Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Структура современных изменений стока рек юга Восточной Сибири

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Структура современных изменений стока рек юга Восточной Сибири"

21 дп? г.:з

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГЕОГРАФИИ

УДК 556.16 На правах рукописи

сишокович

Валерий Николаевич

СТРУКТУРА СОВРЕМЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ СТОКА РЕК ЮГА ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ

Специальность 11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Иркутск - 1998

Работа выполнена в Лимнологическом институте СО РАН

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор С.П.Никитин, кандидат географических наук, доцент А.Н.Шевнин

Ведущая организация: Иркутский государственный университет

Защита состоится 12 мая 1998 г. в 10 часов на заседании специализированного совета Д 002.60.02 при Институте географии СО РАН, по адресу: 664033, Иркутск, ул.Улан-Баторская, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Автореферат разослан "_" апреля 1998 г.

Ученый секретарь

специализированного совета, к.г.н. а

Ю.В.Рыжов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Рациональное использование природных ресурсов любой территории невозможно без глубокого изучения ее водных ресурсов, важнейшей характеристикой которых является речной сток. Временная структура многолетней изменчивости стока служит основой выбора режима эксплуатации гидротехнических сооружений и проектирования различных водохозяйственных мероприятий. Острота этих проблем для такого сложного и недостаточно изученного региона, как юг Восточной Сибири определяет актуальность темы диссертации. Основной целью реферируемой работы является оценка временной структуры современных (периода массовых гидрометрических наблюдений, начало которого на исследуемой территории относится к 1920-1930 гг.) изменений стока рек и определяющих их факторов. Достижение поставленной цели связано с решением следующих задач:

- исследовать проявление продолжительных (более 5 лет) внут-ривековых колебаний годовых и сезонных величин речного стока и его основных климатических факторов формирования;

- проанализировать короткопериодные колебания исследуемых гидрометеоэлементов через характеристики чередования (группирования) их выборочных значений;

- оценить обусловленность колебаний стока изменениями климатических факторов и основных видов хозяйственной деятельности.

Предмет защипы составляют:

1. Локализованные наборы выявленных внутривековых циклов и вероятностные характеристики группирования повышенных и пониженных значений стока рек, атмосферных осадков и температуры воздуха. Различия временной структуры элементов для их годовых и сезонных величин.

2. Особенности климатической обусловленности закономерных колебаний стока рек юга Восточной Сибири, сформированные различиями природных условий речных водосборов. Практическая значимость выявленных закономерностей для раскрытия природа колебаний водности, их моделирования и прогнозирования, более эффективных при использовании сезонных величин элементов.

3. Оценки антропогенных изменений стока, проявляющихся во внутригодовом перераспределении водности рек и тенденции ее постепенного снижения в районах с интенсивной хозяйственной деятельностью, выражение степени произошедших нарушений водного режима некоторых объектов через реконструкцию его бытовых характеристик.

Исследуемая территория охватывает в основном юг Восточной Сибири. Для характеристики фона исследуемых закономерностей используются сведения о гидрометеорологических элементах сопредельных территорий - предгорной части Алтая, Средней Сибири, Забайкалья и Северо-Востока России.

Исходные данные. Материалами для исследования послужили наблюдения за стоком рек (94 створа), атмосферными осадками и температурой воздуха (29 пунктов) территориальных управлений Роском-гидромета за имеющиеся периоды наблюдений, а также сведения о повторяемости форм циркуляции Вангенгейма-Гирса и Дзердзеевского, водном режиме Ангарских водохранилищ и оз.Байкал, учетные данные по хозяйственному использованию вод.

Научная новизна. Для большей части юга Восточной Сибири и некоторых смежных районов оценены закономерности изменений речного стока, а также температуры воздуха и атмосферных осадков не только по годовым, но и сезонным величинам. Обновлены и расширены вероятностные характеристики чередования выборочных значений стока, на основе которых показаны возможности вероятностно-стохастического прогнозирования водности рек с годовой заблаговремен-ностью. Получены количественные оценки изменений стока под воздействием основных факторов хозяйственной деятельности, определены оптимальные интервалы представления гидрометеорологических данных (год, сезоны), показаны преимущества и недостатки отдельных внутрирядных параметров, на примере оз.Байкал реализована схема приведения к естественным условиям нарушенного регулированием режима расходов и уровней, позволяющая оценивать степень произошедших нарушений.

Практическая ценность работы определяется возможностями использования полученных результатов для диагностики, моделирования и прогнозирования многолетних колебаний стока и других гидро-метеоэлементов. В условиях разнообразия природных условий и недостаточной гидрометеорологической освещенности Сибири любые дополнительные сведения, повышающие надежность расчетных параметров исследуемых показателей и способствующие даже приближенной оценке их будущих изменений, оказываются полезными при проектировании и эксплуатации объединенных энергосистем, водоснабжении, транспортных перевозках, мелиоративных работах и др.

