Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Водный режим рек бассейна Дона в условиях меняющегося климата

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Водный режим рек бассейна Дона в условиях меняющегося климата"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ

М.В. ЛОМОНОСОВА

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 556.5.01, 556.535, 627.51

КИРЕЕВА Мария Борисовна

ВОДНЫЙ РЕЖИМ РЕК БАССЕЙНА ДОНА В УСЛОВИЯХ МЕНЯЮЩЕГОСЯ КЛИМАТА

25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

1В АПР ¿013

МОСКВА - 2013

005051880

005051880

Работа выполнена на кафедре гидрологии суши географического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель

ФРОЛОВА Наталья Леонидовна

доктор географических наук, доцент кафедры гидрологии суши географического факультета МГУ

Официальные оппоненты

БОЛГОВ Михаил Васильевич

доктор технических наук, зав. лабораторией моделирования поверхностных вод Института водных проблем Российской академии наук

ЛУРЬЕ Петр Михайлович

доктор географических наук, ведущий метеоролог, ФГБУ «Северо-Кавказское управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды», (г. Ростов-на-Дону)

Ведущая организация

Московский государственный университет природообустройства

Защита состоится «25» апреля 2013 г. в 17 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.68 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, главное здание, географический факультет, ауд. 18-01 (тел. +7 495 9391420, факс +7 495 9328836, e-mail: science@geogr.msu.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Научной библиотеки Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова по адресу: Ломоносовский проспект, д.27, А8. Автореферат размещен на сайте Географического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова (http://www.geogr.msu.ru/), а также на официальном сайте ВАК (http://www.vak.ed.gov.ru).

Автореферат разослан « 22 » марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор геолого-минералогических наук, профессор

¿^Cai7- Савенко B.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы обусловлена большой водохозяйственной значимостью Донского бассейна как источника водных ресурсов в масштабе страны. Географическое положение бассейна и благоприятные природные условия привели к бурному развитию различных отраслей хозяйства, большинство из которых испытывало большие потребности в водных ресурсах. Современный водохозяйственный комплекс в бассейне Дона начал складываться с 50-х годов прошлого столетия. Основной задачей было обеспечение питьевого, промышленного, сельскохозяйственного водоснабжения, бесперебойной подачи воды на нужды орошения и водного транспорта во всех частях водосбора. Большое количество водопотребителей с различными, порой противоречивыми требованиями к подаче воды в различные сезоны года определяет зависимость функционирования всего водохозяйственного комплекса не только от величины общих водных ресурсов бассейна, их распределения по территории, но и характеристик водного режима рек бассейна Дона в его различные фазы. Изучение и обобщение данных о водном режиме рек Донского бассейна проводилось в работах М.В. Болгова (Болгов и др., 2005), В.М. Мишона (Мишон, 2000), П.М. Лурье (Лурье, 1999). В работах В.Г.Дубининой, А.Е. Косолапова (Дубинина и др., 2010) рассматриваются различные аспекты водопользования в бассейне, нагрузки на водные ресурсы и ее нормирования. Однако данные наблюдений за последние свидетельствуют о том, что отмечаемые за последние десятилетия климатические изменения существенно меняют картину пространственно-временной изменчивости характеристик стока.

Все это оправдывает интерес к изучению современных изменений водного режима рек Донского бассейна как в связи с его хозяйственным значением, так и со стороны влияния меняющегося климата на характеристики речного стока.

Целью данной работы является изучение современных особенностей пространственно-временной изменчивости характеристик водного режима рек

бассейна Дона в условиях меняющегося климата и антропогенного воздействия.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Сформировать базу гидрометеорологических данных, включающую в себя различные метеорологические показатели, характеристики стока рек за различные фазы водного режима, данные по использованию водных ресурсов.

2. Провести статистическую обработку гидрометеорологических данных и выявить достоверные изменения водного режима в современных климатических условиях, оценить их возможные последствия для водохозяйственного комплекса.

3. Построить комплекс карт характеристик стока и их изменений на основе данных статистического анализа за три периода 1936—2008, 1936—1969, 1970— 2008 гг., выявить пространственно-временные закономерности распределения этих характеристик.

4. Выделить однородные районы по условиям формирования и изменения водного режима на современном этапе.

5. Изучить экстремальные проявления малой водности рек, в том числе явления отсутствия стока, характеристики бессточных периодов.

6. Оценить возможности прогноза и расчета характеристик водного режима в его различные фазы, в том числе для неизученных рек.

Основные защищаемые положения:

1. Комплекс карт расчетных характеристик водного режима рек Донского бассейна, учитывающих современные изменения стока.

2. Методики расчета и прогноза характеристик водного режима, в том числе: среднего годового, среднего меженного, минимального месячного стока, максимальных расходов, слоя стока половодья, дат его начала и окончания, продолжительности половодья, характеристики бессточных периодов.

3. Результаты анализа многолетних колебаний стока за различные фазы водного режима рек Донского бассейна в контексте меняющегося климата и

антропогенного воздействия, необходимые для разработки стратегии развития водохозяйственного комплекса.

Объекты, состав и методика исследований. Объектом изучения являются реки бассейна Дона с различными площадями водосбора. Основное внимание в работе уделено средним рекам с площадями водосбора от 2000 до 20 ООО км2, отражающим зональные условия формирования стока.

Исследование водного режима проводилось на основе данных наблюдений на 55 гидрологических постах и 56 метеостанциях. Данные о стоке за период 1988-2008 гг. были любезно предоставлены ФГБУ «Северо-Кавказское управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды». Метеорологическая информация за весь период наблюдений была предоставлена ФГБУ «ВНИИГМИ — МЦД». Данные о хозяйственной деятельности в бассейне, в том числе Схема комплексного использования и охраны водных объектов бассейна Дона взяты из открытых источников сайта Донского БВУ (http://www.donbvu.ru/ne_4847728).

В состав работы входил сбор и анализ материалов, статистическая обработка рядов наблюдений за различными характеристиками стока, пространственно-временной анализ, в основе которого лежало разделение рядов на два периода - современный (1970-2008 гг.) и ранний (1936— 1969 гг.). Полученные данные позволили построить целый ряд карт расчетных характеристик стока, всесторонне проанализировать изменения стока воды в разные фазы водного режима. Представленные в работе карты построены с помощью пакета ArcView. Статистическая обработка данных проводилась с помощью пакетов Statistica и Excel.

Научная новизна работы заключается в комплексном региональном пространственно-временном обобщении характеристик водного режима рек Донского бассейна с учетом современной гидрометеорологической информации, оценке влияния происходящих и ожидаемых изменений климата на водный режим рек и водохозяйственный комплекс территории, наборе

методических приемов, позволяющих определять характеристики водного режима в условиях отсутствия или недостатка данных наблюдений, обновлении методик прогнозирования характеристик стока в условиях меняющегося климата.

Практическая значимость работы заключается в региональном анализе современной гидрометеорологической обстановки в Донском бассейне, разработке практически реализуемых подходов к прогнозированию и расчетам характеристик стока за различные фазы водного режима, оценке масштабов современных климатических изменений и их влияния на водный режим рек территории. Полученные зависимости и комплекс карт могут быть использованы для характеристики водного режима и оценки его возможного изменения на неизученных реках. Практическую ценность имеет разработка методических средств для прогнозирования характеристик стока в условиях напряженной водохозяйственной обстановки в Донском бассейне. Практическое значение имеют результаты анализа явления отсутствия стока и других проявлений экстремальных гидрологических условий (маловодий), в том числе в 2010 г.

