Гидрометеорологические исследования и прогнозы. 2024. № 1 (391). С. 135-151

135

DOI: https://doi.org/10.37162/2618-9631-2024-1-135-151

УДК 556.16+556.535

Оценка климатического и антропогенного

вкладов в многолетние колебания

сезонного стока рек бассейна реки Урал

Н.М. Юмина^1,2, Д.В. Магрицкий²

¹Гидрометеорологический научно-исследовательский центр

Российской Федерации, г. Москва, Россия;

²Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова,

географический факультет, г. Москва, Россия

yuminanm@mail.ru

Выполнен анализ многолетних колебаний сезонного стока рек бассейна реки

Урал, оценены статистические связи между стоком и основными метеорологиче-

скими факторами, температурой воздуха и осадками. Выбраны метеостанции с

наиболее тесной связью главных метеофакторов с сезонным стоком рек Урал, Сак-

мара и Илек. Для трех гидрологических постов, расположенных на этих реках, за

период с минимальной антропогенной нагрузкой на водные ресурсы (слабо нару-

шенный сток) построены эмпирические зависимости сезонного стока от темпера-

туры воздуха и сумм осадков. Их статистический и графо-аналитический анализ по-

казал, что для периода весеннего половодья и летне-осеннего сезона они имеют

достаточно высокую тесноту связи, для периода зимней межени полученные зави-

симости гораздо менее точные. На основе построенных зависимостей для периода

значительной антропогенной нагрузки на водные ресурсы региона выполнен срав-

нительный анализ рассчитанного (условно естественного) сезонного стока рек Урал,

Сакмара и Илек с фактическим.

Ключевые слова: Урал, сезонный сток, температура воздуха, осадки, эмпириче-

ские зависимости, корреляция

Assessment of the climatic and anthropogenic

contribution to long-term fluctuations

in seasonal river runoff in the Ural river basin

N.M. Yumina^1,2, D.V. Magritsky²

¹Hydrometeorological Research Center of Russian Federation,

Moscow, Russia;

²Lomonosov Moscow State University,

Faculty of Geography, Moscow, Russia

yuminanm@mail.ru

The analysis of long-term fluctuations in seasonal runoff of the Ural basin rivers is

performed, statistical relationships between runoff and the main meteorological factors (air

temperature and precipitation) are estimated. Weather stations with the highest correlation

between the main meteorological factors and seasonal runoff of the Ural, Sakmara, and Ilek

rivers are selected. Empirical dependences of seasonal runoff on air temperature and total

precipitation are substantiated for three hydrological stations located on these rivers during

the period with minimum anthropogenic load on water resources (slightly disturbed runoff).

136

Гидрологические прогнозы

Their statistical and graph-analytical analysis showed that they have a fairly high correla-

tion for the period of spring flooding and the summer-autumn season, and the dependences

for the period of winter low water are much less accurate. Based on the constructed depend-

encies for a period of significant anthropogenic load on the water resources of the region, a

comparative analysis of the calculated (undisturbed) seasonal runoff of the Ural, Sakmara,

and Ilek rivers with the observed one is performed.

Keywords: Ural, seasonal runoff, air temperature, precipitation, empirical dependences,

correlation

Введение

Бассейн реки Урал – трансграничный объект, который характеризу-

ется крайне неравномерным пространственно-временным распределением

и, в целом, дефицитом водных ресурсов, наличием обширных засушливых

районов и водоемкого социально-хозяйственного комплекса [6, 14, 16, 22].

Менее 4 млн чел. проживает на территории бассейна. Речная сеть хорошо

развита в верхней и средней части бассейна. Основная роль в питании реки

Урал принадлежит ее правым притокам, и прежде всего р. Сакмара. Хотя

ее водосборная площадь занимает восьмую часть бассейна Урала, на ней

формируется около 40 %, а в иные годы более половины суммарного стока

нижнего Урала. В отличие от всех других крупных притоков р. Урал, Сак-

мара остается до настоящего времени практически незарегулированной ре-

кой [21, 22]. Лишь с 2005 г. в верховьях реки функционирует сравнительно

небольшое Сакмарское водохранилище объемом около 30 млн м³. Самую

большую из всех притоков р. Урал водосборную площадь имеет река Илек

– более 41 тыс. км². По длине Илек уступает только Сакмаре. Превосходя

Сакмару по площади бассейна на одну треть, он несет в Урал в 3,2 раза

меньше воды, чем Сакмара.

Под влиянием климатических изменений и на фоне сравнительно

устойчивых объемов водопользования водно-ресурсное обеспечение насе-

ления, промышленности, теплоэнергетики, сельского хозяйства и природ-

ных экосистем в бассейне р. Урал в последние 15–20 лет серьезно умень-

шилось. Средняя водность периода с 2008 по 2020 г., по новым оценкам

авторов, варьирует для разных рек и подбассейнов в пределах от 0,50 до

0,85 (средний модульный коэффициент), т. е. наблюдается глубокое мало-

водье. Это могло иметь негативное воздействие на общее состояние рек,

особенно малых, на связанные с ними подземные воды, на работу водохра-

нилищ, сельское хозяйство, водные и околоводные биоценозы. Больше по-

явилось вопросов относительно рационального и справедливого трансгра-

ничного водопользования: не все полагают, что текущее маловодье

вызвано прежде всего климатическими нарушениями условий стокофор-

мирования, а не деятельностью водохозяйственного комплекса на террито-

рии Российской Федерации, например, Ириклинского водохранилища и

одноименной ГРЭС. Тем не менее в предыдущей работе, посвященной по-

иску и анализу связей годового стока рек бассейна Урала с метеорологиче-

скими показателями [24], авторы наглядно показали, что эта связь тесная,

Юмина Н.М., Магрицкий Д.В.