Отдельные разделы диссертации вошли в заключительные отчеты

- з -

Лимнологического института СО РАН по плану НИР АН, программе "Сибирь" и заданиям ГКНТ СССР: "Водные ресурсы и водный баланс бассейна р.Ангары", "Разработка прогноза комплексного изменения водных, минеральных и биологических ресурсов оз.Байкал на период до 2000 г. с учетом антропогенного фактора", "Водные ресурсы бассейна оз.Байкал и водохранилищ Ангаро-Енисейского региона" и др. Отдельные результаты работы включены в атлас "Байкал" (1993).

Апробация рабош. Основные положения и результаты диссертации докладывались на 12 региональных, 7 всесоюзных и 5 международных конференциях и совещаниях, изложены в 29 публикациях.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем работы 163 е., в том числе 24 таблицы и 17 рисунков. Список литературы содержит 159 наименований.

Автор с благодарностью и уважением отмечает помощь своего учителя, д.г.н. А.Н.Афанасьева, в определении направления исследований, постановке задачи и выборе методов ее решения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В первой главе кратко освещены проблемы и современное состояние исследований многолетних колебаний элементов гидрометеорологического режима. В изменениях водности рек, уровней озер и других явлений многочисленными исследованиями не выявлено строгой периодичности, но отмечается последовательная смена групп лет с повышенными или пониженными значениями признака. Используемые методы вскрытия внутрирядных закономерностей не являются универсальными. Наряду с традиционными автокорреляционным и спектральным анализами, которые использованы и автором, для характеристики наиболее распространенных короткопериодных колебаний все шире используются параметры внутрирядного группирования элементов - показатели серийности и переходные вероятности (Андреянов и др., 1965; Гриневич и др., 1972; Раткович, 1972, 1976, 1993; Природа ..., 1976; Бабкин, 1977; Румянцев, Бовыкин, 1985; Пространственно-временные..., 1988; Дружинин и др., 1991).

Для этого в диссертации значения выборок представляются двумя или тремя классами (градациями) по величине их обеспеченности (р). При разделении независимых совокупностей на два класса отно-

сительно медианы (р=0,5) средняя длина всех групп или серий п0=2 года, а их общее число Ьп=0,5И, где N - число лет в выборке. Для трех градаций (р=0,25 и р=0,75) у первого и третьего классов По=1,33 года, а число всех серий Ьп=0,63М.

Опыт исследований многолетних изменений гидрометеорологических характеристик - речного стока, атмосферных осадков и температуры воздуха (Кузин, 1970; Дроздов, Григорьева, 1971; и др.) показывает преимущества использования сезонных величин. Исходя из этого, автором были сформированы ряды годовых и сезонных (теплый период - с апреля по октябрь, холодный - с ноября по март) величин исследуемых элементов.

Во второй главе рассматриваются закономерности изменений речного стока. В многолетней динамике водности рек заметно согласованное в пределах ограниченных территорий наступление периодов повышенной и пониженной водности. Наиболее глубокие маловодья и многоводья прослеживаются на более значительных площадях. Многолетние изменения водности холодных сезонов обычно отстают от годового стока на один-два года. Наиболее четко указанный сдвиг, связанный, очевидно, с регулирующим влиянием бассейнов, прослеживается в периоды повышенного стока. Связь стока теплых сезонов и годовой водности приближается к функциональной для рек, у которых вклад стока теплого времени в годовой составляет 80-90%.

Оценка пространственной согласованности колебаний годового и сезонного стока, выполненная по их пространственно-корреляционным функциям (ПКФ), позволила оценить масштабы районов согласованных колебаний стока. Значение ПКФ годового стока, составляющее 0,6, ограничивается "радиусом корреляции" 400-700 км. Широкий диапазон коэффициентов корреляции стока для равноудаленных бассейнов свидетельствует не только о контрасте природных условий, но и широтных различиях в расположении центров водосборов (Калинин, 1968; Лобанов, 1995). Нулевые значения ПКФ приходятся на расстояние 1,3 тыс.км. ПКФ стока теплых сезонов практически совпадает с таковой для календарных лет, а максимальное значение ПКФ стока холодных сезонов составляет только 0,62.

В соответствии с заданными значениями ПКФ (0,6 для годового стока и 0,5 для холодных сезонов) и с учетом уже существующих схем районирования выделено пять (для холодных сезонов четыре) районов соответственных колебаний годового стока (рис.1). Распо-

ложение их границ увязывается с описанным К.П.Воскресенским (1972) распределением выпадения осадков атлантического и тихоокеанского происхождения. В каждом из районов проявляются близкие по продолжительности циклы стока, среди которых преобладают (вероятность их неслучайного появления не меньше 90%) 10-15-летние составляющие, отражающие осредненную внутривековую изменчивость речного стока за расчетные периоды.

