Основные гидрологические характеристики рек бассейна нижней волги приложение

«НАУЧНО-ПРИКЛАДНОЙ СПРАВОЧНИК ОСНОВНЫЕ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕК БАССЕЙНА НИЖНЕЙ ВОЛГИ Под редакцией В. Ю. ГЕОРГИЕВСКОГО Ливны, 2015 УДК . »

МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ И ЭКОЛОГИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Федеральное государственное бюджетное учреждение

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

НАУЧНО-ПРИКЛАДНОЙ СПРАВОЧНИК

ОСНОВНЫЕ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕК

БАССЕЙНА НИЖНЕЙ ВОЛГИ

Под редакцией В. Ю. ГЕОРГИЕВСКОГО Ливны, 2015 УДК 556.5.04 ББК 26.222 Н346 Научно-прикладной справочник: Основные гидрологические характеристики рек Н346 бассейна Нижней Волги [Электронный ресурс] / Коллектив авторов; под редакцией Георгиевского В.Ю. — Электрон. Текстовые и граф. дан. в формате PDF (2 файла: 17Мб). – Ливны: Издатель Мухаметов Г.В., 2015. — 1 электрон. опт. диск (CD-ROM) — Систем.

требования: ПК 486 или выше; 8 Мб ОЗУ; Windows 95; SVGA; 4х CD-ROM дисковод; мышь;

Acrobat Reader 3.0 или старше. — Загл. с экрана. — Диск помещен в контейнер 12,5×14 см.

ISBN 978-5-904246-66-2 В справочнике представлены результаты расчетов основных гидрологических характеристик по 122 постам бассейна рек Нижней Волги за период по 2010 год:

среднемноголетние и вероятностные значения средних годовых расходов и слоев стока, максимальные расходы и слои стока весеннего половодья и дождевых паводков, минимальные суточные и 30-суточные расходы зимнего и летнего периодов.

Справочник предназначен для специалистов в области инженерных расчетов гидрологических характеристик, мелиоративной гидрологии, гидротехники и охраны водных ресурсов территории.

УДК 556.5.04 ББК 26.222 The Handbook provides the results of computations of main hydrological characteristics (longtime average annual and probability values of average annual discharges and runoff depths; maximum discharges and depths of snowmelt and rainfall floods; minimum daily and 30-day winter and summer discharges) for 122 hydrological posts of the Lower Volga Basin for the period to 2010.

The Handbook is intended for specialists in hydrological engineering computations, amelioration hydrology, hydraulic engineering and water resources protection.

© ФГБУ «ГГИ», 2015 ISBN 978-5-904246-66-2 © Оформление. Издатель Мухаметов Г.В., 2015 Текстовое электронное издание

Систем. требования: ПК 486 или выше; 8 Мб ОЗУ; Windows 95; SVGA; 4х CD-ROM дисковод; мышь.

Создано с использованием Adobe Acrobat. Для чтения необходима программа Adobe Reader или аналогичная.

Подписана к использованию 14.10.2015. Объем издания 17Мб. Комплектация — 1 электрон. опт. диск (CDROM), помещен в контейнер 12,5×14 см. Тираж: 50 экз.

Издается в авторской редакции Издатель Мухаметов Г.В.

w-kniga@yandex.ru, http://web-kniga.com Содержание ПРЕДИСЛОВИЕ

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

1 ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БАССЕЙНА НИЖНЕЙ ВОЛГИ. 17

1.2 Геология и ландшафты

1.3 Растительный покров

1.4 Подземные воды

2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГИДРОЛОГИЧЕСКОЙ СЕТИ И ЕЕ ИЗУЧЕННОСТЬ. 51

2.1 Гидрографическая сеть

2.2 Гидрологическая изученность

2.3 Основные гидрографические характеристики водосборов в пунктах гидрологических наблюдений

3 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ

3.1 Определение расчетных гидрологических характеристик при наличии данных гидрометрических наблюдений

3.2 Однородность и стационарность основных гидрологических характеристик. 63

3.3 Определение расчетных гидрологических характеристик при неоднородности ряда гидрометрических наблюдений

3.4 Погрешности определения расчетных параметров гидрологических характеристик. 66

3.5 Технологическое обеспечение инженерных гидрологических расчетов на основе современной автоматизированной системы

3.6 Методика определения внутригодового распределения стока рек

3.7 Методика картирования расчетных параметров основных гидрологических характеристик

3.8 Уточнение параметров распределения гидрологических характеристик методом объединения данных наблюдений по группе постов

4.1 Характеристика годового стока

4.2 Исходные данные

4.3 Однородность и стационарность

4.4 Расчетные параметры распределения

4.5 Карты расчетных параметров

5 ВНУТРИГОДОВОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СТОКА РЕК БАССЕЙНА НИЖНЕЙ ВОЛГИ. 82

5.1 Факторы формирования внутригодового распределения стока в бассейне Нижней Волги

5.2 Изменение характеристик внутригодового распределения стока по территории. 85 6 СТОК ВЕСЕННЕГО ПОЛОВОДЬЯ

6.1 Характеристика весеннего половодья

6.2 Исходные данные

6.3 Однородность и стационарность

6.4 Определение параметров распределения

6.5 Карты расчетных параметров

7 ДОЖДЕВЫЕ ПАВОДКИ

8 МИНИМАЛЬНЫЙ СТОК

8.1 Условия формирования минимального стока

8.2 Минимальный летне-осенний сток

8.2.1 Исходные данные

8.2.2 Однородность и стационарность

8.2.3 Расчетные параметры распределения

8.3 Минимальный зимний сток

8.3.1 Исходные данные

8.3.2 Однородность и стационарность

8.3.3 Расчетные параметры распределения

8.4 Карты расчетных параметров

9 РАЙОНИРОВАНИЕ ТЕРРИТОРИИ НИЖНЕВОЛЖСКОГО БАССЕЙНА ПО

СООТНОШЕНИЮ КОЭФФИЦИЕНТОВ ВАРИАЦИИ И АСИММЕТРИИ

МАКСИМАЛЬНЫХ РАСХОДОВ ВЕСЕННЕГО ПОЛОВОДЬЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

МЕТОДИКИ СОВМЕСТНОГО АНАЛИЗА

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Перейти к приложениям Приложение А.1 Список гидрологических постов Приложение А.2 Основные гидрографические характеристики водосборов в пунктах гидрологических наблюдений Приложение А.3 Параметры и расчетные значения среднегодового стока Приложение А.4 Параметры сезонного стока по изученным рекам Приложение А.5 Распределение стока по месяцам и сезонам (в процентах от годового) в пунктах наблюдений Приложение А.6 Внутригодовое распределение стока методом реального года (в слоях и в процентах от годового) Приложение А.7 Параметры и расчетные значения максимальных расходов воды весеннего половодья Приложение А.8 Параметры и расчетные значения слоя стока весеннего половодья Приложение А.9 Основные характеристики наибольших за многолетний период максимальных расходов дождевых паводков Приложение А.10 Расчетные значения максимальных расходов и слоев стока дождевых паводков Приложение А.11 Параметры и расчетные значения минимальных 30-суточных расходов воды за летне-осенний период Приложение А.12 Параметры и расчетные значения минимальных суточных расходов воды за летне-осенний период Приложение А.13 Параметры и расчетные значения минимального 30-суточного расхода воды за зимний период Приложение А.14 Параметры и расчетные значения минимальных суточных расходов воды за зимний период

APPLICATIONS A

Go to applications ANNEX A.1 List of posts ANNEX A.2 Main hydrographic characteristics of watersheds at observing sites ANNEX A.3 Parameters and design values of average annual runoff ANNEX A.4 Seasonal runoff parameters from gauged rivers ANNEX A.5 Monthly and seasonal runoff distribution (in percentage of annual) at observing sites.

ANNEX A.6 Intra-annual runoff distribution by true year method (in depths and percentage of annual runoff) ANNEX A.7 Design values and parameters of maximum spring flood discharges ANNEX A.8 Design values and parameters of spring flood runoff depth ANNEX A.9 Main characteristics of highest long-term rainfall flood maximum discharges ANNEX A.10 Design values of maximum discharges and rainfall flood depths ANNEX A.11 Design values and parameters of minimum summer and autumn 30-day discharges ANNEX A.12 Design values and parameters of minimum summer and autumn daily discharges ANNEX A.13 Design values and parameters of minimum winter 30-day discharges ANNEX A.14 Design values and parameters of minimum winter daily discharges

ПРЕДИСЛОВИЕ

В соответствии с «Водной стратегией Российской Федерации на период до 2020 года» [1] одной из важнейших научно-прикладных задач является обобщение по территории Российской Федерации гидрологических материалов в виде справочных изданий и актуализированных карт расчетных гидрологических характеристик водных объектов. Актуальность этой задачи обусловлена тем, что последние обобщения гидрологических характеристик для территории СССР/России были выполнены более 40 лет назад, при подготовке многотомной монографии «Ресурсы поверхностных вод СССР» [2] и «Пособия по определению основных расчетных гидрологических характеристик» [3], включающих Атлас карт, обобщающих материал по основным гидрологическим характеристикам на основе данных наблюдений до 1975 г. Использование результатов расчетов основных гидрологических характеристик и выполненных обобщений, представленных в этих монографиях, в настоящее время не представляется возможным, поскольку они не учитывают данных гидрометрических наблюдений за последние десятилетия. Именно в этот период в бассейне Волги произошли климатические изменения, оказавшие значительное влияние на внутригодовое распределение стока, формирование максимальных и минимальных расходов воды.

Научно-прикладной справочник подготовлен в рамках выполнения Государственного контракта «Обобщение по территории Российской Федерации данных гидрологического мониторинга в виде справочных изданий и актуализированных карт расчетных гидрологических характеристик рек бассейнов Верхней Волги, Камы и Нижней Волги». Контракт был заключен между ФГБУ «Государственный гидрологический институт» и ФГБУ «Информационноаналитический центр развития водохозяйственного комплекса» за счет средств федеральной целевой программы «Развитие водохозяйственного комплекса Российской Федерации в 2012–2020 годах».

Справочник подготовлен в ФГБУ «Государственный гидрологический институт» при участии ФГБУН «Институт водных проблем РАН», Географического факультета ФГБОУВО «Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова», ФГБУ «Всероссийский научноисследовательский институт гидрометеорологической информации – Мировой центр данных, ФГБУН «Институт географии Российской академии наук».

Научное руководство подготовкой справочника и его редактирование осуществлял д.г.н.

Георгиевский В. Ю.

В составлении отдельных разделов научно-прикладного справочника принимали участие:

глава 1 «Физико-географические характеристики бассейна Нижней Волги», раздел 1.1 – к.г.н.

Суркова Г. В. (МГУ); раздел 1.2 – к.г.н. Панин А. В., к.г.н. Горбунова И. А. (МГУ), к.г.н Георгиади А. Г., д.г.н. Коронкевич Н. И. (ИГ РАН); раздел 1.3 – д.г.н. Огуреева Г. Н. (МГУ), д.г.н.

Коронкевич Н. И., к.г.н. Георгиади А.Г. (ИГ РАН); раздел 1.4 – д.г.-мн.н. Зекцер И. С. (ИВП РАН), комплект карт – к.г.н. Агафонова С. А. (МГУ);

глава 2 «Общая характеристика гидрологической сети и ее изученность», раздел 2.1 – д.г.н.

Алексеевский Н. И., к.г.н. Косицкий А. Г. (МГУ); раздел 2.2 – вед. инж.-программист Молчанова Т. Г., вед. инженер Грек Е. А. (ГГИ); раздел 2.3 – к.г.н. Журавлев С. А., вед. инженер Сазонова Д. Г., вед. инженер Бузмаков С. В., инж.-программист Журавлева А. Д. (ГГИ);

глава 3 «Методика определения расчетных параметров гидрологических характеристик», разделы 3.1–3.5 – к.т.н. Лобанова А. Г. (ГГИ); раздел 3.6 – вед. инж-программист Молчанова Т. Г.

(ГГИ); раздел 3.7 – к.г.н. Журавлев С. А. (ГГИ); раздел 3.8 – д.т.н. Болгов М. В., Осипов Н. В. (ИВП РАН);

глава 4 «Годовой сток» – к.г.н. Лобанова А. Г., вед. инженер Шалашина Т. Л. (ГГИ), комплект карт – к.г.н. Журавлев С. А., вед. инженер Сазонова Д. Г., вед. инженер Бузмаков С. В. (ГГИ);

глава 5 «Внутригодовое распределение стока», раздел 5.1 – д.г.н. Алексеевский Н. И., к.г.н.

Повалишникова Е. С., д.г.н. Фролова Н. Л. (МГУ); раздел 5.2 – д.г.н. Фролова Н. Л., к.г.н.

Киреева М. Б. (МГУ), вед. инж.-программист Молчанова Т. Г., вед. инж. Кузнецова О. М. (ГГИ), комплект карт – к.г.н. Агафонова С. А. (МГУ);

глава 6 «Сток весеннего половодья» – вед. инженер Грек Е. А. (ГГИ), комплект карт – к.г.н.

