Известия РАН. Серия географическая, 2021, T. 85, № 6, стр. 900-913

Изменение минимального стока в бассейне реки Урал

Ж. Т. Сивохип a*, В. М. Павлейчик a, Ю. А. Падалко a

a Институт степи УрО РАН
Оренбург, Россия

* E-mail: sivohip@mail.ru

Поступила в редакцию 16.11.2020
После доработки 29.08.2021
Принята к публикации 07.09.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Рассмотрены особенности трансформации параметров минимального стока в бассейне р. Урал с учетом современных тенденций изменения водного режима рек Европейской территории России. Проблема пространственно-временных изменений речного стока (в том числе и минимального) особенно актуальна для регионов с недостаточным и неустойчивым увлажнением. К подобным территориям относится бассейн р. Урал, большая часть которого расположена в пределах степной, полупустынной и пустынной зон. Проведен анализ динамики среднемесячных и 30-суточных расходов воды периода низкого стока для рек исследуемого бассейна. Установлены изменения параметров маловодных фаз, в частности, смещение дат наступления периода минимального 30-суточного стока летне-осенней и зимней меженей. Представлены статистические характеристики минимального стока зимнего сезона в бассейне р. Урал в различные периоды с 1950 по 2018 г. Отмечено устойчивое сокращение изменчивости минимального стока маловодных фаз, в первую очередь, зимней межени. Актуализирована необходимость учета современной динамики минимального стока для решения задач сохранения и комплексного использования водных ресурсов трансграничных речных бассейнов степной зоны.

Ключевые слова: водный режим, степная зона, минимальный сток, межень, маловодный период, нулевой сток, использование водных ресурсов

ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

Водный режим рек отражает сезонную специфику поступления воды из речного бассейна, обусловливающую устойчивое чередование фаз повышенного и пониженного стока. В условиях значительных колебаний стока актуальной водохозяйственной проблемой является обеспечение гарантированных объемов воды для нужд экономики и населения. Соответственно, чем менее значительны вариации годового и экстремального стока воды, тем реальнее возможность организации экономически эффективного и экологически безопасного водопользования (Закономерности …, 2012), в том числе и в лимитирующий период.

Характерная тенденция современного водного режима, установленная для большинства рек Европейской территории России (ЕТР) заключается в сокращении доли весеннего стока и увеличении доли стока маловодных периодов, что приводит к выравниванию годового гидрографа (Болгов и др., 2014; Георгиади и др., 2016; Джамалов и др., 2015; Дмитриева, Нефедова, 2018; Магрицкий и др., 2018; Сивохип и др., 2018; Фролова и др., 2010; Sivokhip et al., 2017). Основная причина данной трансформации – существенный многолетний рост значений приземной температуры воздуха в холодный сезон с закономерным увеличением частоты оттепелей и расходов зимней межени (Джамалов и др., 2017; Закономерности …, 2012). Кроме того, наблюдаемые гидрофизические процессы приводят к увеличению естественных (возобновляемых) ресурсов подземных вод (Джамалов и др., 2017). Отметим, что на преобладающей части ЕТР произошло увеличение стока и в период летне-осенней межени – наиболее значительное (40–100%) на реках лесостепной и степной зон (Закономерности …, 2012). Таким образом, современные тенденции изменения водного режима рек юга ЕТР характеризуются положительным трендом значений минимального стока.

Минимальный сток летне-осеннего и зимнего сезонов имеет различную генетическую структуру, в связи с чем их пространственно-временные аспекты исследуются отдельно. Но, в целом, продолжительность и устойчивость периода низкого стока определятся стокообразующими факторами, из которых ключевое значение имеют атмосферные осадки и подземные воды, непосредственно участвующие в формировании приходной части стока. С учетом региональных особенностей распределения атмосферных осадков формируются условия естественного увлажнения, влияющие на устойчивость и экстремальность маловодных сезонов. Важно, что в формировании подземной составляющей стока заметную роль играют осадки не только за текущий год, но и за предыдущие 2–3 года (Сивохип и др., 2018). Исходя из разнообразия и генезиса факторов формирования стока, необходимо обратить внимание на трудности при определении синхронности колебания стоковых и метеорологических характеристик (Джамалов и др., 2017). Отдельно отметим, что при исследованиях характеристик стока за период осреднения, меньший, чем год, влияние местных особенностей бассейнов рек значительно возрастает и, в первую очередь, это относится к меженному и минимальному стоку (Комлев, 2002).

Влияние атмосферных осадков на сезонный сток различно для зон избыточного и недостаточного увлажнения вследствие существенного отличия величин испарения (Владимиров, 1976). Кроме того, районы, имеющие незначительные запасы водных ресурсов, характеризуются и максимальной многолетней изменчивостью речного стока в условиях неустойчивого увлажнения. К подобным территориям относится бассейн р. Урал, бо́льшая часть которого расположена в пределах степной (75%), полупустынной и пустынной природных зон (рис. 1). Водный режим большинства рек бассейна р. Урал относится к казахстанскому типу с преобладанием снегового питания, доля которого повышается от верховий к приустьевой части. Характерной особенностью рек данного типа является наличие продолжительного маловодного периода, объединяющего две фазы – летне-осенней и зимней межени. Фаза летне-осенней межени в верховьях исследуемого бассейна может прерываться дождевыми паводками, которые к низовьям реки практически не нарушают гидрограф межени (Магрицкий и др., 2018). На отдельных реках бассейна р. Урал межень сопровождается периодами нулевого стока – полного пересыхания или промерзания рек.