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались на международных конференциях студентов и аспирантов «Ломоносов» (Москва, 2006, 2007, 2008, 2009); международной научной конференции UNESCO «Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность» (Москва, 2008, 2009, 2010, 2011), конференции молодых специалистов в ПНИИИСе (2007, 2008); международной конференции «Global Change: Facing Risks and Threats to Water Resources» Sixth World FRIEND Conference (Fez, Morocco, 2010); международной научно-практической конференции «Социально-экономические и экологические проблемы сельского и водного хозяйства» (Москва, 2010); международной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Б.И. Куделина «Ресурсы подземных вод: Современные проблемы изучения и использования» (Москва, 2010); XXXII

международном географическом конгрессе (Германия, Кельн); научном семинаре кафедры гидрологии суши МГУ (2012), заседании гидрологической комиссии Московского отделения Русского географического общества (2012), итоговой конференции Научного Образовательного Центра ИВП РАН-МГУ (2011,2012).

Результаты регионального анализа характеристик водного режима рек бассейна Дона вошли в отчет по Государственному контракту № 02.740.11.0336 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009-2011). Методические средства для прогнозирования стока рек Донского бассейна разработаны в рамках той же ФЦП при выполнении госконтракта П164 «Совершенствование системы мониторинга гидрологических процессов для повышения эффективности и безопасности водопользования»). Оценки экстремальных событий, связанных с недостатком водных ресурсов получены при выполнении Государственного контракта с Московско-Окским бассейновым водным управлением (2010-2012). Ряд важных практических результатов получен при выполнении проектов РФФИ: № 10-05-00252 «Влияние изменений климата на формирование речного стока и опасных гидрологических явлений на юге Европейской территории России», № 11-0500467 "Изменения поверхностного и подземного стока рек России и их режимов в условиях нестационарного климата", № 09-05-92001-ННС «Исследование влияния изменений климата на ресурсы поверхностных и подземных вод: анализ, оценка и прогноз». Исследование водного режима рек Донского бассейна проведено в рамках гранта Правительства Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований №11.034.31.0007 «Оценка природных рисков в береговой зоне» (2011).

Публикации. Всего автором опубликовано 27 работ, из них 13 по теме диссертации, в том числе 5 статей в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК РФ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы - 211 страниц, включая 121 рисунок и 27 таблиц. Список литературы содержит 113 наименований, в том числе 5 - на иностранном языке.

Автор выражает благодарность научному руководителю Н.Л. Фроловой за всеобъемлющую помощь и содействие, докторам географических наук профессорам кафедры гидрологии суши МГУ Н.И. Алексеевскому и В.М. Евстигнееву, сотрудникам кафедры гидрологии суши, кандидатам географических наук доценту В.А. Жуку, старшему преподавателю А.Г. Косицкому за консультации, сотрудникам ФГБУ «Северо-Кавказское управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» за предоставленную информацию и доброе отношение.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи работы, охарактеризованы ее научная новизна, практическая значимость, приведены сведения об исходных материалах и методах исследования.

В главе 1 рассматриваются относительно постоянные во времени физико-географические и гидрогеологические факторы, определяющие водный режим и сток рек бассейна, а также современные климатические и антропогенные условия формирования стока, изменяющиеся во времени.

Глобальные изменения климата на Европейской территории России, выразившиеся в увеличении суммы осадков за зимний и весенний период, а также в интенсивном потеплении в зимний период (Оценочный доклад..., 2008) проявляются и в бассейне Дона. Статистический анализ временной динамики суммы осадков за холодный период за период с 1936 по 2010 гг. выявил, что на 33 метеостанциях из 57 характерно значимое уменьшение дисперсии, а на 14 -наблюдается рост средних значений. Тенденция к увеличению зимних осадков подтверждается и по критерию Спирмена (для 35 метеостанций из 57). В

среднем для выбранных пунктов наблюдений коэффициент линейного тренда составил 9,2 мм/10 лет (рис. 1). Для осадков за теплый период (1У-Х) для большинства метеостанций также существует тенденция к увеличению, однако она не является статистически достоверной.

„,Х, мм________________

Рис. 1. Изменение

осредненной по всем метеостанциям бассейна Дона суммы осадков X (мм) за холодный и теплый период

1890

1910

1930

1950

1970 1990 2010

Сумма осадков за холодный период определяет величину февральских снегозапасов. На севере Донского бассейна запасы воды в снежном покрове в среднем за 1966-2006 гг. равны 70-80 мм, при продвижении на юг и юго-восток они сокращаются до 20-50 мм.

Анализ временных изменений величины февральских снегозапасов не выявил их статистически достоверных изменений ни в одном из изучаемых бассейнов. Отсутствие выраженной тенденции в запасах воды в снежном покрове при общем увеличении суммы осадков за холодный период обусловлено ростом их жидкой составляющей, т.е. сильным влиянием оттепелей.

Увеличение температурных показателей холодного периода в Донском бассейне носит наиболее яркий характер. Более чем для половины исследуемых метеостанций наблюдается статистически достоверный рост средних температур холодного периода. В среднем для бассейна Дона он составляет 0,35°С/10 лет (рис.2) (за 1936-2008 гг.). Потепление сопровождается увеличением суммы положительных температур за холодный период, характеризующей оттепели. В среднем она выросла на 20% (рис. 3) Наиболее сильное увеличение произошло в бассейне Среднего Дона и Северского Донца.

1940

1960

1980

2000

I(Т>0). "С 300 -200 100

________ 1 1 I 1

¡пЛЛш и м »1 ! к Ш »11 Р л V

I тг и ?" • в

5 1

Т, °С

1940

1960

1980

2000

Рис. 2. Изменения средней температуры холодного периода Т, "С, осредненной по метеостанциям бассейна р. Дон

Рис. 3. Изменения суммы положительных

Т(Т>0). °С

температур за холодный период ,

осредненной по метеостанциям бассейна В Донском бассейне также происходит изменение сроков климатических

сезонов. Средняя дата устойчивого перехода к отрицательным температурам в

пределах бассейна меняется от начала ноября на севере до начала декабря на

юго-востоке. Значимые изменения в данном показателе для большинства

метеостанций отсутствуют, но для некоторых есть отчетливая тенденция к

сдвигу на более поздние сроки, явно проявляющаяся с начала 1990-х годов

XX в. (рис. 4). Средние даты начала пятидневного безморозного периода

меняются по территории бассейна от середины февраля на юго-востоке до

первых чисел апреля на севере. Для 50% метеостанций характерны значимое

увеличение дисперсии этого показателя и сдвиг даты в сторону более ранних

чисел, составивший в среднем для бассейна около 12 дней (рис. 5).

Бассейн Дона является одним из наиболее освоенных регионов России, и

представляет собой крупный промышленный и сельскохозяйственный район в

масштабе страны.

Дата

Дата 12 апр

23 мар

3 мар

11 фев

22 янв

ЛаЛК 1

II ш ¥ II® 1 И и а

• 1 1 5 * 1

1 | 1

1940 1960 1980 2000 Рис. 4. Изменение даты устойчивого перехода к отрицательным температурам воздуха для метеостанции Богучар

1940 1960 1980 2000 Рис. 5. Изменение даты перехода к положительным температурам воздуха (осредненное значение по бассейну Дона)

Рис. 6. Использование воды на различные нужды в Донском БВУ за 2000-2010 гг. (по данным Донского БВУ) (млн. м3)

1998

□ хозяйственно-питьевые а производственные

□ орошения □ сельхозводоснабжения

9 прочие нужды

За последние десять лет, больше всего воды использовалось на производственные нужды, на хозяйственно-питьевые цели и нужды орошения используется примерно равное количество воды (рис. 6).

За 2000-2010 гг. происходит сокращение объемов забора воды практически по всем категориям водопользователей. Использование свежей воды в бассейне Дона за рассматриваемый период сократилось с 5 млн. м3/год до 3,2 млн. м3/год. Существенное сокращение характерно для объемов использования воды на производственные нужды - с 2000 до 1600 млн. м3/год. Использование воды на нужды сельскохозяйственного водоснабжения сократилось в 4 раза, что сопоставимо с сокращением заборов воды на орошение, которые за 2000 - 2010 гг. уменьшились на 0,7 км3/год. При этом за последние 20 лет происходило плавное сокращение площадей пашен, сельскохозяйственных угодий, орошаемых земель.