137

и восстановленный с ее помощью естественный годовой сток для периода

значительной антропогенной нагрузки демонстрирует, во-первых, мини-

мальную разницу с фактическим стоком как раз с конца 1990-х и в начале

XXI в., т. е. минимальное антропогенное влияние на сток, во-вторых, сни-

жение годового стока с конца 2000-х гг. Это же подтверждают и другие

исследования авторов, посвященные как изучению многолетней изменчи-

вости стока рек в бассейне Урала [12], так и анализу водохозяйственной

деятельности [10, 25, 26]. Это есть и в материалах сторонних специалистов

[2–5, 18, 19].

Характер современных колебаний годового стока воды формирует из-

менения сезонного стока, перечень и иерархия факторов которого, как и

уровень антропогенного воздействия на внутригодовой водный режим

реки, другие. Наглядный и известный пример – влияние Ириклинского во-

дохранилища на сток половодья и меженного сезона среднего Урала [6, 12,

15–17, 23]. Тем не менее климатический фактор многолетней изменчиво-

сти сезонного стока – один из основных по значимости, но оценить его

вклад не совсем тривиальная задача. Либо необходимо использовать

гидрологическое моделирование и делать оценки на основе моделей фор-

мирования стока на водосборе, либо построить эмпирические связи между

стоком и основными метеорологическими факторами, влияющими на фор-

мирование стока. Именно второе решение выбрали авторы настоящего ис-

следования.

Другая важная польза таких связей – это возможность рассчитать есте-

ственный сток, сравнение которого с наблюденными значениями позво-

ляет оценить величину антропогенной нагрузки на сток, поскольку откры-

тых и полноценных данных водохозяйственного учета не так много, и к их

достоверности для бассейна р. Урал имеются вопросы [10]. Кроме того, во-

дохозяйственные данные публикуются главным образом с годовым осред-

нением, и такие связи – не просто альтернативный, а, по сути, единствен-

ный источник наших знаний о внутригодовой структуре водопользования.

Третий момент связан с возможностью использовать подобные статисти-

ческие связи для оценок будущего климатического изменения стока на ос-

нове данных климатического прогнозирования. В итоге, поиск и построе-

ние таких статистических связей, отбор для них оптимального числа

предикторов (среди метеорологических факторов), проверка связей на тес-

ноту и совпадение рассчитываемых по ним расходов воды с фактическими

данными, сравнительный анализ восстановленного (условно естествен-

ного) и антропогенно нарушенного стока (за разные периоды) и стали це-

лью и основными задачами приводимого исследования.

Материалы и методы исследования

Для анализа связи сезонного стока рек с основными метеорологиче-

скими характеристиками были выбраны три гидрологических поста,

расположенных на главной реке и ее основных притоках (р. Урал

138

Гидрологические прогнозы

– г. Оренбург, р. Сакмара – г. Каргала и р. Илек – пос. Веселый №1). Пост

в г. Оренбург находится в нижнем бьефе Ириклинского водохранилища и

в 9,6 км выше впадения в р. Урал р. Сакмары. Строительство Ириклин-

ского водохранилища началось в 1949 г., агрегаты ГЭС были пущены в

1958 г., заполнение водохранилища завершилось в 1966 г. Таким образом,

начиная с 1958 г. сток р. Урал в г. Оренбург становится зарегулированным.

Наблюдения за водным режимом на гидрологическом посту начались в

1927–1930 гг. Пост на р. Сакмара в с. Каргала находится в 32 км от устья

реки. Наблюдения за водным режимом на посту ведутся с 1920 г. Гидроло-

гический пост на реке Илек в пос. Веселый №1 расположен ниже Актю-

бинского водохранилища на р. Илек (введено в эксплуатацию в 1988 г.) и

Каргалинского водохранилища на р. Каргала (правый приток Илека, вве-

дено в эксплуатацию в 1975 г.). Таким образом, начиная с 1976 г. сток

р. Илек становится зарегулированным. Ряд наблюдений за расходами воды

на гидрологическом посту начинается с 1949 года.

В связи с тем, что годы начала значимой антропогенной нагрузки на

водные ресурсы р. Урал и ее притоков различные, для решения задачи вос-

становления условно-естественного (ненарушенного) стока и сравнения

его с фактическим (зарегулированным) стоком, для каждого выбранного

гидрологического поста эмпирические зависимости строились за разные

по продолжительности периоды, когда влияние хозяйственной деятельно-

сти было несущественным и основной вклад в колебания стока вносили

климатические факторы. Для поиска связей стока с метеофакторами ис-

пользованы среднемесячные и среднегодовые температуры воздуха, ме-

сячные и годовые слои осадков с метеорологических станций, расположен-

ных в бассейне р. Урал. Период наблюдений за осадками и температурой

воздуха на метеостанциях выбран с 1936 по 2020 г. Месячные суммы осад-

ков взяты с учетом исключения из них систематических погрешностей

осадкомерных приборов.

На основе корреляционного анализа метеофакторов, результаты кото-

рого приводятся в [24], а также с учетом совместной продолжительности

гидрометеорологических рядов данных и близости расположения метео-

станций к гидрологическим постам, для поиска связи сезонного стока рек

бассейна Урала с основными метеофакторами и построения эмпирических

зависимостей были выбраны две метеостанции: в г. Оренбург и с. Зилаир.

Для построения зависимостей использовались годовые и месячные суммы

осадков и среднегодовые и среднемесячные температуры воздуха.

Для построения зависимостей стока от основных метеорологических

показателей за период незначительной антропогенной нагрузки на водные

ресурсы для поста на р. Урал в г. Оренбург был выбран совместный период

гидрометеорологических наблюдений с 1937 по 1957 г. продолжительно-

стью 21 год; для поста на р. Сакмара в г. Каргала – с 1937 по 1965 г. (период

наименьшего хозяйственного освоения бассейна и единой методики изме-

рения осадков) продолжительностью 29 лет; для поста на р. Илек в пос. Ве-

селый №1 – с 1949 по 1975 г. продолжительностью 27 лет.

Юмина Н.М., Магрицкий Д.В.

139

Сезонный сток рек бассейна Урала подразделялся на сток половодья

(апрель–июнь), летне-осенний сток (июль–октябрь) и зимний сток (ноябрь

предыдущего года – март текущего года).