Рис.1. Районы синхронных колебаний годового стока и распространение внутривековых циклов. 1 - номера районов, 2 - границы районов, 3 - продолжительность циклов в годах (знаменатель - для холодных сезонов).

Основные особенности чередования выборочных значений стока, первоначально рассмотренные на примере 56 рек Ангарского бассейна для варианта с двумя классами, выявляют различия в характере распределения серий повышенной и пониженной водности в зависимости от крупности рек и продолжительности наблюдений. Средняя и максимальная длительности серий различной водности связаны как с коэффициентом корреляции стока смежных лет (Раткович, 1972, 1976; Крицкий, Менкель, 1981; Пространственно-временные..., 1988; и

др.), так и с некоторыми другими внутрирядными параметрами и характеризуются следующими коэффициентами корреляции (г):

средняя максимальная

Это свидетельствует о достаточно высокой информативности (репрезентативности) показателей серийности и важности их учета при оценке многолетних колебаний водности рек.

Еще большая дифференциация в зависимости от крупности рек отличает вычисленные переходные вероятности стока (табл.1): для реки Ангары характерна сильная тенденция к сохранению однозначных по водности фаз, при низкой вероятности их смены на противоположные. Значительно слабее подобные закономерности проявляются для средних рек (Г от 7000 км2), а для малых рек вероятность смены классов стока уже выше вероятности их сохранения. Вероятности сохранения классов, как и переходов вида 1-»3 и 3-1 для стока Ангары и небольших рек с 952-ной доверительной вероятностью не характерны для независимых выборок. Анализ связи вероятностей смены (сохранения) классов с другими внутрирядными параметрами показывает, что достаточно различать две ситуации: со сменой и без смены классов. Повторяемость второй ситуации во многом адекватна показателям серийности (коэффициенты корреляции со средней и максимальной длительностями серий 0,79 и 0,85).

Распределение серий стока по остальным створам исследуемой территории от независимых выборок отличается низкой повторяемостью однолетних серий и более частой - длительных. Так, для годового стока теоретическое число однолетних серий составляет 453, а фактическое - лишь 354. В реализациях годового стока, не превышающих 85 лет, отмечены 12-летние серии, тогда как для образования подобной группировки в совокупности случайных (независимых) событий потребовался бы ряд из 230 членов. По критерию числа серий (Хальд, 1956; Брукс, Карузерс, 1963; Айвазян, 1968; Рождественский, Чеботарев, 1974; Пространственно-временные ..., 1988), тем не менее, из всех рядов в разряд неслучайных с 95%-ной доверительной вероятностью попадает 16 выборок (из 107), из них 7 по годовому стоку.

первый коэффициент автокорреляции №0 второй коэффициент автокорреляции (/?г) продолжительность наблюдений (Ы) площадь бассейна (Г)

0,77 0,52 0,25 0,48

0,69 0,68 0,52 0,50

Таблица 1

Переходные вероятности годового стока рек Ангарского бассейна (числитель) и их ошибки (знаменатель)

Порядок смены классов Вариант с двумя классами Вариант с тремя классами

малые реки средние реки река Ангара малые реки средние реки река Ангара

1-1 0,765* 0,545 0,423* 0,532* 0,259 0,162*

0,043 0,033 0,024 0,073 0,043 0,026

1-2 0,235* 0,455 0,577* 0,426 0,547 0,486

0,043 0,033 0,024 0,072 0,049 0,035

1-3 0,042* 0,029 0,194 0,039 0,352* 0,034

2-1 0,268* 0,463 0,587* 0,216 0,250 0,283

0,044 0,033 0,024 0,041 0,029 0,022

2-2 0,732* 0,537 0,413* 0,608* 0,495 0,491

0,044 0,033 0,024 0,048 0,033 0,026

2-3 0,176* 0,038 0,255 0,029 0,266 0,022

3-1 0,040* 0,028 0,286 0,038 0,223 0,029

3-2 0,420 0,070 0,507 0,047 0,625* 0,033

3-3 0,540* 0,070 0,287 0,043 0,152* 0,025

* - с вероятностью 95% отличаются от теоретических

Таким образом, закономерности чередования маловодных и многоводных лет достаточно полно отражаются показателями серийности и переходными вероятностями и четко прослеживаются для отдельных групп рек, но слабо выражены для всей совокупности данных (или

осредненных показателей группирования). При этом параметры серийности могут оцениваться без учета знака серий, а переходные вероятности по повторяемости одной из ситуаций - со сменой или без смены классов.

В третей главе исследованы закономерности колебаний обусловливающих сток факторов - атмосферных осадков и температуры воздуха.