Большие потребности в воде вызвали необходимость в антропогенном регулировании стока рек Донского бассейна, которое началось еще в XVIII в. и было связано с интенсивным строительством мельничных прудов — сооружений пассивного регулирования стока (Эделыптейн, 1998). Водохранилища, как объекты активного регулирования стока начали сооружать относительно недавно: первые плотины начали появляться лишь в 60-х годах XX в.

По сведениям, приведенным в (Схема..., 2011) на 2010 г. в бассейне Дона насчитывалось более 12 тыс. прудов и малых водохранилищ, из которых лишь 1738 занесено в Регистр гидротехнических сооружений (11йр//:\¥агеппй>.ги). Большую часть (67% от общего числа искусственных водоемов) составляют

малые водохранилища и пруды, имеющие полезный объем менее 1 млн. м (рис. 7), основная часть которых используется для водоснабжения окрестных территорий и орошения земель. Помимо малых и средних искусственных водоемов в бассейне Дона насчитывается 48 крупных водохранилищ различного назначения объемом более 10 млн. м3. Из них самым крупным общебассейновым регулятором стока является Цимлянское водохранилище, введенное в эксплуатацию в 1952 г. Распределение искусственных водоемов по бассейну Дона носит неравномерный характер (рис. 8). Наибольшее количество искусственных водоемов сосредоточено в бассейнах Битюга и Савалы, наименьшее — в бассейнах р. Иловли и р. Медведицы.

В бассейне также существует несколько крупных каналов - водных трактов, в том числе Волго-Донский, каналы Днепр - Донбасс, Северский Донец - Донбасс. В нижнем течении Дона функционирует ряд крупных оросительных систем (в том числе Донской магистральный канал), по которым также происходит переброска стока. Наиболее крупные водозаборы в бассейне ведутся из Цимлянского водохранилища.

ш 0-1 млн мЗ

□ 1-2 млн мЗ

□ 2-3 млн мЗ

□ 3-4 млн мЗ н 4-5 млн мЗ

□ 5-6 млн мЗ н 6-7 млн мЗ

□ 7-8 млн мЗ ■ 8-9 млн мЗ

□ 9-10 млн мЗ

Рис. 7. Количество водохранилищ и прудов различного объема (сверху)

Рис. 8. Расположение искусственных водоемов различного объема в бассейне Дона (справа) по данным регистра гидротехнических сооружений

(Ьйр//: watennfo.ru)

В главе 2 рассматривается общая характеристика водных ресурсов Донского бассейна. Водные ресурсы речного стока являются наиболее

доступными и удобными для использования практически для всех категорий водопользователей. По оценкам (Водные ресурсы..., 2008), объем речного стока в бассейне Дона оценивается в 26,8 км3 в год. Таким образом, модуль среднегодового стока воды в бассейне Дона минимален среди всех крупных рек Европейской территории России и составляет около 2 л/(с-км2).

Для оценки водных ресурсов какой-либо территории наиболее распространенной методикой является построение карт среднего годового стока. Основой построения такой карты для бассейна Дона стали значения средних годовых расходов воды по 45 постам (осредненные за 1970-2008 гг.). Изменения характеристики оценивались в % по отношению к среднему за 1936—1969 гг. Модуль стока в бассейне Дона изменяется зонально: от 4,7 л/(с-км2) в верхнем течении Дона, до 0,6 л/(с-км2) на левобережье Цимлянского водохранилища и низовьев Дона (рис. 9). Наиболее высокие значения модуля стока наблюдаются в двойном «ядре» формирования стока (Евстигнеев и др., 1999), включающем в себя два полюса: верхнее течение Дона и его притоки и верхнее и среднее течение Хопра.

На основе проведенных расчетов можно оценить возобновляемые водные ресурсы р. Дон и ее основных притоков. Объем водных ресурсов р. Дон по оценкам, сделанным в 1987 г. (за весь период наблюдений) равнялся 28,1 км3/год, в 2005 г. (за весь период наблюдений) — 26,8 км3/год, на основе полученных оценок за 1970-2008 гг. — снизился до 22 км3/год.

Исследование многолетних изменений характеристик стока основывается на статистическом анализе временных рядов. Основным вопросом в изучении многолетних колебаний стока является вопрос выявления его направленных изменений. Для определения значимости и достоверности тенденции использовались различные статистические критерии - Фишера, Стьюдента и Спирмена.

В настоящее время естественный режим речного стока Дона нарушен хозяйственной деятельностью человека. Оценить степень влияния климатических и

антропогенных факторов на речной сток возможно с помощью восстановления естественных характеристик стока. Условно-естественный сток Дона был восстановлен проектными институтами «Гидропроект» и

«Южгипроводхоз» и

Л.Ф. Сотниковой вплоть до 2006 г. Анализ полученных характеристик показал, что основные изменения стока за счет антропогенной деятельности складываются ниже Цимлянского водохранилища. В многолетних изменениях условно естественного годового стока самого Дона выявляется незначительная тенденция к его уменьшению. Если говорить об изменениях стока притоков р. Дон, то в целом можно констатировать факт относительного постоянства среднегодовых расходов воды для абсолютного большинства рек.

В третьей главе рассматриваются характеристики минимального стока рек Донского бассейна. В качестве изучаемых показателей были выбраны характеристики меженных периодов (осредненное значение за июль—сентябрь и декабрь—февраль) и минимальные месячные значения расходов воды за летнее-осеннюю и зимнюю межень. Минимальные месячные значения расходов воды

14

Рис. 9. Карта модуля среднего годового стока рек бассейна Дона (среднее за 1970 - 2008 гг.)

за летнее-осеннюю и зимнюю межень являются общепринятыми характеристиками маловодных периодов. Выбор среднего меженного стока, осредненного за шесть месяцев обусловлен тем, что данная величина является характеристикой естественных ресурсов подземных вод.

Меженный сток рек бассейна Дона невелик, что связано с его географическим положением на юге Европейской территории страны, в зоне недостаточного увлажнения. В среднем для бассейна за 1970-2008 гг. модуль меженного стока (р.Дон - ст. Раздорская) составляет 1,5 л/(с-км2). Общее закономерное уменьшение среднего меженного модуля стока происходит с северо-запада на юго-восток (рис. 10). Выше г. Задонск значение изучаемой характеристики повышается и составляет 2-3 л/(с-км2). Ниже по течению г/п Павловск модуль снижается и составляет уже менее 1 л/(с-км2). Наибольшее значение среднего меженного модуля стока (до 3,3 л/(с-км2) г/п Ефремов) имеет река Красивая Меча, расположенная в северо-западной части бассейна.

Сравнение полученного пространственного распределения среднего меженного стока с аналогичной картой, построенной Б.И. Куделиным в 1960-х годах показывает, что при схожести общих контуров изолиний практически повсеместно наблюдается их сдвиг в юго-восточном направлении, отражающий увеличение меженного стока в 1,5-2 раза.

Так, например в 1960-х годах модуль подземного стока в бассейне Северского Донца составлял 0,3-0,5 л/(с-км2). На современном этапе для этой территории, характерен модуль подземного стока от 1 до 2 л/(скм2).

Увеличение модуля подземного стока подтверждается данными водно-балансовых станций, где расположены режимные скважины. Так, уровень грунтовых вод в «Докучаевском колодце» в Каменной степи за 1989-2007 гг. увеличился в среднем с 7 до 4 м от дневной поверхности (Дмитриева, 2012). Для абсолютного большинства рек бассейна происходящие изменения являются статистически значимыми. Наличие положительного тренда достоверно фиксируется для 42 из 49 исследуемых постов (86%).