Основными методами обработки и анализа данных стали стандартные

статистические расчеты с применением статистических критериев при

5%-ном уровне значимости. В качестве эмпирической зависимости сезон-

ного стока от основных климатических факторов использовалась зависи-

мость вида:

∑

ꢀ_прꢁ ꢂ_ꢃꢄ ꢂ_ꢅꢆ_ꢅ,

(1)

где а₀и а_i–коэффициенты регрессионной зависимости, полученные мето-

дом наименьших квадратов; x_i– предикторы. Если рассчитанный с помо-

щью зависимости (1) сток окажется меньше минимального за весь период

наблюдений стока, то расчетное значение стока следует заменять на данное

минимальное значение стока. Предикторы подбирались отдельно для каж-

дой зависимости исходя из наибольшей корреляции с предсказываемой ве-

личиной стока. В качестве предикторов рассматривались как годовые ве-

личины осадков и температуры воздуха на выбранных метеостанциях, так

и различные комбинации месячных данных. Исходя из общей продолжи-

тельности совместных рядов гидрометеорологических наблюдений, число

предикторов, входящих в эмпирические зависимости вида (1), подбиралось

не более двух. Оценка качества полученных зависимостей оценивалось с

помощью множественного коэффициента корреляции (R), характеризую-

щего тесноту линейной связи [1, 20].

Результаты исследования и их обсуждение

Реки бассейна Урала, согласно классификации водного режима

Б.Д. Зайкова [8], относятся к казахстанскому типу группы рек. Исключе-

нием составляют реки верховьев Урала и Сакмары, которые принадлежат

к восточно-европейскому типу. Тем не менее и первый, и второй типы –

это группа рек с хорошо выраженным весенним половодьем. Поэтому

основное питание рек идет за счет талых снеговых вод (60–80 % объема

годового стока); дождевые осадки составляют 2–12 %, подземные воды –

13–38 %. Основной фазой водного режима большинства рек бассейна яв-

ляется весеннее половодье, во время которого проходит 70–80 % годового

стока. На летне-осенний период приходится 15–20 %, на период зимней ме-

жени – 5–10 % годового стока [6, 7, 16].

Для периода весеннего половодья, вносящего определяющий

вклад в формирование годового стока, наиболее точные зависимости, как

выяснено авторами, получаются при использовании в качестве предикто-

ров суммы осадков за предшествующий период увлажнения и средней тем-

пературы воздуха за теплые месяцы, объединенных по двум метеостан-

циям (г. Оренбург и с. Зилаир). При этом для реки Сакмара основную роль

140

Гидрологические прогнозы

в колебаниях весеннего стока играют осадки. В табл. 1 приведен состав по-

добранных предикторов, вошедших в эмпирические зависимости для рас-

чета сезонного стока рек бассейна Урала.

Таблица 1. Состав предикторов для расчета сезонного стока рек бассейна

Урала

Table 1. Composition of predictors for calculating seasonal river runoff in the Ural

basin

а₁

а₂

Период весеннего половодья

Сумма осадков по двум

метеостанциям с сентября

предыдущего года по март

текущего года

Средняя по двум

р. Урал –

г. Оренбург

метеостанциям температура

воздуха за предыдущий год

(апрель-октябрь)

Сумма осадков по двум

р. Сакмара –

с. Каргала

метеостанциям за предыдущий метеостанциям с октября

год (май-сентябрь)

предыдущего года по апрель

текущего года

Сумма осадков по двум

метеостанциям с сентября

предыдущего года по март

текущего года

Средняя по двум

р. Илек –

пос. Веселый

№1

метеостанциям температура

воздуха текущего года за март

и апрель

Летне-осенний период

Сумма осадков по двум

р. Урал –

метеостанциям за текущий год метеостанциям с октября

г. Оренбург

(май-июль)

предыдущего года по апрель

текущего года

р. Сакмара –

с. Каргала

Средняя по двум

Сумма осадков по двум

метеостанциям с сентября

предыдущего года по март

текущего года

метеостанциям температура

воздуха текущего года

за теплый период

р. Илек –

пос. Веселый

№1

(апрель-октябрь)

Зимний период

р. Урал –

г. Оренбург

Средняя температура воздуха

по двум метеостанциям за

предыдущий год

Сумма осадков по двум

метеостанциям за предыдущий

год (апрель-ноябрь)

р. Сакмара –

с. Каргала

(апрель-октябрь)

Сумма осадков по двум

метеостанциям за предыдущий метеостанциям температура

год (октябрь-ноябрь)

Средняя по двум

р. Илек –

пос. Веселый

№1

воздуха текущего года за март

и апрель

В табл. 2 приведены значения полученных методом наименьших квад-

ратов коэффициентов регрессии (a_i), а также множественного коэффици-

ента корреляции (R), характеризующего тесноту построенной зависимости.

Согласно последнему, все зависимости для расчета весеннего стока рек

бассейна Урала получились достаточно тесные. Множественный коэффи-

циент корреляции между фактическими расходами воды и построенными

Юмина Н.М., Магрицкий Д.В.

141

зависимостями (R) достаточно высок и равен 0,83–0,93. При этом наиболее

тесная зависимость получена для р. Сакмара, самой незарегулированной

реки бассейна Урала, а для гораздо меньшей по водности реки Илек полу-

чена менее тесная зависимость.