Журавлев С. А., вед. инженер Сазонова Д. Г., вед. инженер Бузмаков С. В. (ГГИ);

глава 7 «Сток дождевых паводков» – к.г.н. Василенко Н. Г., к.г.н. Банщикова Л. С., вед. инженер Шаромова Т. А. (ГГИ), комплект карт – к.г.н. Журавлев С. А., вед. инженер Сазонова Д. Г., вед. инженер Бузмаков С. В. (ГГИ);

глава 8 «Минимальный сток» – к.г.н. Марков М. Л., к.г.н. Гуревич Е. В., вед. инженер Георгиевский Д. В. (ГГИ), комплект карт – к.г.н. Журавлев С. А., вед. инженер Сазонова Д. Г., вед. инженер Бузмаков С. В. (ГГИ);

глава 9 «Районирование территории Нижневолжского бассейна по соотношению коэффициентов вариации и асимметрии максимальных расходов воды весеннего половодья» – д.т.н.

Болгов М. В., Осипова Н. В. (ИВП РАН).

Работы по критическому анализу и подготовке исходной информации по характеристикам речного стока от начала наблюдений до 2010 г. включительно (средние месячные данные за все годы наблюдений, средние годовые, максимальные расходы и слои стока весеннего половодья, максимальные расходы дождевых паводков, минимальные суточные и 30-суточные расходы за зимний и летний периоды), подготовке программного сопровождения для создания архивов исходной информации и расчетов максимальных слоев стока весеннего половодья, 30-суточных минимальных летних и зимних расходов за период 1981–2010 гг. выполнены сотрудниками ВНИИГМИ-МЦД: д.т.н. Копыловым В. Н., к.ф.-м.н. Ковалевым Н. П., зав. лабораторией Шевченко А. И., н.с. Готовченковой И. Л., к.т.н. Яковенко Л. И., программистом Бехтяновой И. В., программистом Андреевым А. Г., н.с. Дегтяренко Т. И., зав. сектором Атапиной Н. М.

Карты, представленные в разделах 1 и 5, построены к.г.н. Агафоновой С. А. (МГУ), в разделах 2, 4–8 – к.г.н. Журавлевым С. А., вед. инженером Сазоновой Д. Г., вед. инженером Бузмаковым С. В., вед. инженером-программистом Журавлевой А. Д. (ГГИ).

В основу помещенных в справочнике материалов, анализа, расчетов и обобщений положены данные по 122 постам Государственной гидрологической сети Росгидромета за весь период наблюдений по 2010 г. включительно.

В работе использованы современные методы гидрологических расчетов, реализующих требования официальных нормативных документов [4] и методических рекомендаций [5–8].

Расчеты выполнены с применением с применением сертифицированного программного комплекса HydroStatCalc, разработанного в Государственном гидрологическом институте [9].

Представленные в научно-прикладном справочнике материалы предназначены для широкого применения при проектировании, строительстве и эксплуатации водохозяйственных объектов, в том числе, предназначенных для обеспечения защиты социально-экономических объектов от негативного воздействия вод.

НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Автокорреляция – корреляция ряда величин с этим же рядом, сдвинутым на некоторый интервал времени или расстояния.

Азональность гидрологических явлений – особенности режима поверхностных и подземных вод, отклоняющихся от общих закономерностей зонального (широтного и вертикального) распределения гидрологических характеристик.

Антропогенная (техногенная) нагрузка – мера прямого и косвенного воздействия человека и народного хозяйства на природу в целом или на ее отдельные компоненты (ландшафты, почвы и др.).

Антропогенные факторы – факторы, обусловленные хозяйственной деятельностью человека и влияющие на природную среду.

Внутригодовое распределение стока – распределение стока по частям года (сезонам, месяцам, декадам); обычно выражается в долях или процентах от величины годового стока.

Водность – относительная характеристика стока за определенный интервал времени по сравнению с его средней многолетней величиной или величиной стока за другой период того же года.

Водные ресурсы – запас воды на данной площади или в данном бассейне, выраженный в виде доступных для использования поверхностных и подземных вод.

Водный кадастр – систематизированный свод сведений о качественных и количественных характеристиках водных объектов за каждый год и за многолетний период.

Водный режим – изменение во времени уровней, расходов и объемов воды в водных объектах.

Водозаборное сооружение – гидротехническое сооружение, предназначенное для забора воды.

Водохозяйственная деятельность – деятельность граждан и юридических лиц, связанная с использованием, восстановлением и охраной водных объектов.

Водохозяйственный год – расчетный годичный период времени, начинающийся с самого многоводного периода.

Географическое положение бассейна – положение бассейна на поверхности Земли, выраженное совокупностью географических координат (широта и долгота), в пределах которых он располагается.

Гидрографическая длина реки – длина реки от наиболее удаленного истока.

Гидрографическая сеть поверхности суши – система постоянно и временно действующих водотоков и озер.

Гидрологическая изученность – сведения о количестве и размерах рек, их стационарной и экспедиционной изученности, о гидрологических станциях и постах.

Гидрологические данные – сведения о гидрологических явлениях, элементах и характеристиках.

Гидрологические карты – карты, отображающие распределение по территории гидрологических характеристик и параметров расчетных схем и формул.

Гидрологические наблюдения – систематические и эпизодические наблюдения (измерения) за гидрологическими характеристиками и элементами водного режима.

Гидрологические расчеты – раздел инженерной гидрологии, в задачи которого входит разработка методов, позволяющих рассчитать значения различных характеристик гидрологического режима на период эксплуатации гидротехнических сооружений при проектировании, строительстве, эксплуатации, консервации и ликвидации гидротехнических сооружений и других объектов.

Гидрологические характеристики – количественные оценки элементов гидрологического режима.

Гидрографические характеристики – совокупность морфометрических и морфологических характеристик водных объектов и их водосборов, дающих достаточно полное представление о характере, форме, размерах, протяженности водных объектов и некоторых физико-географических особенностях их водосборов Государственный мониторинг водных объектов – система регулярных наблюдений за гидрологическими или гидрогеологическими и гидрогеохимическими показателями их состояния, обеспечивающая сбор, передачу, обработку и обобщение полученной информации в целях своевременного выявления негативных процессов, прогнозирования их развития, предотвращения вредных последствий и определения степени эффективности осуществляемых водоохранных мероприятий.

Доверительные пределы – численные величины, дающие границы доверительного интервала по обе стороны соответствующей кривой.

Доверительный интервал – область допустимых значений, вероятность попадания в которую при принятии гипотезы однородности, равна уровню значимости.

Дождевой сток – сток, возникший в результате выпадения дождей.

Естественный сток – сток в реке при естественных условиях.

Истощение вод – устойчивое сокращение запасов и ухудшение качества поверхностных и подземных вод.

Квазистационарность – стационарность гидрологических рядов, имеющих ограниченный период наблюдений во времени.

Климатические (метеорологические) условия – факторы, определяющие водный режим водоема.

Комплексное использование водных ресурсов – использование водных ресурсов для удовлетворения потребностей ряда отраслей народного хозяйства, являющихся как водопользователями, так и водопотребителями, с учетом перспективы развития этих отраслей.

Коэффициент асимметрии – безразмерный статистический параметр, характеризующий степень несимметричности рассматриваемой случайной величины относительно его среднего значения.

Коэффициент вариации – безразмерный статистический параметр, характеризующий изменчивость случайной величины, представляющий собой отношение среднего квадратического отклонения к его среднему значению.

Коэффициент корреляции – мера линейной взаимосвязи двух случайных величин.

Коэффициент лесистости – площадь леса на водосборе, выраженная в относительных величинах от всей площади водосбора.

Коэффициент множественной корреляции – мера линейной взаимосвязи более чем двух случайных переменных.

Коэффициент озерности – площадь зеркала озер и других водоемов, выраженная в относительных величинах от всей площади водосбора.

Коэффициент стока – отношение величины (объема или слоя) стока к количеству выпавших на площадь водосбора осадков, обусловивших возникновение стока.

Кривая распределения вероятностей – графическое или аналитическое выражение функции, характеризующей вероятность появления того или иного значения рассматриваемого ряда случайной величины.

Лимитирующий период – часть водохозяйственного года, неблагоприятная для осуществления проектируемых мероприятий либо по водопотреблению и водопользованию, либо по борьбе с наводнениями и осушению болот.

Максимальный сток – речной сток, наблюдавшийся в половодье или паводки.

Методы гидрологических расчетов – технические приемы, позволяющие рассчитать, обычно с оценкой вероятности их появления (превышения), значения характеристик гидрологического режима.

Модуль стока – количество воды, стекающей с единицы площади за 1 секунду.

Морфометрические характеристики речного бассейна – основными показателями являются длина реки и площадь водосбора.

Нестационарный процесс – процесс распределения вероятности, характер которого зависит от времени.

Норма гидрологических характеристик – среднее арифметическое значение характеристик гидрологического режима за многолетний период такой продолжительности, при увеличении которой полученное среднее значение существенно не меняется.

Нормальное распределение – симметричное колоколообразное распределение, теоретически представляющее распределение случайных ошибок около их среднего значения.

Объем стока – количество воды, протекающее через рассматриваемый створ водотока за какой-либо период времени.

Основные гидрологические характеристики – включают следующие элементы гидрологического режима рек и озер: средний годовой сток рек и его внутригодовое распределение, максимальные расходы воды и слои стока весеннего половодья и дождевых паводков, гидрографы стока, минимальные расходы воды (срочные, наименьшие 30-суточные и за календарный месяц) летней и зимней меженей, наивысшие уровни воды рек и озер.

Паводочная волна – увеличение речного стока до максимума и его последующее снижение, происходящее в результате выпадения осадков, снеготаяния, прорыва плотины или сбросов воды гидроэлектростанциями.

Плотина – водоподпорное сооружение, перегораживающее водоток и (иногда) долину водотока для подъема уровня воды.

Подпор воды – повышение уровня воды из-за наличия в русле реки препятствия для ее движения.

Подстилающая поверхность — разнообразные компоненты земной поверхности, взаимодействующие с атмосферой и влияющие на ее состояние.

Половодье – фаза водного режима реки, ежегодно повторяющаяся в данных климатических условиях в один и тот же сезон, характеризующаяся наибольшей водностью, высоким и длительным подъемом уровня воды и вызываемая дождями или снеготаянием во время оттепелей.

Растительный покров бассейна – сведения об основных видах растительности, распространенной в пределах водосбора, с указанием размеров занимаемых ими площадей.

Расчетная гидрологическая характеристика – статистическая оценка гидрологических характеристик, которая используется при строительном проектировании.

Расчетная обеспеченность – обеспеченность гидрологической характеристики, принимаемая при строительном проектировании для установления значения параметров гидрологического режима, определяющих проектные решения.

Регулирование стока – перераспределение во времени объема жидкого стока в соответствии с требованиями водопользования, а также в целях борьбы с наводнениями.

Рельеф – фактор поверхности водосбора, определяющий характер выпадения и распределения осадков по территории водосбора, условия протекания воды по земной поверхности.

Речной сток – сток, проходящий по речной сети.

Свободное состояние русла – состояние русла, характеризующееся отсутствием препятствий (ледяных образований, водной растительности, сплавного леса и т. д.), которые влияют на зависимость между расходами и уровнями воды, а также отсутствием подпора.

Стационарность – однородность выборочных параметров и функций распределения во времени.

Стохастическая гидрология – гидрологические процессы и явления, которые описываются и анализируются при помощи методов теории вероятностей и математической статистики.

Тренд – однонаправленное, монотонное изменение средней величины.

Уровень значимости – достаточно малое значение вероятности, которое характеризует практически невозможное событие.

Физико-географические характеристики бассейна – географическое положение, климат, геологическое строение, почва, растительность и рельеф.

1 ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БАССЕЙНА

НИЖНЕЙ ВОЛГИ

Бассейн Нижней Волги находится в юго-западной части европейской территории России. Он вытянут с севера на юг более чем на 1200 км; ширина бассейна с запада на восток превышает 500 км.

В пределы этого региона полностью или частично входит территория 9 субъектов Российской Федерации (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Административно-территориальное деление бассейна Нижней Волги

1.1 Климат Значительная меридиональная протяженность региона обусловливает существенные различия радиационного баланса, режима влажности, осадков и глубины промерзания почвы. Часть бассейна (от широты Самары до Волгограда) относится к атлантико-континентальной европейской области умеренного пояса с очень теплым летом и холодной зимой с устойчивым снежным покровом.

Южнее Волгограда территория относится к очень теплой и умеренно сухой континентальной восточноевропейской области умеренного климата.

В условиях удаленности бассейна от океанов основное влияние на климат оказывают континентальные воздушные массы, формирующиеся в центре Евразийского материка. Они определяют большую годовую амплитуду температуры, жаркое лето, морозную и довольно продолжительную зиму, короткие переходные сезоны. Велика и внутрисезонная изменчивость температуры – резкие зимние оттепели, весенние возвраты холодов, высокая вероятность летних заморозков, засухи. Смягчающее действие на режим температуры и осадков оказывают вторжения атлантического воздуха. Западный перенос и связанная с ним циклоническая деятельность особенно заметно влияют на верхнюю часть бассейна (от Самары до Волгограда). Южнее возрастает роль континентальных воздушных масс, трансформирующихся над материком.