средних меженных зимних и летних расходов воды (рис. 13, слева), с коэффициентами корреляции более 0,65-0,7.

М, л/(с км2) й м3/с

1930 1950 1970 1990 2010

Рис. 11. Характерные многолетние колебания среднего меженного модуля стока р. Медведица - пгт. Лысые Горы

1930

1950

1970

1990

2010

Рис. 12. Изменения среднего меженного летнего (1) и зимнего (2) стока р. Дон -г. Задонск

Рис. 10. Карта среднего меженного модуля стока и его изменения для бассейна Дона за 1970-2007 гг.

Наиболее сильные

изменения среднего меженного модуля стока начинают происходить после 1970 г., интенсивность роста

характеристики за период 1970-2008 гг. составляет 0,40,5 л/(с-км2) за 10 лет (рис. 11). Увеличение величины

происходит как за счет зимней, так и за счет летней межени (рис. 12). Для всех постов выявляются устойчивые связи

60 40 20 0

2м лето, М3/с

•; -г--к*

300 200 100 0

брас,., М3/С

х- — в

акт.' М3/С

10

20

30

2,

40

, м3/с

50

100

150

200

250

Рис. 13. Связи среднего меженного зимнего и летнего расходов воды р. Ворона -г.Борисоглебск (слева) и связь фактических и рассчитанных по уравнению множественной регрессии значений меженного стока р. Дон - г. Лиски (справа)

Средний меженный сток за год может быть рассчитан по сумме осадков за холодный период предшествующего года, сумме осадков за холодный период со сдвигом два года и с осадками за теплый период текущего года. Множественный коэффициент корреляции равен около 0,75 (рис. 13, справа). Связь меженного стока со значениями температуры воздуха отсутствует.

Для меженного стока характерна значительная степень инерции, что обуславливает высокие коэффициенты автокорреляции, значимые вплоть до величины сдвига в 4-5 лет.

Минимальные месячные расходы воды являются традиционными расчетными гидрологическими характеристиками (рис. 14). Наиболее высокие минимальные зимние и летние модули стока воды наблюдаются в бассейне верхнего Дона, Красивой Мечи, и составляют около 3 л/(с-км2), затем плавно снижаясь северо-запада на юго-восток, в среднем и нижнем течении Дона они составляют уже 0,3-0,7 л/(с-км2). При этом осредненные за 1970-2008 гг. летние расходы в 80% случаев (43 из 50 створов) оказываются меньше зимних.

На фоне общего увеличения водности межени, изменения минимальных месячных расходов воды носят наиболее очевидный и резкий характер. Статистически достоверные изменения характеристик минимального месячного стока, как за зимний, так и за летний период, фиксируются для всех изученных створов. Область наибольших изменений характеристик сосредотачивается в достаточно широкой полосе, протянувшейся в средней части бассейна с юго-

запада на северо-восток. Эта полоса с точки зрения зимнего периода может ассоциироваться с границей смещения фронта «устойчивой зимы». К юго-востоку от нее как в первой половине XX века, так и на современном этапе не происходило формирование устойчивого снежного покрова, к северо-западу -и в настоящее время образуется устойчивый снежный покров, а вот «внутри» этой полосы произошла наибольшая трансформация водного режима.

Рис. 14. Минимальный месячный зимний (слева) и летний (справа) модуль стока и его изменения (среднее значение за 1970-2008 гг., по сравнению с 1936-1969 гг.)

120

О, м3/с

Рис. 15. Изменение минимальных средних месячных расходов воды р. Хопер -х.

Бесплемяновский за зимний (1) и летне-осенний (2) период

1930 1950 1970 1990 2010

Увеличение минимальных месячных модулей стока воды за 1970-2008 гг.

составляет 30-60% для большей части бассейна (по отношению к среднему за

18

1936-1969 гг.) (рис. 15). Статистически значимый рост среднего значения характерен для 42 постов из 44 (95%), наличие положительного тренда - для 45 (92%) из 49, статистически значимый рост дисперсии - для 37 (84%) из 44 створов. Коэффициент вариации минимальных модулей стока за зимний период для юго-восточной части бассейна составляет 0,2-0,35.

Одной из актуальных задач гидрологии являются прогнозы характеристик минимального стока. Минимальный летний месячный расход воды может быть рассчитан по слою стока половодья и среднемесячному расходу за октябрь предшествующего года (рис. 16, слева). Средний зимний расход воды может быть определен по сумме жидких осадков, средних температур за холодный период или средних температур января (рис. 16, справа).

30

, м3/с

„м3/с

20 10 0

о О О °°0

о С о ^ - и о о ° а _ «г о

о Но ° Си бфаюг летн' м3/°

250

200

150

© ©

О. -

А «; ш •

и о--

•т%

9 О

Офактзимн' м3/С

100

10

20

30

100

150

200

250

Рис. 16. Связь расчетных и фактических минимальных месячных расходов воды за летне-осенний период (р. Ворона - г. Борисоглебск - слева) и зимний период (р. Дон - ст. Лиски -

справа)

Инерция минимального месячного стока за летний и зимний период, связь этих показателей для смежных лет отражается в крайне высоких коэффициентах автокорреляции. Для большинства рек они превышают значение 0,6, а для некоторых и 0,8. Реки с высоким коэффициентом автокорреляции в большинстве случаев имеют слабозатухающую автокорреляционную функцию, коэффициенты автокорреляции превышают 0,4 для сдвига даже в 8-9 лет.

Анализ построенных для Европейской территории России карт частоты, продолжительности, площадей водосбора потенциально пересыхающих рек показал, что в бассейне Дона явление отсутствия стока характерно для

большинства малых рек. Для систематически пересыхающих рек бессточный период является отдельной фазой водного режима, для эпизодически пересыхающих рек, или рек, на которых ранее отсутствовали бессточные периоды, - мерой проявления экстремальных гидрологических условий. В Донском бассейне расположено около 100 рек, где когда-либо за период наблюдений были зафиксированы бессточные периоды. Продолжительность бессточных периодов на малых реках Донского бассейна одна из самых длительных на ЕТР, при этом пересыхающие реки имеют площади водосборов в среднем около 2000 км2, меняясь от 10 (р. Чибрик, с. Рождественское) до 19000 км2 (р.Сал с. Мартыновка) (Киреева, Фролова, 2010).

Дбе,

19 янв 22 авг

25 мар

26 оет 29 май

О янв

© - ©О 9.^-© © о

ш " © Д полов

Т, сут 400

1 1 -для весеннего

• \ половодья,

• N 2—для зимних

• ч оттепелей,

ч • ч 3 2 х 3 -для летне-

осенних паводков •ч

» V * ■и

9 апр

18 июл 26 окт 3 фев

600 Р, мм 800

Рис. 17. Связь даты начала многоводного периода (Д„ОЛов) и периода «нулевого» стока (Дбессточн) и зависимость продолжительности бессточного периода от суммы осадков за предшествующий

период р. Токай — д. Ростоши

В качестве прогнозных характеристик бессточного периода рассматривается дата его начала и продолжительность. Начало бессточного периода связано с началом предшествующего многоводного периода линейными уравнениями с коэффициентами корреляции более 0,85 (рис. 17). Зависимость продолжительности бессточного периода от предшествующего ему количества атмосферных осадков имеет гораздо более сложный вид, для некоторых постов ее можно представить в виде номограммы. За последние 50 лет общее количество пересыхающих рек снизилось в 2-3 раза (Киреева, Фролова, 2010).

