопользования по бассейнам рек по расчетным створам. На это значительное влияние оказывают и факторы, обусловленные региональными последствиями глобального изменения климата [7].

Таким образом, следует подчеркнуть, что формирование речного стока в пределах республики зависит от сложного сочетания многих природных (уровня солнечной активности, колебания барического поля Земли и характера атмосферной циркуляции и др.) и антропогенных факторов, которые обуславливают отсутствие возможности детерминированной оценки характеристик речного стока на различные перспективные периоды.

В то же время, на основании изучения закономерностей, отражающих характер динамики изменчивости и изменения речного стока в многолетнем разрезе, появляется возможность выполнения вероятностных прогнозных оценок, которые могут быть применены при решении различных водохозяйственных и водно-экологических задач.

Для анализа циклической структуры многолетних колебаний стока на изучаемой территории использован метод построения разностно-интегральных кривых (РИК), который позволил выявить фазы водности, по которым с определенной погрешностью можно осуществлять и прогнозные оценки. Выявление тенденций изменения стока (трендов) за период многолетних наблюдений осуществлялось посредством построения графиков 5-летних, скользящих средних. Анализ изменения речного стока в зависимости от влияния антропогенных нагрузок производился на основании применения статистических методов и метода нарастающих (интегральных) сумм [3, 8].

В целом, показатели водообеспеченнос- ти территорий характеризуются значениями средних годовых расходов воды. В отличие от среднемноголетних значений ежегодные (среднегодовые) показатели также характеризуются циклической изменчивостью. Так, на основании анализа графиков, отраженных на рис. 1, можно заметить, что по изучаемым рекам: Быстрый Танып, Мияки, Таналык, Инзер, Мелеуз, Чермасан, Зилаир - с 1949 г. по 1977-1985 гг. обнаруживается маловодная (внутривековая) фаза. В последующем установилась многоводная фаза, которая продолжалась до 2001-2007 гг., за исключением р. Юрюзань (пос. Атняш). Следует особо обратить внимание на то, что после указанного срока вновь сформировалась маловодная фаза, последствия влияния которой ощущаются и в настоящее время. Следует полагать, что установившиеся тенденции сохранятся и в будущем, проявляя признаки обострения водохозяйственных проблем до 2025-2030 гг. Выявленные тенденции характерны как для рек Предуралья, так и Зауралья.

Рис.1. Разностные интегральные кривые среднегодовых расходов воды по изученным рекам за 1949-2015 гг.

Следует обратить внимание на то, что функционирование различных природных комплексов, водохозяйственных систем, а также отдельных объектов по отраслям экономики в условиях продолжающегося изменения климата претерпевает определенных откликов. Это прежде всего зависит от пространственной и временной изменчивости таких показателей, как среднегодовые значения температур воздуха, суммы температур за вегетационный период естественной растительности и культурных растений, годовая сумма атмосферных осадков, распределение атмосферных осадков внутри года, дефицит влажности воздуха и т.д. В условиях взаимодействия они формируют показатели тепло- и влагообеспеченности территорий, которые также подчиняются закономерностям циклических колебаний, зависят от происходящих изменений климата на региональном уровне. Соответственно, естественный ход событий, проявляющийся в виде циклических колебаний указанных показателей, обусловливает возникновение хозяйственно-экономических и экологических проблем, которые требуют необходимости решения. Это достаточно отчетливо проявляется на уровне анализа сведений, отраженных в табл. 1, где показаны маловодные периоды в многолетнем разрезе по территории Республики Башкортостан. Так, низкие и самые низкие уровни воды по водоемам Урала наблюдались в конце 19 в. - начале 20 в., а также в 1936-1944 гг.

Если некоторое повышение уровней воды в оз.Аслыкуль происходило в 1946-1948 гг., то в 1949-1956 гг. наблюдалось снова снижение уровней воды. Наибольшие уровни воды в указанном озере наблюдались в 1989-1995 и 2001-2007 гг., после чего наметились тенденции их снижения. Следует подчеркнуть, что показатели изменения уровней воды по замкнутым озерам, к которым относится и оз.Аслыкуль, являются наиболее репрезентативными, т.к. они характеризуют реальные соотношения показателей (атмосферных осадков и испарения), принимающих участие в формировании водно-балансовых характеристик территорий [7].