Рис. 1.

Бассейн р. Урал. I – гидропосты; II – границы водосборов; III – створы водохранилищ. Гидропосты: 1 – Урал (Оренбург); 2 – Сакмара (Татарская Каргала); 3 – Илек (Веселый); 4 – Орь (Истемес); 5 – Салмыш (Буланово); 6 – Зилаир (Зилаир); 7 – Урал (Кушум); 8 – Урляда (Новоахуново); 9 – Кугутык (Домбаровский); 10 – Чертанка (Желтое); 11 – Черная (Красный Холм). Водохранилища: р. Урал: 12 – Верхнеуральское; 13 – Магнитогорское; 14 – Ириклинское; р. Сакмара: 15 – Сакмарское; р. Илек: 16 – Актюбинское; р. Жаксы Каргала: 17 – Каргалинское.

Основным способом гарантированного обеспечения водными ресурсами экономики и населения для территорий с неравномерным речным стоком является аккумуляция объемов воды в водохранилищах. В бассейне р. Урал наиболее крупные водохранилища расположены в верхнем течении главной реки (Верхнеуральское, Магнитогорское и Ириклинское), обеспечивающие потребности в воде промышленных предприятий и коммунального хозяйства Южного Зауралья. Самым значимым искусственным водоемом является Ириклинское вдхр. на р. Урал (1957), объем которого (3.26 км3) позволяет осуществлять многолетнее регулирование стока, срезая пики весеннего половодья и увеличивая меженный сток.

Цель данной работы – выявление современных тенденций изменения минимального стока в бассейне р. Урал. Основными задачами являются установление степени пространственной согласованности многолетних изменений минимального стока в исследуемом бассейне; оценка вклада антропогенных и природно-климатических факторов в многолетние изменения сезонного стока; сравнительный анализ параметров минимального стока; анализ динамики среднесуточных и абсолютных минимумов речного стока в гидрологические сезоны.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для решения задач исследования были использованы многолетние данные гидрологических наблюдений (Гидрологический ежегодник, 1950–1982; Государственный …, 1983–2018). Основными методами анализа исходных данных стали стандартные гидрологические расчеты согласно рекомендациям (Свод …, 2004).

Для анализа многолетних изменений годового и сезонного стока в исследуемом бассейне определены следующие гидрологические посты: Урал (Оренбург), Сакмара (Татарская Каргала) и Зилаир (Зилаир) – 1950–2018 гг.; Илек (Веселый) – 1951–2018 гг., Орь (Истемес) – 1957–2018 гг. и Салмыш (Буланово) – 1960–2018 гг. Выбор гидропостов основан на различиях физико-географических условий формирования стока и степени антропогенного воздействия на него; сток рр. Урал и Илек зарегулирован водохранилищами многолетнего регулирования (см. рис. 1). Для подтверждения выявленных закономерностей дополнительно принимались во внимание и производились расчеты показателей по другим рекам рассматриваемого бассейна и гидропостам.

Анализ многолетних (максимальный период – 1927–2018 гг.) изменений годового и сезонного стока в бассейне р. Урал основан на использовании разностно-интегральных кривых, значения которых рассчитывались по следующей формуле:

St = ∑(KQi – 1),

где модульный коэффициент KQi равен отношению ${{{{Q}_{i}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{Q}_{i}}} {\bar {Q}}}} \right. \kern-0em} {\bar {Q}}},$ в котором $\bar {Q}$ – среднее арифметическое значений всего ряда; St – кривая накопления стока в косоугольных координатах с масштабом Q0 = 1.

По нормированным значениям выявлены особенности многолетней динамики в различных створах рек, включая синхронность наблюдаемых изменений. Построены матрицы парных коэффициентов корреляции, рассчитаны коэффициенты линейной детерминации.

Для определения нормы стока принят расчетный период 1950–2008 гг. (продолжительность наблюдений 59 лет), включающий полные циклы колебания водности. Для рек ЕТР 1978 г. установлен как пороговый год изменения водности (Джамалов и др., 2017), поэтому сравнительный анализ отдельных параметров минимального стока выполнен для двух периодов близких по продолжительности – 1950–1977 гг. (28 лет); 1978–2008 гг. (31 год). Период с ноября по март принят за зимний сезон, июнь–октябрь – за летне-осенний сезон.