Таблица 2. Параметры эмпирических зависимостей для расчета сезонного

стока рек бассейна Урала и оценка их качества

Table 2. Parameters of empirical dependencies for calculating seasonal river runoff

in the Ural basin and assessment of their quality

Период

n

а₀

а₁

а₂

R

Период весеннего половодья

р. Урал – г. Оренбург

1937-1957

1937-1965

21

29

1693

-484

1,19

0,60

-145

1,03

0,85

0,93

р. Сакмара – с. Каргала

р. Илек –

пос. Веселый №1

1949-1975

27

-51,0

0,18

-7,54

0,83

Летне-осенний период

р. Урал – г. Оренбург

1937-1957

1937-1965

21

29

-52,7

267

0,16

0,06

0,07

0,85

0,91

р. Сакмара – с. Каргала

-20,4

р. Илек –

пос. Веселый №1

1949-1975

27

8,55

0,004

-0,59

0,84

Зимний период

р. Урал – г. Оренбург

1937-1957

21

29

47,2

55,5

0,03

0,07

-3,67

-5,27

0,62

0,72

р. Сакмара – с. Каргала

1937-1965

1949-1975

р. Илек –

пос. Веселый №1

27

-1,78

0,04

2,05

0,61

Сравнение восстановленного и фактического стока показало следую-

щие результаты. Начавшееся в 1958 г. заполнение Ириклинского водохра-

нилища и нарастающее до 1970-1980-х гг. водопотребление привели к

уменьшению весеннего стока р. Урал в г. Оренбург в среднем на 40 %, дис-

персия стока за период половодья также уменьшилась примерно на 40 %

(рис. 1а). При этом наибольшая разница (в 1,7–2,5 раза) между рассчитан-

ным и фактическим (нарушенным) весенним стоком р. Урал наблюдалась

в период до 1990-х гг., особенно в 1960-х и 1970-х гг. В 1990-х и 2000-х гг.

эта разница не превышает 15 %, что может быть связано как с наблюдае-

мыми климатическими изменениями в регионе и их возрастающей ролью

в колебаниях весеннего стока р. Урал, так и с существенным сокращением

водопотребления на водосборе [9–11]. В последнее десятилетие наблюден-

ный сток р. Урал опять становится существенно меньше рассчитанного. В

табл. 3 приведено сравнение рассчитанного (условно-естественного) и фак-

тического (в период значительной антропогенной нагрузки на водные ре-

сурсы) сезонного стока рек бассейна Урала по десятилетиям.

142

Гидрологические прогнозы

а)

б)

в)

Рис. 1. Сравнение фактического и рассчитанного стока рек бассейна Урала

за период весеннего половодья: р. Урал – г. Оренбург (а); р. Сакмара – с. Кар-

гала (б); р. Илек – пос. Веселый №1 (в).

Fig. 1. Comparison of the actual and calculated river runoff of the Ural basin during

the spring flood period: the Ural River – Orenburg (a); the Sakmara River – Kargala

(б); the Ilek River – Veselyy no. 1 (в).

Юмина Н.М., Магрицкий Д.В.

143

Для р. Сакмара за период после 1965 г. различия среднего и дисперсии

рассчитанного и фактического весеннего стока незначительные и не пре-

вышают 10 % (рис. 1б). Это подтверждает тезис о незначительной вплоть

до настоящего времени степени влияния хозяйственной деятельности на

весенний сток реки, а также о существенном вкладе в колебания стока за

половодье климатических факторов, преимущественно осадков. С началом

2000-х гг. разница рассчитанного и фактического весеннего стока

р. Сакмара стала возрастать, не превышая при этом 20 % (табл. 3). Возмож-

ное объяснение этого – значительные климатически обусловленные изме-

нения формирования стока в регионе и, как следствие, нарушение ранее

существовавших связей [10, 11, 13]. Это требует дополнительных исследо-

ваний в отношении возможностей использования полученной (по данным

до 1965 г.) эмпирической зависимости для текущего и будущего периодов.

Таблица 3. Сравнение фактического и рассчитанного сезонного стока рек

бассейна Урала в период значительной антропогенной нагрузки

Table 3. Comparison of the actual and calculated seasonal river runoff in the Ural

basin during a period of significant anthropogenic load

Период весеннего половодья

Летне-осенний период

Период

Разница

м³/с

Разница

Факт,

м³/с

Расчет,

м³/с

Факт, Расчет,

м³/с

%

м³/с

%

р. Урал – г. Оренбург

1960-1969

1970-1979

1980-1989

1990-1999

2000-2009

2010-2019

175

210

250

316

305

168

418

474

434

354

338

272

-243

-263

-183

-37,5

-32,9

-105

-139

-125

-73

45,2

31,3

31,4

45,4

58,5

42,2

38,1

31,0

38,3

40,8

18,8

7,1

-6,8

0,4

16

-22

1

-12

7,2

16

30

55

-11

17,7

23,3

-62

р. Сакмара – с. Каргала

1970-1979

1980-1989

1990-1999

2000-2009

2010-2019

377

417

471

477

357

410

421

441

426

302

-34

-4

-9

-1

6

48,5

55,3

63,9

63,2

38,5

47,6

42,5

41,1

31,9

20,3

1,0

2

12,8

22,8

31,3

18,2

23

36

49

47

30,2

50,7

56

11

16

р. Илек – пос. Веселый №1

1980-1989

1990-1999

2000-2009

2010-2019

77,0

84,3

49,2

42,6

80,6

66,7

56,5

50,6

-3,5

17,5

-7,3

-7,9

-5

8,2

15,8

12,5

8,8

3,9

3,6

3,4

2,8

4,3

12,2

9,1

53

77

73

68

21

-15

-19

6,0

144

Гидрологические прогнозы

Весенний сток р. Илек, рассчитанный за период после 1975 г., в сред-

нем не отличается от наблюденного, дисперсия же рассчитанного

(условно-естественного) весеннего стока в 3 раза меньше дисперсии

фактического (зарегулированного) стока р. Илек (рис. 1в). Наибольшие

различия среднего и особенно дисперсии рассчитанного и фактического

стока за половодье р. Илек наблюдаются в 1980-х и 1990-х гг., в первые

десятилетия после введения в эксплуатацию Каргалинского и Актюбин-

ского водохранилищ.

Для периода летне-осенней межени наиболее точные зависимости

стока рек бассейна Урала были получены при использовании в качестве

предикторов суммы осадков за предшествующий период увлажнения и

средней температуры воздуха за теплый период текущего года (табл. 1).

