Hydrometeorological conditions and water regime of the lake Krasilovskoye (Altai krai) in 2013-2017

Полный текст

Введение

В последние десятилетия в Западной Сибири наблюдается снижение водности озер лесостепной и степной зон Ишимской, Барабинской и Кулундинской равнин, связанное с процессами потепления и аридизации климата. Анализ многолетних колебаний уровня крупных озер показал их тесную связь с компонентами климата. При этом различные озерные системы реагируют на климатические изменения по-разному [Шнитников, 1950, 1957; Догановский, 1978;Адаменко, 1985; Галахов, 2011; MeLanghinandCohen, 2011; Харламова, 2013]. Малые бессточные озера, ввиду недостатка гидрометеорологической информации, изучены слабо.

Водный режим бессточных озер формируется под влиянием множества факторов, определяющих поступление влаги на территорию озера и водосбора. Для решения задач комплексного мониторинга водного объекта нами использован измерительный комплекс АПИК, созданный в ИМКЭС СО РАН (г. Томск) и установленный на территории базы учебных практик Алтайского государственного университета «Озеро Красилово» в 2013 г. Он позволяет в автономном режиме получать информацию об основных метеопараметрах атмосферы и почвы, высоте снежного покрова, уровне озерных и грунтовых вод. Кроме того, сотрудниками ИВЭП СО РАН, начиная с 2015 г., проводятся ежегодные снегомерные съемки. Целью данной работы являлся мониторинг и анализ гидрометеорологических условий на водосборе бессточного озера Красиловское, а также оценка их влияния на уровень воды в период снеготаяния.

 

 

Объект исследования

 

Бессточное озеро Красиловское расположено на юго-востоке Западно-Сибирской равнины. Абсолютная высота местности составляет около 220 м, площади водосбора и зеркала озера ­­– 46,11 и 0,8 км² соответственно, длина озера − 2,4 км, средняя ширина − 0,33 км, средняя глубина − 2,7 м, максимальная − 6,5 м. Озеро имеет бессточный режим, питается поверхностными и грунтовыми водами. В последние десятилетия произошло значительное сокращение озера: так, в 1978 г. его максимальная глубина составляла 12 м, в 1998 г. – 8 м. Наличие озерных террас указывает на то, что в прошлом озеро Красиловское имело еще большие размеры. Направление эволюции озера – заиливание и зарастание [Лузгин, 1998; Суторихин с соавт.,2014; Зуев с соавт., 2016].

 

 

Методы исследований и исходные материалы

 

В основе работы –данные, полученные с измерительного комплекса АПИК.  В режиме реального времени с периодическим интервалом в любом необходимом для исследователя диапазоне (в нашем случае 15 минут)им производятся измерения следующих параметров: интенсивность суммарной и рассеянной солнечной радиации, атмосферное давление, температура и относительная влажность воздуха (на высоте 2 и 4 м), величина жидких осадков, высота снежного покрова, температура грунта (до глубины 3,2 м), уровень воды в озере.

Для оценки параметров снежного покрова сотрудниками ИВЭП СО РАН, начиная с 2015 г., проводятся ежегодные снегомерные съемки по трем маршрутам: в лесу, поле и непосредственно на акватории озера. Съемки проводятся во второй половине зимы до начала снеготаяния, определяется толщина, плотность и запасы воды в снежном покрове. Полевые работы и камеральная обработка результатов наблюдений производятся в соответствии с общепринятыми требованиями [Быков и  Попов, 2011]. Для оценки среднемноголетних гидроклиматических параметров района и верификации данных мониторинговых наблюдений использованы метеоданные по станции Троицкое с сайта «Погода и климат» и базы данных ИВЭП СО РАН.

 

 

Основные результаты и обсуждение

 

Авторами проанализированы ежегодные гидрометеорологические данные с начала октября по май, отражающие процессы снегонакопления, снеготаяния и связанного с ними весеннего притока воды в озеро (таблица 1). Часть результатов мониторинга, полученных в 2013 – 2015 гг., были опубликованы ранее [Зуев с соавт., 2016].

На рисунке 1 представлен ход среднесуточных температур воздуха на высоте 2 м и грунта на глубине 5 и 30 см по данным АПИК. На рисунке 2 представлена динамика высоты снежного покрова, сумма жидких осадков и уровень воды в озере. До 2015 г. высота уровня воды показана по превышению над гидростатическим датчиком. Затем летом 2015 г. была выполнена переустановка и привязка датчика к балтийской системе высот, уровень воды  представлен в абсолютных отметках.

