Наводнения причиняют значительный материальный ущерб. В 2017 г. на реке Ишим наблюдались максимальные уровни воды за период регулирования ее стока (1968–1970 гг.). На отдельных участках Ишима был превышен максимальный уровень за весь период инструментальных наблюдений. По высоте уровня этот год был близок к катастрофическому наводнению 1941 г., охватившему тогда территории двух крупнейших бассейнов Сибири – Оби и Енисея [1]. В многоводные годы на реке Ишим уровень воды поднимается на 5–11 м. Каждый дополнительный метр подъёма уровня в условиях плоского рельефа приводит к затоплению обширных территорий, к ухудшению естественного дренирования, к увеличению заболачивания.
Целью исследования является изучение пространственно-временной изменчивости гидролого-климатических факторов формирования максимальных уровней воды на р. Ишим и их современных трендов.
Материалы и методы исследования
На первом этапе исследования было рассмотрено влияние географической среды и воздействие антропогенной деятельности на водный объект, как основных геоэкологических факторов формирования параметров стока. На следующем этапе исследована пространственно-временная изменчивость климатических факторов (приземной температуры воздуха, атмосферных осадков, глубины промерзания почвы) за весь период регулярных инструментальных наблюдений. Исходными материалами для исследования динамики температуры воздуха, атмосферных осадков, снежного покрова, сезонного стока, максимального уровня воды в работе использовались данные Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды России (Росгидромет) [2]. Для исследования были использованы методы комплексного гидролого-географического анализа; математические методы и программные средства обработки данных (MicrosoftExcel, GidroStatistica, STATISTICA).
Значимость линейных трендов оценивалась по методике работы [3]. Проверка однородности рядов рассчитана при уровне значимости 5 %.
Результаты исследования и их обсуждение
Бассейн р. Ишим расположен частично в северной части Казахского мелкосопочника и южной части Западно-Сибирской равнины, имеет грушевидную форму, в верхней части шириной около 700, средней – 300 и нижней – 150 км. Площадь его водосбора составляет 177000 км2 (в пределах Российской Федерации – 59000 км2), а длина реки 2450 км (в пределах РФ – 667 км). Территории бессточных бассейнов, тяготеющих к реке, включены в площадь водосбора. Форма водосбора Ишима способствует равномерному притоку талой воды с водосбора в его нижней части и при дальнейшем транзите – наложению на местный сток в средней части.
Река Ишим зарегулирована водохранилищами в верхнем течении. С вводом в эксплуатацию Вячеславского и Сергеевского водохранилищ [4] в 1968–1970 гг. среднее многолетнее значение максимального за год уровня у г. Ишим и с. Викулово изменилось только на ±3–4 %. При этом увеличилась вариация максимального уровня (коэффициент вариации увеличился с 0,54 до 0,60) у г. Ишим. У с. Викулово коэффициент вариации, напротив, незначительно уменьшился от 0,52 до 0,47. На рис. 1 показан многолетний ход максимальных уровней воды на р. Ишим в отклонениях от среднемноголетнего за зарегулированный период с 1968 по 2015 гг.
Рис. 1. Хронологический график максимальных уровней воды на р. Ишим в отклонениях от среднемноголетнего за период регулирования стока 1968–2017 гг.
Наиболее влияющим на формирование максимальных уровней воды р. Ишим климатическим фактором является максимальный запас воды в снежном покрове, разрушение которого и вызывает основную фазу режима реки – весеннее половодье. Коэффициент корреляции максимальных уровней весеннего половодья и средних по бассейну запасов воды в снежном покрове достигает 0,54 в природной зоне степей, а также 0,42 – в лесостепной и лесной зоне.
Максимальный запас воды в снежном покрове за период инструментальных наблюдений проанализирован по 7 постам водосбора Ишима: Ильинка, Ишим, Мергень, Стрехнино, Абатский, Викулово, Орехово. Анализ подтвердил значительные колебания максимального запаса воды в снеге по годам и показал общую тенденцию к увеличению. Осредненные данные о запасах воды на водосборе показаны на рис. 2.
Рис. 2. Хронологический график осредненного по водосбору р. Ишим максимального запаса воды в снежном покрове
Максимальный запас влаги в снежном покрове по территории изменяется от 80 мм в зоне лесостепей до 120 мм в лесной природной зоне (табл. 1) [5]. Отмечаются его значительные временные колебания по годам для всех природных зон. Так, если наименьшие значения максимального количества влаги по пунктам в бассейне Ишима наблюдаются от 28 до 59 мм, то максимальные значения варьируют от 130 мм в лесостепной зоне до 209 мм в лесной зоне. В среднем за 1991–2017 гг. в большинстве пунктов наблюдений прослеживается увеличение количества влаги в снежном покрове относительно предыдущего периода 1966–1990 гг.