Четвертая глава посвящена максимальному стоку рек в бассейне Дона в условиях современных климатических изменений. Для изучения формирования весеннего стока в бассейне Дона было выбрано более 20 гидрологических постов на реках с различной площадью водосбора. В качестве исследуемых показателей были выбраны слой и объем стока за половодье, дата его начала и окончания, дата и величина максимального расхода воды (и его модуль), доля половодья в годовом стоке, коэффициент дружности половодья, представляющий отношение максимального модуля к слою стока за половодье. Уменьшение слоя стока половодья происходит в юго-восточном направлении. В среднем для бассейна Дона он составляет =50 мм (осредненное значение за 1970 - 2008 гг.), при этом наиболее высокий слой стока (более 60 мм) формируется в бассейне Хопра (выше г/п Поворино), относительно пониженный - в бассейне Медведицы (ЗО^Ю мм). Еще более низкие значения слоя стока за половодья характерны для бассейнов Бузулука, Иловли и притоков Нижнего Дона: Чира и Калитвы и составляют 20-30 мм (рис. 18).

Происходящие в настоящий момент климатические изменения приводят к существенной деградации половодья рек бассейна Дона как фазы водного режима в целом. Статистический анализ рядов слоя стока показал, что для 60% постов свойственно статистически значимое уменьшение математического ожидания (рис. 19), а для 50% - статистически значимое увеличение дисперсии. Даже само выделение половодья как отдельной фазы водного режима на гидрографах стока в последние годы становится исключительно сложной задачей. Увеличение числа оттепелей приводит к «размазыванию» начала многоводной фазы. Для всего бассейна Дона однозначно можно говорить о сокращении слоя стока половодья на 10-30%, достигающем максимума в верховьях Дона (выше г/п Лиски), где слой стока за половодье ранее был наибольший.

Слой половодья отличается большой изменчивостью. Если в бассейне Верхнего и Среднего Дона коэффициент вариации находится в интервале 0,40,6, то для притоков Нижнего Дона (рр. Калитва и Чир) он равен 0,8-0,9.

21

I I бассейн Дона * 1 Слой стока за половодье.

Рис. 18. Слой стока за

половодье и его изменение (%) за 19702008 гг. по сравнению с 1936-1969 гг.

200

у, мм

150 -100 -50 -

1 1 Л я

л! 1 а

I > II гч

1920

1940

1960

1980

2000

Рис. 19.

Типичный ход слоя стока за половодье у (мм) (р.Сосна-г.Елец)

Изменения весеннего стока и деградация половодья в бассейне Дона наиболее ярко проявляются именно в динамике максимальных расходов воды. В верховьях Дона (г. Задонск) с начала 30-х годов прошлого столетия по 2000-е годы максимальный модуль стока сократился со 100 до 40 л/(с-км2), для р. Сосны - со 140 до 40 л/(с-км2), для р. Вороны (г. Борисоглебск) - с 60 до 20 л/(с-км2). В среднем, сокращение максимального модуля стока в бассейне Дона в составляет 40-60%. Статистический анализ рядов максимальных модулей

стока (за 1970-2008 гг. по сравнению с 1936-1969 гг.) показал, что для абсолютно всех постов наблюдается статистически значимый резко отрицательный тренд и значительное снижение дисперсии. В связи с изменением формы половодья происходят заметные изменения в величине коэффициента дружности половодья, который является одной из основных расчетных гидрологических характеристик. Для всех постов бассейна свойственно значимое снижение коэффициента дружности - для многих рек до 1,5-2 раз (рис. 20).

1 оРис. 20. Типичный для рек

Донского бассейна ход 0.8изменений коэффициента

д ддружности ПОЛОВОДЬЯ (р.

Хопер - г. Поворино)

0,4 0,2 0,0

1930 1950 1970 1990 2010

Сроки начала и окончания половодья также существенно изменились: в западной части бассейна начало волны половодья сместилось на 9-12 дней раньше, в восточной - примерно на неделю. Также общей тенденцией в бассейне является «запаздывание» дат окончания половодья в среднем на 5— 10 дней. Суммарно эффект сдвига сроков половодья приводит к статистически значимому увеличению его продолжительности: в зависимости от масштаба реки и положения водосбора она увеличивается на 10-20 дней (рис. 21).

Глава 5 посвящена внутригодовому распределению стока рек бассейна Дона и его трансформация в конце XX - начале XXI в. Происходящие под влиянием климатических факторов изменения минимального и максимального стока при относительном постоянстве среднегодовых расходов воды рек Донского бассейна приводят к перераспределению стока внутри года и коренным изменениям типичной формы гидрографа.

Традиционно реки бассейна Дона относились к рекам с ВосточноЕвропейским типом водного режима по классификации Б.Д. Зайкова, с четко

выраженным весенним половодьем, во время которого проходит большая часть годового стока (от 50 до 100 %) и превышениями максимальных расходов над меженными в среднем в 10 раз.

т, сут

Щ

5

Т, сут

Рис. 21. Динамика продолжительности половодья а) р. Воронеж - г. Липецк; б) р. Дон -

г. Лиски

До 1970-х годов типовые гидрографы рек Донского бассейна вполне подходили под приведенное выше описание. Типовые гидрографы 2000-х годов выглядят совсем иначе. Повышенный, «волнообразный» сток за зимний период, связанный с большим количеством оттепелей, как бы срабатывает запасы воды в снежном покрове еще до наступления половодья, которое имеет вид пологой и распластанной волны с 3-4 максимумами на порядок меньшими, чем в первой половине XX в (рис. 22). Изменения характера зимнего сезона сказались на стоке половодья, обусловив его беспрецедентную деградацию.

Подобные изменения во внутригодовом распределении стока отражаются на динамике коэффициента естественной зарегулированное™ стока: с одной стороны уменьшается доля половодья - надбазисного стока, с другой стороны -увеличивается водность межени (базисный сток). Такое двойное позитивное воздействие приводит к тому, что для абсолютно всех рек в бассейне Дона фиксируется статистически значимый рост математического ожидания и статистически значимый положительный тренд (рис. 23).

Интересным фактом является то, что пространственное распределение среднего за 1970-2007 гг. значения коэффициента естественной зарегулированное™ стока носит как бы «противозональный» характер

(рис. 30). Наибольших значений он достигает на западе и юго-западе бассейна. Для правобережья бассейна верхнего Дона, бассейна Северского Донца средние значения показателя составляют 0,7-0,9, наиболее равномерный сток (с ср =0,8-0,9) наблюдается у правобережных притоков Северского Донца.

3000

2000

1000

Q, м3/с

1 янв Юапр 19июл 27 окг

Рис. 22. Осредненные за десятилетия суточные гидрографы р. Дон - ст. Казанская

1920

1940

1960

1980

2000

Рис. 23. Изменения коэффициента естественной зарегулированное™ стока ф для р. Дон - г. Задонск

Наиболее изменившиеся доли в годовом стоке наблюдаются для апреля и мая. В сложившейся гидрометеорологической обстановке происходит выравнивание внутригодового распределения стока, растет его естественная зарегулированность (рис. 24-25).

В главе 6 рассматривается нагрузка на водные ресурсы, которые во многом являются основой экономики в Донском бассейне. В целом для бассейна Дона наблюдается дефицит водных ресурсов, составляющий 26,8 млн. м3. Наиболее острая нехватка воды наблюдается на участках р. Воронеж. Так, в створе г. Липецка не достает 81 млн. м3, а на участке от г. Липецка до Воронежского гидроузла - 66 млн. м3. Небольшой дефицит воды наблюдается на р. Оскол в створе Старооскольского гидроузла.

Недостает воды в бассейне р. Сал, здесь дефицит составляет 14,4 млн. м3. Наибольший недостаток воды наблюдается в бассейне р. Егорлык, здесь водопотребление на три порядка превышает предельно допустимое изъятие. Несмотря на дефицит водных ресурсов в некоторых бассейнах, в настоящее время удается обеспечить нужным количеством воды весь водохозяйственный

комплекс бассейна р. Дон, однако в случае возникновения дополнительных потребностей в воде, собственных ресурсов реки уже будет не хватать.