Обширная и обводненная Волго-Ахтубинская пойма, дельта Волги создают уникальные местные климатические условия, резко контрастирующие с соседними пустынными и полупустынными территориями. Заметное влияние на режим всех метеорологических величин в прибрежной зоне (5–6 км) создают водохранилища – Куйбышевское, Саратовское, Волгоградское.

Радиационный баланс в регионе увеличивается в направлении с севера на юг; его средние многолетние значения изменяются в пределах 1350–2100 МДж/(м2 год). При средних условиях облачности величина баланса составляет 35–40 % приходящей суммарной солнечной радиации.

Отрицательные среднемесячные значения радиационного баланса наблюдаются в период с ноября по февраль. Наименьшие их значения чаще всего отмечаются в январе – от –46 МДж/(м2 мес) на севере до –3 МДж/(м2 мес) на юге. С марта по октябрь баланс положителен и максимален в июне (330–360 МДж/(м2 мес)).

Средняя годовая температура воздуха в пределах бассейна увеличивается от 3,0 С в районе Казани до 9,5 С в устьевой области Волги. Разность между средней месячной температурой самого теплого и холодного месяцев составляет 30–40 С, возрастая к востоку бассейна.

Средние даты последнего заморозка на юге территории относятся ко второй декаде апреля, на севере – к третьей декаде мая. Продолжительность безморозного периода возрастает с севера на юг от 115 до 190 дней. Первые заморозки на севере бассейна могут наблюдаться в среднем с середины сентября, на юге – на месяц позднее. Период с положительными температурами почвы короче безморозного периода на 2–3 недели.

В теплый период года распределение температур воздуха в большей степени соответствует географической широте местности. Средняя температура самого теплого месяца (июль) изменяется от 19 до 25 С, возрастая к югу. Наибольшие средние и абсолютные максимумы температуры также наблюдаются в июле. В среднем они изменяются соответственно от 25 до 30 С и от 38 до 42 С.

Многолетние наблюдения свидетельствуют о значительной межгодовой изменчивости средних месячных температур во все сезоны. В последние 30 лет отмечается постепенное повышение температуры воздуха в октябре, январские температуры повышались до 2000 г. В дальнейшем наметилась тенденция к их снижению.

Сумма осадков по территории бассейна распределена неравномерно. Годовые суммы изменяются с севера на юг от 600 мм и более до 20 мм и менее (рисунок 1.2–1.3). На одной и той же широте осадки на левобережье Волги несколько меньше по сравнению с правобережными районами бассейна. В районе Жигулевских гор количество осадков больше во все сезоны года, что связано с орографическим эффектом их увеличения.

По степени увлажнения бассейн Нижней Волги подразделяется на три участка. Территория от Казани до Самары относится к зоне достаточного увлажнения – здесь количество осадков превышает испарение. Средняя разность годовой суммы осадков и испаряемости может изменяться от 200 до –100 мм (в отдельные засушливые годы). От Самары до Волгограда увлажнение недостаточное, испаряемость устойчиво превышает осадки в среднем на 200–400 мм в год. Ниже по течению территория умеренно сухая, разница осадков и испаряемости за год изменяется от –400 до

Режим осадков в холодный период обусловлен циклонической деятельностью. Интенсивность осадков уменьшается по сравнению с теплым периодом, а число дней с осадками – возрастает. В южной части бассейна сумма осадков с ноября по март равна 50–100 мм. К северу от Волгограда она возрастает до 100–150 мм. В районах Жигулевских гор и Бугульминско-Белебеевской возвышенности до 150–200 мм. Меньше всего выпадает осадков в феврале, в Волго-Ахтубинской пойме – в феврале – апреле.

Летом осадки связаны с циклонической деятельностью и внутримассовой конвекцией. Осадки могут быть обложными и ливневыми. Всего за теплый период выпадает от 50 мм в дельте Волги до 300 мм на севере бассейна. В пределах Жигулевских гор и возвышенностей Заволжья сумма осадков возрастает. Над крупными водохранилищами количество осадков уменьшается по сравнению с окружающей территорией примерно на 10 %. Максимальные суммы осадков приходятся на июль почти повсеместно, только в районе Волго-Ахтубинской поймы максимум их выпадения смещается на май – июнь.

Межгодовая изменчивость средних годовых сумм осадков довольно велика и составляет 20– 30 %. Годы с достаточным увлажнением могут сменяться годами с длительными засушливыми сезонами. Вероятность засух особенно велика в Заволжье и возрастает с севера на юг.

Климатический прогноз на середину XXI в. свидетельствует о возможности увеличения годовой суммы атмосферных садков примерно на 10 % по сравнению с периодом 1961–1990 гг. Для Рисунок 1.2 – Распределение среднего годового количества Рисунок 1.3 – Распределение количества осадков за теплый период осадков в бассейне Нижней Волги (апрель – октябрь) в бассейне Нижней Волги сезонного распределения осадков характерно отсутствие ярко выраженных направленных изменений в последние десятилетия.

Появление снежного покрова в северной части бассейна Нижней Волги наблюдается в последней декаде октября; в районе Астрахани снежный покров появляется в начале декабря.

Устойчивый снежный покров на севере бассейна образуется к концу ноября, в Волгограде – к концу декабря. В Астрахани устойчивый снежный покров формируется менее чем в 50 % зим. Зимой высота снежного покрова постепенно возрастает и достигает наибольших значений к марту, а на крайнем юге района в конце января – начале февраля. Наибольшая за зиму средняя высота снежного покрова составляет 30–50 см. Пространственная изменчивость высоты снежного покрова и запаса воды в снеге довольно велика. Она зависит от орографических факторов, наличия растительности, режима ветра, других физико-географических особенностей местности. К началу весны запас воды в снежном покрове максимален и достигает 130–140 мм к северу от Камского залива Куйбышевского водохранилища (до 170 мм на защищенных участках) (рисунок 1.4). Южнее, в левобережной части бассейна, запас воды в снежном покрове резко уменьшается (до 80–140 мм, на Сыртовой равнине Заволжья – до 70–90 мм). На западных склонах Бугульминско-Белебеевской возвышенности запас воды в снеге составляет 120–140 мм, на отрогах Общего Сырта – до 100– 120 мм. В правобережной части бассейна максимальный запас воды равен 80–100 мм. В ВолгоАхтубинской пойме он не превышает 15–30 мм. В последние годы наметилась тенденция уменьшения числа дней со степенью покрытия местности снегом более 50 %. Плотность снежного покрова по территории меняется незначительно и составляет 210–250 кг/м3. В годы с частыми метелями и оттепелями плотность возрастает. Разрушение снежного покрова происходит в первой декаде апреля (Саратовская область), а южнее – в конце марта. Сход снега происходит быстро – через 2–4 дня после появления проталин. Продолжительность залегания снежного покрова уменьшается с севера на юг от 160 до 43 дней.

Влажность воздуха определяется сочетанием влияния крупномасштабных особенностей атмосферной циркуляции, радиационного баланса и местных факторов. Парциальное давление водяного пара составляет в среднем за год 7–8 гПа, возрастая в Волго-Ахтубинской пойме и в дельте Волги до 9 гПа и больше. Наименьшие его средние месячные значения (2–3 гПа) наблюдаются в январе. В теплый период года влагосодержание воздуха возрастает в несколько раз. Максимальные средние месячные значения парциального давления достигают 14–15 гПа в июле (в дельте Волги до 17 гПа и больше). В среднем за год относительная влажность воздуха в регионе составляет 70–75 %, уменьшаясь с севера на юг. В холодный период она возрастает до 80–85 %. В теплое время года относительная влажность снижается до 50–60 %. Средние годовые значения дефицита влажности увеличиваются с севера на юг от 3,5 гПа в верхней части бассейна до 6,4 гПа в дельте Волги. В холодный период года воздух приближается к состоянию насыщения; дефицит влажности уменьшается на фоне низкой температуры. Минимальные значения дефицита (0,4–0,6 гПа) отмечаются в декабре – январе. Возрастание дефицита влажности с севера на юг от 8–9 гПа до 17 гПа и больше продолжается до июня – июля.

Рисунок 1.4 – Распределение средней величины (из наибольших) запасов воды в снежном покрове территории Нижней Волги В холодный сезон и в среднем за год в северной и центральной части бассейна преобладают ветра южных румбов.

Летом их роль уменьшается, заметно возрастает повторяемость ветров северных направлений. В восточной и южной части бассейна (над Волго-Ахтубинской поймой) в годовом режиме преобладают ветры восточных румбов. Они соответствуют поступлению в район сухого континентального воздуха, особенно жаркого летом и морозного – зимой. Суточный ход изменения скорости ветра лучше выражен в теплое время года. Увеличение скорости ветра характерно для дневных часов.

Средние месячные скорости ветра заметно больше в холодное время года (3,5–4,5 м/сек), в теплый сезон – они на 0,5–1,0 м/сек меньше. На возвышенностях, открытых пространствах, в том числе над водохранилищами, скорость ветра примерно на 0,5–1 м/сек больше по сравнению с другими типами ландшафтов. Средняя максимальная скорость ветра на большей части территории составляет 20–25 м/сек. При порывах она может возрастать до 30–40 м/сек и больше.

Для бассейна Нижней Волги характерны суховеи – ветры со скоростями более 5 м/сек, большим дефицитом влажности и ее относительными значениями меньше 30 %, температурой воздуха выше 25 С. Повторяемость суховеев возрастает с севера на юг и юго-восток. Наиболее часто суховеи возникают по периферии антициклона и являются результатом местной трансформации воздушных масс над степями юга и юго-востока ЕТР. В Татарстане число дней в году с суховеями достигает 14, в Ульяновской области – 19, по левобережью Саратовской области 30–40.

Средняя глубина промерзания грунтов в бассейне обычно не превышает 1 м. На севере района в бассейне р. Большой Черемшан глубина промерзания почвы составляет 0,9–1,1 м; в бассейнах рек Саратовского и Волгоградского водохранилищ – 0,5–0,9 м. На западных отрогах БугульминскоБелебеевской возвышенности глубина промерзания почв составляет 0,65–0,75 м. На правобережье Волги глубина промерзания равна 0,6–1,0 м, в Волго-Ахтубинской пойме и дельте – 0,5–0,6 м. В наиболее холодные и малоснежные зимы глубина промерзания в бассейне р. Большой Черемшан и притоков Саратовского водохранилища составляют до 1,5 м и более; на западных склонах Бугульминско-Белебеевской возвышенности и Общего Сырта – 1,0–1,2 м, в Волго-Ахтубинской пойме и дельте р. Волга – 0,85–0,95 м. В сравнительно теплые и малоснежные зимы промерзание почвы по бассейну распространяется на глубину до 0,2 м.

Испаряемость в бассейне Нижней Волги возрастает с северо-востока на юго-запад от 600 мм до 1000 мм [10]. Средняя годовая разность осадков и испаряемости, характеризующая увлажненность территории, меняется от –50 до –100 мм на севере бассейна и от –600 до –700 мм в дельте Волги [11], что связано с уменьшением количества осадков и ростом температуры.

Суммарное годовое испарение с поверхности почвы в бассейне Куйбышевского водохранилища составляет 450–500 мм (75–85 % годовой суммы осадков); в бассейнах рек Саратовского водохранилища – 420–480 мм (80–90 %); в бассейнах рек, впадающих в Волгоградское водохранилище, – 320–380 мм (87–92 % годовой суммы осадков). Большая часть влаги испаряется в период с апреля по май.

1.2 Геология и ландшафты Бассейн Нижней Волги полностью относится к внеледниковой области ВосточноЕвропейской равнины. Правобережье Волги занимает узкая полоса восточного ската Приволжской возвышенности[11].

Низкое Заволжье занимает зону по левому берегу Волги от Казани, где его ширина не превышает 15–20 км, до Прикаспийской низменности (ширина до 100 км и более). В геотектоническом отношении эта территория неактивна на современном этапе ее развития. Как депрессия рельефа она формировалась под влиянием Волги и других рек. Депрессия заполнена аллювием Волги плиоцен-четвертичного возраста и морскими отложениями каспийских ингрессий.

Выступ Жигулевской возвышенности делит Низкое Заволжье на две части – северную (КазанскоМелекесская низина) и южную (Саратовское Низкое Заволжье). К востоку поверхность повышается, образуя переходную к Уралу полосу интенсивно расчлененных возвышенностей – Высокое Заволжье. В пределах Нижневолжского бассейна находится юго-западный край этой области, представленный юго-западными отрогами Бугульминско-Белебеевской возвышенности и западным краем Общего Сырта с окаймляющими его более низкими возвышенностями (Сыртовое Заволжье).

Ниже Волгограда Волга пересекает Прикаспийскую низменность – морскую равнину, неоднократно затапливавшуюся водами Каспийского моря на последних этапах геологической истории. Особенно большое влияние на геологические особенности и геоморфологическое строение низменности оказала последняя позднеплейстоценовая (хвалынская) трансгрессия. Ее традиционно делят на ранне- и позднехвалынскую фазы. Уровень моря в раннехвалынскую трансгрессию поднимался до отметок +48…+50 м абс., т. е. почти на 80 м выше по сравнению с современным уровнем воды. Северная граница моря доходила до Жигулей. В Западном Прикаспии ее положение маркируют террасы на восточных склонах Ергеней. Стадии спада уровня моря оставили несколько хорошо выраженных береговых линий, в том числе на отметках +20…+22 м абс.