Таблица 1
Статистические характеристики максимального запаса воды в снежном покрове (мм) для отдельных пунктов наблюдений по природным зонам
|
Период |
Средний за период |
Максимум |
Минимум |
Среднеквадратическое отклонение |
Коэффициент вариации |
|
Зона лесостепи |
|||||
|
г. Ишим |
|||||
|
1936–1965 |
82 |
132 |
28 |
30 |
0,37 |
|
1966–1990 |
88 |
146 |
44 |
25 |
0,28 |
|
1991–2017 |
93 |
160 |
46 |
28 |
0,30 |
|
Зона лесная (подзона подтайги) |
|||||
|
с. Орехово |
|||||
|
1966–1990 |
116 |
209 |
58 |
31 |
0,27 |
|
1991–2017 |
120 |
200 |
59 |
31 |
0,26 |
Разброс значений стабильно максимального количества влаги в снеге высокий и в лесостепной и в лесной природных зонах коэффициент вариации достигает 0,22–0,34, в степной – 0,40. В последние десятилетия (1991–2017 гг.) отклонения от среднемноголетнего значения сокращаются в лесной зоне с 0,28 до 0,26 и увеличиваются в лесостепной зоне в среднем с 0,27 до 0,31. В большинстве пунктов наблюдений за период 1990–2017 гг. по отношению к периоду 1965–1989 гг. происходит рост среднемноголетнего запаса воды в снеге на 3–5 %.
При анализе трендов среднемноголетнего запаса воды в за период с 1966 по 2017 г. по данным метеопостов выявлено, что в многолетнем ходе максимальных запасов воды в снежном покрове незначительное увеличение с интенсивностью 1–6 мм за 10 лет отмечается во всех пунктах наблюдений всех природных зон. Изменение максимального запаса воды в снеге с 1991 по 2017 г. характеризуется положительным трендом во всех природных зонах с интенсивностью 1–9 мм за 10 лет. В целом значения максимальных запасов воды в снежном покрове с 1966 по 2017 г. слабо увеличились. В основном рост произошел в 90-х годах по всему бассейну р. Ишим.
Осадки выпавшие в сентябре и октябре, формируют осеннее увлажнение бассейна. Осеннее увлажнение изменяется от 68 мм в лесостепной зоне до 94 мм в лесной зоне. Минимальные значения сумм осадков за сентябрь и октябрь по пунктам в бассейне среднего и нижнего Ишима наблюдаются от 23 до 43 мм, максимальные же значения варьируются от 133 до 196 мм. В среднем за период 1991–2017 гг. прослеживается увеличение количества осенних осадков относительно предыдущего периода 1966–1990 гг. Севернее с. Ильинка произошел рост среднемноголетнего осеннего увлажнения за период 1991–2017 в среднем на 9–12 % по отношении к среднему за период 1966–1990 гг.
Анализ трендов многолетнего хода осеннего увлажнения за период с 1966 по 2017 г. по данным метеопостов выявил, что незначительное его увеличение с интенсивностью 1–3 мм за 10 лет отмечается во всех природных зонах бассейна р. Ишим. Изменение осеннего увлажнения с 1991 по 2017 г. характеризуется отрицательным трендом в зоне лесостепи и у с. Викулово в лесной зоне с интенсивностью 2–4 мм за 10 лет, в лесной же зоне у с. Орехово интенсивность снижения более значительна и достигает 20 мм за 10 лет.
В целом значения максимальных запасов воды в осеннем увлажнении с 1966 по 2017 г. слабо увеличились. Выявлена общая тенденция к снижению осеннего увлажнения в период с 1991 по 2017 г. Отрицательный тренд осеннего увлажнения обнаружен в природных зонах нижнего Ишима.
Средняя температура воздуха в зимний период с ноября по март влияет на состояние поймы р. Ишим и водосбора, влияя на глубину промерзания почвы при небольшой высоте снежного покрова, изменяет условия стока в зимний и весенний период. Тенденции изменения температуры воздуха исследованы по пунктам с наиболее продолжительными рядами наблюдений – у г. Ишим в лесостепной природной зоне и у с. Викулово в лесной зоне. Средняя температура воздуха в зимний период в бассейне Ишима в период с 1936 по 2017 г. изменялась от –11,8 °С до –14,2 °С (табл. 2).
Таблица 2
Статистические характеристики средней температуры воздуха ( °С) для отдельных пунктов метеонаблюдений
|
Период |
Средний за период |
Минимум |
Максимум |
Среднеквадратическое отклонение |
Коэффициент вариации |
|
Зона лесостепи г. Ишим |
|||||
|
1936–1965 |
–14,2 |
–18,8 |
–9,5 |
2,0 |
0,14 |
|
1966–1990 |
–13,4 |
–21,2 |
–8,3 |
2,6 |
0,19 |
|
1991–2017 |
–12,1 |
–16,2 |
–8,0 |
2,1 |
0,17 |
|
Зона лесная (подзона подтайги) с. Викулово |
|||||
|
1937–1965 |
–13,7 |
–18,2 |
–9,7 |
2,0 |
0,15 |
|
1966–1990 |
–12,4 |
–21,2 |
–7,5 |
3,0 |
0,24 |
|
1991–2017 |
–11,8 |
–16,0 |
–8,1 |
2,0 |
0,17 |
Минимальные значения зимней температуры для пунктов в бассейне среднего и нижнего Ишима варьируют по территории от –21,2 °С до –16,0 °С, максимальные же значения варьируют от –9,7 °С до –7,5 °С. В среднем в зонах лесостепи и степи в пределах бассейна прослеживается повышение температуры за период 1991–2017 гг. относительно предыдущего периода 1966–1990 гг. Отмечается повышение средних и экстремальных температур в лесостепной зоне.
