ВОДНО-РЕСУРСНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ НИЖНЕГО УРАЛА И ЕГО ПРОГНОЗИРУЕМЫЕ КЛИМАТИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ 

WATER RESOURCES OF THE LOWER URAL AND FORECASTING CLIMATIC CHANGES 

А.Ж. Кенжебаева¹, Д.В. Магрицкий², В.М. Евстигнеев³, Г.С. Ермакова⁴

A.Zh. Kenzhebayeva¹, D.V. Magritsky², V.M. Evstigneev³, G.S. Ermakova⁴ 

¹ Институт географии и природопользования МНК «Астана»

(Казахстан, Астана, просп. Кабанбай батыра, 8, офис 404)

2 МГУ имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра гидрологии суши (Россия, Москва, ул. Ленинские Горы, д. 1, каб. 1721)

3 МГУ имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра гидрологии суши (Россия, Москва, ул. Ленинские Горы, д. 1, каб. 1721)

⁴ Государственный океанографический институт имени Н.Н.Зубова

(Россия, Москва, Кропоткинский пер. 6) 

¹ Institute of Geography and Environmental Research of ISC «Astana»

(Kazakhstan, Astana, Kabanbay Batyr Avenue, 8, 404)

2 Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography, Department of Land Hydrology (Russia, Moscow, Leninskie Gory Str., 1, 1721)

3 Lomonosov Moscow State University, Faculty of Geography, Department of Land Hydrology (Russia, Moscow, Leninskie Gory Str., 1, 1721)

4 Zubov State Oceanographic Institute

(Russia, Moscow, Kropotkinskiy alley, 6)

e-mail: ¹aiymgul_92@bk.ru; Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.">²magdima@yandex.ru; Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.">³v-m.evstigneev@yandex.ru; ⁴ermakova_gs@mail.ru

Статья посвящена вопросам многолетних и пространственных изменений годового стока нижнего течения реки Урал, или Жайык. Выявлены основные тенденции в изменении годового стока и водного режима реки. Определены антропогенные и климатические причины данной изменчивости. Составлен прогноз климатических изменений водных ресурсов.

This paper focuses on issues of long-term and along-channel changes in annual water runoff at the lower reaches of the Ural, or Zhaiyk River. The main trends of annual runoff and water regime variability were found. The anthropogenic and climatic reasons of that variability were identified. The forecast of climatic changes of river water resources was made. 

Введение

Нижний Урал, или Жайык, является главной рекой Западного Казахстана, и одной из основных, впадающих в Каспийское море. Река имеет важное социально-экономическое и экологическое значение для развития экономики региона, благополучия населения и состояния экосистем. Воды Жайыка используются в сельском и рыбном хозяйстве, отраслях промышленности, для водоснабжения населения и др. Его водно-ресурсный потенциал зависит как от антропогенных факторов – водохозяйственных мероприятий, водозабора и др., проводимых в бассейнах реки и ее притоков, так и от современных климатических изменений на территории бассейна. Значительные изменения характеристик стока и водного режима нижнего течения реки Урал (Жайык), снижение угрозы от стоковых наводнений, но обострение ситуации с маловодьями и дефицитом воды за последние десятилетия обуславливают необходимость подробного изучения данных вопросов, получения актуальных гидроклиматических оценок и прогнозов.

Материалы и методы исследования

В ходе работы были использованы данные многолетнего гидрологического мониторинга, опубликованные в Гидрологических ежегодниках, и материалы Государственного водного кадастра. Данные по расходам и уровням воды брались с дискретностью средних суточных, месячных и годовых, а также характерных, за весь период наблюдений (до 2014 г.) по 13 гидрологическим постам на р. Урал и ее основных притоках. Также для проводимого анализа привлекались ежегодные данные водохозяйственного мониторинга по искусственным заборам и сбросам речных и подземных вод, антропогенным изменениям речного стока и другим аспектам водохозяйственной деятельности [1-4, 8-10].

Для анализа климатических показателей (температуры воздуха и суммы атмосферных осадков) использовались данные 6 метеостанций, равномерно распределенных (как в высотном, так и площадном отношении) по территории бассейна реки Урал. Источником метеоданных стал интернет-ресурс ВНИГМИИ МЦД [http://meteo.ru/data, 2016]. Также привлекались результаты глобального объективного анализа данных NASA [http://data.giss.nasa.gov/gistemp, 2017].

Основными методами обработки и анализа исходных данных служили стандартные гидрологические расчеты, проводимые согласно СП 33-101-2003. Также применялись водно-балансовые, интегральные, статистические и другие методы проверки многолетних рядов на нарушение условий формирования и транзита речного стока хозяйственной деятельностью, обоснования причинно-следственных связей.

