Озера являются уникальными водными объектами и имеют важное экономическое и экологическое значение. Они служат накопителями чистой пресной воды, выполняют функцию регулирования поверхностных и подземных вод.
Изучение особенностей уровенного режима озер представляет огромный интерес при долгосрочном прогнозировании, а также при расчете максимальных уровней воды различной обеспеченности, необходимых при производстве инженерных изысканий.
В настоящей работе ведется сравнительный анализ влияния климатических и антропогенных факторов на уровенный режим озер зон избыточного (Ленинградская область) и достаточного (Челябинская область) увлажнения.
Челябинская область расположена на восточных склонах Южного Урала и прилегающих территориях Зауральской низменности. В Челябинской области расположено более 3,2 тыс. озер и искусственных водоемов общей площадью около 2,6 тыс. км2 (озерность 2,95 %), в том числе около 1,7 тыс. озер площадью более 0,01 км2 и ряд озер меньшего размера.
Климат рассматриваемой территории умеренно континентальный. На его формирование существенно влияют Уральские горы, создающие препятствие на пути движения западных воздушных масс. Также велико влияние на климат морских воздушных масс, несущих влагу с Атлантического океана.
Ленинградская область расположена на северо-западе Европейской части страны. Климат рассматриваемой территории атлантико-континентальный, морские воздушные массы формируют на территории сравнительно мягкую зиму с частыми оттепелями и умеренно теплое лето.
На территории Ленинградской области расположено более 6,8 тыс. озер и искусственных водоемов общей площадью около 12,1 тыс. км2 (озерность 14,42 %), в том числе около 3,13 тыс. озер площадью более 0,01 км2 и ряд озер меньшего размера.
Целью настоящей работы является анализ временных рядов уровней воды зон избыточного и достаточного увлажнения для выявления закономерностей в их колебаниях уровней воды, связанных с изменчивостью климата и антропогенной нагрузкой. Из публикаций на эту тему можно отметить [1–3], а также работы [4, 5], в которых приведены результаты исследований многолетней изменчивости уровенного режима крупнейших озер Евразии и Северной Америки.
Материалы и методы исследования
В качестве объектов исследования были выбраны озера Шугозеро и Сяберо (Ленинградская область), Чебаркуль и Увильды (Челябинская область) (табл. 1).
Для анализа многолетней изменчивости уровня воды в озере использовались средние годовые значения высоты уровня. Для оценки климатических изменений использовались данные наблюдений по ближайшим к исследуемым озерам метеорологическим станциям: г. Златоуст (Челябинская область), г. Гдов, г. Тихвин (Ленинградская область) (табл. 2).
Однородность рядов значений средних годовых уровней воды озер оценивалась по критериям Фишера и Стьюдента. Для оценки линейных трендов использовался критерий значимости выборочного коэффициента корреляции (R). Гипотеза об отсутствии тренда не опровергалась, если выполнялось условие (|R| / δr) < t2α, при уровне значимости 2α = 5 % [6].
Таблица 1
Основные сведения об исследуемых озерах
|
№ п/п |
Озеро – пост |
Период наблюдений |
Площадь озера, км2 |
Площадь водосбора, км2 |
Удельный водосбор |
Амплитуда, см |
|
Челябинская область (зона достаточного увлажнения) |
||||||
|
1 |
Чебаркуль – г. Чебаркуль |
1940–2016 |
19,8 |
169 |
8,53 |
38 |
|
2 |
Увильды – пос. Увильды |
1945–2016 |
68,1 |
196 |
2,88 |
28 |
|
Ленинградская область (зона избыточного увлажнения) |
||||||
|
3 |
Сяберо –д. Сяберо |
1936–2017 |
14,2 |
47,9 |
3,37 |
35 |
|
4 |
Шугозеро – д. Ульяница |
1969–2017 |
5,9 |
98 |
16,6 |
41 |
Таблица 2
Основные сведения о метеостанциях
|
№ п/п |
Индекс ВМО |
Название метеостанции |
Водный объект |
Период наблюдений |
Высота над уровнем моря, м |
|
|
температура |
осадки |
|||||
|
1 |
28630 |
Златоуст |
Увильды, Чебаркуль |
1936–2019 |
1936–2015 |
537 |
|
2 |
26157 |
Гдов |
Сяберо |
1966–2017 |
1966–2017 |
41 |
|
3 |
26094 |
Тихвин |
Шугозеро |
1944–2017 |
1944–2017 |
61 |
Рис. 1. Хронологические графики хода средних годовых уровней воды исследуемых озер
Результаты исследования и их обсуждение
Установлено, что ряды средних годовых уровней озер Чебаркуль и Увильды (Челябинская область) являются неоднородными по критерию Фишера.
Временные ряды уровней озер Ленинградской области неоднородны по среднему значению, а также по дисперсии за счет большой амплитуды колебаний.