Возраст раннехвалынской трансгрессии неоднозначен. Он связывается с ранневалдайской ледниковой эпохой (60–70 тыс. лет назад) или с поздневалдайской ледниковой эпохой (около 16– 19 тыс. лет назад). Позднехвалынская фаза произошла незадолго до начала голоцена (не позднее 12 тыс. лет назад). Уровень моря в это время примерно соответствовал уровню Мирового океана (0 м. абс.). В долине Волги береговая линия моря находилась в районе современного расположения с. Цаган-Аман.

В пределах Нижней Волги выделяются две орографические области: древнеледниковые и внеледниковые районы (индекс В) и морские равнины юга Восточно-Европейской равнины (индекс Г). Различия в их рельефе обусловлены особенностями строения и истории развития (рисунок 1.5).

Вятское Прикамье (В4) в основном находится в пределах бассейна Камы. Эти эрозионные равнины заходят в бассейн Нижней Волги своим юго-западным краем. Более существенна роль Приволжской возвышенности (В9). В ее пределах русло реки прижато к правому берегу, что обусловливает его разрушение. Общая величина смещения русла Волги за четвертичный период к западу составляет около 100 км. Этот процесс обусловливает неоднородности строения возвышенности (Жигулевский вал), где существуют большие перепады высот (175–215 м) между водораздельными плато и пониженной частью речной долины. В районе активны процессы линейной эрозии, значительна густота и глубина эрозионного расчленения береговых возвышенностей (Богородские горы (выше устья Камы), Щучьи и Ундорские горы (выше Ульяновска)) и др. Местами развит карст.

Рисунок 1.5 – Орографические районы бассейна Нижней Волги В средней части Приволжской возвышенности находится полого наклоненное к югу плато (Жигули) с отметками высот 340–371 м и относительным превышением над уровнем Волги до 349 м.

Плато подвержено сильной склоновой и овражной эрозии. В пределах Жигулевской возвышенности развит активный карст.

В южной части Приволжской возвышенности абсолютные отметки местности постепенно понижаются. Сызранско-Камышинский район возвышенности испытывает мощное влияние эрозионных процессов. По степени расчлененности рельефа он подобен междуречью рек Свияга и Волга. Южнее г. Саратов ширина Приволжской возвышенности существенно уменьшается. Долина Волги здесь относительно узкая, берега Волги – высокие и обрывистые. В юго-западной части Бугульминско-Белебеевской возвышенности и в пределах Самарского Высокого Заволжья выделяются Кинельские, Сокольи горы, а также Сокские яры.

Сыртовое Высокое Заволжье (В19) – возвышенные плоские поверхности (плато), обычно слабоволнистые или равнинные. Основную часть района занимает возвышенность Общий Сырт – денудационная равнина, сложенная горизонтальными пластами терригенных (глинистых и песчаномергелистых), карбонатных и галогенных пород пермского возраста. Поверхность возвышенности имеет полого увалистый валообразный характер. Средние высоты местности достигают 300–380 м.

К востоку они возрастают до 400–500 м. Рельеф возвышенности здесь пересеченный, грядовохолмистый. Долины рек глубоко врезанные и крутосклонные. Высоты местности убывают в югозападном направлении до 30–50 м. В южном направлении сырты постепенно переходят в Прикаспийскую низменность.

Равнинные междуречья Общего Сырта с абсолютными высотами 250–300 м расчленены верховьями рек Большой Кинель, Ток, Большой Чуран и Самара. Речные долины вытянуты в северозападном – юго-восточном направлении (в соответствии с ориентацией древних тектонических структур). На северо-западе Общий Сырт переходит в пологоволнистые равнины Каменного Сырта и Среднего Сырта, которые граничат с Высоким Саратовским Заволжьем. Каменный Сырт – возвышенная и холмистая территория к югу от р. Самара. Отличительная черта орографического района – каменисто-скальный характер отдельных холмов и возвышенностей.

Казанско-Мелекесская низина (В20) относится к северной части Низменного Заволжья – района современной и древней долины Волги. К руслу реки примыкает пойменная терраса с озерами, старицами и протоками. Надпойменные террасы имеют высоту от 15–30 до 100 м над урезом воды и ширину до 30–35 км. Эрозионное расчленение слабое: густота овражно-балочной сети не превышает 0,4 км на 1 км. Местная речная сеть развита слабо, характерны суходолы, безводные летом.

Саратовское Низкое Заволжье (В21) расположено в тектонической впадине между Общим Сыртом и Приволжской возвышенностью. Западная часть района совпадает с древней долиной Волги. Здесь преобладают песчано-глинистые отложения. За полосой волжских террас распространены засоленные сыртовые глины.

К морским равнинам юга Восточно-Европейской равнины на территории Нижней Волги относится Прикаспийская низменность (Г1). Это практически плоская морская равнина с абсолютными отметками ниже 50 м, неоднократно затапливавшаяся в период трансгрессий Каспийского моря. Для ее рельефа характерно чередование плоских водоразделов с редкими неглубокими долинами временных водотоков и понижениями, занятыми озерами (Эльтон, Баскунчак, Булухта). Котловины этих озер имеют карстовое происхождение. Карст развит в пермских соляных породах, которые «выжимаются» к дневной поверхности под действием веса вышерасположенных пород и образуют хорошо выделяющиеся на фоне плоского рельефа соляные купола. Самый крупный из них – гора Большой Богдо (149 м), расположен на южном берегу оз. Баскунчак. Растворы солей из этого купола постоянно пополняют запасы солей в озере.

В зоне затопления низменности в период позднехвалынской трансгрессии Волга пересекает несколько ареалов распространения бэровских бугров. Эти гряды имеют субширотное простирание, длину 0,5–6 км при ширине от 100 до 500–600 м, относительную высоту до 15–20 м [11]. Основание гряд образовано нижнехвалынскими отложениями, основная часть бэровского бугра – преимущественно тонко- и мелкозернистыми песками. При размыве бэровских бугров Волгой и дельтовыми водотоками, возникают неровности берега, обусловленные относительно высокой противоэрозионной устойчивостью глин, слагающих основание бугров.

Почвы. Бассейн Нижней Волги находится в пределах зоны серых лесных почв и черноземов (оподзоленных, выщелоченных и типичных), черноземов лесостепи (Нижнекамская провинция), черноземов степи (обыкновенные и южные) (Заволжская провинция), темно-каштановых и каштановых почв сухой степи (Сыртово-Заволжская провинция), светло-каштановых и бурых почв полупустыни (Прикаспийская провинция).

Почти половину территории района (47 %) занимают глинистые и тяжелосуглинистые почвы (таблица 1.1) [13]. Среднесуглинистые почвы покрывают 13 % площади региона; на легкосуглинистые, супесчаные и песчаные почвы приходится по 5–6 %.

Объемная плотность основных типов почв изменяется от 1,24 до 1,62 г/см3, т. е. они сильно уплотнены [14]. Плотность черноземов находится в пределах от 1,24 до 1,38 г/см3 (включая луговочерноземные почвы). Для аллювиально-луговых почв достигает 1,61 г/см3, для серых лесных почв она равна 1,37 г/см3, а плотность темно-каштановых почв составляет 1,25 г/см3.

Серые лесные почвы формируются на севере региона (рисунок 1.6). Подзона их сплошного распространения ограничена долиной р. Кама. Южнее ареалы серых лесных почв встречаются обособленными контурами, проникающими к югу до долины р. Самара, в зоне распространения черноземов выщелоченных и оподзоленных.

Рисунок 1.6 – Почвенная карта Нижнего Поволжья (по данным [15]) Черноземы Поволжья и Предуралья располагаются в двух природно-географических (ландшафтных) зонах – лесостепной и степной.

К лесостепной зоне приурочены черноземы оподзоленные и выщелоченные, а также типичные; к степной зоне – черноземы обыкновенные и южные. Северным рубежом распространения черноземов является долина р. Кама.

Сухостепная зона в Нижнем Поволжье выделяется по преобладанию в почвенном покрове темно-каштановых и каштановых почв к югу от черноземной зоны. Темно-каштановые почвы представлены в почвенном покрове примерно от бассейна р. Большой Иргиз до широты Волгограда.

По площади они являются преобладающим типом почв в сухостепной зоне. Каштановые почвы преобладают в почвенном покрове южнее Волгограда [16]. Вследствие возрастания засушливости климата здесь возрастает доля солонцеватых почв и солонцов. В поймах рек формируются аллювиальные почвы, а на побережье Каспийского моря – маршевые почвы.

Почвенный покров полупустынной зоны (в пределах в основном Прикаспийской низменности) неоднороден. Зональные бурые полупустынные почвы имеют подчиненное положение и находятся в сочетаниях с лугово-бурыми полупустынными почвами, солонцами и солончаками. В почвенном покрове преобладают комплексы, состоящие из солонцеватых бурых полупустынных почв и солонцов.

Серые лесные почвы представлены двумя подтипами – серыми, занимающими возвышенные территории, и темно-серыми лесными почвами, приуроченными к выположенным склонам. В южной части региона серые лесные почвы имеют островной характер распространения, обычно формируются по водоразделам и склонам балок. Они соседствуют с черноземами. Серые лесные почвы относятся к почвам с дифференцированным профилем, выраженным менее резко по сравнению с дерново-подзолистыми почвами. Для них характерна плавность перехода одного почвенного горизонта в другой, нарастания содержания фракций глин к иллювиальному горизонту, глубокая прокрашенность гумусом [17]. Морфологический профиль почв включает гумусовый, гумусово-элювиальный и иллювиальный горизонты. Процессы оподзоливания наиболее выражены в гумусово-элювиальном горизонте. Карбонаты накапливаются примерно в 1 м ниже дневной поверхности. При более легком гранулометрическом составе частиц эти почвы приобретают рыхлость, бесструктурность, неясность границ почвенных горизонтов. Содержание гумуса в серых лесных почвах колеблется от 1,5 до 5,5 % [18, 19] и уменьшается по профилю неравномерно (наиболее быстро в верхних горизонтах).

Строение почвенного профиля, степень дифференциации генетических горизонтов и гранулометрический состав существенно влияют на подвижность почвенной влаги и почвенных растворов. В весеннее время запасы влаги близки к наименьшей влагоемкости или превосходят ее величину [20]. Максимальные запасы влаги весной сосредоточены в слое 20–40 см (на границе раздела верхних генетических горизонтов, резко различающихся по гранулометрическому составу и физическим свойствам). В середине лета происходит сильное снижение влаги в слое 0–12 см.

Осенью наблюдается постепенное увеличение запасов влаги в верхнем полуметровом слое. В вегетационный период величина полевой влагоемкости постепенно уменьшается во времени.

Поэтому весной серые лесные почвы способны удерживать большее количество влаги по сравнению с осенью.

Черноземы лесостепной зоны делятся на оподзоленные, выщелоченные и типичные.

Черноземы оподзоленные не образуют подзоны, в которой они бы преобладали в почвенном покрове. Обычно они находятся на территориях, смежных с выщелоченными черноземами, занимая при этом относительно повышенные их участки. На крутых склонах Приволжской возвышенности, часто сложенных преимущественно глинистыми отложениями с прослоями песка и мергелей, черноземы значительно смыты и имеют маломощный профиль [21]. Оподзоленные черноземы, как правило, распаханы; частично они находятся под естественными сенокосами и пастбищами.

Характерными чертами морфологического строения оподзоленных черноземов являются признаки элювиально-иллювиальной дифференциации профиля почвы. Карбонатный горизонт обычно расположен на глубине 120–150 см и ниже (на элювии коренных глин). Содержание гумуса в пахотных горизонтах почв колеблется от 4 до 13 %. Гумус характеризуется преобладанием гуминовых кислот (48–48 %) и относится к гуматному типу.

Черноземы выщелоченные – преобладающий подтип черноземов, не имеют четкой приуроченности к элементам рельефа. Их профиль аналогичен черноземам оподзоленным с менее четкой дифференциацией почвенных горизонтов. Карбонаты в горизонте вмывания присутствуют в незначительном количестве. Черноземы выщелоченные практически полностью распаханы.

Черноземы типичные характеризуются наличием достаточно мощного прогумусированного слоя. Повышенное содержание карбонатов характерно для нижней части гумусового горизонта.

Содержание гумуса в почве может достигать 8–10 %. В целинных условиях черноземы обладают хорошей структурностью. В настоящее время эти почвы также почти полностью распаханы.

В степной зоне преобладают обыкновенные черноземы среднегумусные и черноземы южные малогумусные. Они занимают 90–95 % площади этого региона. Другие почвы (аллювиальные, лугово-черноземные почвы и боровые пески под сосновыми борами, солонцовые комплексы) распространены на 5––10 % площади степей. К югу зона распространения черноземов менее однородна: на пологих нижних частях сыртовых склонов развиваются темно-каштановые почвы.

Этот тип почв постепенно становится основным.

Черноземы обыкновенные занимают почти все высокие сыртовые плато, пологие склоны увалов, верхние надпойменные террасы в зоне переходных и открытых степей Заволжья, покрывая.

Почвообразующими породами для этих почв служат желто-бурые лессовидные суглинки и глины, элювиально-делювиальные и древнеаллювиальные отложения. Северной границей их распространения считается долина Большой Кинели, южной границей – долина р. Большой Иргиз.

