СТОК В СТЕПНОЙ ЗОНЕ
RUNOFF IN THE STEPPE ZONE
Н.И. Коронкевич, С.В. Долгов, Е.А. Барабанова, И.С. Зайцева
N.I. Koronkevich, S.V. Dolgov, E.A. Barabanova, I.S. Zaitseva
Учреждение Российской академии наук Институт географии РАН
(119017 Москва, Старомонетный пер., д. 29)
Institute of Geography RAS
(119017, Moscow, Russia, Staromonetny lane, 29, IG RAS
e-mail: hydro-igras@yandex.ru)
В статье рассматриваются особенности формирования стока в степной зоне в пределах Русской равнины. Особое внимание уделяется его смене под влиянием сельскохозяйственной деятельности на водосборных бассейнах.
Peculiarities of runoff formation in the Steppe zone within Russian plain are considered. Special attention is paid to its changers under the influence of agricultural activity on catchments.
Основная черта местного стока в степной зоне – его относительно небольшие значения. На территории Русской равнины слой среднего многолетнего полного речного годового стока в степной зоне в пределах России, Украины, Молдавии составляет в среднем 40-50 мм, из которых примерно 10% приходится на подземную составляющую и 90% – на поверхностную. Тогда как в таежной зоне Русской равнины полный речной годовой сток равен 300 мм, из которых около 30% приходится на поверхностную и несколько более 70% на подземную составляющие. В соседней лесостепной зоне полный речной годовой сток составляет в среднем 110 мм, из которых более 1/3 – подземная составляющая. Основная причина относительно низких значений стока – небольшие атмосферные осадки (в среднем за год – 500 мм) и высокая испаряемость. Для сравнения: в таежной зоне выпадает более 700 мм, а в лесостепной – в среднем 650 мм. Коэффициент годового речного стока в степной зоне менее 0,1. В таежной зоне он более 0,4, в лесостепи – около 0,2.
Сток в степной зоне отличается крайней неравномерностью во времени как от года к году, так и по сезонам. Около 70% годового стока проходит в период короткого весеннего половодья. Причем в отдельных, преимущественно восточных районах, на весеннее половодье приходится до 90% годового стока. В таежной зоне во время весеннего половодья проходит в среднем несколько более половины годового стока, а в лесостепи – около 65%.
Несмотря на невысокие удельные значения (в слое стока) в расчете на всю площадь степной зоны в пределах Русской равнины (более 1 млн км2) суммарная величина среднего многолетнего речного стока составляет немалую величину – 52 км3/год, что приблизительно соответствует стоку такой реки, как Днепр в устье. При этом подземная составляющая оценивается в 6 км3/год, а поверхностная – в 46 км3/год. Фактически же ресурсы речного стока в степной зоне намного больше приведенных значений за счет транзитного стока, на Русской равнине – за счет стока таких рек, как Волга, Днепр, Дон, Урал, Кубань. Интересно, что на Русской равнине транзитный сток в степную зону поступает в основном с севера, а в Азиатской части России – с юга. С учетом транзитного стока общие водные ресурсы степной зоны Русской равнины превышают 340 км3/год, что почти в 7 раз больше ресурсов местного стока.
Рассмотрим пространственную (в пределах речного бассейна) структуру местного речного стока за основную гидрологическую фазу – весеннее половодье. Основную информацию для этого дают воднобалансовые (стоковые) станции. Обобщение, выполненное нами по действующим и действовавшим ранее воднобалансовым станциям в степной зоне в пределах как Русской равнины (обсерватория Каменная степь, Дубовская и др.), так и Азиатской части страны показало следующее. Весенний поверхностный склоновый сток с лесных участков практически отсутствует. Больше того, имеющимися лесными массивами и особенно лесополосами перехватывается поверхностный склоновый сток с вышележащих склонов и переводится в запасы почвенных и подземных вод. Также близок к нулю поверхностный сток с немногих уцелевших целинных участков, сток с полей, вспаханных под зябь на суглинках, как правило, меньше 20 мм. Во многие годы он отсутствует. Сток на суглинках с залежи, полей, занятых стерней, озимью и других невспаханных с осени в 2,5-4 раза больше. На супесях сток в среднем в 2 раза ниже, чем на суглинках. Средневзвешенный (с учетом структуры угодий и механического состава почвы) весенний поверхностный склоновый сток за период исчисления нормы стока (конец XIX в. – 1960-е гг.) составляет в степной зоне примерно 30 мм, а коэффициент стока – около 0,4.
Помимо склонов важный территориальный элемент формирования стока – площадь, занятая гидрографической сетью (овражно-балочной и речной). В среднем площадь, занятую гидрографической сетью, можно оценить в 15-25%. Условия формирования стока в гидрографической сети специфичны и существенно отличаются от условий формирования стока на прилегающих пологих склонах прежде всего значительно большей приходной частью водного баланса. Известно, что отрицательные формы рельефа накапливают в целом большое количество снега, главным образом за счет сноса его ветром с окружающих территорий. В овражно-балочной сети его накапливается к началу снеготаяния в среднем в 3 раза больше, чем на сельскохозяйственных полях. Несколько ниже это соотношение для других элементов гидрографической сети. Период снеготаяния здесь также значительно дольше, за счет чего удлиняется период, в течение которого дождевые осадки дают сток.