Рис. 24. Карта среднего за 1970-2007 гг. коэффициента естественной зарегулированное™ стока - <р

50

%

40 30 20 10

Н1гГ)!

□ 1936-1969

□ 1970-2007

ГДгПгПгПгЛгПгП

1 23456789 10 11 12

Рис. 25. Внутригодовое распределение стока в процентах от годового р. Хопер -х. Бесплсмяновский

В Заключении сформулированы основные выводы и результаты:

1. Статистический анализ рядов наблюдений за различными характеристиками водного режима выявил значимые изменения минимального и половодного стока рек бассейна при относительном постоянстве среднегодовых расходов воды.

2. В рамках изучения характеристик стока в маловодный период построена карта современных средних меженных модулей стока и их изменений. Выявлено статистически достоверное и весьма существенное увеличение величины меженного стока, который для различных районов Донского бассейна изменился в 1,5-2 раза. Предложен ряд расчетных зависимостей для оценки величины меженного стока.

3. Анализ многолетних колебаний характеристик минимального месячного

стока показал наличие возрастающих трендов для абсолютно всех исследуемых

26

Л/Р«»

/\у глав« ереки Козфф^&тт естественно* ; | | аз й5 ■ «MI aï- ae щд as - agi ЩЩ озера страны

I I Мфанка

рек бассейна. На фоне общего увеличения водности межени, изменения минимальных месячных расходов воды носят наиболее очевидный и резкий характер. Увеличение минимальных месячных модулей стока воды для большей части бассейна составляет 30-60% по отношению к среднему за 19361969 гг., достигая 100-120% (левобережные притоки Северского Донца).

4. В основу методик прогнозирования минимальных месячных расходов воды за летне-осеннюю межень могут быть положены связи минимального месячного стока со слоем стока за половодье и среднемесячным расходом воды за предшествующий октябрь. Множественные коэффициенты корреляции таких зависимостей составляют 0,7-0,8. Для зимнего стока выявляются его связи с метеорологическими показателями — осадками и средней температурой холодного периода.

5. Для рек Донского бассейна прогноз характеристик бессточных периодов может осуществляться на основе зависимостей сроков начала бессточных периодов от сроков начала половодья, и продолжительности периода нулевого стока от суммы осадков за предшествующий период.

6. На современном этапе для рек Донского бассейна характерна деградация половодья как фазы водного режима. Для большинства изучаемых рек наблюдается статистически достоверное сокращение слоя стока за половодье на 30-40%. Уменьшение максимальных расходов воды носит повсеместный и значительный характер: сокращение максимального модуля в среднем составляет 40-60%.

7. Для всех постов фиксируется значительное изменение доли стока за половодье. Наиболее сильные изменения наблюдаются в верховьях бассейна Дона и Хопра, здесь доля стока за половодье снизилась более чем на 20%. В связи с изменением формы половодья происходит существенное снижение коэффициента дружности, достигающее 1,5-2 раза.

8. Изменения характеристик весеннего половодья рек Донского бассейна также проявляются в смещении его сроков и продолжительности. Практически на всех постах наблюдается сдвиг даты начала половодья и максимального

27

расхода воды на более ранние сроки, а также увеличение его продолжительности. Наиболее сильные изменения сроков начала половодья происходят в западной части бассейна Дона — половодье здесь сместилось на 9— 12 дней в сторону более ранних значений.

9. Выявлено, что основной предпосылкой возникающих изменений водного режима является рост подземного питания рек, вызванный общим увеличением увлажнения Восточно-Европейской равнины. Механизм увеличения подземного стока тесно связан с изменением циркуляции атмосферы, вторжениями более теплых воздушных масс в зимний период, увеличением числа оттепелей и снижением глубины промерзания почвы, что способствует пополнению запасов грунтовых вод в зимний период.

10. Происходящие изменения водного режима вызывают перестройку внутригодового распределения стока, рост коэффициента естественной зарегулированное™ в 1,5-2 раза, изменения типовой формы гидрографа.

11.С учетом происходящих изменений водного режима и высокой степенью использования водных ресурсов и нагрузки на них, необходимо предусмотреть адаптацию сложного водохозяйственного комплекса Донского бассейна к меняющимся гидрометеорологическим условиям с целью сокращения рисков возникновения экстремальных гидрологических ситуаций. Маловодье 2010 г. показало, что водохозяйственный комплекс бассейна способен переживать столь экстремальные условия, однако «буферные запасы» воды в системе практически отсутствуют.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК:

1. Киреева М.Б., Фролова H.JI. Бессточные периоды на реках бассейна Дона // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2010. № 4. С. 47—54.

2. Dzhamalov R.G., Frolova N.L., Kireeva М.В, Safronova T.l. Climate-Induced Changes in Groundwater Runoff in Don Basin // Water Resources. 2010. Vol. 37. No. 5. P. 733-742.

3. Джамалов P.Г., Фролова H.JI., Кричевец Г.Н., Сафронова Т.И., Киреева М.Б.,. Игонина М.И. Формирование современных ресурсов поверхностных и

подземных вод Европейской части России // Водные ресурсы. Том 39. № 6. 2012. С.571-589.

4. Джамалов Р.Г., Фролова Н.Л., Киреева М.Б., Сафронова Т.И. Динамика подземного стока бассейна Дона под влиянием изменений климата // Недропользование - XXI век. 2010. № 4. С. 78-81.

5. Киреева М.Б., Фролова Н.Л. Современные особенности весеннего половодья рек бассейна Дона// Водное хозяйство России. 2013. № 1. С. 60-76.

в других журналах и сборниках:

6. Джамалов Р.Г., Фролова Н.Л, Киреева М.Б., Сафронова Т.И. Изменения режима и величины подземного стока рек Европейской территории России под влиянием нестационарного климата // Ресурсы подземных вод: современные проблемы изучения и использования: материалы междунар. научной конференции. М„ 2010. С. 83-93.

7. Киреева М.Б., Фролова Н.Л. Явления отсутствия стока на реках бассейна р. Дон в условиях изменения климата// Там же. С. 386-391.

8. Киреева М.Б., Фролова Н.Л. Современные изменения водного режима рек бассейна Дона // Ресурсы и качество вод суши: оценка, прогноз и управление: сборник трудов первой открытой конференции Научно-образовательного центра. М., 2011. С. 98-113.

9. Джамалов Р. Г., Фролова Н. Л., Агафонова С. А., Киреева М. Б., Сафронова Т. И. Влияние изменений климата на сток и водный режим рек ЕТР // Проблемы безопасности в водохозяйственном комплексе России. Краснодар, 2010. С.106-116.

10. Киреева М.Б. Бессточные периоды на реках: анализ причин и условий возникновения (на примере рек бассейна Дона) // Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность. М., ИВП РАН. 2009. С. 39-43.

11. Киреева М.Б., Белякова П.А. Современные особенности формирования весеннего половодья рек бассейна Дона // Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность: М.: ИВП РАН, 2011. С. 86-89.

12. Kireeva М., Rets Е. Low flow on rivers of European part of Russia under the impact of climate change // 32nd International Geographical Congress. Book of Abstracts. P. 471.

13. Киреева М.Б., Терский П.Н., Фролова Н.Л. Особенности прохождения весеннего половодья на реках ЕТР в современных климатических условиях // Ресурсы и качество вод суши: оценка, прогноз и управление: сборник трудов второй открытой конференции Научно-образовательного центра. М., 2012. С. 146-161.