В условиях равнинного и слабоволнистого рельефа обыкновенные черноземы в основном среднемощные. При наличии делювиального намыва мощность гумусовых горизонтов возрастает до 80 см [22]. Для черноземов обыкновенных характерен хорошо развитый слабо уплотненный гумусовый горизонт. Он укорочен (30–40 см) в условиях пересеченной местности. Уменьшение содержания гумуса с глубиной происходит постепенно [18].

Черноземы южные – наиболее ксероморфный подтип черноземов, свойственный южной засушливой подзоне степей. Режим недостаточного атмосферного увлажнения проявляется в южных черноземах в ослабленном накоплении гумуса, уменьшении мощности гумусовой части профиля, появлении гипса на глубине 1,5–2 м. В центральной части степной зоны черноземы южные располагаются только на относительно повышенных элементах рельефа. К югу они захватывают все большие площади, а южнее долины р. Большой Иргиз составляют основной фон на водораздельных плато и на их склонах. Поскольку в составе почвообразующих пород выступают желто-бурые сыртовые делювиальные и древнеаллювиальные глины и суглинки, иногда элювий дочетвертичных пород, преобладают черноземы глинистые и тяжелосуглинистые. Для черноземов южных характерно наличие карбонатов уже в нижней половине гумусового горизонта.

Среднемощные черноземы отличает толщина гумусового горизонта порядка 25–30 см, а маломощные – 17–25 см. Содержание гумуса колеблется в глинистых и тяжелосуглинистых разновидностях черноземов от 4,2 до 6 %, в средне- и легкосуглинистых – от 3 до 4 %, в супесчаных

– не превышает 3 % [22].

Черноземы остаточно-карбонатные связаны с высокой карбонатностью почвообразующих пород. Эти почвы формируются на продуктах выветривания известняков, доломитов, мела, мергелей, они тесно сопряжены с геологическими особенностями рельефа. Черноземы остаточнокарбонатные отличает резкость границ генетических горизонтов, изменение соотношения их мощности, неполное развитие срединных горизонтов. Карбонаты наблюдаются уже в нижней части гумусового горизонта. Содержание гумуса составляет 4,5–7,5 %.

Черноземы солонцеватые фрагментарно встречаются в зоне обыкновенных черноземов, но особенно распространены в подзоне черноземов южных. Их формирование на водоразделах связано с выходами солесодержащих пород. На склонах и древних речных террасах они формируются в местах, где возможно слабое засоление почв. Мощность гумусовых горизонтов у черноземов солонцеватых несколько меньше, чем у черноземов обыкновенных. Преобладают маломощные (20– см), реже встречаются среднемощные черноземы солонцеватые (до 30 см). По гранулометрическому составу солонцеватые почвы делятся на тяжелосуглинистые и глинистые.

Содержание гумуса колеблется от 3 до 6 %.

Лугово-черноземные почвы формируются на не дренируемых поверхностях надпойменных террас, в нижних частях склонов и в замкнутых понижениях. Они имеют довольно мощный гумусовый горизонт (около 60 см) с хорошей зернистой структурой и высоким содержанием гумуса (8–10 %). Нижняя часть почвенного профиля оглеена, что связано с близким расположением грунтовых вод (на удалении 2,5–5 м от дневной поверхности). Гранулометрический состав почв – тяжелосуглинистый.

Темно-каштановые несолонцеватые почвы по основным свойствам близки к южным черноземам. Они характеризуются гумусовым горизонтом 30–45 см с содержанием гумуса 3,5– 4,5 %. Гипс и растворимые соли встречаются с глубины 1,5–2 м.

В почвах солонцового рода отмечается значительное уплотнение нижней части гумусового горизонта, появление столбчатой структуры. Содержание гумуса снижается примерно на 0,5–1,0 %;

нижняя часть гумусового горизонта всегда уплотнена. Залегание солевого горизонта характерно для верхнего метрового слоя. В сухостепной зоне значительно распространены лугово-каштановые, часто солонцеватые, почвы. На севере зоны темно-каштановые солонцеватые почвы с фрагментами степных солонцов приурочены в основном к покатым склонам южной и восточной экспозиции.

Южнее каштановые и светло-каштановые почвы сочетаются с другими разновидностями почв.

Светло-каштановые почвы характеризуются бесструктурным слоеватым гумусовым горизонтом (мощностью до 15 см). Для них характерно относительно высокое залегание солей (по сравнению с темно-каштановыми и каштановыми почвами), что способствует почти повсеместному проявлению в них признаков солонцеватости. В верхнем горизонте почвенного профиля реакция растворов слабощелочная, а в нижних – щелочная.

Бурые полупустынные почвы редко образуют монолитные контура и обычно встречаются в комплексах. Они характеризуются слабой выщелоченностью от карбонатов, легкорастворимых солей и гипса. Легкорастворимые соли отсутствуют до глубины 1,5–2 м. Несолонцеватые бурые полупустынные почвы в основном приурочены к породам легкого гранулометрического состава (пескам и супесям), характеризуются малой мощностью гумусового горизонта (до 10–15 см), низким содержанием гумуса (0,3–0,8 %) [24, 24]. Солонцеватые и солончаковатые бурые полупустынные почвы формируются на тяжелых почвообразующих породах (суглинках и глинах, слоистых супесях и легких суглинках). Эти почвы отличает малая мощность гумусового горизонта (10–15 см) и содержание гумуса 1,0–1,3 %. Засоленные почвы представлены солонцами, солончаками и засоленными зональными почвами. Они распространены в основном в степной и полупустынной зонах региона.

Солончаки типичные и луговые представлены почвами с наиболее полно выраженными свойствами солончаков. Растительность отсутствует или крайне разрежена. В профиле почв хорошо различается только верхний горизонт с обильным накоплением солей (до 1,5 %). Солевой профиль солончаков характеризуется сульфатно-хлоридным или смешанным (с содой) засолением.

Почвенный профиль солончака неоднороден по гранулометрическому составу. Содержание гумуса низкое (1–3 %). Солонцы формируются в сухостепной и полупустынной зоне. Они образуют почвенные комбинации с засоленными и солонцеватыми каштановыми и бурыми полупустынными почвами, реже – с черноземами. В солонцах характерно преобладание в верхней части профиля нисходящего перемещения влаги. Периодически она перемещается в противоположном направлении. Основной признак солонцов – содержание обменного натрия в почвенном поглощающем профиле.

Аллювиальные почвы приурочены к долинам рек. Их максимальное разнообразие (аллювиальные луговые, аллювиальные лугово-болотные и аллювиальные болотные) характерно для поймы и дельты Волги. Пойма отличается от окружающих ее ландшафтов лесолуговой растительностью, достаточным увлажнением, обилием водоемов, отсутствием или слабым проявлением засоления. На повышенных участках развиты процессы гумусонакопления, местами возможно накопление солей (галогенез). На более низких уровнях разложение большого количества органических остатков в анаэробных условиях приводит к формированию торфяно-перегнойных горизонтов. Почвы в районах, прилегающих к морскому краю дельты, и в заливах имеют черты подводных и аллювиальных болотных почв. Они характеризуются накоплением оторфованных растительных остатков, заиливанием поверхностных горизонтов и сильным оглеением почвенного профиля. В большинстве случаев почвы имеют нейтральную и слабощелочную реакцию [25]. Для верхних горизонтов почв характерно снижение содержания водорастворимых солей, связанное с сезонным увеличением стока реки [26]. Для горизонтов, находящихся на удалении около 2,5 м от поверхности, отмечается небольшое увеличение доли сульфат-иона. Их существенное накопление отсутствует, поскольку соли легко вымываются в период половодья.

В хозяйственный оборот вовлечено более 70 % общей территории бассейна. Это привело к изменению свойств почвенного покрова (рисунок 1.7). В естественном состоянии почвы сохранились на 17 % территории района. Почвы, относительно слабо используемые в хозяйственной деятельности, покрывают 12 % его площади.

На большей части района (44 % площади) почвы характеризуются непромывным (импермацидным) водным режимом (рисунок 1.8). Их ареал протягивается полосой вдоль Волги от бассейна р. Самара до г. Волгоград; соответствует почвенно-климатическим зонам, в которых расходные составляющие водного баланса преобладают над приходными. В этом случае влагооборот происходит лишь в почвенном профиле, грунтовые воды залегают достаточно глубоко, нисходящие потоки влаги преобладают над восходящими (основные потери влаги связаны не с физическим испарением, а с транспирацией). На 28 % территории севера региона распространен периодически промывной режим, которой характерен для почв территорий, где количество выпадающих осадков примерно равно испарению. В годы с повышенной увлажненностью преобладает промывной, а в засушливые годы – непромывной водный режим. Южнее Волгограда типичен намывной и пульсационный (в пойме Волги), а также аридный (в песках полупустынь) типы водного режима почв.

На основной части района, начиная с северных его границ и практически до Волгограда (71 % общей территории) (рисунок 1.9) почвы характеризуются оптимальной дренированностью (вода просачивается в почву легко, но не быстро). В этом случае почва сохраняет оптимальное количество влаги, ее увлажнение в целом не препятствует развитию корневой системы растений. Около 9 % бассейна Нижней Волги покрыто чрезвычайно интенсивно дренируемыми песчаными почвами и песками (вода очень быстро удаляется из почвы). Почвы со сравнительно хорошей дренированностью занимают около 9 % территории. Для них характерно более медленное удаление влаги из почвы. На глубине развития корневой системы почва остается влажной относительно короткое время.

Рисунок 1.8 – Типы водного режима почв бассейна Нижней Волги (по [28]) 0 – нет почв (пески), 4 – периодически промывной, 5 – аридный (засушливый), 6 – намывной, 7 – непромывной (импермацидный), 8 – пульсационный Рисунок 1.

9 – Степень дренирования почв в бассейне Нижней Волги (по [27]) Е – исключительно интенсивная, MP – интенсивная, W – оптимальная, MW – сравнительно хорошая, I – сравнительно слабая, VP – очень слабая Для почв, занимающих районы севернее р. Самара, запасы воды в метровом слое почв находятся в пределах от 160 до 200 мм, при влажности завядания и 400–480 мм, при влажности, равной полевой влагоемкости. (рисунок 1.10). В средней части района запасы соответственно уменьшаются до 115–130 мм и до 290–300 мм. Южнее (при преобладании серых лесных почв и черноземов) эта характеристики находятся в диапазоне 160–170 мм и 390–450 мм [29].

Поволжье – крупный регион орошаемого земледелия. Относительно благоприятные почвенно-мелиоративные условия характерны для террас в долине Волги. Орошение производится за счет забора волжской воды. На 80–90 % площади орошаемых земель грунтовые воды залегают на отметках 5 м и больше; они в основном пресные (в 5 % случаев – слабоминерализованные). На Сыртовой равнине орошение черноземов и каштановых почв частично производится за счет изъятия местного стока. Наличие в нижней части профиля этих почв гипсового горизонта обусловливает глубинную солонцеватость, а при орошении черноземов возможно их засоление. Орошение луговочерноземных почв может быть причиной их осолонцевания [30].

а б Рисунок 1.10 – Запасы влаги в метровом слое почв бассейна Нижней Волги, мм [26] а – влажность завядания, б – полевая влагоемкость В Прикаспийской низменности светло-каштановые и бурые почвы практически не орошаются, что обусловлено их развитием в комплексе с солонцами и близким залеганием часто минерализованных грунтовых вод. В пойме Волги орошение ограничено близким залеганием грунтовых вод, способствующему быстрому засолению почв. Поэтому требуется постоянное регулирование уровня грунтовых вод. До сельскохозяйственного освоения обводнение дельты приводило к вымыванию солей из почв, чем поддерживалась невысокая степень засоления.

Орошение вызвало появление в дельте хлоридно-сульфатного засоления почв. На орошаемых полях много воды тратиться на инфильтрационное питание грунтовых вод, скорость их подъема составляет 0,1–0,4 м/год.

Дегумификация почв характерна практически для всех пахотных территорий. Уменьшение содержания гумуса обусловлено интенсивным земледелием, недостаточным внесением органических и минеральных удобрений, не компенсирующим вынос питательных веществ с урожаем, низким удельным весом в посевах многолетних трав. Для почв Самарской области средняя ежегодная потеря гумуса составляла 0,7 т/га, а по отдельным районам – превышала 1 т/га [31]. Максимальное уменьшение содержания гумуса характерно для черноземов выщелоченных глинистых – от 1,5 до 1,8 % (ежегодная потеря гумуса от 1,9 до 2,2 т/га). К 1981 г. в области исчезли тучные черноземы с содержанием гумуса более 9 %, сократились площади средне гумусных почв с содержанием гумуса 7–9 %. На эродированных почвах потери гумуса еще больше [18].

Для почв Самарской области характерно и накопление пестицидов [31]. Повышенные концентрации пестицидов обнаружены в 15 % пахотных почв Поволжья. Концентрации ионов тяжелых металлов в почвах региона в целом близки к таковым в почвах европейской части России.