Анализ многолетней динамики годовых и сезонных температур воздуха выявляет как более высокую пространственную согласованность наступления периодов тепла и холода, так и преобладающее влияние термических условий холодных сезонов на формирование годовой температуры, особенно в периоды потепления. Очевидно, это следствие большей амплитуды колебаний температуры холодных сезонов: если ее среднеквадратические отклонения изменяются от 1,6 до 2,5°С, то в теплые сезоны от 0,5 до 1,1°С. Изменчивость годовых величин занимает промежуточное положение - 0,6-1,3°С, при этом их связь с сезонными приблизительно одинакова (г=0,50-0,60), в то время как последние между собой практически не связаны: в среднем г=0,05.

Связь температур воздуха по мере удаления пунктов наблюдений затухает значительно слабее. ПКФ температур холодных сезонов имеет только положительные значения, причем на расстоянии до 1000 км не ниже 0,60. Нулевые значения функции приходятся на удаление около 3800 км.

На ПКФ годовой температуры все коэффициенты корреляции до 1000 км остаются больше 0,50, а их нулевые значения приходятся в среднем на расстояние 2900-3000 км. ПКФ температуры теплых сезонов убывает интенсивнее - нулевая область функции, в среднем соответствует расстоянию 2400-2500 км.

В результате, вся территория юга Восточной Сибири может быть отнесена к одному району соответственных колебаний температуры, в котором проявляются 14 и 19-20-летние циклы (температуры годовые и холодных сезонов) и более продолжительные составляющие - от 21 до 27 лет (теплых сезонов).

Особенности внутрирядного чередования температур различаются для годовых и сезонных значений, но мало изменяются по территории. Повторяемость однолетних серий в холодные сезоны, например, несколько выше теоретической (0,28. вместо 0,25), а в теплые нам-

ного ниже (0,20). При этом в холодные сезоны число однолеток с пониженными температурами больше, чем с повышенными, а в теплые сезоны, наоборот, значительно меньше (192 против 231). Не совпадает для этих сезонов и распределение более длительных серий, а характеристики распределения годовых температур также занимают промежуточное положение между сезонными. Указанные особенности чередования сохраняются и в варианте с тремя классами.

Изолированность лет с низкими значениями температур в холодные сезоны и тенденция к группированию повышенных температур в теплые сезоны еще четче проявляются при анализе их переходных вероятностей: смена классов вида 3-+3 в холодные сезоны происходит с вероятностью 0,196, а в теплые - 0,370.

В динамике выпадения атмосферных осадков также выделяются периоды повышенных и пониженных значений, однако пространственная согласованность времени их наступления очень невысока, даже в пределах водосборов небольших рек. Это наглядно выражается характером ПКФ осадков теплых сезонов (исходя из соображений о внутри-годовом распределении осадков и качестве данных ПКФ годовых сумм и осадков холодных сезонов не рассматриваются), на которой основное поле точек пересекает линию нулевых коэффициентов на расстоянии около 1000 км. С увеличением расстояния расширяются и пределы варьирования коэффициентов корреляции, максимальные значения которых лишь в нескольких случаях превышают 0,70. Эти обстоятельства определяют приближенность двух выделенных зон согласованных колебаний осадков и несовпадение их циклических составляющих, представленных широким спектром частот, что отмечено и другими авторами (Дроздов, Григорьева, 1971; Дроздов, 1975; Природа..., 1976), с некоторым преобладанием 10-15-летних циклов.

По признаку группирования в однозначные серии ряды осадков еще больше схожи с независимыми выборками. В варианте с тремя классами заметны лишь небольшие различия в повторяемости переходов со сменой и без смены классов, отмечается более частая смена среднеувлажненных лет влажными (0,27), чем засушливыми (0,23). Важно отметить, что оценочные параметры чередования сумм осадков не отличаются для положительных и отрицательных аномалий.

Совпадения и различия тех или иных показателей изменчивости годовых и сезонных величин рассмотренных элементов, а также соображения об однородности исходных данных, позволяют считать целе-

сообразным изучение временной структуры стока по годовым значениям, осадков - по суммам за теплые сезоны, температуры воздуха -по данным за теплые и холодные сезоны.

Сравнение рассмотренных закономерностей многолетней изменчивости трех основных элементов гидрометеорологического режима выявляет лишь приближенное соответствие структуры колебаний стока и изменчивости выпадения осадков, при еще меньшем сходстве с характером изменений температурных условий. Это отражает сложность природы закономерных изменений речного стока, сформированной не только климатическими изменениями и переходящими из года в год бассейновыми запасами влаги, но и влиянием внешних (неземных) факторов. В то же время, воздействие последних на состояние элементов климата и водного режима должно быть опосредовано через атмосферную циркуляцию.