Формат 60x90/16. Заказ 1652. Тираж 150 экз. Усл.-печ. л. 1,4. Печать офсетная. Бумага для множительных аппаратов. Отпечатано в ООО "ФЭД+", Москва, Ленинский пр. 42, тел. (495)774-26-96

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Киреева, Мария Борисовна, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

Географический факультет

На правах рукописи

04201355623

УДК 556.16

КИРЕЕВА Мария Борисовна

ВОДНЫЙ РЕЖИМ РЕК БАССЕЙНА ДОНА В УСЛОВИЯХ МЕНЯЮЩЕГОСЯ КЛИМАТА

25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель:

доктор географических наук, доцент

Фролова Наталья Леонидовна

Москва, 2012

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................................3

ГЛАВА 1 УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ СТОКА В БАССЕЙНЕ ДОНА........................12

1.1 Физико-географические факторы формирования стока и водного режима в бассейне Дона.......................................................................................................................12

1.2 Гидрогеология исследуемого района..................................................................18

1.3 Динамика климатических характеристик и ее влияние на условия формирования стока рек бассейна Дона на современном этапе.............................24

1.3.1. Количество атмосферных осадков за холодный и теплый период года............26

1.3.2. Запас воды в снежном покрове..................................................................................28

1.3.4 Дата начала устойчивого перехода через ноль градусов осенью и весной..........32

1.4 Хозяйственная деятельность в бассейне Дона.......................................................34

1.4.1 Использование воды различными водопользователями.........................................37

1.4.2. Забор воды на коммунально-бытовые нужды........................................................43

1.4.3. Забор воды на промышленные нужды......................................................................48

1.4.4. Забор воды на сельскохозяйственное водоснабжение и орошение.....................50

1.4.5. Антропогенное регулирование стока.......................................................................52

ГЛАВА 2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОДНЫХ РЕСУРСОВ ДОНСКОГО БАССЕЙНА....................................................................................................................................63

2.1. Гидрологическая изученность бассейна р. Дон.....................................................63

2.2. Пространственное распределение водных ресурсов в бассейне Дона............68

ГЛАВА 3 МИНИМАЛЬНЫЙ СТОК РЕК БАССЕЙНА ДОНА...........................................84

3.2 Факторы формирования минимального стока........................................................91

3.3. Пространственно-временная изменчивость среднего меженного стока в бассейне Дона..........................................................................................................................94

3.4. Минимальные месячные модули стока за зимнюю и летне-осеннюю

межень: пространственное распределение и многолетняя динамика................108

3.6. Анализ условий водопользования и эффективности средств инженерной защиты в период маловодья 2010 г. в бассейне Дона..................................................141

ГЛАВА 4 ПОЛОВОДЬЕ РЕК ДОНСКОГО БАССЕЙНА В УСЛОВИЯХ СОВРЕМЕННЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ....................................................148

4.1. Особенности формирования половодья в Донском бассейне.........................148

4.2. Пространственно-временные изменения характеристик весеннего половодья................................................................................................................................156

4.2.1. Слой стока за половодье и его изменения...............................................................160

4.2.2. Форма волны половодья. Максимальные модули стока за половодье...............166

4.2.3. Доля стока за половодье. Коэффициент дружности.........................................172

4.2.4. Временные характеристики половодья.................................................................174

ГЛАВА 5 ВНУТРИГОДОВОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СТОКА РЕК БАССЕЙНА ДОНА И ЕГО ТРАНСФОРМАЦИЯ В КОНЦЕ XX - НАЧАЛЕ XXI ВЕКА.....................................178

ГЛАВА 6 НАГРУЗКА НА ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ В БАССЕЙНЕ ДОНА.........................188

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................................195

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................................................201

Введение

Актуальность проблемы. Бассейн Дона является одним из наиболее освоенных водосборов Российской Федерации. Использование данной территории под различные экономически нужды началось еще в XVIII в. (Шикломанов, 1973). Географическое положение бассейна и благоприятные природные условия привели к бурному развитию различных отраслей хозяйства, большинство из которых испытывает большие потребности в водных ресурсах. Современный водохозяйственный комплекс в бассейне Дона начал складываться с 50-х годов прошлого столетия. Основной задачей было обеспечение питьевого, промышленного, сельскохозяйственного водоснабжения, бесперебойной подачи воды на нужды орошения и водного транспорта во всех частях водосбора. К настоящему моменту в водохозяйственный комплекс бассейна входит 43 водохранилища комплексного назначения с объемом более 10 млн. м (Схема комплексного использования..., 2011). Нижний Дон играет основную роль в системе единого глубоководного пути Европейской части России, включающего в себя 11 водных трактов и крупных магистральных каналов.

Большое количество водопотребителей с различными, порой противоречивыми требованиями к подаче воды в различные сезоны года, определяет зависимость функционирования всего водохозяйственного комплекса не только от величины общих водных ресурсов, их распределения по территории, но и от характеристик водного режима рек бассейна Дона в его различные фазы. Современные климатические изменения, бесспорно, отражаются на водном режиме рек России (Водные ресурсы..., 2008). В каких-то регионах эти изменения не оказывают сильного влияния на водный режим рек и проявляются достаточно слабо, в других же, как для бассейна Дона -приводят к его полной перестройке и значимым изменениям характеристик половодья, минимального стока и внутригодового распределения.

Все это оправдывает интерес к изучению современных изменений водного режима рек Донского бассейна как в связи с его хозяйственным значением, так и со стороны влияния меняющегося климата на характеристики речного стока в различные фазы водного режима.

Состояние изученности проблемы. Первые гидрологические наблюдения были организованы командующим Азовским флотом по указу Петра I в 17041706 гг. Первый стационарный гидрометрический пост был оборудован около г.Ростова в 1852 г., а в 1876 г. было открыто 6 водомерных постов, работающих по единой методической основе. Два из этих постов (г. Павловск и г. Калач на Дону) функционируют и по сей день.

В период с 1914 по 1920 гг. практически вся гидрометрическая сеть прекратила свою деятельность и лишь с 1922 г. восстановление постов начало осуществляться Донским бассейновым гидрографическим бюро. Плановое начало организации гидрологической службы было положено А.Ф. Самохиным, к 1936 г. число пунктов гидрологических наблюдений в Донском отделении достигло 65, а в 1932-1935 гг. были проведены первые обобщения данных о водном режиме и ресурсах в издании Государственный Водный Кадастр СССР. После периода упадка во время второй мировой войны развитие гидрологической сети получило новый толчок, потребовались обобщения накопленной информации о водном режиме, которые были собраны в сборниках «Ресурсы поверхностных вод СССР».

К началу XXI в. изучению водного режима рек, и в том числе рек бассейна Дона, было посвящено большое количество работ. Однако комплексного обобщения накопленных наблюдений по рекам бассейна за все фазы водного режима с учетом изменений последних 10-20 лет проведено не было.

В работах М.В. Болгова рассматриваются современные проблемы оценки водных ресурсов и водообеспечения в регионах с интенсивным водопользованием (на примере бассейна Верхнего Дона) (Болгов и др., 2005). Влиянию изменений климата на гидрологический режим собственно реки Дон посвящены статьи П.М. Лурье и В.Д. Панова (Лурье, Панов, 1999), а также

труды А.Г. Георгиади и И.П. Милюковой (Георгиади, Милюкова, 2006). В работах A.A. Гирса рассмотрено влияние атмосферной циркуляции на гидрометеорологическую обстановку (Гире, 1971). Современные исследования механизмов увлажнения Русской равнины, динамики стока рек исследуются в работах В.И. Бабкина (Бабкин, 2004, 2005, 2007). Аналогичные исследования для бассейна Дона проводил Т.Е.Баскаков (1981). Наиболее комплексное обобщение водного режима рек, в том числе и рек бассейна Дона на 2005 г. приводится в монографии ГГИ «Водные ресурсы России и их использование» (Водные ресурсы..., 2008).

Изучению современных климатических изменений и их влияния на сток Восточно-Европейской равнины посвящена коллективная монография «Прогноз климатической ресурсообеспеченности Восточно-Европейской равнины в условиях потепления XXI века» (Кислов и др., 2008).