Для оценки антропогенного вклада в многолетние (1927–2018) изменения сезонного стока был использован подход, основанный на независимом восстановлении стока по регрессионным связям со стоком реки-аналога. Дополнительно проведен анализ многолетних изменений в долях годового стока, позволивший подтвердить вклад наиболее значительных антропогенных трансформаций (например, заполнение Ириклинского вдхр. в 1957 г.).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для рек бассейна р. Урал характерны многолетние колебания речного стока, а наиболее значительные вариации наблюдаются на притоках восточного и юго-восточного секторов исследуемой территории. Как установлено ранее (Сивохип и др., 2018), для большинства водотоков, вне зависимости от площади бассейна и физико-географических условий водосборной территории, отмечается синфазность стока.

В результате анализа многолетних данных выделены фазы различной водности, при этом временные границы циклов по отдельным рекам могут быть смещены относительно выявленных совокупных на 2–3 года. Отмечено, что в пределах продолжительных однонаправленных фаз довольно часто отмечаются годы или серии лет (не более 2–3-х), характеризующиеся аномальной для данной фазы водностью. Синфазный характер многолетних колебаний речного стока исследуемых рек иллюстрирует динамика значений модульных коэффициентов (рис. 2).

Рис. 2.

Динамика водности рек бассейна р. Урал за 1927–2018 гг.

В частности, с 1927 по 2018 г. отмечается пять маловодных периодов, различных по продолжительности и устойчивости. Наиболее продолжительный период наблюдался в 1950–1977 гг. (преобладали годы 75–90% обеспеченности), что обусловлено не только условиями естественного увлажнения, но и значительными объемами забора воды.

Синхронность фаз водности определяется как общей направленностью нормированных значений стока, так и высокой теснотой связей между рядами данных этих показателей. Как показывают расчеты, наиболее статистически значимы коэффициенты корреляции стока рек со сходными условиями формирования стока. При этом более однороден сток рек лесостепи (Сакмара, Зилаир) с коэффициентом корреляции 0.7–0.9, тогда как для типично степных рек этот показатель не превышает 0.6–0.8.

Несомненно, что многолетняя динамика водности рек казахстанского типа определяется спецификой внутригодового распределения стока, основная доля которого приходится на период весеннего половодья. По мере истощения весенне-половодного стока общей характеристикой рек казахстанского типа становится сокращение расходов, вплоть до начала половодья следующего года. Маловодный период, как правило, прерывается в предзимнее время (октябрь–декабрь) относительным увеличением объемов стока, обусловленным более благоприятными условиями увлажнения. Наиболее явно предзимний период повышения стока выражен на рр. Сакмара и Зилаир, водосборная территория которых расположена в пределах горнолесных ландшафтов Южного Урала.

Для большинства рек исследуемого бассейна (с условно-естественным режимом) установлено сокращение доли весеннего стока и увеличение доли стока маловодных периодов (рр. Орь, Жарлы и др.) (Сивохип и др., 2018). Еще более значительные изменения выявлены для рек с зарегулированным режимом. Так, доля весеннего половодья р. Илек (п. Веселый) сократилась с 77 (1950–1977 гг.) до 56% (современный период), а доля летне-осеннего стока увеличилась с 12 до 24% (Актюбинское водохранилище введено в эксплуатацию в 1988 г.). В то же время главный приток р. Сакмара характеризуется отсутствием устойчивой тенденции сокращения доли весеннего половодья, в том числе и в различные по водности годы.

Минимальный сток является составляющей годового стока, что определяет достаточно высокую степень тесноты связей между этими параметрами (Васильев и др., 2020). Вместе с тем период низкого стока отличается особыми условиями и факторами формирования, не проявляющимися в остальные сезоны года. В частности, продолжительность маловодных фаз определяется в первую очередь устойчивостью межени – зимняя межень зависит от длительности периода с отрицательными температурами, а летне-осенняя – от интенсивности атмосферных осадков (Закономерности …, 2012). С учетом местных физико-географических условий и площади действующего водосбора, маловодные фазы на реках исследуемого бассейна отличаются по срокам наступления, продолжительности и устойчивости (рис. 3). В частности, р. Урал характеризуется менее продолжительной зимней меженью по сравнению с крупными притоками (рр. Сакмара, Салмыш и Орь), которые отличаются более растянутой фазой с минимальными значениями стока во второй половине сезона. Для периода зимней межени рр. Илек и Зилаир характерно интенсивное сокращение стока на протяжении всего сезона, начиная с первой–второй декад ноября.

Рис. 3.

Распределение дат наступления периода минимального 30-суточного стока зимней и летне-осенней меженей за 1950–1977 и 1978–2018 гг., %.

Влияние местных физико-географических условий на особенности развития маловодных фаз в бассейне р. Урал подтверждают изменения в датах наступления периода минимального 30-суточного стока зимней и летне-осенней меженей (см. рис. 3).

Наиболее значимые изменения установлены для р. Илек. Если в 1950–1977 гг. даты минимумов стока приходились на август, то в последующий период – на октябрь, что свидетельствует об ослаблении роли атмосферных осадков в формировании осеннего стока на фоне существенного увеличения водности в летне-осенний период. Даты наступления максимального истощения речного стока сместились с первых декад марта на вторую–третью декады февраля.