Выполненное автором сопоставление отдельных циркуляционных индексов атмосферы с ходом исследуемых процессов показывает, что западная форма циркуляции Вангенгейма сопровождается уменьшением увлажненности на большей части территории (исключая районы Западной Сибири). В эпохи преобладания восточной формы увлажненность повышается, а температура воздуха понижается, причем более всего в теплые сезоны. Зональной группе циркуляции Дзердзеевского соответствует уменьшение осадков в холодные сезоны. В сибирском секторе ход температуры и осадков в общих чертах следует изменениям повторяемости широтной западной циркуляции. Но наряду с такими масштабными проявлениями согласованности изменений гидрометеозле-ментов и циркуляции атмосферы, отмечаемой многими авторами (Ков-зель, 1960; Шкляев, 1967; Воробьева, 1967; Анискина, 1970; Кононова, 1974; Рубинштейн, Григорьева, 1975; Природа ..., 1976; Бай-дал, Ханжина, 1986; и мн.др.), для большинства анализируемых выборок автору удалось подобрать "индивидуальные" наборы циркуляционных индексов (повторяемость тех или иных типов в отдельные месяцы, типов со схожей синоптической обстановкой в заданных районах и др.), достаточно удовлетворительно описывающие изменения стока, осадков, или температуры воздуха.

В свою очередь, анализ обусловленности колебаний стока рек изменениями температуры воздуха и атмосферных осадков, выполненный посредством множественной линейной регрессии, также выявил наличие статистически значимых связей. По годовым расходам воды

множественные коэффициенты корреляции в 72% всех примеров получились больше 0,50, а в 33% - больше 0,60. С использованием скользящего пятилетнего осреднения данных теснота зависимостей увеличилась - в 66% случаях искомые коэффициенты превышали 0,70. Схожие результаты были получены при оценке связи стока холодных сезонов с климатическими факторами и водностью рек теплого времени года. В обоих случаях наиболее четкие связи характерны для стока средних и небольших рек, в особенности если возможно определение предикторов как средневзвешенных по бассейну.

Некоторые из охарактеризованных свойств многолетней изменчивости гидрометеозлементов представляют практический интерес при раскрытии причинности их колебаний, моделировании и прогнозировании. В отличие от применяемых для этих целей различных авторегрессионных моделей, в диссертации исследована прогностическая ценность информации о распределении серий и переходных вероятностях. В частном случае задача прогноза сводится к определению вероятности продолжения или непродолжения текущих серий. Расчеты соответствующих вероятностей, выполненные для исследуемых элементов в бассейне р.Ангары показали, что в отдельных случаях их значения существенно отличаются от 50%, достигая 100% (низкие значения вероятностей указывают на то, что более вероятным будет непродолжение соответствующих серий).

Возможность использования для прогноза значений переходных вероятностей гидрометеозлементов вытекает из их сути - они уже являются количественными оценками возможности смены или сохранения того или иного состояния (класса) признака в следующем году. Так, если для небольших рек Ангарского бассейна текущий год был многоводным, то вероятность сохранения многоводья во второй год составляет 0,162 . С вероятностью 0,486 можно ожидать средневод-ного года и с вероятностью 0,352 - маловодного. Для р.Ангары, в аналогичной ситуации, с вероятностью 96% можно утверждать, что следующий год по крайней мере не будет маловодным.

Другая форма прогноза - вероятностно-стохастическое моделирование переходов, описанное в ряде работ В.И.Бабкина с соавторами (1974, 1984). Моделирование переходов из исходного года в следующий по упомянутой схеме осуществляется по эмпирическим значениям вероятностей, последовательно размещенных в интервале от О до 1, и случайных чисел. Точность (оправдываемость) этой модели

определяется как средняя сумма квадратов вероятностей переходов из каждого состояния.

Дополнительные возможности моделирования стока состоят в том, что вероятности его переходов должны быть отражены и в факторах, непосредственно его обусловливающих (Бабкин, 1977). В диссертации такой подход апробирован на примере Иркута и Китоя и показал удовлетворительные результаты.

Для стока холодного времени года отдельных рек получены прогностические зависимости на основе данных о водности теплого сезона, позволяющие предвычислять зимний сток с заблаговремен-ностью до трех месяцев.

В четвертой главе рассматриваются изменения стока под влиянием основных факторов хозяйственной деятельности - гидроэнергетики, водопотребления и др. В пределах исследуемой территории наиболее существенные изменения стока связаны с созданием водохранилищ и касаются прежде всего р.Ангары. Изначально (до создания водохранилищ) сток Ангары был зарегулирован Байкалом - коэффициент естественной зарегулированности притока воды в озеро составлял 0,64, а стока - 0,89. После строительства Иркутской ГЭС искомый коэффициент стока увеличился до 0,97, однако многолетняя регулирующая способность Байкала, по продолжительности достигающая