При этом для самой р. Урал вклад в колебания летне-осеннего стока тем-

пературы воздуха оказался несущественным и основную роль здесь играют

осадки. Все построенные зависимости для расчета летне-осеннего стока

рек бассейна Урала получились достаточно тесные (табл. 2). Множествен-

ный коэффициент корреляции между фактическими расходами воды и по-

строенными зависимостями (R) достаточно высок и равен 0,84–0,91. Так

же как и для весеннего стока, наиболее тесная зависимость получена для

р. Сакмара, самой незарегулированной реки бассейна Урала, а для гораздо

меньшей по водности р. Илек получена менее тесная зависимость.

Активная хозяйственная деятельность в бассейне Урала привела к су-

щественным изменениям летне-осеннего стока основных рек бассейна.

Строительство Ириклинского водохранилища на р. Урал привело к увели-

чению летне-осеннего стока в среднем на 22 % и уменьшению его диспер-

сии на 16 % (рис. 2а). Наибольшие изменения стока р. Урал по сравнению

с рассчитанным стоком за летне-осенний сезон характерны для периода по-

сле начала 1990-х гг., когда превышение фактически наблюденного стока

над расчетным увеличилось к 2010 г. до двух раз (табл. 3). Увеличение

летне-осеннего стока может быть связано со значительным сокращением

водопотребления на водосборе реки [9–11] при регулировании стока выше-

расположенными водохранилищами.

Летне-осенний сток р. Сакмара за период после 1965 г. в среднем при-

мерно на 40 % превышает рассчитанный сток, при этом разница дисперсии

фактического и рассчитанного стока не столь значительна и не превышает

20 % (рис. 2б). Начиная с 1980-х гг. отличие наблюденного летне-осеннего

стока р. Сакмара от рассчитанного (условно-ненарушенного) стока стало

возрастать, и после 2000 г. это превышение составляет около 2 раз (табл. 3).

Связано это может быть как со значительными климатически обусловлен-

ными изменениями формирования стока в регионе и, как следствие, нару-

шением ранее существовавших связей [10, 11, 13], так и с хозяйственной

деятельностью на водосборе реки, в большей степени проявляющейся

Юмина Н.М., Магрицкий Д.В.

145

в летне-осенний период, нежели чем в период весеннего половодья или в

целом за год.

а)

б)

в)

Рис. 2. Сравнение фактического и рассчитанного стока рек бассейна Урала

за летне-осенний период: р. Урал – г. Оренбург (а); р. Сакмара – с. Каргала

(б); р. Илек – пос. Веселый №1 (в).

Fig. 2. Comparison of the actual and calculated river runoff of the Ural basin for

the summer-autumn period: the Ural River – Orenburg (а); the Sakmara River –

Kargala (б); the Ilek River –Veselyy no.1 (в)

146

Гидрологические прогнозы

Все это требует дополнительных исследований в отношении возмож-

ностей использования полученной (по данным до 1965 г.) эмпирической

зависимости для текущего и будущего периодов.

Летне-осенний сток р. Илек после 1975 г. претерпел значительные из-

менения по сравнению с предыдущим периодом (до 1975 г.), в среднем

наблюденный сток в 3 раза превышает рассчитанный (условно-ненарушен-

ный) сток, дисперсия его также гораздо больше дисперсии условно-нена-

рушенного стока (рис. 2в). Наибольшие различия (в 4,5 раза) рассчитан-

ного и фактического летне-осеннего стока р. Илек наблюдаются в конце

1980-х и в первой половине 1990-х гг., в первое десятилетие после введе-

ния в эксплуатацию Актюбинского водохранилища.

Для периода зимней межени более-менее точные зависимости стока

рек Урал и Сакмара были получены при использовании в качестве предик-

торов суммы осадков за предшествующий период увлажнения и средней

температуры воздуха за теплый период предыдущего года (табл. 1). Для

р. Илек зависимости были построены на основе использования сумм осад-

ков за осенние месяцы предыдущего года и средней температуры воздуха

за весенние месяцы текущего года. Теснота построенных зависимостей не-

высокая (табл. 2). Множественный коэффициент корреляции между фак-

тическими расходами воды и построенными зависимостями (R) равен 0,61–

0,72. Низкое качество расчетов, основанных на использовании метеороло-

гических величин, обусловлено значительной долей в формировании зим-

него стока рек грунтового питания, не учитываемого при построении ме-

тодик расчета.

В этой ситуации можно дать лишь очень приблизительные оценки из-

менения зимнего стока рек бассейна Урала под влиянием хозяйственной

деятельности. Так, для р. Урал за период после 1958 г., когда было введено

в эксплуатацию Ириклинское водохранилище, зимний сток в 3 раза превы-

шает рассчитанный по климатическим показателям сток, а дисперсия

наблюденного стока превышает дисперсию рассчитанного стока в 7 раз.

Для р. Сакмара за период после 1965 г. превышение фактического стока

над рассчитанным составляет 1,5 раза в среднем и в 2 раза по дисперсии.

При этом с конца 1980-х гг. наблюденный зимний сток превышает рассчи-

танный примерно в 2 раза. Для гораздо меньшей по водности р. Илек

наблюденный в зимний период сток отличается от рассчитанного лишь по

дисперсии, что в 1,5 раза больше.

Выводы

В рамках проделанной работы удалось получить эмпирические

зависимости сезонного стока основных рек бассейна Урала от основных

климатических факторов. Зависимости подбирались по данным для пери-

ода с минимальной антропогенной нагрузкой на сток рек, что позволило

впоследствии для современного периода рассчитать так называемый

Юмина Н.М., Магрицкий Д.В.

147

условно-ненарушенный сток. Точность построенных зависимостей для пе-

риода весеннего половодья и летне-осенней межени высокая.