Анализ многолетней динамики 30-суточного минимального стока в бассейне р. Урал иллюстрирует стабильный рост значений для большинства исследуемых рек (рис. 4, табл. 1). Максимальное увеличение минимального стока установлено для зимнего сезона у р. Илек (более чем на 90%) и р. Салмыш (60%). На реках Урал и Сакмара прирост менее существенный (в пределах 30–35%), что объясняется обширностью водосборных площадей и разнообразием условий стокоформирования. Минимальный рост 30-суточных значений зимнего стока установлен для р. Орь – менее 10%. Практически полное отсутствие положительной динамики значений 30-суточного минимального стока демонстрирует р. Зилаир.

Рис. 4.

Динамика средних 30-суточных значений минимального стока.

Таблица 1.  

Статистические характеристики минимального стока зимнего сезона в бассейне р. Урал

Река–пункт Период Q, м/с
(средний,
минимальный)
CV Расход воды в годы различной обеспеченности, %
80 90 95
Минимальный суточный сток
Урал–Оренбург 1950–1977 15.80 (2.30) 0.55 8.48 5.60 3.90
1978–2008 24.34 (7.68) 0.44 16.60 13.40 9.30
1950–2018 20.50 (2.30) 0.45 11.90 6.97 3.90
Сакмара–Тат. Каргала 1950–1977 17.70 (4.12) 0.45 10.50 9.25 5.39
1978–2008 29.70 (11.80) 0.39 21.60 16.80 15.50
1950–2018 23.20 (4.12) 0.53 14.00 10.90 10.10
Илек–Веселый 1951–1977 0.26 (0.00) 0.83 0.06 0.01 0.01
1978–2008 2.89 (0.00) 0.59 1.37 0.60 0.18
1951–2018 1.79 (0.00) 1.00 0.18 0.06 0.03
Орь–Истемес 1957–1977 0.15 (0.00) 0.97 0.00 0.00 0.00
1978–2008 0.14 (0.00) 0.79 0.00 0.00 0.00
1957–2018 0.15 (0.00) 0.79 0.00 0.00 0.00
Салмыш–Буланово 1960–1977 0.89 (0.45) 0.32 0.60 0.52 0.45
1978–2008 2.51 (0.48) 0.44 1.87 1.01 0.87
1960–2018 1.88 (0.45) 0.60 0.86 0.68 0.52
Зилаир–Зилаир 1950–1977 0.20 (0.002) 0.80 0.022 0.005 0.002
1978–2008 0.29 (0.002) 0.54 0.16 0.11 0.037
1957–2018 0.23 (0.002) 0.67 0.11 0.022 0.005
Минимальный 30-суточный сток
Урал–Оренбург 1950–1977 19.53 (2.70) 0.56 7.73 5.71 3.90
1978–2008 29.26 (10.20) 0.39 20.88 15.40 10.80
1950–2018 25.15 (2.70) 0.46 15.40 10.00 7.00
Сакмара– Тат. Каргала 1950–1977 21.40 (4.46) 0.49 11.70 11.00 9.80
1978–2008 33.98 (17.62) 0.41 25.30 19.00 18.60
1950–2018 27.22 (4.46) 0.48 15.90 12.50 11.00
Илек–Веселый 1951–1977 0.33 (0.00) 0.85 0.20 0.10 0.10
1978–2008 3.22 (0.00) 0.57 1.50 0.80 0.00
1951–2018 2.05 (0.00) 0.95 0.34 0.00 0.00
Орь–Истемес 1957–1977 0.16 (0.00) 0.94 0.00 0.00 0.00
1978–2008 0.17 (0.00) 0.68 0.00 0.00 0.00
1957–2018 0.17 (0.00) 0.74 0.02 0.00 0.00
Салмыш–Буланово 1960–1977 1.14 (0.58) 0.26 0.94 0.81 0.60
1978–2008 2.84 (0.80) 0.43 1.98 0.96 0.81
1960–2018 2.18 (0.58) 0.57 1.07 0.94 0.81
Зилаир–Зилаир 1950–1977 0.31 (0.01) 0.77 0.10 0.02 0.01
1978–2008 0.39 (0.19) 0.45 0.25 0.21 0.20
1957–2018 0.34 (0.01) 0.60 0.19 0.10 0.03

Выявленная динамика объемов и долей стока в зимний период в итоге приводит к выравниванию соотношения между значениями летне-осеннего и зимнего стока. Сходная тенденция наблюдается и применительно к значениям 30-суточных минимальных расходов маловодных фаз. Соотношение этих значений (летне-осенняя межень к зимней) за 1950–2018 гг. максимально сократилось для р. Илек – 7.5 и 2.1. Менее значительные изменения соотношения расходов летне-осеннего и зимнего сезона отмечены для р. Урал – с 2.0 до 1.0; р. Сакмара с 1.7 до 1.2; р. Салмыш – с 1.87 до 1.28; Зилаир – с 3.6 до 1.7.