Таблица 2

Внутрирядные параметры притока в Байкал и стока из озера

Параметры Приток Сток Случайная реализация

Общее число серий 34 27 38-57

Наибольшая серия, лет 10 12 9

Средняя длина серий, лет 2,76 3,56 1,66-2,50

Первый коэффициент

автокорреляции 0,46 0,66 -0,22-0,22

Второй коэффициент

автокорреляции 0,25 0,33 -0,23-0,23

Вероятность смены года:

многоводного многоводным 0,65 0,72 0,43-0,57

многоводного маловодным 0,35 0,28 0,43-0,57

маловодного маловодным 0,64 0,71 0,43-0,57

маловодного многоводным 0,36 0,29 0,43-0,57

двух лет (Синюкович, 1984), подавляется неравномерностью внутри-годового хода притока воды в озеро. Это обстоятельство не согласуется с наблюдаемой высокой инерционностью межгодовых изменений стока из озера, причина которой, как следует из значений некоторых внутрирядных параметров притока (табл.2) и достаточно тесной связи колебаний притока и стока в бытовых условиях (Афанасьев, 1976), уже заложена в особенностях изменений приточности. Влияние собственно регулирующей способности озера (а затем и Иркутского водохранилища), таким образом, сводится к дальнейшему сглаживанию этих колебаний.

Следствием нарушения соотношений между притоком и стоком после строительства Иркутской ГЭС явилось резкое повышение уровня Байкала с 1959 г. (в среднем на 73 см), при сохранении характера его внутригодовых колебаний, "переместившихся" на более высокие отметки (рис.2).

Превышение зарегулированных уровней над естественными характеризует степень нарушенное™ водного режима озера в годы его зарегулирования. Возможность восстановления естественных уровней Байкала вытекает из баланса поступления и расходования воды при изменении уровней от начального (Н0) к некоторому его конечному значению (Нк), например, через месяц:

Як = Но + Ух + X - Уг - 2, (1) где У\ и X - приток в озеро и осадки, Уг и 1 - сток из озера и испарение (месячные значения, выраженные высотой слоя).

Результаты поверочных расчетов уровня для 1956-1958 гг. показали надежность расчетной схемы - средняя ошибка восстановления составила 1,9 см - и позволили последовательными расчетами по выражению (1) восстановить месячные и годовые естественные уровни озера за 1958-1988 гг. (рис.2). Среднее превышение зарегулированных уровней над приведенными за этот период составило 64 см, что является фактическим повышением отметки водного зеркала оз.Байкал и служит показателем глубины искусственной зарегулированное™ водного режима озера. Наиболее значительными нарушения режима были в период 1962-1965 гг. и 1984-1988 гг., а наименьшими - в 1980-1982 гг.

В случае с другими озерами, как например Гусиное (бассейн р.Селенги), следствием искусственного повышения уровня явилось не только нарушение его водного режима озера, но и изменения хими-

Н, СМ в

Месяц

Рис.2. Колебания уровня оз.Байкал в различные периоды.

а - среднегодовые наблюденные уровни (1), приведенные по притоку двух лет (2) и водному балансу (3); б - среднемесячные наблюденные (верхняя кривая) и приведенные (нижняя) в отдельные годы; в - средние зарегулированные (1) и реконструированные (2).

Цифры в кружках - разница между ними.

ческого состава вод озера (Домышева, Синюкович, Ходжер, 1995).

Помимо внутригодового перераспределения стока, водохранилища, даже в зоне достаточного увлажнения, определяют снижение водности зарегулированных рек. Оценка уменьшения годового стока р.Ангары под воздействием водохранилищ, выполненная в диссертации по методике И.А.Шикломанова, Г.И.Веретенниковой (1973, 1977) в расчете на средние климатические условия и заполненность водохранилищ до отметок НПУ, свидетельствует о масштабности этого явления: • общие потери стока по всему каскаду после заполнения Усть-Илимского водохранилища составили 310,3 км3. Основное его снижение обусловлено аккумуляцией воды (временные потери) и приходится на годы начального заполнения водохранилищ. Безвозвратные потери на дополнительное испарение для каскада составляют 1,2 км3/год и наиболее значительны для Братского водохранилища (1,0 км3/год), Согласно реальным ежегодным водным балансам водохранилищ общее уменьшение стока р.Ангары оказалось менее значительным (257,9 км3), но как раз на величину объемов "незаполненности" водохранилищ до НПУ. При этом выделяются периоды наиболее существенного уменьшения стока: в 1962 г., например, в оз.Байкал и Братском водохранилище было аккумулировано 45,4 км3 воды.

Достоверность полученных результатов подтверждается расчетами изменений измеренного стока р.Ангары ниже каскада водохранилищ (суммарное снижение 265 км3), свидетельствуя о пригодности данного метода к сибирским рекам. Однако, подобные масштабы нарушения естественных колебаний стока не всегда контролируются соответствующими статистическими критериями. В частности, критерий Виль-коксона с 95%-ной вероятностью не противоречит гипотезе об однородности средних за периоды естественного и зарегулированного стока р.Ангары ниже г.Братска, различающихся на 11%. Многолетний тренд стока р.Ангары также неустойчив, что отчасти объясняется сравнительно высокой водностью рек бассейнов р.Ангары и оз.Байкал после 1982 г.