Говоря о водном режиме рек Донского бассейна, нельзя не упомянуть трудов ученых Воронежского университета В.М. Мишона и В.А. Дмитриевой, посвященных комплексному изучению реки Воронеж и рек Воронежской области (Мишон, 2000; Дмитриева, 2007 и 2009). Кроме того, труды В.М. Мишона связаны с изучением основ оценки ресурсов поверхностных вод в зонах недостаточного увлажнения (Мишон, 2007).

Изучение минимального стока, и в том числе явлений отсутствия стока, рассматривается в работах A.M. Владимирова (частично на примере рек бассейна Дона) (Владимиров, 1970, 1976). Также вопросам минимального стока и его связям с характеристиками других фаз водного режима посвящены труды A.M. Норватова (Норватов, 1956,1958, 1960).

В работах C.B. Ясинского и Е.А. Кашутиной рассматриваются вопросы изменения гидрологического режима малых рек на основе данных Нижне-Девицкой водно-балансовой станции, а также вопросы формирования весеннего стока рек Русской равнины.

Изучению вопросов формирования весеннего половодья в том числе и в Донском бассейне посвящены труды Б.А. Аполлова, Г.П. Калинина,

В.Д. Комарова (Аполлов и др., 1974), работы Л.К. Вершининой (Вершинина, 1972, 1974, 1981), исследования В.Н.Паршина (Паршин, Салов,1955). Климатические факторы, влияющие на колебания весеннего стока, рассмотрены в работах О.В. Андроникова, Р.Г. Любимова (Андроников, Любимов, 2007). Современные подходы к формированию талого стока изложены в работах А.Н. Гельфана (Гельфан, 2007).

Наиболее полно водохозяйственный комплекс бассейна Дона, его характеристики и проблемы освоения рассмотрены в «Схеме комплексного использования и охраны водных объектов бассейна Дона» (Схема ..., 2011), выполненной ФГУП РосНИИВХ.

Также изучению хозяйственной деятельности в бассейне Дона посвящены работы А.Е. Косолапова (Воловик и др., 2009; Косолапов, Воловик, 2001).

В разработке методик оценки антропогенного воздействия на сток большую роль играют работы Н.И. Коронкевича (Антропогенные воздействия..., 2003), И.А. Шикломанова (Шикломанов, 1979). Изучению нормирования предельно допустимого изъятия, экологического стока посвящены труды В.Г. Дубининой (Дубинина, Косолапов, Вуглинский, 2010; Дубинина, 1978)

Основополагающую роль в изучении гидрогеологических условий и подземного стока Центрально-Черноземного района сыграли труды Б.И. Куделина (Куделин и др., 1963). Методологические оценки подземного стока в реки также рассматриваются в работах Р.Г. Джамалова и В.А. Всеволожского (Джамалов, 1983; Всеволожский, 1981).

Цель исследования - на основе полученной за последние годы гидрометеорологической информации и с применением современных методов анализа и расчетов изучить характеристики водного режима рек Донского бассейна в целом и за характерные периоды года, исследовать их пространственно-временную динамику в условиях меняющегося климата и антропогенного воздействия.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Сформировать базу данных гидрометеорологических характеристик климатических условий в бассейне, стока рек за различные фазы водного режима, включающую в себя метеорологические показатели, величины средних годовых, средних меженных, минимальных месячных расходов воды, а также характеристик весеннего половодья (слоя, объема стока, максимальных расходов, временных показателей).

2. Провести статистическую обработку гидрометеорологических данных для выявления статистической достоверности временных изменений гидрометеорологических параметров.

3. Построить комплекс карт характеристик стока и их изменений на основе данных статистического анализа за три периода 1936-2008, 1936-1969, 1970— 2008 гг., выявить пространственно-временные закономерности распределения этих характеристик.

4. Выделить однородные районы по процессам формирования и изменения водного режима на современном этапе.

5. Выявить достоверные изменения водного режима в современных климатических условиях, оценить его возможные последствия для водно-хозяйственного комплекса.

6. Изучить экстремальные проявления малой водности рек, в том числе явления отсутствия стока и характеристик бессточного периода.

7. Оценить возможности прогноза и расчета характеристик водного режима в его различные фазы, в том числе для неизученных рек.

Методика исследований и фактический материал. Исследование водного режима в диссертационной работе было проведено на основе данных наблюдений на 55 гидрологических постах для среднегодового и минимального стока, а также внутригодового распределения; на 20 репрезентативных гидрологических постах по показателям весеннего половодья, и 56 метеостанциях, приведенных в изданиях Ресурсов поверхностных вод. Данные за период 1988-2008 гг. были любезно предоставлены ФГБУ «СевероКавказское управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей

среды». Метеорологическая информация за весь период наблюдений также была предоставлена ФГБУ «ВНИИГМИ - МЦД». Данные о хозяйственной деятельности в бассейне, в том числе Схема комплексного использования и охраны водных объектов бассейна Дона взяты из открытых источников сайта Донского БВУ (http://www.donbvu.ru/ne_4847728). Регистр гидротехнических сооружений предоставлен Центром регистра и кадастра (waterinfo.ru). Представленные в работе карты построены с помощью пакета ArcView. Статистическая обработка проводилась с помощью пакетов Statistica и Excel.

Предметом защиты являются:

1. Результаты регионального гидрологического обобщения современного пространственного распределения характеристик водного режима рек бассейна Дона и их изменений.

2. Методики расчета и прогноза характеристик водного режима, в том числе среднегодового, среднего меженного, минимального месячного стока за летне-осенний и зимний период, характеристик стока за половодье -максимальных расходов, слоя стока, дат начала и окончания, продолжительности половодья.

3. Результаты анализа многолетних колебаний стока за различные фазы водного режима рек Донского бассейна в контексте меняющегося климата.

Научная новизна заключается в комплексном региональном пространственно-временном обобщении характеристик водного режима рек Донского бассейна с учетом современной гидрометеорологической информации, оценке влияния происходящих и ожидаемых изменений климата на водный режим рек и водохозяйственный комплекс территории, наборе методических приемов, позволяющих определять характеристики водного режима в условиях отсутствия или недостатка данных наблюдений, обновлении методических подходов к прогнозированию характеристик стока в условиях меняющегося климата.

Практическая значимость работы заключается в региональном анализе современной гидрометеорологической обстановки в Донском бассейне, разработке практически реализуемых подходов к прогнозированию и расчетам характеристик стока за различные фазы водного режима, оценке масштабов современных климатических изменений и их влияния на водный режим рек территории. Полученные зависимости и комплекс карт могут быть использованы для характеристики водного режима и оценки его возможного изменения на неизученных реках. Практическую ценность имеет разработка методических средств для прогнозирования характеристик стока в контексте напряженной водохозяйственной обстановки в Донском бассейне. Практическое значение имеет анализ экстремальных гидрологических ситуаций, а именно маловодий (на примере 2010 г.), а также явления отсутствия стока.

Результаты регионального анализа характеристик водного режима рек бассейна Дона, оценка водных ресурсов бассейна в условиях климатических изменений вошли в отчет по Государственному контракту № 02.740.11.0336 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009-2011). Методические средства оценки характеристик водного режима и их прогнозирования для рек Донского бассейна разработаны в рамках той же ФЦП при выполнении государственного контракта П164 «Совершенствование системы мониторинга гидрологических процессов для повышения эффективности и безопасности водопользования»).

Оценки экстремальных событий, связанных с недостатком водных ресурсов, явлений отсутствия стока рек получены при выполнении Государственного контракта с Московско-Окским бассейновым водным управлением (2010-2012). Ряд важных практических результатов получен при выполнении проектов РФФИ: № 10-05-00252 «Влияние изменений климата на формирование речно