Положительную динамику подтверждают отклонения значений минимального стока современного периода от среднемноголетних величин (за период 1950–2008 гг.). Максимальные отклонения от нормы характерны, в первую очередь, для расходов зимней межени. Если в период 1950–1977 гг. значения модульных коэффициентов (K) для рр. Урал, Сакмара, Илек, Салмыш и Зилаир составляли 0.74, 0.74, 0.16, 0.47 и 0.84 соответственно, то для следующего тридцатилетнего периода (1978–2008 гг.) – 1.17, 1.24, 1.74, 1.32 и 1.21. Исключение составляет р. Орь, модульные коэффициенты стока которой демонстрируют отрицательную динамику – 1.12 и 0.96 соответственно.

Выявленные тенденции изменения параметров маловодных фаз являются непосредственным отражением многолетних трансформаций внутригодового распределения стока, в частности – колебаний минимального стока в летне-осенний и зимний сезоны. В связи с разнообразием метеорологических факторов и форм их воздействия, многолетняя изменчивость летне-осеннего стока зачастую выше изменчивости зимнего стока (Закономерности …, 2012). В целом рост значений минимального стока приводит к сокращению сезонной изменчивости расходов воды (табл. 2), что согласуется с ранее выявленной тенденцией снижения межгодовой изменчивости речного стока в бассейне р. Урал (Сивохип и др., 2018).

Таблица 2.  

Изменчивость суточных расходов маловодных периодов в бассейне р. Урал (числитель – 1950–1977 гг.; знаменатель – 1978–2008 гг.)

Река Cv (лето–осень) Cv (зима)
VI VII VIII IX X XI XII I II III
Урал $\frac{{0.18}}{{0.22}}$ $\frac{{0.14}}{{0.14}}$ $\frac{{0.11}}{{0.07}}$ $\frac{{0.08}}{{0.06}}$ $\frac{{0.07}}{{0.03}}$ $\frac{{0.16}}{{0.14}}$ $\frac{{0.14}}{{0.12}}$ $\frac{{0.07}}{{0.10}}$ $\frac{{0.06}}{{0.07}}$ $\frac{{0.33}}{{0.23}}$
Сакмара $\frac{{0.23}}{{0.21}}$ $\frac{{0.16}}{{0.15}}$ $\frac{{0.12}}{{0.10}}$ $\frac{{0.07}}{{0.07}}$ $\frac{{0.10}}{{0.10}}$ $\frac{{0.22}}{{0.14}}$ $\frac{{0.15}}{{0.16}}$ $\frac{{0.07}}{{0.08}}$ $\frac{{0.05}}{{0.07}}$ $\frac{{0.39}}{{0.25}}$
Илек $\frac{{0.28}}{{0.13}}$ $\frac{{0.19}}{{0.11}}$ $\frac{{0.13}}{{0.11}}$ $\frac{{0.09}}{{0.08}}$ $\frac{{0.16}}{{0.08}}$ $\frac{{0.30}}{{0.20}}$ $\frac{{0.36}}{{0.14}}$ $\frac{{0.39}}{{0.12}}$ $\frac{{0.22}}{{0.14}}$ $\frac{{0.86}}{{0.70}}$
Орь $\frac{{0.35}}{{0.26}}$ $\frac{{0.24}}{{0.20}}$ $\frac{{0.17}}{{0.12}}$ $\frac{{0.15}}{{0.14}}$ $\frac{{0.22}}{{0.09}}$ $\frac{{0.10}}{{0.09}}$ $\frac{{0.21}}{{0.10}}$ $\frac{{0.37}}{{0.16}}$ $\frac{{0.17}}{{0.08}}$ $\frac{{0.85}}{{0.42}}$
Салмыш $\frac{{1.05}}{{0.49}}$ $\frac{{0.92}}{{0.66}}$ $\frac{{1.24}}{{0.60}}$ $\frac{{0.52}}{{0.61}}$ $\frac{{0.61}}{{0.76}}$ $\frac{{1.06}}{{0.62}}$ $\frac{{0.95}}{{0.70}}$ $\frac{{0.77}}{{0.52}}$ $\frac{{1.12}}{{0.65}}$ $\frac{{1.49}}{{1.47}}$
Зилаир $\frac{{0.46}}{{0.31}}$ $\frac{{0.30}}{{0.30}}$ $\frac{{0.26}}{{0.23}}$ $\frac{{0.30}}{{0.32}}$ $\frac{{0.29}}{{0.50}}$ $\frac{{0.28}}{{0.35}}$ $\frac{{0.31}}{{0.18}}$ $\frac{{0.38}}{{0.22}}$ $\frac{{0.38}}{{0.28}}$ $\frac{{0.44}}{{0.19}}$

По данным табл. 2, максимальное сокращение изменчивости минимального стока маловодных фаз (в первую очередь зимней межени) характерно для рр. Илек и Орь, водосборные территории которых охватывают засушливые сухостепные ландшафты Зауралья. Коэффициенты вариации минимальных расходов рр. Урал и Сакмара за рассматриваемый период не претерпели значительных изменений за исключением последней декады марта.