При сравнении восстановленного условно-естественного стока с фак-

тическим показано, что строительство водохранилищ на р. Урал привело к

уменьшению весеннего стока в среднем на 40 %, увеличению летне-осен-

него стока на 22 % и зимнего стока примерно в 3 раза. Дисперсия стока

половодья уменьшилась на 40 %. Для летне-осеннего сезона наблюдается

небольшое уменьшение дисперсии (< 20 %), а для зимнего сезона диспер-

сия наблюденного стока в несколько раз больше. Наибольшая разница

между наблюденным и рассчитанным весенним стоком фиксируется в

1960–1970-х гг., т. е. в первые десятилетия после ввода Ириклинского во-

дохранилища. Для летне-осеннего периода наибольшие изменения стока

наблюдаются после 1990 г., когда превышение наблюденного стока над

расчетным увеличилось к 2010 г. двухкратно. Последнее можно объяснить

значительным сокращением водопотребления на водосборе реки в усло-

виях сохраняющегося регулирования стока.

Рассчитанный за сезон весеннего половодья сток р. Сакмара, самого

крупного и незарегулированного притока р. Урал, незначимо отличается от

фактически наблюденного, что говорит о незначительном хозяйственном

влиянии на весенний сток реки. В летне-осенний сезон фактический сток

р. Сакмара после 1965 г. увеличился в среднем на 40 % по сравнению с не-

нарушенным стоком. При этом дисперсия изменилась несущественно – в

пределах 20 %. Превышение наблюденного стока над рассчитанным после

1980 г. постепенно возрастает и за период после 2000 г. увеличивается до

2 раз, что может быть связано как со значительными климатически обу-

словленными изменениями формирования стока в регионе, так и с хозяй-

ственной деятельностью на водосборе реки, в большей степени проявляю-

щейся в летне-осенний период, нежели чем во время весеннего половодья

или в целом за год. Зимний наблюденный сток примерно в 1,5 раза превы-

шает рассчитанный; превышение по дисперсии составляет около 2 раз.

Для р. Илек, второго по величине притока р. Урал с гораздо меньшей

водностью, чем у Сакмары, разница фактического и рассчитанного стока

за весеннее половодье в среднем незначительная, при этом дисперсия

наблюденного весеннего стока в 3 раза превышает дисперсию рассчитан-

ного весеннего стока. Летне-осенний сток под влиянием хозяйственной де-

ятельности (период после 1975 г.) в среднем увеличился в 3 раза по срав-

нению с рассчитанным стоком; дисперсия стока при этом также в разы

увеличилась. Наибольшие различия рассчитанного и фактического весен-

него и летне-осеннего стока наблюдаются в 1980-х и 1990-х гг., в первые

десятилетия после введения в эксплуатацию Каргалинского и Актюбин-

ского водохранилищ. Зимний наблюденный сток отличается от рассчитан-

ного только по дисперсии, что примерно в 1,5 раза больше.

Таким образом, хозяйственная деятельность в бассейне р. Урал при-

вела к внутригодовому перераспределению стока основных рек бассейна.

148

Гидрологические прогнозы

Значительные изменения стока произошли на самой р. Урал, характеризу-

ющиеся уменьшением стока в период весеннего половодья и увеличением

стока в летне-осенний и особенно зимний периоды. Для р. Сакмара наблю-

дается увеличение среднего значения и размаха колебаний летне-осеннего

и зимнего стока. В летне-осенний период также значительно увеличился

сток р. Илек. При этом для сезонного стока р. Илек характерно существен-

ное увеличение его дисперсии.

Благодарность

Исследование выполнено в рамках темы государственного задания

I.10, ЦИТИС 121051400038-1.

Acknowledgments: The research was carried out within the framework of

the topic of state assignment I.10, CITIS 121051400038-1.

Список литературы

1. Борщ С.В., Христофоров А.В. Оценка качества прогнозов речного стока //

Труды Гидрометцентра России. 2015. Специальный выпуск 355. 198 с.

2. Васильев Д.Ю., Бабков О.К., Давлиев И.Р., Семенов В.А., Христодуло О.И.

Пространственно-временная структура колебаний приземной температуры на

Южном Урале // Оптика атмосферы и океана. 2018. Т. 31, № 4. С. 294-302.

3. Васильев Д.Ю., Водопьянов В.В., Закирзянов Ш.И., Кенжебаева А.Ж., Се-

менов В.А., Сивохип Ж.Т. Корреляционные связи многолетних колебаний месяч-

ного и годового стока в бассейне реки Урал // Известия РАН. Серия географиче-

ская. 2020. Том 84, № 3. С. 414-426.

4. Васильев Д.Ю., Павлейчик В.М., Семенов В.А., Сивохип Ж.Т., Чибилёв А.А.

Многолетний режим температуры воздуха и атмосферных осадков на территории

Южного Урала // Доклады Академии наук. 2018. Т. 478, № 5. С. 588-592. DOI:

10.7868/S0869565218050201

5. Васильев Д.Ю., Сивохип Ж.Т., Чибилёв А.А. Динамика климата и внутриве-

ковые колебания стока в бассейне реки Урал // Доклады Академии наук. 2016.

Т. 469, № 1. С. 102-107. DOI: 10.7868/S0869565216190245.

6. Вода России. Речные бассейны. Екатеринбург: АКВА-ПРЕСС, 2000. 536 с.

7. Водные ресурсы России и их использование. СПб: ГГИ, 2008. 598 с.

8. Давыдов Л.К. Гидрография СССР (Воды суши). Л.: ЛГУ, 1955. 600 с.

9. Дёмин А.П. Использование водных ресурсов России: современное состоя-

ние и перспективные оценки: Автореф. дис. … д-ра геогр. наук. М., 2011. 51 с.

10. Магрицкий Д.В. Водохозяйственная деятельность в российской части бас-

сейна р. Урала: прошлое и настоящее // Современные проблемы водохранилищ и

их водосборов: Труды IX Всероссийской научно-практической конференции.

Пермь, 2023. С. 270-275.

11. Магрицкий Д.В., Евстигнеев В.М., Юмина Н.М., Торопов П.А., Кенжеба-

ева А.Ж., Ермакова Г.С. Изменения стока в бассейне р. Урал // Вестн. Моск. ун-та.