Прогноз по изменениям речного стока в бассейне р. Урал к середине XXI в. получен с использованием методики, разработанной авторами на основе метода водного баланса и успешно апробированной для средних рек Восточно-Европейской равнины и Западной Сибири [5].

Результаты и их обсуждение

Многолетняя изменчивость годового стока. По результатам анализа многолетних колебаний годового и сезонного стока р. Урала, осадков и температуры воздуха в бассейне выделяются три относительно однородных периода со своими особенностями климатических и водохозяйственных условий формирования и транзита речного стока (табл. 1) [7, 6]. Первый период с условно-естественным водным режимом реки продолжался до 1957 г., т.е. до начала работы Ириклинского водохранилища – самого крупного водохранилища в бассейне р. Урала. Период зарегулированного стока (второй) приходится на 1958-1977-е годы, он, кроме того, характеризуется нарастанием антропогенной нагрузки на водные ресурсы бассейна. Третий период – современный, начавшийся примерно в 1978-м году, – отличает максимальная водохозяйственная нагрузка, а также статистически значимые и направленные климатические изменения в регионе.

Таблица 1 Параметры стока воды нижнего Урала в характерные периоды

Конечно, одной из основных причин изменений стока и водного режима рек в бассейне р. Урала являются различия в структуре и объемах водопользования выше по течению. Для зарегулированных рек, а также бассейнов с большим водопотреблением, 1958-1977 гг. были самыми маловодными. В последующем, несмотря на продолжившийся рост объемов водопотребления и потерь на дополнительное испарение, водность Урала выросла вследствие благоприятного воздействия климатических факторов – роста осадков. На равнинных и степных реках левобережной части бассейна рост в третий период если и был, то совсем незначительный.Помимо изменений величины годового и сезонного стока реки и главных ее притоков, границ гидрологических сезонов, характерных расходов, которые детально изучены и количественно оценены авторами, обнаружено статистически значимое снижение межгодовой изменчивости характеристик стока на притоках и в верхнем течении реки, и в большей степени – на зарегулированных участках рек. Вообще годовой сток Урала и многих притоков характеризуется чрезвычайной межгодовой изменчивостью. Тогда как с переходом из прошлых периодов к современному коэффициент вариации (C_v) среднегодовых расходов воды (Q_ср) снизился на ~30%. Снижение C_v, за редким исключением, зафиксировано и у остальных характеристик стока – максимальных расходов воды (Q_макс) и объема стока половодья (W_П), минимальных расходов летне-осенней межени (Q_минЛО) и минимальных расходов зимней межени (Q_минЗ). Объемы стока за характерные фазы водного режима и за каждый год периода наблюдений – это один из важных результатов обработки авторами данных по среднесуточным расходам воды на постах Кушум и Тополи/Махамбет.

Водный режим и его многолетние изменения. Нижнее течение реки Урал по типу водного режима относится к казахстанскому [8]. Ему присуще крайне неравномерное внутригодовое распределение стока с очень выраженным весенним половодьем, во время которого в условно-естественный период проходило от 75 до 85% годового стока и максимальные за год расходы воды. Поэтому связи между W_пол и W_год, Q_макс и W_пол и другими параметрами были довольно тесными (R²≈0,93-0,99 до 1958 г.). С переходом к следующим периодам доля весеннего половодья в годовом стоке снизилась до 65-75%; на участках рек заметного антропогенного воздействия, особенно со стороны водохранилищ, уменьшились W_П и особенно Q_макс, а также высота половодья и как следствие опасность наводнений; начало и окончание половодья сместились на более ранние даты; изменились параметры кривых обеспеченностей W_П и Q_макс, а также форма гидрографа половодья. Так, на г/п Кушум длительность подъема половодья увеличилась c 25 сут. в 1936-1957 гг. до 41 сут. в 1978-2012 гг., величина волны половодья уменьшилась и гидрограф приобрел более сглаженный вид, длительность спада сократилась с 84 до 72 сут. Уменьшилась теснота связей между параметрами стока, в особенности между W_П и W_ЛО.

Роль и водность летне-осенней межени с паводками (с июня–июля до ноября–декабря) не столь значительны в нижнем течении, так как паводки распластывается к этому участку реки. Ввиду антропогенных и климатических факторов увеличились W_ЛО (в 1,3-1,6 раза и более), его доля в годовом стоке (варьировалась от 5-20%, стала 15-25%) и продолжительность (на постах Кушум и Махамбет на 14-16 сут). Параметры зимней межени также имели аналогичные изменения, но бóльшие по величине, за исключением продолжительности, которая уменьшилась на 9 сут.