На коэффициент стока в гидрометрической сети действуют два разнонаправленных фактора. С одной стороны, на смытых и намытых почвах инфильтрационная способность понижена, что способствует увеличению коэффициента стока по сравнению с пологими склонами. С другой стороны, большие снегозапасы предохраняют почву от промерзания и снижают коэффициент стока. В среднем коэффициент весеннего стока здесь составляет 0,5. Нередко слой поверхностного склонового стока оказывается выше полного речного за счет того, что значительная часть воды, стекающей со склонов, задерживается в замкнутых отрицательных формах рельефа и фактически в формировании речного стока участвует лишь часть склонового стока. То есть «действующая» площадь водосбора может быть существенно ниже официальной, даваемой в различного рода гидрологических справочниках.
В среднем поверхностный склоновый сток и сток с гидрографической сети примерно равны в период половодья по участию в полном речном стоке. В маловодные годы сток со склонов или отсутствует или практически полностью задерживается в замкнутых отрицательных формах рельефа и на участках с повышенными инфильтрационными свойствами почвы, и тогда практически весь поверхностный сток формируется в гидрографической сети. В многоводные годы склоны дают 60% стока половодья.
В степной зоне практически отсутствует сток верховодки, который широко распространен в лесной зоне. Подземный сток, как уже отмечалось, мал и формируется в основном в так называемых «потускулах». Основу приходной части водного баланса в них составляют приносимый ветром снег и поверхностный сток, притекающий с прилегающих склонов. При глубине залегания уровня грунтовых вод 10 и более метров сплошного по территории питания подземных вод не происходит.
Территория степных районов давно уже подвергается интенсивному антропогенному воздействию, в первую очередь – сельскохозяйственному. С гидрологических позиций можно выделить 4 периода в состоянии ландшафтов степной зоны Русской равнины: 1 – естественных ландшафтов; 2 – стихийно измененных, 3 – преобразованных, 4 – современных.
Первый период имел место до массовой распашки земель, которая в основном была осуществлена в конце XIX – начале XX века и завершена в 1950-е гг. во время кампании по освоению целины. Поверхностный склоновый и речной сток в этот период были минимальными ввиду высоких инфильтрационных свойств почв под целиной. Речной сток был в среднем не более 30 мм и гораздо более равномерно распределен по сезонам, чем сейчас.
Во второй период (на большей части степной зоны до 1930-х гг.) характерна массовая распашка земель, причем под яровые культуры почва вспахивалась преимущественно весной. Ко времени весеннего снеготаяния почва оказывается уплотненной, что повышает поверхностный сток. Он также повышен на полях с озимыми и другими культурами, вспаханных весной. Поверхностный склоновый сток оказывался при этом в несколько раз больше, чем на целине, способствуя резкому усилению эрозии, а речной сток, в основном за счет весеннего половодья, возрос более чем в 1,5 раза. На крайне негативные последствия такого освоения степей одними из первых обратили внимание знаменитые почвоведы В.В. Докучаев, А.А. Измаильский, Н.А. Костычев.
Начало 3 периода на большей части степной зоны приурочено ко времени коллективизации сельского хозяйства и связанного с этим массового применения зяблевой (осенней) тракторной пахоты под яровые культуры. Поверхностный склоновый сток на зяби, с учетом более выраженного, чем на других угодьях, ветрового сноса снега, оказывается в 3-5 раз меньше. Расчеты показывают, что, если под зябью занято 20% площади водосбора, то весенний поверхностный склоновый сток снижается на 20-30%, если зябь занимает около 40%, то снижение составляет более 50%. Аналогичный расчет для речного стока дают величины снижения 10-15% и 20-30% соответственно. С учетом других мероприятий по задержанию стока на полях речной сток в степной зоне в 3 период снизился до 35-40 мм.
Современный (4-й) период, исчисляемый с начала 1990-х гг., характеризуется кризисными явлениями в сельском хозяйстве. Уровень агротехники снизился, уменьшилась площадь зяблевой вспашки под яровые культуры. Поверхностный склоновый и полный речной сток выросли до значений, промежуточных между 2 и 3 периодами.
Указанные выше величины даны без учета климатических изменений, которые ярко проявились на современном этапе. Именно с изменением климата (его потеплением, особенно в зимний период, и увеличением осадков) многие исследователи связывают современное увеличение речного стока на большей части степной зоны, наиболее выраженное в летний и зимний сезоны, при стабилизации или даже уменьшении стока весеннего половодья. Несомненно, определенный вклад в эти изменения вносят и антропогенные факторы. Помимо сельскохозяйственной деятельности на водосборах это – гидротехническое строительство, водозабор на различные нужды, рост урбанизированных площадей и ряд других видов хозяйственной деятельности. Выявление соотношения роли природных и антропогенных факторов в изменении стока в различные периоды, в том числе в современный, требует дополнительных исследований. В этой связи весьма актуально создание сети воднобалансовых станций, относительно равномерно охватывающих степную зону России и нацеленных на изучение генезиса поверхностного, подземного и полного стока.