На основе выявленных тенденций изменения минимального стока можно утверждать о закономерном сокращении экстремальности маловодного периода. В то же время степень истощения речного стока в бассейне р. Урал по-прежнему крайне вариабельна и в отдельные годы довольно значительна, что подтверждают результаты оценки параметров истощения стока (табл. 3).

Таблица 3.

Параметры истощения зимнего стока в бассейне р. Урал

Река Период Продолжительность, сут Амплитуда, м3 Интенсивность истощения, м3/с/сут
Урал 1950–1977 51 22.2 0.85
1978–2008 31 20.4 1.02
1950–2017 41 21.5 0.95
Сакмара 1950–1977 76 46.7 0.84
1978–2008 67 53.0 1.38
1950–2017 68 46.0 1.04
Илек 1951–1977 105 4.8 0.04
1978–2008 95 6.9 0.08
1950–2017 98 5.8 0.06
Орь 1957–1977 80 0.5 0.007
1978–2008 66 0.2 0.004
1957–2017 70 0.3 0.005
Салмыш 1960–1977 82 2.4 0.03
1978–2008 64 2.9 0.05
1960–2017 68 2.5 0.04
Зилаир 1950–1977 90 1.4 0.015
1978–2008 82 1.9 0.039
1957–2017 84 1.8 0.055

Продолжительность истощения зимнего стока (период между датами максимального и минимального расхода воды) сократилась, что согласуется с установленным раннее смещением дат начала наступления 30-суточных минимумов стока. Обращает внимание увеличение интенсивности истощения зимнего стока (кроме р. Орь), что связано с увеличением амплитуды колебаний расходов воды в условиях сокращения продолжительности истощения. Исходя из того, что амплитуда колебаний расходов холодного сезона определяется изменчивостью их максимальных значений, фиксируемых в начале сезона (Комлев, 2006), можно сделать вывод об увеличении суточных расходов в первой−второй декадах ноября.

Для многих рек бассейна р. Урал маловодная фаза сопровождается прекращением поверхностного стока. В целом, нулевой сток рек имеет повсеместное распространение на малых и средних реках ЕТР и Северного Казахстана в летне-осеннюю и зимнюю межень (Киреева, Фролова, 2010). В пределах бассейна р. Урал периодическое и эпизодическое прекращение стока установлено для 32 рек с площадью водосборов от 60 до 37300 км2 (Гидрологический ежегодник, 1950–1982; Государственный …, 1983–2018). Из рек с периодическим отсутствием стока наибольшими площадями водосборов отличаются расположенные в южной и юго-восточной частях бассейна р. Урал (бассейны рр. Илек, Орь, Большой Кумак и др.).

Установлено, что продолжительность периода нулевого стока малых рек в зимний сезон повсеместно увеличивается; данные по четырем наиболее характерным рекам с продолжительным и относительно непрерывным рядом наблюдений приведены ниже (табл. 4). Максимальное увеличение продолжительности суток с промерзанием стока (>30 сут) отмечается в верховьях бассейна р. Урал (р. Урляда) и в среднем течении (р. Черная) – более 14 сут. Кроме увеличения продолжительности периода прекращения стока выявлено календарное смещение сроков промерзания русла с первой декады января на первую декаду декабря.

Таблица 4.  

Характеристика параметров нулевого стока в зимний период в бассейне р. Урал

Река, пост,
период наблюдений
Водосборная площадь,
км2
Среднее число суток с нулевым стоком Дата начала Дата окончания
до 1977 г. после 1978 г. до 1977 г. после 1978 г. до 1977 г. после 1978 г.
Урляда (Новоахуново),
1949–2008
281 79 115 2.01 8.12 21.03 2.04
Чeрная (Красный Холм),
1948–2014
988 80 99 8.01 12.12 31.03 20.03
Чертанка (Жeлтое),
1949–2008
66 103 114 4.12 9.12 24.03 3.04
Кугутык (Домбаровский),
1941–2008
798 102 110 19.12 10.12 29.03 31.03

Таким образом, на фоне общего роста значений минимального стока крупных и средних рек, на малых реках наблюдается обратная динамика – увеличение продолжительности нулевого стока. Такое несоответствие может быть обусловлено различными факторами, связанными с особенностями формирования стока малых рек в зимний период. Несоответствие в динамике минимального стока крупных рек и бессточных периодов малых рек отмечается и в бассейне р. Дон (Киреева, Фролова, 2010).