С точки зрения оценки значимости многолетней динамики изменения минимальных расходов воды в решении водохозяйственных задач нами осуществлен анализ разностных интегральных кривых минимальных расходов воды летне-осенней межени (рис. 2).

Рис. 2. Разностно-интегральные кривые минимального (летне-осеннего) стока рек изучаемой территории за 1949-2015 гг.

Это связано с тем, что, как правило, в это время возникает наиболее напряженная водохозяйственная обстановка. Как видно из указанного рисунка, по минимальным расходам воды наблюдаются аналогичные закономерности, отражающие изменчивость стока в многолетнем разрезе, так же, как и по годовому стоку.

ТАБЛИЦА 1 - Маловодные и многоводные периоды в многолетнем разрезе в пределах Республики Башкортостан

Некоторое смещение во времени обнаруживается по р. Юрюзань (пос. Атняш), что было характерно и по годовому стоку. При наличии явных признаков синхронности колебания стока обнаруживаются различия в диапазонах происходящих изменений, что может быть объяснено различиями в физикогеографических условиях по бассейнам рек.

Как было показано ранее, особенности влияния антропогенных факторов на изменение расходов воды в реках могут быть выявлены на основании статистического анализа рядов многолетних наблюдений с выявлением их однородности (или ее нарушенности) посредством применения критериев Фишера, Стьюдента, Вилькоксона и др.

Показатели абсолютного изменения расходов воды наиболее отчетливо проявляются на основании применения метода нарастающих (интегральных) сумм [1].

В условиях формирования небольших показателей безвозвратных потерь в коммунально-бытовом и промышленном водоснабжении существенное влияние на величины минимального стока оказывает искусственное зарегулирование речного стока [3, 4]. С учетом изложенного из большого количества рек выбраны те, которые характеризуются значительными показателями коэффициента искусственной зарегулированности стока.

Следует отметить, что наибольшие значения увеличения минимальных расходов воды выявляются по рекам, бассейны которых располагаются в пределах Башкирского Зауралья. В качестве примера на рис. 3 представлен график нарастающих сумм минимальных расходов воды зимней межени р. Таналык по водомерному посту с. Самарское, который отражает резкое увеличение речного стока в сторону увеличения, начиная с 1987 г.

ТАБЛИЦА 2 - Изменение минимальных 30-дневных летних расходов воды некоторых рек Башкирского Зауралья в условиях искусственного зарегулирования водохранилищами

Как показывают материалы, отраженные в табл. 2, по пунктам наблюдений ряда рек относительное изменение минимального 30-дневного летнего стока достигает до 2932 и более процентов. По р. Карагайлы (д. Старо-Сибаево) увеличение минимального стока в среднем на 23% связано со сбросом шахтных вод.

Рис. 3. Нарастающие суммы минимальных расходов воды зимней межени р. Таналык - с. Самарское

Нарушение однородности рядов многолетних наблюдений стока свидетельствует об устойчивом его изменении. Соответствующее увеличение минимальных расходов воды малых и средних рек в летний период в условиях их зарегулирования прудами и водохранилищами, несомненно, является положительным как с хозяйственно-экономической, так и экологической точек зрения. Положительный эффект увеличения показателей минимальных расходов воды, прежде всего, проявляется в виде увеличения показателей смешения, разбавления и уменьшения концентраций загрязняющих веществ в речных водах. Это в целом отражается на заметном улучшении качества воды и экологических условий в водотоках различной категории.

Обобщая и анализируя материалы проведенных расчетов и оценок, можно подчеркнуть следующее.

1. Изменчивость как среднегодовых, так и максимальных, минимальных расходов воды изучаемых рек характеризуется циклическими многолетними и внутривеко- выми колебаниями. С 2001-2007 гг. по настоящее время обнаруживается фаза, отражающая уменьшение характеристик речного стока.

Искусственное зарегулирование речного стока в условиях влияния фактора глобального потепления климата приводит к формированию значительных потерь воды на испарение с поверхности прудов и водохранилищ. polytechnicheskiy universitet, 2013. 279 p. (In Russian).