В почвах Астраханской области валовое содержание меди, цинка и марганца зависит от ландшафтных особенностей местности. Содержание марганца изменяется от 70 мг/кг (пески) до 2800 мг/кг (в почвах поймы и дельты). Более тяжелые по гранулометрическому составу ильменные, луговые почвы и солончаки отличает максимальное содержание микроэлементов. Легкие почвы бурые и светло-каштановые содержат несколько меньшее количество солей тяжелых металлов.

Минимальное содержание микроэлементов характерно для песков [32]. Верхние слои почв (особенно луговых) содержат больше солей марганца и меди по сравнению с нижними горизонтами.

В солонцеватых почвах происходит накопление меди и марганца в солонцовом горизонте.

Максимальное содержание этих микроэлементов характерно для ильменных почв, среднее – в луговых, незначительное – в бурых и каштановых почвах. Оно очень мало для песков.

Аллювиальные почвы дельты Волги характеризуются пониженным содержанием большинства тяжелых металлов.

Валовые содержания тяжелых металлов в донных отложениях определяются в основном содержанием тонкодисперсных фракций и минералогическими особенностями донных осадков. По сравнению с почвами они относительно обогащены свинцом и медью и относительно обеднены цинком [25]. Повышенные концентрации ионов тяжелых металлов локально характерны для почв Республики Татарстан, Саратовской и Самарской областей [31]. На левобережье Саратовской области содержание ионов тяжелых металлов находится на уровне регионального фона. На правобережье области в почвах отмечается повышенное содержание ионов меди, цинка и кобальта [33]. Накопление тяжелых металлов характерно и для зоны влияния Саратовского и Энгельского промышленных центров. Содержание тяжелых металлов в почвах здесь в 10–15 раз больше по сравнению с сельскими районами и в 2–2,5 раза превышает ПДК.

1.3 Растительный покров Растительный покров бассейна Нижней Волги отличает большая пространственная неоднородность, сильная трансформация под влиянием хозяйственной деятельности [36].

Территория в основном распахана и занята сельскохозяйственными культурами и угодьями.

Естественный растительный покров сохранился на охраняемых природных территориях.

Закономерности распределения и регионального разнообразия растительности характеризует наличие четырех экорегионов в пределах бассейна Нижней Волги [35]: Днепровско-Приволжский (широколиственные и сосновые леса), Заволжский (лесостепь с фрагментами широколиственных лесов), Заволжско-Казахстанский (степь) и Прикаспийский (пустыня). В пределах степной части бассейна долина реки пересекает несколько подзон, отличающихся по степени увлажнения. Общая площадь бассейна Нижней Волги составляет 279,4 тыс. км2, из них 13 % занимают широколиственные леса, 20 % – лесостепи, 43 % – степи, 24 % – пустыни и полупустыни (рисунок 1.11, таблица 1.2).

Рисунок 1.11 – Экорегионы бассейна Нижней Волги 1 – Днепровско-Приволжский широколиственных лесов; 2 – Заволжский лесостепной;

3 – Заволжско-Казахстанский степной: а – полоса настоящих и сухих степей;

б – полоса опустыненных степей; 4 – Прикаспийский пустынный Относительно небольшая северо-западная часть бассейна Нижней Волги относится к Днепровско-Приволжскому экорегиону восточноевропейских широколиственных лесов. Леса занимают полосу Приволжской возвышенности от Саранска до Казани. К востоку от Волги и южнее леса встречаются отдельными массивами, чередуясь с участками луговых степей (лесостепей – 20 %). На север они продвигаются по долинам малых рек, встречаясь отдельными фрагментами среди широколиственно-хвойных лесов.

Волга – рубеж, ограничивающий зону развития широколиственных лесов. До Волги распространены многие среднеевропейские виды древесной растительности (ясень, клен полевой).

Этого рубежа не достигают многие кустарники (бузина черная, барбарис, бересклет европейский) и травянистые растения. В широколиственных лесах господствуют дуб и липа с небольшим участием вяза, клена, осины. Дубово-липовые леса занимают возвышенные места, характерны для высоких правобережных берегов рек. Во втором ярусе этих лесов много ильма и клена, в подлеске обычны лещина, жимолость и бересклет. Различают зеленчуковые, ясменниковые, снытьевые, пролесниковые, реже осоковые типы дубово-липовых лесов. Травяной покров состоит из групп различных видов. Наиболее типичной и многочисленной является группа мезофильных европейских и евразиатских широкотравных видов: сныть, ясминник, зеленчук, звездчатка, копытень. Их состав также включает осоки (волосистая, лесная) и злаки (бор, овсяница, мятлик). Во влажных местообитаниях обильны папоротники. У южной границы зоны широколиственных лесов усиливается роль лесостепных и присредиземноморских видов растительности.

Таблица 1.2 – Биоклиматическая характеристика экорегионов в бассейне Нижней Волги [35] Формационный состав №№ Экорегионы Биоклиматические показатели* растительности и фоновые типы сообществ Восточноевропейские широколиственнолесные и лесостепные Днепровско-Приволжский 2000 °С Дубовые, липовые, 1 +3,0 650–750 широколиственнолесной +6,5 °С дубово-липовые, ясеневые леса Дубово-липовые, дубовые, липовые зеленчуковые, ясменниковые, снытьевые, пролесниковые, реже волосистоосоковые леса; ясенево-липово-дубовые зеленчуковые, кленово-липово-дубовые и липоводубовые снытьевые и волосистоосоковые леса Заволжский лесостепной 2200–2800 °С, Кленово-липово-дубовая 2 +4,8 500– +6,7 °С лесостепь (разнотравноковыльные, разнотравнозлаково-ковыльные степи) Кленово-липово-дубовые леса; разнотравно-злаково-ковыльные степи Заволжско-Казахстанский 2700–3000 °С Дерновиннозлаковые 3 +9 350–450 степной +11 °С степи 3а Северные степи – разнотравно-дерновиннозлаковые сообщества с участием обильного мезоксерофильного разнотравья и сухие типчаково-ковыльные сообщества типичных степей, видовой состав которых значительно беднее разнотравьем и состоит из более ксерофильных видов.

3б Опустыненные южные степи характеризуется участием полукустарничков, преимущественно полыней, в качестве содоминантов в типчаково-ковыльных сообществах (3б).

Прикаспийский пустынный +8,2 °С Полынные пустыни 4 2800– 180–300 3500 °С Злаково-лерхополынные, чернополынные, песчанополынные, биюргуновые, сочномноголетнесолянковые, псамофитнокустарниковые пустыни Примечание * Цифрам соответствуют значения: 1 – номеров экорегионов по классификации;

3 – среднегодовой температуры воздуха; 4 – суммы активных температур (t 10 C); 5 – среднего годового количества осадков (мм).

Группы травянистых растений широколиственных лесов представлены в основном ранне- и летнецветущими длительно-вегетирующими растениями, эфемероидами (хохлатки, ветреницы, чистяк и гусиный лук). Многие виды обладают подснежным развитием. Это возможно благодаря наличию в широколиственных лесах мощной подстилки, снежного покрова, большой влажности и теплоемкости почвы. Моховой покров практически не выражен или представлен отдельными фрагментами.

Для южной части Приволжской возвышенности характерны небольшие участки дубрав с участием сосны и таежных видов в травяном покрове. Сложные дубравы приурочены к повышенным междуречьям. Ближе к Волге преобладают липово-дубовые зеленчуковые, снытьевые и волосистоосоковые леса с участием ясеня. На левобережье нижней Волги широколиственные леса тяготеют к районам возвышенностей Высокого Заволжья. Господствующим типом растительности здесь являются кленово-липово-дубовые снытьевые леса. Липовые леса сохранились в районах Высокого Заволжья, на Самарской луке.

Для лесостепи, северной части степной зоны характерны особые типы дубрав, отличающиеся по приуроченности к определенным местообитаниям. Нагорные дубравы с подлеском из клена полевого занимают высокие берега рек, местами заходят на водоразделы. В поймах рек развиты пойменные дубравы с участием вяза и ольхи черной, в травяном покрове преобладают папоротники и влаголюбивое разнотравье. Максимальным видовым разнообразием выделяются массивы сосновых лесов Жигулей. Большая часть широколиственных дубовых и других (тополевых, ивовых, ольховых) пойменных лесов, распространенных в долине Волги и ее притоков, выполняют средообразующие и средозащитные функции, относятся к высшей категории водоохранных лесов.

Среди них выделяются площади особой охраны в местах нерестилищ ценных промысловых рыб.

В небольшой по площади полосе широколиственных лесов лесопокрытые площади в бассейне Нижней Волги составляют: в приволжской части – 18 %, в заволжской лесостепной части – достигают 20 %, в полосе степей их доля снижается до 5 %. Леса отсутствуют в южной (пустынной) части бассейна. По площади преобладают сосновые леса (26,1 % площади). Основные массивы этих лесов сосредоточены в Ульяновской области. Дубовые (23,0 %) и широколиственные (17,1 %) леса распространены относительно равномерно в пределах полосы широколиственных лесов и лесостепи. Значительные их массивы находятся на территории Татарстана.

Лесостепи в бассейне Нижней Волги относятся к Заволжскому экорегиону (20 % площади бассейна). Они располагаются к востоку от Волги и занимают Бугульминско-Белебеевскую возвышенность, частично территорию Общего Сырта. В прошлом кленово-липово-дубовые леса занимали здесь большие площади. Оставшиеся массивы широколиственных лесов представлены в основном производными березовыми и дубово-березовыми лесами. Во многих местах развиты каменистые кустарниковые степи по склонам сыртов; дубово-липовые кустарниковые остепненные сообщества характерны для крутых каменистых склонов сыртов, особенно на выходах известняков [36].

Значительная часть бассейна Нижней Волги (43 %) лежит в пределах ЗаволжскоКазахстанского степного экорегиона. Степная растительность развивается в условиях недостатка влаги в вегетационный период. Степи представлены сообществами ксерофитных дерновиннозлаковых степей с различным участием травянистых растений. Господствуют ксерофильные дерновинные злаки (ковыль, типчак, житняк, тонконог, мятлик, змеевка, овсец) и др.

[37]. Степные сообщества, как правило, полидоминантны. В пределах экорегиона выделяются северные степи (3а), представленные разнотравно-дерновиннозлаковыми сообществами с участием обильного мезоксерофильного разнотравья и сухими типчаково-ковыльными сообществами.

Видовой состав степей значительно беднее разнотравьем, состоит из более ксерофильных видов.

Опустыненные южные степи характеризуется участием полукустарничков, преимущественно полыней, в качестве содоминантов в типчаково-ковыльных сообществах (рисунок 1.11) [38].

Пустынная растительность в бассейне Нижней Волги занимает значительную часть Прикаспийского экорегиона (24 %). Прикаспийская низменность – самая засушливая часть Европы с чертами резкой континентальности климата. В маловодные годы растительный покров быстро выгорает и изреживается, обнажая поверхность почвы, что приводит к увеличению дефляции. В более влажные годы, наоборот, поверхность почвы хорошо противостоит дефляции, происходит постепенное закрепление растительностью ранее развеянных участков. На Прикаспийской низменности преобладают пустынные формации различных видов полыней [39]. Специфической чертой растительности прикаспийских пустынь является комплексность растительного покрова, связанная с дефицитом влаги, сильной засоленностью грунтов и выровненностью рельефа. В пустынях Прикаспия господствуют полукустарнички из семейств сложноцветные, маревые и сообщества, произрастающие на глинистых, суглинистых, супесчаных, щебнистых и каменистых почвах, на песках, такырах и солончаках. В составе пустынных сообществ обильны эфемероиды и гемиэфемероиды – многолетние коротковегетирующие травянистые растения. В составе полукустарничковой растительности доминируют злаково-лерхополынные, чернополынные, песчанополынные, биюргуновые, кокпековые и другие виды. Среди редких сообществ отмечаются злаково-разнотравные и камфоросмово-чернополынные пустыни в Сарпинской ложбине. Большие площади занимают псаммофитные пустыни: на увалистых закрепленных песках формируются эфедрово-лерхополынные, житняково-лерхополынные сообщества.

В Волго-Ахтубинской пойме распространены пойменные злаково-разнотравные луга, кустарниковые и лесные сообщества. Из кустарников и древесных пород в пойме произрастают ива, тополь черный, на высокой пойме – дубравы с примесью вяза и тополя белого. Растительность представлена также сообществами водных макрофитов (чилим, рдест, белая кувшинка, сальвиния, валлиснерия). Береговая зона этих водных объектов и морского побережья занята тростниковыми зарослями. По берегам многочисленных рукавов и протоков развиты ассоциации тростника и рогоза; в русла дельтовых водотоков встречаются реликтовые растения (лотос и др.).

В пределах бассейна Нижней Волги представлены зональные типы ландшафтов. В основном он занят суббореальными ландшафтами. В северной части региона распространены широколиственные и лесостепные ландшафты (рисунок 1.12).

Рисунок 1.12 – Типы основных ландшафтов в бассейне Нижней Волги

Современные леса в пределах лесостепи развиваются только на небольших (наиболее увлажненных) участках. В естественном растительном покрове преобладают остепненные луга и луговые степи с густым и высоким травостоем из дерновинных злаков и богатого разнотравья. На возвышенностях степи сочетаются с массивами широколиственных лесов. Луговые степи относятся к наиболее высокопродуктивным естественным растительным сообществам умеренного пояса.