В целом, полученные результаты подтверждают пространственную согласованность многолетних изменений минимального стока в исследуемом бассейне. Выявленные изменения статистически значимы – в первую очередь установлена тесная внутригодовая связь между минимальным стоком маловодных сезонов и средних значений 30-суточных минимумов за соответствующие периоды. Наиболее высокими значениями коэффициенты корреляции этих рядов данных отличаются рр. Илек – 0.88 и 0.88 (VI–X и XI–III соответственно), Салмыш – 0.85 и 0.84, Зилаир – 0.79 и 0.73. В связи с частым прекращением стока в зимний период для р. Орь коэффициенты корреляции достигают лишь 0.54 и 0.62. Менее тесная связь между данными значениями установлена для рек, формирование стока которых происходит в пределах обширных и неоднородных (площадь бассейна, густота речной сети, ландшафтная структура и др.) водосборных территорий. Так, для р. Урал коэффициенты корреляции составляют 0.51 и 0.70 (VI–X и XI–III), а для горно-лесостепной р. Сакмары еще меньше – 0.36 и 0.33.

Расчет нормированных значений стока за 30-суточный минимальный период зимней межени позволил оценить степень общности рядов многолетних данных. Парные корреляции данных нормированных значений доказывают наличие достаточно тесной взаимосвязи между стоком маловодных периодов крупных рек (Урал и Сакмара, 0.64) и рек с лесостепными условиями стокоформирования (Сакмара, Салмыш и Зилаир, в диапазоне 0.60–0.75). Многолетняя динамика объемов минимального стока имеет сложный и неоднозначный характер и в большей степени зависит от смены долговременных фаз водности, чем от направленности макрорегиональных процессов формирования стока. В то же время несомненным остается факт климатически обусловленного роста годовой доли зимнего стока.

При этом нельзя отрицать, что выявленные тенденции в изменении параметров минимального стока для ряда рек являются также следствием различных видов антропогенного воздействия на условия стока и стокоформирования. Наиболее важные антропогенные трансформации происходили во второй половине 1950-х годов. В 1957 г. начинается заполнение Ириклинского вдхр., 1954–1965 гг. – период массового освоения целинных земель, в этот же период активно развиваются крупные водоемкие промышленные центры и городские агломерации, начинают формироваться системы лиманного орошения.

Оценка вклада антропогенного фактора в многолетние изменения минимального стока проведена по двум главным рекам исследуемого бассейна – рр. Урал и Сакмара, параметры стока которых, несмотря на различия в условиях стокоформирования, достаточно близки. Так, значения коэффициентов корреляции и линейной детерминации за условно-естественный период (1927–1956), имеющий статистически значимую продолжительность, составляет 0.93 и 0.87 (годовой сток), 0.95 и 0.90 (июнь–октябрь), 0.88 и 0.78 (ноябрь–март) соответственно.

Построенные графики восстановленного стока по рассматриваемым периодам свидетельствуют о том, что режим эксплуатации Ириклинского вдхр. вносит значительный вклад в трансформацию внутригодового стока, усиливая климатически-обусловленные изменения. По полученным данным, после образования водохранилища в период зимней межени отмечается рост значений стока на 35–40%, при том что в летне-осенний период сток не претерпевает существенных изменений. Несмотря на то, что используемый метод, по данным (Родионов, 1977), имеет определенные недостатки при расчете параметров восстановленного стока для среднего и нижнего течения р. Урал, сам факт увеличения зимнего стока в результате эксплуатации водохранилища является неоспоримым. Это доказывает и произведенный расчет долей годового стока за 1928–2018 гг.: именно в 1957 г. отмечается значительный рост доли зимнего стока, увеличивающийся с 8.0 (1928–1957) до 21.6% (1958–2018).

Остальные водотоки не имеют столь продолжительного ряда наблюдений и существенно отличаются по параметрам однородности стока, несмотря на определенную схожесть в зонально-географических и климатических условиях формирования стока. Вместе с тем, анализ многолетней динамики меженного стока рp. Орь, Илек и Салмыш доказывает правильность выбора двух сравниваемых временных периодов (1950–1977 и 1978–2008 гг.) и их репрезентативность. Именно периоды 1977–1981 и 2002–2009 гг. стали переломными для минимального стока этих рек. Для рр. Салмыш и Илек период 1978–2008 гг. (в среднем, с разбросом в 1–3 года) являлся многоводным, а для р. Орь – маловодным.

ВЫВОДЫ

Полученные результаты подтверждают значительные изменения внутригодового распределения стока рек бассейна р. Урал, обусловленные макрорегиональными трансформациями климата. Наиболее устойчивыми из рассматриваемых рек по параметрам меженного стока являются рр. Зилаир и Сакмара, дренирующиe южноуральские лесостепные низкогорья. Для р. Урал ниже створа Ириклинского вдхр. эти изменения усиливаются особенностями режима эксплуатации водохранилища.

Выявленные тенденции в трансформации внутригодовых значений речного стока, хотя и объективно присутствуют, но при этом не являются однонаправленными (линейными) и однородными. В связи с этим возможность использования методов статистического анализа для подтверждения наблюдаемых тенденций ограничена. Заметим, что трансформация объемов и долей меженного стока, смещение дат наступления сезонных минимумов за рассматриваемый период происходят на фоне синхронных изменений водности отдельных групп лет (фаз).