Разброс значений средней температуры воздуха год от года невысокий, в лесостепной и в лесной природных зонах коэффициент вариации составляет 0,14–0,24. В период 1991–2017 гг. в лесостепной и лесной зоне в пределах бассейна р. Ишим отмечается снижение отклонений от среднемноголетних значений.
Анализ наличия статистически достоверных линейных трендов по рядам наблюдений за средней температурой воздуха в зимний период с 1966 по 2017 г. по постам в бассейне среднего и нижнего Ишима выявил, что в многолетнем ходе температуры воздуха в зимний период отмечается положительный тренд с интенсивностью 0,26–0,56 °С за 10 лет. Межгодовая изменчивость температуры воздуха в зимний период с 1991 по 2017 г. характеризуется стабилизацией тренда с повышением температуры в лесостепной и лесной зонах с интенсивностью всего 0,08–0,12 °С за 10 лет.
В целом значения температуры воздуха в зимний период с 1966 по 2017 г. увеличились на 5–10 %. Выявлена общая тенденция к замедлению повышения температуры в период с 1991 г. по 2017 г. Анализ однородности рядов ежегодных температур воздуха в зимний период по критериям Стьюдента и Фишера показал достоверность трендов и выявил статистически неоднородные ряды наблюдений. Что подтверждает значительные изменения зимней температуры воздуха на водосборе реки Ишим в современный период. Возможной причиной таких изменений является изменчивость атмосферной циркуляции [6].
Для бассейна р. Ишим характерно глубокое промерзание почвы в зимний период, которое может значительно влиять на высоту подъема уровней воды. При быстром снеготаянии в весенний период вода не просачивается в грунт, а стекает по замершей почве, быстро достигая русла реки и вызывая быстрый подъем уровня. Средняя глубина промерзания почвы в бассейне среднего и нижнего Ишима за период с 1966 по 2017 г. изменялась от 95 см в лесной зоне до 113 см в лесостепной зоне. Минимальные значения глубины промерзания почвы по пунктам наблюдались от 22 см в лесной до 58 см в лесостепной зоне, максимальные же значения варьируют от 144 см в лесостепной до 210 см в степной зоне.
При анализе результатов многолетних инструментальных наблюдений за период с 1966 по 2017 г. в бассейне среднего и нижнего Ишима выявлено уменьшение глубины промерзания почвы с различной интенсивностью: на севере бассейна в лесной природной зоне она уменьшалась в среднем на 9–15 см за 10 лет; а в лесостепной зоне глубина промерзания уменьшалась в среднем на 14–17 см за 10 лет. Тенденция к стабилизации глубины промерзания отмечается с 1980 г. В период с 1980 по 2017 г. интенсивность положительного тренда в лесостепной природной зоне сократилась до 5–11 см за 10 лет, в лесной зоне у села Усть-Ишим до 5 см за 10 лет. Анализ выявил неоднородность рядов наблюдений глубины промерзания почвы. Исходя из этого можно весь ряд инструментальных наблюдений представить в виде двух временных отрезков: первый – с начала инструментальных наблюдений до 1979 г., второй – с 1980 г. по настоящее время. Такая же тенденция ранее выявлена и в бассейне среднего Иртыша [7].
Заключение
В работе показано, что с вводом каскада водохранилищ в верхнем и среднем течении Ишима, максимальные уровни весеннего половодья в пределах территории РФ значительно не изменились. При этом в нижнем течении реки отмечается небольшое снижение отклонений от среднемноголетних значений.
Выполненный анализ изменений пространственно-временной изменчивости факторов максимального стока показал наличие значительной вариации год от года климатических факторов, влияющих на максимальные уровни р. Ишим. Доказано существование тенденций повышения максимальных запасов воды в снежном покрове за период с 1991 по 2017 г., снижения осеннего увлажнения в лесной зоне (подтайга), повышения суммы средней температуры воздуха за зимний период с 1936 г. по 2017 г., значительного уменьшения глубины промерзания почвы.
Рассмотренные тенденции возможно принять при коррекции и разработке новых методик прогнозирования максимальных уровней весеннего половодья р. Ишим в пределах Тюменской области. Тем самым в дальнейшем обеспечивается возможность повышения качества гидрологических прогнозов по отдельным створам с учетом ландшафтных особенностей водосбора реки.