Степные типичные (и сухостепные) ландшафты характерны для внутриматериковых пространств с континентальным (а также с резко континентальным) климатом и дефицитом влаги.

Характерная черта степных ландшафтов – безлесие. Граница между степной и сухостепной зонами проходит в районах Среднего Поволжья. Зональные изменения ландшафтов не имеют резкого характера. В условиях распаханности до 60–70 %, граничные различия ландшафтов выражены слабо. Степные ландшафты распространены преимущественно на сильно эродированных возвышенностях.

Полупустынные и пустынные ландшафты занимают Прикаспийскую низменность, восточные склоны Ергенинской возвышенности. На их фоне выделяется Волго-Ахтубинская пойма и дельта Волги. Пойменные острова заняты мезофитными лугами из пырея, осок и других луговых трав, зарослями ив, а также ивовыми и тополевыми рощами. В дельте Волги распространены плавни – заросли лотоса, тростника, камыша, рогоза.

1.4 Подземные воды В гидрогеологическом отношении территория относится к Восточно-Русскому артезианскому бассейну. В его пределах (рисунок 1.13) выделяются артезианские бассейны второго порядка:

Волго-Сурский, Приволжско-Хоперский, Камско-Вятский, Сыртовский, Северо-Каспийский и Егернинский [40]. Естественные ресурсы подземных вод с площади района 556 тыс. км2 ориентировочно составляют 5,4 км3/год (170 м3/сут). Средний модуль равен 0,3 л/сек км2). Степень освоения запасов подземных вод на участках с оцененной их величиной составляет всего 10,2 % [41].

Волго-Сурский артезианский бассейн охватывает северную часть района. Основные водоносные горизонты бассейна приурочены к четвертичным аллювиальным (пески), неогеновым (пески), меловым (пески, трещиноватые мергели), пермским (песчаники, алевролиты, известняки) и каменноугольным отложениям. Приволжско-Хоперский артезианский бассейн занимает узкую полосу на северо-западе района. Основные водоносные горизонты в этом бассейне приурочены к четвертично-неогеновым отложениям (пески), меловым отложениям (пески, трещиноватые мергели и мелы), карбонатным отложениям каменноугольного и девонского возраста. Сыртовский артезианский бассейн охватывает практически всю центральную и восточную части района.

Основные водоносные горизонты в пределах бассейна относятся к четвертичным и неогеновым отложениям (пески), юрским и триасовым породам (пески, песчаники), пермским отложениям (песчаники, алевролиты, аргиллиты). На отдельных участках самостоятельное значение имеет водоносный горизонт в известняках и доломитах каменноугольного и пермского возраста. КамскоВятский артезианский бассейн занимает небольшую территорию региона.

Рисунок 1.13 – Схема гидрогеологического районирования бассейна Нижней Волги [42]

Основные водоносные горизонты в этом бассейне приурочены к пермским отложениям. В разрезе пермских отложений выделяется ряд водоносных горизонтов в терригенных отложениях (песчаники, пески, алевролиты и аргиллиты) и карбонатных породах (известняки, доломиты).

Большое значение в долинах рек имеют водоносные горизонты аллювиальных отложений.

Егернинский артезианский бассейн охватывает территорию севернее г. Камышин до устья Волги и Ахтубы. Основные водоносные горизонты приурочены к четвертичным (главным образом к неогеновым песчаным) отложениям. Характерной особенностью бассейна является слабое распространение пресных и солоноватых подземных вод. Для Северо-Каспийского артезианского бассейна также характерна эта особенность. Основные водоносные горизонты с пресными и солоноватыми водами здесь приурочены к четвертичным и неогеновым отложениям. Большое значение для ресурсов пресных подземных вод в рассматриваемом регионе имеют фильтрующиеся волжские воды.

Воды четвертичных отложений в Нижневолжском бассейне питаются за счет атмосферных осадков, разгрузка в основном происходит в поверхностные водотоки или в глубокие водоносные горизонты по литологическим окнам [43]. Основными четвертичными водоносными горизонтами Нижневолжского бассейна являются эолово-делювиальные, аллювиальные, аллювиально-морские и морские отложения. Они образуют толщу горных пород разной мощности, формирующую зону аэрации мощностью от 0 до 50 м и больше.

Эолово-делювиальный водоносный горизонт (edQ) распространен практически на всей территории бассейна Нижней Волги (исключение участок от г. Камышин до устья рек Волга и Ахтуба). Основными водовмещающими породами являются суглинки, супеси и глинистые пески.

Подземные воды, приуроченные к этому водоносному горизонту, относятся к верховодке.

Мощность водосодержащих пород обычно не превышает 6 м. Глубина залегания изменяется от 2 до 6 м, иногда достигая 10 м. Горизонт не отличается значительной водообильностью (до 1 л/сек).

Аллювиальный водоносный горизонт (aQ) в пределах бассейна развит преимущественно по долинам крупных рек. Мощная толща аллювиальных отложений содержит значительные запасы подземных вод. Их величина зависит от мощности и литологического состава водовмещающих пород.

Воды современных верхне- и среднечетвертичных отложений (aQIV-II) Саратовского Поволжья приурочены к районам распространения песков, супесей с прослоями песчано-гравийных образований и линз глин. Мощность водоносных пород колеблется от 25 до 1220 м в долинах малых рек и до 45 м в долине Волги. Водоупор глины верхнего неогена, юры, нижнего триаса и перми. Взаимосвязь современных, верхне- и среднечетвертичных аллювиальных отложений с нижележащими водоносными горизонтами происходит по гидрогеологическим окнам. В целом воды характеризуются безнапорным характером, однако под линзами глинистых отложений приобретают местный напор до 1025 м. Коэффициенты фильтрации водовмещающих пород колеблются от 217 до 2767 м/сут. Удельный дебит отдельных скважин колеблется в широких пределах (от 0,02 до 2,8 л/сек), иногда достигает 20 л/сек.

В Нижнем Поволжье (Волго-Ахтубинская пойма) водосодержащими породами являются пески и супеси, подстилаемые морскими, хвалынскими и хазарскими отложениями верхнего неогена. Воды в основном имеют гидрокарбонатный кальциевый состав, безнапорные (в редких случаях приобретают местный напор 57 м). Удельный дебит ряда скважин колеблется от 0,001 до 3,57,7 л/сек. Максимальные дебиты отмечены в областях взаимодействия аллювиальных и нижележащих пород. Коэффициенты фильтрации пород в верхней части разреза варьируют от 0,01 до 20 м/сут; в основании разреза – до 3040 м/сут.

Воды аллювиальных отложений нижнечетвертичного возраста (aQI) приурочены к самым высоким террасам речных долин. Мощность горизонта колеблется от долей метра до 20 м (Саратовское Поволжье). В местах размыва или выклинивания водоупорных пород, представленных глинистыми отложениями плиоцена, юры, триаса и перми, нижнечетвертичные аллювиальные воды связаны с водами коренных пород.

Воды морских четвертичных отложений (QIIm) представлены водоносными горизонтами хвалынско-хазарского и бакинского возраста. Воды хвалынско-хазарских отложений (QII-IIIhv-hz) широко развиты в Прикаспийской низменности, где они формируют единый водоносный горизонт, представленный двумя или тремя гидравлически связанными между собой пластами.

Водовмещающие породы: пески с прослоями галечников и гравия в нижней части комплекса и супесями и суглинками с прослоями песка в верхней части. Мощность отложений составляет 3050 м. Воды в основном безнапорные (или с напором, не превышающим 9 м). Дебиты скважин в верхней и нижней части комплекса составляют 0,010,3 л/сек и 1,47,7 л/сек соответственно.

Воды бакинских отложений (QIb) распространены в Прикаспийской низменности и залегают ниже хвалынско-хазарского горизонта. Водовмещающими породами являются тонко- и мелкозернистые пески, перекрытые толщей глинистых пород. В результате эти воды приобретают напор. Удельный дебит скважин составляет 0,11 л/сек, а при самоизливе – 0,50,7 л/сек.

Использование водоносного горизонта ограничено его малой водообильностью и глубоким залеганием.

В нижележащих водоносных горизонтах выделяются отложения неогенового, палеогенового, верхнемелового, нижнемелового, верхнеюрского, верхне-среднеюрского, нижнетриасового, пермского и каменноугольного возрастов. В пределах бассейна и в отложениях верхнего неогена выделяются воды апшеронского, акчагыльского, кинельского, сарматского и тортонского возраста.

Отложения апшеронского возраста (N2ap) в Астраханской области представлены песками на глубине 71148 м в северной, 200224 м в центральной и 360470 м в юго-восточной части территории. Мощность водоносного горизонта составляет 1032. Удельный дебит скважин изменяется от 0,062,4 до 7 л/сек. В Прикаспийской синеклизе воды апшеронских отложений в основном хлоридные натриевые с минерализацией до 70 г/л.

Отложения акчагыльского возраста (N2ak) развиты преимущественно в Саратовском Заволжье и в Прикаспии. Они представлены песчано-глинистыми образованиями с прослоями песков с галечниками. Мощность и литологический состав отложений разнообразен, характеризуется увеличением содержания фракции глин при общем увеличении глубины их залегания в сторону Прикаспийской низменности. В Самарской области водонасыщенные отложения акчагыльского возраста представлены прослоями песков и песчано-глинистых пачек общей мощностью от 45 до 5060 м. В Волгоградском Заволжье эти отложения сформированы мощной толщей песков (7,5137 м), в которых создается напор 6095 м. В Астраханской области отложения акчагыльского возраста представлены песчано-глинистыми породами, которые залегают на глубине до 600 м и имеют напор до 300 м. Удельные дебиты скважин достигают 2 л/сек.

Водоносные горизонты кинельского возраста (N2kn) представлены преимущественно глинами озерно-болотного происхождения (в меньшей степени аллювиальными песками и галечниками).

Залегают они преимущественно в погребенных речных долинах. Аллювиальные песчаногалечниковые отложения (с мощностью до 50 м), как правило, водообильные. Максимальный дебит скважин при самоизливе составляет 8,3 л/сек.

Водоносный горизонт сарматского возраста (N1sr) расположен в Прикаспии и представлен песками общей мощностью от 18 до 1030 м, залегающими на глинистых отложениях тортонского яруса. Воды преимущественно напорные (величина напора 70200 м), удельные дебиты скважин не превышают 1 л/сек. В питании водоносного горизонта принимают участие воды выше- и нижерасположенных отложений.

Водоносный горизонт тортонского возраста (N1tor) развит на юге Прикаспия и представлен прослоями песков мощностью 216 м, ограниченными глинистыми породами. Воды напорные (величина напора 170180 м); водообильность горизонта небольшая (удельный дебит скважин колеблется от 0,01 до 0,3 л/сек).

Водоносные отложения палеогенового возраста распространены на юго-западном склоне Общего Сырта и в Прикаспийской синеклизе. В основном отложения глубоко погружены под более молодые неогеновые и четвертичные отложения, а водоносные горизонты приурочены к отложениям эоценового и палеоценового возраста.

Отложения эоцена (Pg2) преимущественно распространены на междуречье рек Иловля и Волга, Дон и Волга (Волгоградская область). Это чередующиеся слои мелкозернистых и глинистых песков общей мощностью до 35 м. Воды преимущественно грунтовые или межпластовые, дренируются источниками в тальвегах балок и оврагов на правом склоне Волги. В областях напора (район г. Волгоград) они вскрываются скважинами.

Отложения палеоцена (Pg1) представлены песками мощностью до 60 м с подчиненными прослоями песчаников. В основании комплекса залегают пылевато-глинистые пески и песчаники общей мощностью до 40 м, опоки и кварцевые пески мощностью 25–90 м. Водообильность водоносного комплекса изменяется по территории. На правобережье Волги (район г. Ульяновск, г. Волгоград) воды палеоценовых отложений – основной источник питания рек и водоснабжения.

Отложения мелового возраста широко распространены на правобережье Волги от Ульяновска до Саратова и в Прикаспийской низменности. Верхнемеловые отложения (K2) представлены комплексом мергельно-меловых и песчаных пород, характеризующихся разной степенью обводненности. В области Общего Сырта водовмещающими породами являются мелко- и среднезернистые пески, мергели и опоки общей мощностью от 7 до 82 м. Воды напорные (величина напора колеблется от 10 до 80 м); удельный дебит скважин составляет 0,04–0,6 л/сек. Южнее Саратова верхнемеловые отложения представлены тонкозернистыми пылевато-глинистыми плотными песками, которые характеризуются слабой обводненностью (дебиты небольших источников не превышают 0,1 л/сек). В зоне активного водообмена минерализация вод составляет 0,3–0,6 г/л.

Отложения нижнемелового возраста (K1) распространены преимущественно на Приволжской моноклинали (направление от Ульяновска к Саратову), где они представлены мелкозернистыми песками и песчаниками. В этих отложениях залегают напорные воды.

