Вековые и многолетние колебания водности

Режим реки характеризуются прежде всего колеба­ниями ее водности. Водность – это количество воды, переносимое рекой за какой-либо период (месяц, сезон, год, ряд лет) в сравнении со средней многолетней величиной стока воды этого периода. Водоносность – это величина среднего многолетне­го стока реки (м³/с, км³/год).

Вековые колебания водности рекотражают изменения климатических условий с периодом сотни и тысячи лет. Палеогеографические исследования свидетельствуют о том, что в истории различных регионов планеты были периоды, когда вод­ность рек была существенно больше, чем сейчас. Так, в Европе водный сток рек увеличивался в холодные и влажные периоды (1400-1300, 900-300 гг. до н.э., 400-750, 1150-1300, 1550–1850 гг. н.э.). 1550–1850 годы характеризовались активным наступлением ледников в Альпах и получили название «малого ледникового периода». Наоборот, в теплые и засушливые годы водный сток рек уменьшался. В Европе к таким периодам относят 900–1100 годы, названные «средневековым кли­матическим оптимумом».

Многолетние колебания водности рекимеют периодичность в десят­ки лет. Данные инструментальных наблюдений свидетельствуют о том, что многолетним колебаниям подвержен и суммарный сток всех рек земного шара и сток отдельных рек (табл. 3.9).

Для характеристики многолетних колебаний стока рек обычно используют четыре приема: 1) сравнивают средний сток реки за некоторые характерные периоды (см. табл. 3.9); 2) анализируют многолетние изменения средних годовых расходов воды реки (рис. 3.23, а); 3) проводят «сглаживание» колебаний стока путем 5- или 6-летнего скользящего осреднения (рис. 3.23, а); 4) строят так называемую нормированную разностную интегральную кривую годового стока (рис. 3.23, б) путем последо­вательного суммирования нормированных отклонений средних го­довых расходов воды от осредненного расхода воды ( ) за период наблюдений: , где модульный коэффициент Эта кривая позволяет выделять периоды, когда сток реки увеличивался или уменьшался. Используют также другие статистические методы, например, спектральный и автокорреляционный анализы – для выделения циклов в колебаниях водности.

При анализе многолетних колебаний водности рек принято раз­личать естественную и антропогенную изменчивость речного стока. Первая из них обусловлена лишь климатическими факторами, вторая – хозяйственной деятельностью (забором вод на хозяйственные нужды, потерями стока на испарение после создания водохранилищ и др.). Особенно значительными потерями стока рек Европейской территории СССР и Средней Азии на заполнение водохранилищ и изъ­ятие вод на орошение были 50–70-е годы 20 столетия. Напротив, из-за спада как промышленного, так и сельскохозяйственного производства в 90-е гг XX века объемы водозабора в бассейне Волги и других рек степной зоны России заметно уменьшились. В то же время антропогенное снижение стока двух главных рек Средней Азии – Амударьи и Сырдарьи – продолжается и в настоящее время. Сокращение стока Амударьи и Сыр­дарьи явилось основной причиной сокращения и деградации Аральского моря.

Исследования показали, что в ко­лебания водности Волги (рис. 3.22, табл. 3.9) основной вклад вносит климатический фак­тор. Несмотря на безвозвратные потери стока в бас­сейне Волги, вызванные водозабором на хозяйственные нужды и испарением с водохранилищ Волжско-Камского каскада, естественные климатические изменения стока превышают антропогенные. Особенно это проявилось в последние деся­тилетия, когда сток Волги заметно увеличился вследствие изменения характера циркуляции атмосферы, сопутствующего увеличению осадков.

Таблица 3.9. Многолетние изменения стока воды и наносов некоторых рек по данным Гидорлметслужбы [19]

¹ Числитель –данные за 1942–1955 гг, знаменатель – за 1956–1969 гг. ² Данные за 1941– 1967 гг. ³ Данные за 1968–1987 гг . Прочерк означает отсутствие данных

В многолетних колебаниях стока Волги (рис. 3.22) хорошо про­слеживается периодичность, обусловленная в основном климати­ческими причинами. Самым многоводным за весь период наблюдений был 1926 г., когда годовой сток Волги составил 368 км³ (в 1,5 раза больше среднего многолетнего); следующими по водности были 1928 и 1994 г. (342 и 339 км³). Наиболее маловодными были 30-е и 70-е гг. XX века, а наименьший сток отмечался в 1921 и 1973 г. (149 и 163 км³). Совмещение на рис. 3.23 графиков изменения стока Волги и ко­лебаний уровня Каспийского моря показывают, что главная причина в колебаниях уровня Каспия – изменения стока Волги. Вместе с тем возросшие объемы изъятия стока под влиянием хозяйственной деятельности усилили маловодье Волги в 70-х годах. И напротив, заметное увеличение естественного стока Волги в последние 20–25 лет совпало с периодом спада как промышленного, так и сельскохозяйственного производства, что способствовало еще большему увеличению водности. Таким образом, современное увеличение стока Волги имеет под собой как климатическую (она основная), так и антропогенную причины [19].

Если водность различных рек изменяется параллельно, то говорят о синхронности колебаний их стока. Обычно синхронно изменяется водность тех рек, которые расположены более или менее близко друг от друга. В целом синхронно колеблется водность рек юга Европейской части (Дона, Кубани, Волги) и рек севера Европейской части России (Печоры, Северной Двины). Так, повышенный сток многих европейских рек одновременно отмечался в 40-е годы прошлого века. Последние десятилетия оказались весьма много­водными вследствие увеличения количества осадков. Кроме того, в связи с эко­номическими причинами несколько сократился объем водозабора, что также способствовало увеличению водности.

По оценкам И. А. Шикломанова и В. Ю. Георгиевского (2003, 2004), в последние 20 лет сток рек в северной и северо-восточной частях Волжского бассейна возрос почти на 30 %. Увеличился сток рек Сибири и других рек Рос­сии. У многих рек (Волги, Дона, Днепра, Урала, Иртыша) суще­ственно – на 20–40 % – увеличился сток в летне-осенние и зим­ние месяцы. Причина таких изменений стока, как отмечалось выше,– возрастание атмосферных осадков и общей увлажненности территории.

Рис. 3.22. Изменения стока воды Волги и уровня Каспийского моря в XX веке [В.Н. Михайлов и др., Гидрология, МГУ, 2005. а – расходы воды Волги в вершине дельты у Верхнего Лебяжьего: средние годовые (1), при скользящем 6-летнем осреднении (2), б – нормированная разностная интегральная кривая стока Волги, в – средние годовые уровни воды Каспийского моря (Махачкала).

Если наблюдаются несовпадения харак­тера изменения водности у разных рек, то говорят об асинхронности колебаний их стока. Замечено, что асинхронно изменяется сток рек Европейской части России и Восточной Сибири. Периодам повышенного естественного стока на Волге, например, нередко соответствуют периоды пониженного стока на Енисее и Лене, и наоборот. Асинхронность в колебаниях водности рек разных регионов объясняется различием в процессах циркуляции атмосферы. Например, нередки случаи, когда активизация циклонической деятельности над Европейской территорией России сопровождается установлением антициклона над Сибирью, и наоборот.