Влияние на сток рек хозяйственного водопотребления рассмотрено на примере бассейна оз.Байкал, где исключается влияние водохранилищ и налажен достаточно удовлетворительный учет использования воды. Основываясь на учетных данных компетентных ведомств (бывший Минмелиоводхоз РСФСР, ЦНИИКИВР, региональные бассейновые управления...) была составлена и проанализирована динамика сос-

тавляющих водохозяйственного баланса этой территории после 1965 г. За два десятилетия (1965-1985 гг.) водопотребление в бассейне из поверхностных источников увеличилось с 0,6 до 1,5 км3 воды в год (0,06 км3 на нужды населения; 0,8 км3 - промышленностью; 0,6 км3 - сельским хозяйством).

Общие потери воды в бассейне, обусловленные в основном затратами на орошение, достигли 0,5 км3/год (около 1% стока), осложняя водообеспечение потребителей в условиях крайне неравномерного распределения стока внутри года.

Более поздние данные по использованию вод и достигнутые к концу 1980-х гг. темпы роста водопотребления в отдельных отраслях народного хозяйства региона предполагали увеличение общего потребления воды в бассейне к концу XX века до 5 км3/год, четверть которых - безвозвратные потери. Однако в настоящее время, из-за нестабильности народного хозяйства, они, очевидно, не превышают объемов потерь конца 1980-х гг.

На примере водосбора меньшей площади, бассейна р.Баргузин, с незначительным уровнем промышленного водопотребления, проанализированы изменения стока, связанные с преобразованиями подстилающей поверхности - лесоразработками, распашкой земель, прокладкой дорог и др. На интегральной кривой годовых расходов воды р.Баргузин выделяется переломный период 1948-1950 гг., указывающий на начало проявления антропогенного изменения стока. Средние годовые объемы стока р.Баргузин относительно 1950 г. уменьшились с 4,19 до 3,75 км3 и их разница значительно превышает потери воды на орошение, которые в 1980-е годы составляли 0,05 км3/год, или немногим более 1% годового стока. Следовательно, снижение стока реки может быть вызвано и другими причинами, в том числе и преобразованиями поверхности водосбора (Синюкович, 1991). Это подтверждают и исследования СибНИИГиМ, согласно которым за счет сведения лесов уменьшение стока р.Баргузин может составлять 0,06 км3/год.

За "индустриальный" (после 1950 г.) период произошли внутри-годовые изменения стока р.Баргузин, которые в основном сводятся к существенному снижению водности осенних месяцев - сток воды в сентябре-октябре стал ниже на 24%. Зато он увеличился в мае (со 126 до 144 м3/с), что свидетельствует о более раннем наступлении половодья и осенней межени, в том числе и из-за уменьшения регулирующей способности системы водосбора, обусловленной изменениями

характера подстилающей поверхности. Для годового стока реки выявлен отрицательный многолетний тренд - около 0,01 км3/год.

Таким образом, для бассейна оз.Байкал и, вероятно, всей исследуемой территории, справедливы общие закономерности проявления хозяйственной деятельности в стоке рек (Крестовский, 1986; Шикло-манов, 1989; Водогрецкий, 1990), выражающиеся во внутригодовом перераспределении стока и в виде многолетней тенденции постепенного его снижения.

В заклтевии сформулированы основные результаты работы, которые сводятся к следующему.

1. Выявлены продолжительность циклов и закономерности внут-рирядного чередования годовых и сезонных значений гидрометеорологических элементов исследуемой территории, характеризующие структуру их многолетней изменчивости. Определены районы наибольшей согласованности колебаний элементов и проявления их циклических составляющих.

2. Установлены различия структуры многолетних колебаний речного стока, атмосферных осадков и температуры воздуха для годовых и сезонных показателей. Выделены оптимальные показатели представления данных, обеспечивающие наиболее информативную и достоверную оценку параметров многолетней изменчивости элементов - годовые величины стока рек, сезонные температуры воздуха и суммы атмосферных осадков теплых сезонов.

3. Установлено, что по осредненным показателям внутрирядного чередования ряды рассмотренных гидрометеоэлементов несущественно отличаются от случайных независимых реализаций, но для них характерны отдельные устойчивые особенности, не позволяющие считать их чисто случайными выборками.

4. Показана обусловленность изменений стока соответствующими изменениями климатических факторов при существенном различии временной структуры сопоставляемых элементов, при этом более четкие взаимосвязи между ними проявляются при использовании сезонных значений.