На рис. 1 представлены хронологические графики хода средних уровней воды озер Чебаркуль, Увильды, Сяберо и Шугозеро.
На озере Чебаркуль до 1975 г. наблюдается незначимый тренд на повышение. За этот же период на озере Увильды выявлен значимый тренд на понижение. После 1975 г. на обоих озерах наблюдаются значимые тренды на повышение уровней воды. На полученных хронологических графиках наблюдается резкое понижение уровня воды в 1975–1976 гг. на обоих озерах. Это связано с тем, что в 1975 г. в течение теплого периода сохранялся дефицит осадков при повышенном температурном фоне, что привело к сильной засухе. На хронологическом графике средних температур воздуха и сумм осадков за теплый период (V–IX месяцы) видно резкое уменьшение осадков на фоне высокой средней температуры воздуха в 1975 г. (рис. 2). На хронологическом графике средних годовых уровней воды озера Чебаркуль отмечаются маловодные годы (1952, 1958, 1975, 2010), что согласуется с результатами, представленными на рис. 2. На озере Увильды отмечаются маловодные годы в те же периоды.
На озере Сяберо до 1982 г. был выявлен значимый положительный линейный тренд, после 1982 г. – также незначимый положительный тренд. Среднемноголетнее значение за весь период наблюдений поменялось с 161 см до 168 см. За период до 1995 г. на Шугозере наблюдался значимый тренд на повышение, после 1995 г. – незначимый на понижение. Среднемноголетнее значение уровней воды за всю исследуемую выборку уменьшилось с 97 см до 88 см.
В ходе анализа резких изменений в уровенном режиме исследуемых озер Ленинградской области, расположенной в зоне избыточного увлажнения и характеризующейся умеренными температурными колебаниями и интенсивными осадками (рис. 3 и 4), не выявлено. Однако в сравнении с озерами зоны достаточного увлажнения (Чебаркуль, Увильды) на Шугозере и Сяберо выявлены высокие многолетние колебания уровней воды. Максимальная амплитуда колебаний составляет 61 см. При анализе рис. 3 и 4 были выявлены незначимые тренды на повышение средней температуры и сумм осадков по метеостанциям Гдов и Тихвин.
Рис. 2. Хронологические графики хода средних температур и сумм осадков по данным наблюдений на метеостанции Златоуст
Рис. 3. Хронологические графики хода средних температур и сумм осадков по данным наблюдений на метеостанции Гдов
Скорость изменения значения средней годовой температуры воздуха для метеостанций Ленинградской области составляет в среднем 0,35 °C за 10 лет, что на 0,25 °C больше, чем на метеостанции Златоуст (Челябинская область).
Анализ данных инструментальных наблюдений за метеорологическими элементами и уровнями озер свидетельствует о доминирующем влиянии климатических факторов. Но при этом следует отметить, что большое влияние на особенности изменений уровня воды озера Увильды (Челябинская область) оказывают антропогенные факторы (наполнение водохранилища, забор воды на хозяйственные нужды и т.д.), которые нарушают естественный гидрологический режим данного водного объекта.
Так, в результате засухи 1975 г. в Аргазинском водохранилище случился дефицит воды. Чтобы наполнить его водой от озера Увильды, был прорыт канал до самого водохранилища с целью водоснабжения, вследствие чего озеро Увильды сильно пострадало. Уровень воды понизился более чем на 4 м и лишь к 2008 г. смог восстановиться.
Рис. 4. Хронологические графики хода средних температур и сумм осадков по данным наблюдений на метеостанции Тихвин
Полученные результаты будут использованы при мониторинге состояния уровенных режимов озёр избыточного и достаточного увлажнения.
Заключение
На основе анализа данных длительных наблюдений климата на водосборах исследуемых озер Челябинской области (Увильды, Чебаркуль) и Ленинградской области (Сяберо, Шугозеро) выявлено доминирующее влияние климатических факторов на их уровенный режим. При этом, в зависимости от факторов подстилающей поверхности, зоны увлажненности, региональных особенностей, реакция гидрологического режима озер по-разному отзывается на климатические изменения.
Общее для всех рассматриваемых озер – наличие положительного тренда среднегодовой приземной температуры воздуха в выбранном регионе.
Помимо климатической составляющей на уровенный режим исследованных озер оказывает влияние антропогенная деятельность, нарушающая естественную гидрологическую обстановку.
Установлено, что ряды уровней воды исследуемых озер имеют существенный нестационарный характер.
Было установлено, что водные объекты Челябинской области, Чебаркуль и Увильды, имеют общую закономерность изменения уровенного режима, которая связана с хозяйственной деятельностью человека (забор воды в период засухи), а также с климатическими изменениями. Анализ графиков показал, что на данных озерах маловодные и многоводные периоды наступают практически одновременно.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, № FSZU-2020-0009 «Исследование физических, химических и биологических процессов в атмосфере и гидросфере в условиях изменения климата и антропогенных воздействий».