С учетом выявленной тенденции увеличения минимального стока (прежде всего зимнего сезона) необходимо отметить закономерные изменения параметров стока маловодных периодов, в частности – рост значений абсолютных минимумов и смещение сроков их наступления, сокращение изменчивости суточных расходов маловодных периодов и др. В то же время для отдельных рек (рр. Орь, Зилаир) характерно отсутствие отчетливой тенденции роста значений минимального стока, а для малых рек – увеличение продолжительности периода нулевого стока.

Современные изменения внутригодового распределения речного стока обусловливают определенное выравнивание гидрографа годового стока. Полученные результаты свидетельствуют об изменениях основных характеристик водного режима рек казахстанского типа – сокращение доли весеннего половодья и увеличение доли меженных периодов.

Динамику величин минимального стока и, в первую очередь, лимитирующего периода, необходимо принять во внимание при расчете предельных объемов использования водных ресурсов, что особенно важно для отраслей с безвозвратным изъятием речного стока. Отметим, что исследования трансформаций параметров минимального стока актуальны с позиции трансграничного положения бассейна р. Урал и должны учитываться при разработке долгосрочных программ межгосударственного взаимодействия в сфере комплексного использования водных ресурсов.

Список литературы

  1. Болгов М.В., Коробкина Е.А., Трубецкова М.Д., Филимонова М.К., Филиппова И.А. Современные изменения минимального стока на реках бассейна р. Волга // Метеорология и гидрология. 2014. № 3. С. 75–85.

  2. Васильев Д.Ю., Водопьянов В.В., Закирзянов Ш.И., Кенжебаева А.Ж., Семенов В.А., Сивохип Ж.Т. Корреляционные связи многолетних колебаний месячного и годового стока в бассейне реки Урал // Изв. РАН. Сер. геогр. 2020. № 3. С. 414–426.

  3. Владимиров А.М. Сток в маловодный период года. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 295 с.

  4. Георгиади А.Г., Коронкевич Н.И., Кашутина Е.А., Барабанова Е.А. Природно-климатические и антропогенные изменения стока Волги и Дона // Фундаментальная и прикладная климатология. 2016. № 2. С. 55–78.

  5. Гидрологический ежегодник. Л.: Гидрометиздат, 1950–1982. Т. 4. Вып. 8–9.

  6. Государственный водный кадастр. Ежегодные данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. Приволжское УГМС, 1983–2018. Т. 1. Вып. 24. Бассейны Волги (среднее и нижнее течение) и Урала.

  7. Джамалов Р.Г., Фролова Н.Л., Телегина Е.А. Изменение зимнего стока рек Европейской части России // Водные ресурсы. 2015. Т. 42. № 6. С. 581–588.

  8. Джамалов Р.Г., Сафронова Т.И., Телегина Е.А. Внутригодовое распределение стока рек с оценкой роли зимней межени // Водные ресурсы. 2017. Т. 44. № 6. С. 603–611.

  9. Дмитриева В.А., Нефедова Е.Г. Гидрологическая реакция на меняющиеся климатические условия и антропогенную деятельность в бассейне Верхнего Дона // Вопросы географии. 2018. Сб. 145: Гидрологические изменения. С. 285–297.

  10. Закономерности гидрологических процессов / под ред. Н.И. Алексеевского. М.: ГЕОС, 2012. 736 с.

  11. Киреева М.Б., Фролова Н.Л. Бессточные периоды на реках бассейна Дона // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2010. № 4. С. 47–54.

  12. Комлев А.М. Закономерности формирования и методы расчета речного стока. Пермь: Изд-во Перм. ун-та, 2002. 163 с.

  13. Комлев А.М. Исследования речного стока. Избр. труды. Пермь: Изд-во Перм. ун-та, 2006. 308 с.

  14. Магрицкий Д.В., Евстигнеев В.М., Юмина Н.М., Торопов П.А., Кенжебаева А.Ж., Ермакова Г.С. Изменения стока в бассейне р. Урал // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5: География. 2018. № 1. С. 90–101.

  15. Родионов В.З. Влияние хозяйственной деятельности на сток р. Урал // Тр. Гос. гидролог. ин-та. 1977. Вып. 239. С. 109–122.

  16. Сивохип Ж.Т., Павлейчик В.М., Чибилев А.А., Падалко Ю.А. Современные изменения водного режима рек бассейна р. Урал // Вопросы географии. 2018. Сб. 145: Гидрологические изменения. С. 298–313.

  17. Свод правил по проектированию и строительству СП 33–101–2003. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. М.: Госстрой России, 2004. 74 с.

  18. Фролова Н.Л., Нестеренко Д.П., Шенберг Н.В. Внутригодовое распределение стока рек России // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5: География. 2010. № 6. С. 8–16.

  19. Sivokhip Zh.T., Pavleichik V.M., Chibilev A.A., Padalko Yu.A. Problems of dependable water use in the transboundary Ural River basin // Wat. Res. 2017. V. 44. № 4. Iss. 4. P. 673–684.

Дополнительные материалы отсутствуют.