Однако показатели, отражающие увеличение минимальных расходов воды при этом, во многом превышают величины потерь воды на дополнительное испарение. Это, несомненно, имеет положительное значение при решении водохозяйственных и водно-экологических проблем как в пределах изучаемой территории, так и нижерасположенных участков р. Урал (в Челябинской, Оренбургской областях РФ и Республике Казахстан).

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Бубин М.Н., Рассказова Н.С. Ритмичность многолетних колебаний стока рек как интегральный показатель изменчивости климата (на примере Урала). Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. 279 с.

2. Гареев А.М. Оптимизация водоохранных мероприятий в бассейне реки (географо-экологический аспект). СПб.: Гидрометеоиздат, 1995. 190 с.

3. Гареев А.М., Зайцев П.Н. Пространственная и временная изменчивость речного стока (на примере Башкирского Предуралья). Уфа: РИЦ БашГУ, 2015. 152 с.

4. Гареев А.М. Реки, озера и болотные комплексы Республики Башкортостан. Уфа: Гилем, 2012. 248 с.

5. Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 11. Средний Урал и Приуралье. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. 848 с.

6. Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 12. Вып. 2. Урало-Эмбинский район. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 512 с.

7. Гареев А.М., Аминева Г.Г. Общие характеристики изменения основных составляющих водного баланса речных водосборов на примере территории Республики Башкортостан // Фундаментальные и прикладные исследования в гидрометеорологии, водном хозяйстве и геоэкологии. Уфа: РИЦ БашГУ, 2019. С. 9-15.

8. Анализ однородности гидрологических рядов: метод. рекомендации. Минск: ЦНИКВР, 1977. 33 с.

R E F E R E N C E S

1. Bubin M.N., Rasskazova N.S. Ritmichnost mnogoletnikh kolebaniy stoka rek kak integralnyy pokazatel izmenchivosti klimata (na primere Urala) [The rhythm of long-term fluctuations in river flow as an integral indicator of climate variability (exemplified by the Urals)]. Tomsk, Tomskiy

2. Gareev A.M. Optimizatsiya vodookhrannykh meropriyatiy v basseyne reki (geografo- ekologicheskiy aspekt) [Optimization of water protection measures in the river basin (geographic and environmental aspect)]. St. Petersburg, Gidrometeoizdat, 1995. 190 p. (In Russian).

2. Gareev A.M., Zaytsev P.N. Prostranstvennaya i vremennaya izmenchivost rechnogo stoka (na primere Bashkirskogo Preduralya) [Spatial and temporal variability of river flow (exemplified by the Bashkir Cis-Urals)]. Ufa, RITs BashGU, 2015. 152 p. (In Russian).

3. Gareev A.M. Reki, ozera i bolotnye kompleksy Respubliki Bashkortostan [Rivers, l akes and swamp complexes of the Republic of Bashkortostan]. Ufa, Gilem, 2012. 248 p. (In Russian).

5. Resursy poverkhnostnykh vod SSSR [Surface water resources of the USSR]. Vol. 11. Sredniy Ural i Priuralye [Middle Urals and Cis-Urals]. Leningrad, Gidrometeoizdat, 1973. 848 p. (In Russian).

6. Resursy poverkhnostnykh vod SSSR [Surface water resources of the USSR]. Vol. 12. Issue 2. Uralo-Embinskiy rayon [Ural-Emba district]. Leningrad, Gidrometeoizdat, 1970. 512 p. (In Russian).

7. Gareev A.M., Amineva G.G. Obshchie kharakteristiki izmeneniya osnovnykh sostavlyayushchikh vodnogo balansa rechnykh vodosborov na primere territorii Respubliki Bashkortostan [General characteristics of changes in the main components of the water balance of river watersheds on the example of the territory of the Republic of Bashkortostan]. Fundamentalnye i prikladnye issledovaniya v gidrometeorologii, vodnom khozyaystve i geoekologii [Fundamental and applied research in hydrometeorology, water management and geoecology]. Ufa, RITs BashGU, 2019, pp. 9--15. (In Russian).

8. Analiz odnorodnosti gidrologicheskikh ryadov [Analysis of the uniformity of hydrological series]. Minsk, TsNIKVR, 1977. 33 p. (In Russian).

Размещено на Allbest.ru