За 4 года исследований авторы имели возможность наблюдать контрастные гидрометеорологические условия.Максимальный подъем уровня – более чем на 1,5 м относительно зимнего – наблюдался весной 2014 г. (таблица 1, рис. 2, а).  При этом сумма жидких осадков, высота снежного покрова и снегозапасы были существенно ниже, чем в последующие годы, когда подъем уровня не превышал 1 м. Основным фактором, определившим высокий уровень озерных вод в 2014 г., явилось значительное промерзание грунта зимой 2013-2014 гг. [Зуев с соавт., 2016].

Известно, что чем ниже температура воздуха в период установления снежного покрова и чем меньше осадков выпадает в это время, тем интенсивнее процесс промерзания почвы [Бураков и  Иванова, 2010].  В этот год количество осадков в октябре-ноябре было ниже среднемноголетней нормы на 20%, формирование устойчивого снежного покрова произошло 22 декабря, в течение зимы наблюдались сильные и длительные заморозки, а снегозапасы были в 1,5 раза ниже среднемноголетних. Промерзание грунта к середине февраля достигло глубины 30 см. (рис.1, а).

Впоследствии во время значительной оттепели 20-23 февраля 2014 г. в результате просачивания воды в верхние слои мерзлого грунта произошло образование ледяного «запирающего» слоя. Хорошо увлажненная мерзлая почва при температуре 2—3° ниже нуля становится практически водонепроницаемой [Попов, 1968]. Таким образом, в период снеготаяния произошел интенсивный сток аккумулированных талых вод в озеро. В осенне-зимний период 2014-2015 гг., благодаря значительной высоте снежного покрова и большому количеству жидких осадков в предшествующий период промерзание грунтов отсутствовало (рис. 1, б). В результате интенсивной инфильтрации талых вод скорость и высота подъема уровня воды в озере оказались существенно ниже, чем в предыдущий год (табл. 1, рис. 2, б).  Весной 2015 года в результате раннего (8 апреля) перехода среднесуточной температуры через 0^оС и резкого потепления, таяние снежного покрова произошло значительно быстрее, чем обычно. Однако на наполнение  озера это не повлияло – интенсивный подъем уровня начался через 7 суток после окончания снеготаяния.

В начале зимы 2015 г.  произошло уменьшение температуры грунта до 0^оС в слое глубиной до 5 см. Причиной подобного промерзания грунта явилось незначительное количество осадков осенью 2015 года, а также высота снежного покрова была ниже среднемноголетней нормы. Чередование заморозков и оттепелей с выпадением жидких осадков способствовали формированию «запирающего» мерзлого горизонта и стоку талых вод с водосбора без существенных потерь на инфильтрацию.

В осенне-зимний период 2016-2017 гг. гидрометеорологические условия резко отличались от среднемноголетней нормы. Началу зимы предшествовала дождливая осень: в октябре 2016 г. сумма осадков превысила среднемноголетнюю в 2 раза, что способствовало насыщению водосбора водой и подъему уровня озера до отметки 214,1 м (для сравнения, осенью предыдущего 2015 г. уровень был ниже на 60-70 см (рис. 2, в)и достигал не более 213,4-213,5 м). Установление снежного покрова произошло в рекордно ранние сроки - во 2 декаде октября. Даже в условиях низких (до -34,5^о) температур ноября температура грунта на глубине 5 см оставалась положительной (рис. 1г). Значительные высота снежного покрова и снегозапасы препятствовали промерзанию в течение всей зимы. В таких условиях происходила постоянная инфильтрация талых вод в грунт, и поверхностный сток был минимальным. И хотя абсолютная отметка уровня воды весной 2017 г., как и в 2016 г., достигла около 214,4 м, подъем происходил медленнее, а его величина составила всего 40 см.

При послойном отборе проб воды батометром в период ледостава, было обнаружено, что придонный слой озера обогащен сероводородом.Сероводород является продуктом процессов гниения в иловом слое, толщина которого, по нашим наблюдениям, достигает 50-70 см, а на отдельных участках – до 120 см. Весной 2017 года придонный слой из-за естественного температурного перемешивания был вытеснен на поверхность. Из-за недостаточного притока талых вод произошла массовая гибель рыбы.

Таким образом, первостепенное влияние на подъем уровня воды оказывает промерзание грунтов на территории водосборного бассейна.

Промерзание грунта и формирование в его поверхностных горизонтах ледяного «запирающего» слоя в 2014 и 2016 гг. способствовали интенсивному стоку талых вод и резкому подъему уровня до окончания снеготаяния на высоту до 1-1,5 м. В годы без промерзания (2015 и 2017) весенний приток воды в озеро осуществлялся в основном за счет подземного стока, а подъем уровня происходил после окончания снеготаяния и менее интенсивно. За годы наблюдений глубина промерзания не превысила 30 см.