5. Выявлены антропогенные изменения стока рек в районах с интенсивной хозяйственной деятельностью, в частности, обусловленные созданием водохранилищ, водопотреблением и преобразованиями подстилающей поверхности, которые определяют внутригодовое перераспределение водности рек и тенденцию ее незначительного сниже-

ния.

6. Показано, что причины высокой зарегулированности стока р.Ангары состоят не только в регулирующем влиянии оз.Байкал (а позднее и Иркутского водохранилища), но и заложены в неслучайном характере колебаний притока воды в озеро.

7. Оценена практическая значимость параметров многолетней изменчивости стока и определяющих его факторов, в том числе их прогностическая ценность. На примере оз.Байкал реализована схема реконструкции бытовых расходов и уровней, различия которых с их наблюденными значениями служат мерой произошедших нарушений водного режима озера.

Список основных публикаций по теме диссертации

1. Колебания годового стока в связи с условиями атмосферной циркуляции//Изучение природы, хозяйства и населения Сибири. - Иркутск, 1975, с.35-36.

2. Возможность прогноза зимнего стока по водности теплого сезона// Круговорот вещества и энергии в водоемах. Гидрология и климат. - Лиственичное на Байкале, 1977, с.23-26.

3. Некоторые вопросы причинности колебаний речного стока и возможность их практического приложения//Тр.Зап.Сиб.РНИГМИ.-1978.- Вып.37, с.103-110.

4. Сезонные колебания температуры воздуха на территории Юга Сибири// Проблемы прогностических исследований природных явлений. - Новосибирск: Наука. Сиб.отд-ние, 1979, с.30-36.

5. Исследование продолжительности маловодных и многоводных периодов рек Ангарского бассейна//Закономерности и прогнозирование природных явлений. - М.: Наука, 1980, с.220-227.

6. Вероятностная оценка колебаний речного стока//Методические аспекты прогнозирования природных явлений Сибири.- Новосибирск: Наука. Сиб.отд-ние, 1980, с.123-130.

7. Современные и будущие изменения водных ресурсов бассейна оз.Байкал под влиянием хозяйственной деятельности//Изменчивость природных явлений во времени.- Новосибирск: Наука. Сиб.отд-ние.-1982, с.45-49.

8. Водные ресурсы и водный баланс бассейна реки Ангары.- Новосибирск: Наука. Сиб.отд-ние, 1983. 254 с. (соавторы Ю.Г.Степа-

нов, Р.И.Гета, В.И.Беляков, В.Д.Лексакова).

9 . Оценка регулирующей способности оз.Байкал//Гидрология Байкала и других водоемов.- Новосибирск: Наука. Сиб.отд-ние.-1984, с.105-110.

10. Речной сток и его использование//Озера Баргузинской долины.- Новосибирск: Наука. Сиб.отд-ние, 1986, с.21-33. (соавтор В.И.Беляков).

11. Water and mass exchange in the Lake Baikal and storage reservoirs of the Angara cascade// Archiv Hydrobiol.Beih.33.-Stuttgart, November 1989, p.35-40. (соавторы В.И.Верболов, Н.Л.Карпышева).

12. Влияние водохранилищ на сток р.Ангары//Гидрофизика и гидрология водоемов.- Новосибирск: Наука. Сиб.отд-ние, 1991, с.134-141. (соавтор А.А.Якимов).

13. Водные ресурсы бассейна р.Баргузин и их использование //Там же, с.129-134.

14. Оценка стока в оз.Байкал с неизученной части склона Ха-мар-Дабана//Мониторинг и оценка состояния Байкала и Прибайкалья.-Л.: Гидрометеоиздат, 1991, с.194-199. (соавторы В.И.Беляков, Н.Л.Карпышева).

15. Изменение водного режима оз.Байкал после строительства Иркутской ГЭС//География и природ.ресурсы.- 1992.- N 1, с.50-56. (соавторы В.И.Верболов, Н.Л.Карпышева).

16. Реконструкция естественных уровней оз.Байкал в период зарегулированного режима//География и природ.ресурсы.- 1993.- N 4, с.57-61.

17. Водный режим и гидрохимия Гусиного озера в современный период//География и природ.ресурсы.- 1995.- N 2, с.73-79. (соавторы В.М.Домышева и Т.В.Ходжер).

18. Экологические особенности реки Селенги в условиях навод-нения//География и природ.ресурсы.- 1995,- N 4, с.64-71 (соавторы Л.М.Сороковикова, В.В.Дрюккер, Т.Г.Потемкина, О.Г.Нецветаева, В.А.Афанасьев).

19. Качество воды реки Баргузин в современных условиях//Ге-ография и природ, ресурсы.- 1997.- N 4, с.72-78. (соавторы В.В.Дрюккер, Л.М.Сороковикова, Т.Г.Потемкина, И.Г.Никулина, O.A.Моложавая, И.В.Томберг).