Прогноз изменения речного стока на середину XXI в. К середине XXI в. (2046−2065 гг.) следует ожидать общего снижения стока рек в бассейне р. Урал, по отношению к его величине в 1961-1989 гг. [6, 7] (табл. 2) При среднем варианте развития бóльшая часть бассейна попадает в область уменьшения стока на 10-20%, и только на южных окраинах, где рек практически нет, ожидается более серьезное его уменьшение. При наилучшем варианте годовой сток рек понизится на 5-10% в северной части бассейна и на 10-15% в южной. При наихудшем варианте сток снизится более чем на 20-30% во всем бассейне. Коэффициент вариации при этом, возможно, возрастет на 5-10% у рек большей части бассейна. В результате, общее сокращение стока и увеличение межгодовой его изменчивости приведут к повышению повторяемости маловодных лет, включая годы с экстремально низкой водностью.

Таблица 2 Величины относительного изменения параметров стока Урала на середину XXI в.

Выводы В отличие от годового стока картина распределения величины K_y стока половодья более пестрая. На крайнем юге бассейна ожидается уменьшение стока половодья более чем на 50%, а на крайнем северо-востоке менее чем на 10%. В основной части бассейна K_y=0,6-0,9. При наилучшем варианте не отрицается даже увеличение стока весеннего половодья до 10% на северо-востоке. Вероятность прохождения высоких половодий (p=1%) может вырасти в 2 раза.

• Значительное воздействие антропогенных факторов и изменение климатических условий, нагрузка на природно-хозяйственные комплексы как р. Урал, так и его нижнего течения, возникающие трансформации стока и водного режима реки требуют современных оценок, анализа и понимания причин таких изменений, что и было проведено авторами;
• Антропогенное воздействие на реку Урал оказалось значительным, особенно в период с середины 1970-х по начало 1990-х гг (∆W_хоз~23%). В настоящее время антропогенная нагрузка меньше (∆W_хоз~17%), но по оценкам WMO также оценивается как критически высокая;
• Сейчас благоприятные климатические условия и сокращение объемов водопотребления ограждают от возникновения водного кризиса, но к середине XXI века следует ожидать снижение стока рек на 10-20% (в сравнении с 1961-1989 гг.) и на 20-30% при наихудшем сценарии. 

Исследования выполнены за счет гранта РНФ № 14-17-00155 (водные ресурсы р. Урал, многолетняя изменчивость годового стока, водный режим и его многолетние изменения) и госбюджетной темы кафедры гидрологии суши МГУ на 2016-2020 гг. «Гидрологический режим водных объектов суши в условиях изменения климата и антропогенного воздействия». 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Вуглинский В.С. Водные ресурсы и водный баланс крупных водохранилищ СССР. Л., 1991. 223 с.
2. Государственный водный кадастр. Ресурсы поверхностных и подземных вод, их использование и качество. Ежегодное издание. Л., СПб, М., 1981-
3. Григорьев О.М. Оценка влияния промышленно-коммунального водопотребления на сток р. Урал // Труды ГГИ. 1981. Вып. С. 45-61.
4. Демин А.П. Использование водных ресурсов России: современное состояние и перспективные оценки: Автореф. докт. дисс. М., 2011. 51 с.
5. Евстигнеев В.М., Сидорова М.В., Ермакова Г.С. Водные и гидроэнергетические ресурсы в условиях глобального потепления // Эколого-географические последствия глобального потепления климата XXI века на Восточно-Европейской равнине и в Западной Сибири. М., 2011. С. 243-
6. Кенжебаева А.Ж., Магрицкий Д.В., Евстигнеев В.М., Юмина Н.М., Школьный Д.И., Ермакова Г.С., Похорская В.П. Закономерности, оценки и факторы современных и будущих изменений стока и водного режима рек в бассейне р.Жайык (Урал) // Водные и экологические проблемы Сибири и Центральной Азии: Тр. III Всерос. науч. конф. Барнаул, 2017. Т.  С. 27-39.
7. Магрицкий Д.В., Евстигнеев В.М., Юмина Н.М., ТороповП.А., Кенжебаева А.Ж., Ермакова Г.С. Изменения стока в бассейне р.Урал // Вестн. Моск. ун-та. Сер.  География. 2018. № 1. С. 90-101.
8. Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 12. Вып. 2. Л., 1970. 512 с.
9. Родионов В.З. Влияние хозяйственной деятельности на сток р.Урала // Тр. ГГИ. 1977. Вып. 239. С. 109-122.
10. Шикломанов И.А. Антропогенные изменения водности рек. Л., 1979. 302 с.