 

 

Заключение

 

С помощью данных измерений комплекса АПИК и снегомерных съемок удалось проанализировать гидрометеорологические параметры водосбора оз. Красиловское, оценить весенний уровенный режим в разные годы.

Наблюдение за режимом бессточного пресного озера Красиловское в годы с принципиально различными гидроклиматическими условиями позволило выявить главные факторы, определяющие весенний подъем уровня. В наибольшей степени приток воды и величина подъема уровня зависит от состояния грунтов на водосборе, определяющего соотношение поверхностного и подземного стока в период снеготаяния.

Мониторинг гидроклиматических параметров бассейнов малых бессточных озер с помощью автоматических комплексов типа «АПИК» дает возможность более точной оценки и прогноза их водности в условиях изменяющегося климата.

 

Таблица 1. Гидрометеорологические условия и подъем уровня воды в оз. Красиловское  в 2013-2017 гг.

 

Показатель	Период наблюдений
	01.10.2013-10.05.2014*	01.10.2014-10.05.2015*	01.10.2015-10.05.2016	01.10.2016-10.05.2017
Сроки установления устойчивого снежного покрова	22 декабря	17 ноября	9 ноября	12 октября
Количество жидких осадков за период установления снежного покрова (октябрь-ноябрь), мм	125,4	167,4	81	109,8
Средняя высота снежного покрова к началу снеготаяния, мм	750	825**	640**	900**
Запас воды в снежном покрове к началу снеготаяния, мм	~50	249**	187**	272**
Период интенсивного снеготаяния	12-30 марта (19 сут.)	6-14 апреля (9 сут.)	23.03-08.04 (16 сут.)	25.03-12.04 (19 сут.)
Средняя температура воздуха в период интенсивного снеготаяния, оС	1,6	4,1	2,7	1,4
Количество жидких осадков за период снеготаяния, мм	0	41,6	14	14,6
Начало весеннего подъема уровня	20 марта	20 апреля	30 марта	10 апреля
Величина весеннего подъема уровня, мм.	1540	630	1000	400
Примечание: * - данные из опубликованных ранее материалов [Зуев с соавт., 2016]; ** - по материалам снегомерных съемок

Рисунок 1 – Среднесуточные температуры воздуха и грунта: а – в 2013-14 гг., б – в 2014-15 гг., в – в 2015-16 гг.; г – в 2016-17 гг. 1 – температура воздуха на высоте 2 м; 2 – температура грунта на глубине 5 см; 3 – то же, на глубине 30 см.

Рисунок 1 – Среднесуточные температуры воздуха и грунта: а – в 2013-14 гг., б – в 2014-15 гг., в – в 2015-16 гг.; г – в 2016-17 гг. 1 – температура воздуха на высоте 2 м; 2 –температура грунта на глубине 5 см; 3 – то же, на глубине 30 см.

Рисунок 2 –Динамика высоты снежного покрова, уровня воды в озере и жидкие осадки по данным АПИК: а – в 2013-14 гг., б – в 2014-15 гг., в – в 2015-16 гг.; г – в 2016-17 гг. 1 – жидкие осадки, мм; 2 – толщина снежного покрова, см; 3 – уровень воды; 4 – толщина снежного покрова (представлена по данным ГМС Троицкое, в связи со сбоем в работе датчика снежного покрова АПИК)

Рисунок 2 –Динамика высоты снежного покрова, уровня воды в озере и жидкие осадки по данным АПИК: а – в 2013-14 гг., б – в 2014-15 гг., в – в 2015-16 гг.; г – в 2016-17 гг. 1 – жидкие осадки, мм; 2 – толщина снежного покрова, см; 3 – уровень воды; 4 – толщина снежного покрова (представлена по данным ГМС Троицкое, в связи со сбоем в работе датчика снежного покрова АПИК)

Об авторах

Igor Sutorikhin

Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения РАН

Email: sia@iwep.ru
SPIN-код: 2990-6901

доктор физико-математических наук, профессор кафедры радиофизики и теоретической физики, институт цифровых технологий, электроники и физики

 

Алтайский край, город Барнаул, ул. Молодежная, 1, ИВЭП СО РАН

Svetlana Samoylova

Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: bastet@iwep.ru
Алтайский край, город Барнаул, ул. Молодежная, 1, ИВЭП СО РАН

Andrey Kolomeitsev

Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения РАН

Email: kolomeycev@iwep.ru
Алтайский край, город Барнаул, ул. Молодежная, 1, ИВЭП СО РАН

Sergey Kurakov

Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения РАН

Email: sergeykurakov@gmail.com
Алтайский край, город Барнаул, ул. Молодежная, 1, ИВЭП СО РАН

Список литературы

Дополнительные файлы