Сер. 5. География. 2018. № 1. С. 90-101.

12. Магрицкий Д.В., Кенжебаева А.Ж. Закономерности, характеристики и

причины изменчивости годового и сезонного стока воды рек в бассейне р. Урал //

Наука. Техника. Технология (политехнический вестник). Краснодар: Издатель-

ский Дом-Юг, 2017. №. 3. С. 39-61.

Юмина Н.М., Магрицкий Д.В.

149

13. Магрицкий Д.В., Кенжебаева А.Ж., Юмина Н.М., Морейдо В.М., Ефимова

Л.Е. Климатические изменения и водохозяйственная деятельность в бассейне р.

Урал и их влияние на водный режим рек // Степи Северной Евразии: материалы IX

международного симпозиума. Т. 1. Оренбург, 2021. С. 1008-1009.

14. Национальный атлас России. Т. 2. М., 2007. 496 с.

15. Павлейчик В.М., Сивохип Ж.Т. Водно-хозяйственные и трансграничные

аспекты регулирования стока в бассейне реки Урал // Изв. Самар. науч. центра

РАН. 2012. Т. 14, № 1 (9). С. 2367-2371.

16. Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 12. Нижнее Поволжье и Западный

Казахстан. Вып. 2. Урало-Эмбинский район. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 515 с.

17. Сивохип Ж.Т. Трансграничные аспекты регулирования стока в бассейне р.

Урал // Степи Северной Евразии: материалы VI международного симпозиума и

VIII междунар. школы-семинара молодых ученых «Геоэкологические проблемы

степных районов». Оренбург, 2012. С. 671-674.

18. Сивохип Ж.Т. Устойчивое водопользование как фактор гидроэкологиче-

ской безопасности в трансграничном бассейне р. Урал // Вестник Оренб. гос. ун-

та. 2016. № 7 (195). С. 78-84.

19. Сивохип Ж.Т., Павлейчик В.М. Современные тенденции изменения кли-

мата в бассейне реки Урал // Известия Иркутского гос. ун-та. Сер. Науки о Земле.

2022. Т. 41. С. 106-117.

20. Христофоров А.В. Надежность расчетов речного стока. М.: Издательство

МГУ, 1993. 166 с.

21. Чибилев А.А. Река Урал. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 168 с.

22. Чибилев А.А. Бассейн Урала: история, география, экология. Екатеринбург,

2008. 312 с.

23. Чибилёв А.А., Сивохип Ж.Т. Урало-Каспийский трансграничный бассейн:

современное геоэкологическое состояние и перспективы российско-казахстан-

ского сотрудничества // Современные проблемы аридных и семиаридных экоси-

стем юга России: Сб. научн. Статей. Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2006.

С. 290-301.

24. Юмина Н.М., Магрицкий Д.В. Обоснование и анализ статистических зави-

симостей годового стока рек бассейна Урала от метеорологических показателей //

Вопросы степеведения. 2023. № 3. С. 13-25. DOI: 10.24412/2712-8628-2023-3-13-

25.

25. Юмина Н.М., Магрицкий Д.В., Ефимова Л.Е. Проблемы водопользования

в низовьях реки Урал (Жайык) // Трансграничные водные объекты: использование,

управление, охрана: сборник материалов Всероссийской научно-практической

конференции с международным участием, г. Сочи, 20-25 сентября 2021 г. Ново-

черкасск: Лик, 2021. С. 402-406.

26. Magritsky D.V., Kenzhebaeva A.K., Yumina N.M., Efimova L.E., Moreido V.M.

Climatic changes and water management in the Ural River basin and their impact on the

river water regime // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021.

Vol. 817. Р. 1-10. DOI: 10.1088/1755-1315/817/1/012062.

References

1. Borsch S.V., Khristoforov A.V. Hydrologic flow forecast verification. Trudy

Gidromettsentra Rossii [Proceedings of the Hydrometcentre of Russia], 2015, vol. 355,

198 p. [in Russ.].

150

Гидрологические прогнозы

2. Vasil’ev D.Yu., Babkov O.K., Davliev I.R., Semenov V.A., Christodulo O.I. Spa-

tio-temporal structure of surface air temperature fluctuations in the Southern Urals.

Optika Atmosfery i Okeana [Atmospheric and Oceanic Optics], 2018, vol. 31, no. 04, pp.

294-302. DOI: 10.15372/AOO20180408 [in Russ.].

3. Vasil’ev D.Yu., Vodopyanov V.V., Zakirzyanov Sh.I., Kenzhebaeva A.Zh., Se-

menov V.A., Sivokhip Zh.T. Correlation of the Monthly and Annual Runoff Multiple-

Year Variation in the Ural River Basin. Izvestiya RAN. Seriya Geograficheskaya [Bulle-

tin of the Russian Academy of Sciences. Geography], 2020, vol. 84, no. 3, pp. 414-426.

DOI: 10.31857/S2587556620030103 [in Russ.].

4. Vasil’ev D.Y., Chibilev A.A., Pavleychik V.M., Sivohip J.T., Semenov V.A. The

long-term pattern of temperature and precipitation in the southern Urals. Doklady Earth

Sciences. 2018, vol. 478, no. 2, pp. 245-249.

5. Vasil'ev D.Y., Sivohip J.T., Chibilev A.A. Climate dynamics and interdecadal dis-

charge fluctuations in the Ural river basin. Doklady Earth Sciences, 2016, vol. 469, no.

1, pp. 710-715.

6. Voda Rossii. Rechnye basseyny. Ekaterinburg [Water of Russia. River catch-

ments]. Ekaterinburg, AKVA-PRESS, 2000, 536 p. [in Russ.].

7. Vodnye resursy Rossii i ih ispol'zovanie. Saint Petersburg, GGI, 2008, 598 p.

[in Russ.].

8. Davydov L.K. Gidrografiya SSSR (Vody sushi). Leningrad, LGU, 1955, 600 p.

[in Russ.].

9. Demin A.P. Ispol'zovanie vodnyh resursov Rossii: sovremennoe sostoyanie i per-

spektivnye ocenki: Avtoref. dis. … d-ra geogr. nauk. Moscow, 2011, 51 p. [in Russ.].

10. Magrickiy D.V. Vodohozyaystvennaya deyatel'nost' v rossiyskoy chasti bas-

seyna r. Urala: proshloe i nastoyashchee. Sovremennye problemy vodohranilishch i ih

vodosborov: Trudy IX Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferencii. Perm', 2023,

pp. 270-275 [in Russ.].

11. Magritsky D.V., Evstigneev V.M., Yumina N.M., Toropov P.A., Kenzhebayeva

A.Zh., Ermakova G.S. Changes of runoff in the Ural river basin. Vestnik Moskovskogo

universiteta. Seriya 5, Geografiya, 2018, vol. 1, no. 1, pp. 90-101 [in Russ.].

12. Magrickiy D.V., Kenzhebaeva A.Zh. Zakonomernosti, harakteristiki i prichiny

izmenchivosti godovogo i sezonnogo stoka vody rek v basseyne r. Ural. Nauka.

Tekhnika. Tekhnologiya (politekhnicheskiy vestnik). Krasnodar: Izdatel'skiy Dom-YUg

publ., 2017, no. 3, pp. 39-61 [in Russ.].

13. Magrickiy D.V., Kenzhebaeva A.ZH., YUmina N.M., Moreydo V.M., Efimova

L.E. Klimaticheskie izmeneniya i vodohozyaystvennaya deyatel'nost' v basseyne r. Ural

i ih vliyanie na vodnyy rezhim rek. Stepi Severnoy Evrazii: materialy IX mezhdunarod-

nogo simpoziuma. T. 1. Orenburg, 2021, pp. 1008-1009 [in Russ.].

14. Nacional'nyy atlas Rossii [The National Atlas of Russia]. Moscow, 2007, vol. 2,

496 p. [in Russ.].

15. Pavleychik V.M., Sivokhip J.T. Water economic and transboundary aspects of

regulation the Ural river basin flow. Izvestiya Samarskogo nauchnogo centra Rossiyskoy

akademii nauk [Izvestia RAS SamSC], 2012, vol. 14, no. 1(9), pp. 2367-2371 [in Russ.].

16. Resursy poverhnostnyh vod SSSR. T. 12. Nizhnee Povolzh'e i Zapadnyy Ka-

zahstan. Vyp. 2. Uralo-Embinskiy rayon. Leningrad, Gidrometeoizdat publ., 1970,

515 p. [in Russ.].

17. Sivohip Zh.T. Transgranichnye aspekty regulirovaniya stoka v basseyne r. Ural

// Stepi Severnoy Evrazii: materialy VI mezhdunarodnogo simpoziuma i VIII mezhdu-

nar. shkoly-seminara molodyh uchenyh «Geoekologicheskie problemy stepnyh ray-

onov». Orenburg, 2012, pp. 671-674 [in Russ.].

Юмина Н.М., Магрицкий Д.В.

151

18. Sivohip Zh.T. Ustoychivoe vodopol'zovanie kak faktor gidroekologicheskoy be-

zopasnosti v transgranichnom basseyne r. Ural. Vestnik Orenb. gos. un-ta., 2016,

vol. 195, no. 7, pp. 78-84 [in Russ.].

19. Sivokhip Zh.T., Pavleychik V.M. Current Climate Change Trends in the Ural

River Basin. Izvestiya Irkutskogo Gos.Universiteta. Seriya Nauki o zemle [The Bulletin

of Irkutsk State University. Series Earth Sciences], 2022, vol. 41, pp. 106-117. DOI:

10.26516/2073-3402.2022.41.106 [in Russ.].

20. Khristoforov A.V. Nadezhnost' raschetov rechnogo stoka. Moscow, MSU publ.,

1993, 166 p. [in Russ.].

21. Chibilev A.A. Reka Ural [The Ural River]. Leningrad, Gidrometeoizdat publ.,

1987, 168 p. [in Russ.].

22. Chibilev A.A. Basseyn Urala: istoriya, geografiya, ekologiya. Ekaterinburg,

2008, 312 p. [in Russ.].

23. Chibilev A.A., Sivohip Zh.T. Uralo-Kaspiyskiy transgranichnyy basseyn: sov-

remennoe geoekologicheskoe sostoyanie i perspektivy rossiysko-kazahstanskogo

sotrudnichestva // Sovremennye problemy aridnyh i semiaridnyh ekosistem yuga Rossii:

Sb. nauchn. Statey. Rostov-na-Donu, YUNC RAN publ., 2006, pp. 290-301 [in Russ.].

24. Yumina N. M., Magritsky D.V. Substantiation and analysis of statistical depend-

encies of the annual runoff of the rivers of the Ural basin on meteorological indicators.

Voprosy stepevedeniya [Steppe Science], 2023, no. 3, pp. 13-25. DOI: 10.24412/2712-

8628-2023-3-13-25 [in Russ.].

25. Yumina N.M., Magrickiy D.V., Efimova L.E. Problemy vodopol'zovaniya v ni-

zov'yah reki Ural (ZHayyk) // Transgranichnye vodnye ob"ekty: ispol'zovanie, uprav-

lenie, ohrana: sbornik materialov Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferencii s

mezhdunarodnym uchastiem, g. Sochi, 20-25 sentyabrya 2021 g. Novocherkassk, Lik

publ., 2021, pp. 402-406 [in Russ.].

26. Magritsky D.V., Kenzhebaeva A.K., Yumina N.M., Efimova L.E., Moreido V.M.

Climatic changes and water management in the Ural River basin and their impact on the

river water regime. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2021,

vol. 817, pp. 1-10. DOI: 10.1088/1755-1315/817/1/012062.

Поступила 19.02.2024; одобрена после рецензирования 15.03.2024;

принята в печать 10.04.2024.

Submitted 19.02.2024; approved after reviewing 15.03.2024;

accepted for publication 10.04.2024.