Отложения юрского возраста представлены верхнеюрскими, среднеюрскими и нерасчлененными верхне-среднеюрскими отложениями. Воды верхнеюрских отложений (J3) приурочены к прослоям мергелей, мергелистых песчаников и глинистых сланцев (мощность 1,3– 1,5 м), залегающих в Саратовско-Ульяновском Поволжье. В бассейне р. Сызрань пресные гидрокарбонатно-кальциевые воды в отложениях верхней юры питают родники с дебитом 0,1– 1 л/сек. В западной части Общего Сырта водоносный горизонт верхнеюрских отложений приурочен к горючим сланцам, известнякам, мергелям и известковистым песчаникам, разделен глинами на два самостоятельных водоносных горизонта. Область питания водоносного горизонта расположена в Сыртовом Заволжье, где горизонт залегает непосредственно под водоносными акчагыльскими отложениями верхнего неогена.

Среднеюрские отложения (J2) развиты на большей части Поволжья, где они залегают под мощной толщей более молодых горных пород. Лишь на приподнятых участках отложения средней юры выходят к дневной поверхности. Обводненность отложений изменяется по территории вследствие неоднородности литологического состава. В Самарской области грунтовые и слабонапорные воды накапливаются в мелкозернистых песках с прослоями глин и известковистых песчаников общей мощностью 25–30 м. На юго-западном склоне Общего Сырта разгружаются среднеюрские отложения. Дебит источников мал, а вода отличается пониженным качеством (минерализация до 5 г/л, хлоридно-сульфатный класс натриевая группа). В ВолгоградскоАстраханском Поволжье верхняя толща среднеюрских отложений представлена преимущественно глинами и практически безводна. Водоносный горизонт в нижней их части сложен песками, прослоями песчаников.

В пределах региона распространены нижнетриасовые отложения (T1), представленные мелкои среднезернистыми песками с прослоями песчаников и линзами конгломератов (Общий Сырт, юговосток Самарской области), глинами с маломощными прослоями песков и алевролитов (Прикаспийская синеклиза). Водообильность нижнетриасовых отложений относительно мала.

Удельные дебиты скважин не превышают 0,5 л/сек.

Практически вся территория Нижневолжского бассейна относится к Северо-Каспийскому артезианскому бассейну. Для этого бассейна характерно наличие мощного гидрохимического комплекса соленосных отложений нижнепермского возраста. Этот комплекс формирует основной региональный водоупорный слой. Он делит осадочный чехол бассейна, сложенный преимущественно терригенно-карбонатными породами, на два гидрогеологических «этажа», отличающихся по условиям формирования подземных вод [44]. В зоне интенсивного водообмена находятся породы четвертичного возраста, мощная толща которых сформировалась в условиях неоднократных трансгрессий Каспийского моря. Региональный подземный сток ориентирован от бортовых зон бассейна к центру, локальный – к местным очагам разгрузки. Разгрузка происходит по всей площади бассейна и осуществляется в море, а также по зонам региональных разломов и речным долинам. Подземные воды формируются в различных генетических типах четвертичных отложений. Наиболее распространены морские четвертичные отложения каспийских трансгрессий.

Водоносны гидравлически связанные между собой песчаные прослои и линзы суммарной мощностью от 2–10 до 10–15 м среди суглинков и глин, общая мощность которых не превышает 30–40 м [44]. Минерализация и химический состав вод чрезвычайно изменчивы (при преобладании соленых хлоридно-натриевых вод). Модули стока подземных вод изменяются от менее 0,1 до 0,1– 0,5 л/сек км2. Исключение составляют площади интенсивного развития лиманов, где подземный сток в аллювиально-морских четвертичных отложениях может составлять 0,5–1 л/сек км2.

Подземный сток эоловых четвертичных отложений формируется в пределах многочисленных песчаных массивов, приуроченных к современным и древним долинам рек. Мощность водонасыщенных песков изменяется от 1,5 до 10 м. Модуль подземного стока в эоловых песчаных массивах и подстилающих морских четвертичных песчано-глинистых отложениях составляет в среднем 0,1–0,5 л/сек км2.

Наиболее благоприятные условия формирования подземного стока характерны для аллювиальных отложений речных долин. Общая мощность аллювия колеблется от 2 до 5 м (долины мелких рек) до 30 м (иногда до 50–60 м, долины крупных рек). В долине Волги она возрастает до 100–120 м. Глубина залегания грунтовых вод изменяется от 0,5–5 м (на пойме) до 15–20 м (высокие террасы). Коэффициент фильтрации уменьшается от верховьев рек к их устьям. Минерализация и химический состав вод отличаются большой пестротой. В низовьях почти всех рек минерализация увеличивается до 10 г/л и более.

Питание вод осуществляется за счет фильтрации речных вод, в меньшей степени – инфильтрации атмосферных осадков. Средняя величина инфильтрации изменяется от 10 до 60 мм/год. В нижней части Волго-Ахтубинской поймы она возрастает до 160–200 мм/год. Величина модуля подземного стока в аллювиальных отложениях изменяется от 0,1–0,5 до 1–2 л/сек км2, значительно уменьшаясь вниз по течению рек. На отдельных участках в долине Волги величина модуля превышает 3 л/сек км2. В Нижневолжском районе она колеблется в пределах от менее 0,1 до 1–2 л/сек км2. В районе расположения морских четвертичных и меловых водоносных комплексов модуль подземного стока изменяется от 0,6–0,5 л/сек км2 на севере и северо-востоке до 0,3– 0,1 л/сек км2 на юге и юго-западе. На северо-востоке района (с максимумом атмосферных осадков и наибольшим расчленением рельефа) в аллювиальных водоносных отложениях формируются большие величины модуля подземного стока (около 0,9–2 л/сек км2). В песчаных массивах эолового генезиса модули подземного стока могут превышать 0,5 л/сек км2. В пределах же развития эоловых отложений на морских (более глинистых) отложениях модули подземного стока в песчаных массивах составляют в среднем 0,1–0,3 л/сек км2.

2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГИДРОЛОГИЧЕСКОЙ СЕТИ И ЕЕ

ИЗУЧЕННОСТЬ

2.1 Гидрографическая сеть Бассейн Нижней Волги граничит с регионом Верхней Волги и Камы, бассейном Дона и Урала.

Длина участка Волги от устья Камы до морского края дельты составляет 1751 км. Площадь бассейна Нижней Волги равна 280 тыс. км2. Нижняя Волга имеет асимметричный левосторонний Ф-образный рисунок речной сети (по типизации [45]). Большинство основных притоков впадает в Нижнюю Волгу с левого берега. Наиболее крупные левобережные притоки – Самара и Вятка. Площадь правобережных притоков равна 13,9 тыс. км2, а левобережных – 117 тыс. км2 (рисунок 2.1).

Средняя густота речной сети составляет 0,14 км/км2. В разных частях бассейна она изменяется почти в пять раз: в бассейне р. Шешма густота достигает 0,34 км/км2, а в бассейне р. Чапаевка – 0,07 км/км2.

Рисунок 2.1 – Гидрографическая сеть бассейна Нижней Волги

Средняя густота речной сети плавно уменьшается с севера на юг под влиянием нестабильности составляющих водного баланса территорий и азональных факторов (рисунок 2.2).

В южной части бассейна ее значения близки к нулю.

Русловая сеть этой части волжского бассейна включает более 6300 водотоков. Большинство из них – малые реки, имеющие длину менее 10 км. Лишь 777 рек имеют длину 10 км и больше, а 18

– больше 200 км. Количество рек разной длины в бассейнах рек связано с числом водотоков, имеющих длину менее 10 км (таблица 2.1). Чем крупнее река, тем больше число таких водотоков представлено в структуре речной сети. Самый крупный приток Нижней Волги – р. Самара (рисунок 2.2). Длина Самары составляет 594 км, площадь бассейна – 46 500 км2. В ее бассейне находится три реки с длиной более 200 км (крупнейшая из которых – р. Большой Кинель).

В районе г. Волгоград начинается участок реки, для которого характерно отсутствие существенных притоков. Ниже по течению доминируют процессы бифуркации, обусловливающие постепенное рассредоточение волжского стока по системам пойменных и русловых разветвлений русла. В 21 км выше Волгограда, в районе плотины Волгоградского водохранилища от реки уходит пойменный левый рукав – Ахтуба, который параллелен основному руслу Волги на длине 537 км. В этот рукав отвлекается примерно 2 % волжского стока[46]. Между Волгой и Ахтубой находится обширное пространство, разделенное многочисленными протоками и староречьями (ВолгоАхтубинская пойма, ширина до 40 км).

Устьевая область Волги – одна из крупнейших в мире – начинается в месте отделения влево рукава Бузан (в 46 км севернее г. Астрахань). Она включает дельту (площадь 11 000 км2) и устьевое взморье (28 000 км2). Русловая сеть в дельте Волги – огромное пойменно-русловое разветвление, возникшее вследствие малых уклонов местности и отсутствия бортов долины. В дельте насчитывается до 500 водотоков. Ахтуба в пределах устьевой области поставляет сток в систему Бузана. Магистральные рукава дельты Волги: Бузан, Болда, Камызяк, Старая Волга и Бахтемир. По Бахтемиру проходит трасса судового хода (Волго-Каспийский канал). Он продолжается на отмелом устьевом взморье Волги, занятом пресной водой. Здесь также располагаются многочисленные каналы-рыбоходы [46].

В гидрографической сети бассейна Нижней Волги представлены немногочисленные озера, неравномерно распределенные по бассейну (таблица 2.2). В регионе находится более 10 000 озер.

Наибольшая озерность характерна для бассейна р. Большой Иргиз (0,17 %), а наименьшая – для бассейна р. Малый Кинель (меньше 0,02 %). Средняя озерность района мала по сравнению с другими регионами волжского бассейна, что связано с засушливостью климата, и равна 0,11 %.

Болота – один из элементов гидрографической сети Нижней Волги. Средняя заболоченность бассейна Нижней Волги невелика, составляет 0,2 %. Болота неравномерно распределены по территории бассейна (рисунок 2.3). Наибольшее количество болот находится в дельте Волги и на Волго-Ахтубинской пойме, где природные условия в наибольшей степени способствуют заболачиванию местности. В других районах число болот заметно меньше.

На территории бассейна Нижней Волги находится около 280 водохранилищ, полный объем которых составляет почти 104 км3, полезный – 46 км3 (таблица 2.3). Он составляет около половины объема водохранилищ Волжского бассейна. Суммарная площадь зеркала водохранилищ равна почти 12 тыс. км2. Больше всего водохранилищ сооружено в Астраханской и Саратовской областях.

Рисунок 2.3 – Распространение болот в пределах бассейна Нижней Волги Таблица 2.

3 – Основные сведения о водохранилищах в бассейне Нижней Волги [47, 48]

2.2 Гидрологическая изученность Гидрологическая изученность бассейна Нижней Волги характеризуется числом и продолжительностью действия гидрометрических постов.

Схема расположения гидрологических постов приведена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 – Схема расположения гидрологических постов

Бассейн Нижней Волги разделен на подбассейны:

река Волга и реки, впадающие в Куйбышевское водохранилище;

притоки Волги между Куйбышевским водохранилищем и створом Саратовской плотины;

реки, впадающие в Волгоградское водохранилище;

реки Волго-Ахтубинской поймы и дельты.

По каждому подбассейну приведены сведения по категориям рек по длине (самые малые, малые, средние и большие) и их числу в каждой категории, и числу в процентном отношении к общему количеству водотоков представлены в таблице 2.4 и на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 – Количество водотоков по градациям длины рек (км) в бассейне Нижней Волги На рассматриваемой территории по бассейну Нижней Волги имеется 10 475 водотоков, общей длиной 62 499 км.

Основная доля речной сети приходится на самые малые реки (менее 25 км), количество которых составляет 97 % от общего числа и длина 56 % суммарной длины всех водотоков (рисунок 2.6).

Наблюдения над уровнем и расходами воды на реках бассейна Нижней Волги были начаты в 1876 г. В бассейне работало 359 постов, 10 % которых относятся к дополнительной (ведомственной) сети. Период наблюдений на этих постах колеблется от 1 года до 120 лет. Список всех постов, по которым велись наблюдения за стоком, представлен в Приложении А.1.

На рисунке 2.7 представлены данные по количеству гидрологических постов, работавших в 1900–2010 гг. Как следует из этих данных, в 1930-х гг. в бассейнах рек работало 65 постов, максимальное количество постов (181) действовало в 1960-х гг. Постепенно сеть стала сокращаться (в 2010 г. действовало 78 постов).

Рисунок 2.7 – Количество гидрологических постов, работавших в 1920–2010 гг.

Количество постов с продолжительностью наблюдений менее 30 лет составляет около 40 %, а с продолжительность наблюдений более 50 лет примерно 27 % от их общего количества. Пять постов имеют продолжительность наблюдений более 120 лет (рисунок 2.8). Распределение гидрологических створов по величине площадей водосборов представлено в таблице 2.5.

Рисунок 2.8 – Количество гидрологических постов с различным периодом наблюдений

2.3 Основные гидрографические характеристики водосборов в пунктах гидрологических наблюдений К основным гидрографическим характеристикам водосборов, влияющим на речной сток, относятся площадь бассейна, гидрографическая длина водотока (расстояние от истока и от устья), средняя высота водосбора, лесистость, заболоченность, озерность, доля урбанизированных территорий, распаханность и закарстованность. Из них первые четыре приводятся в справочнике ОГХ, а первые три входят в расчетные уравнения гидрологических расчетов при отсутствии данных наблюдений. В настоящей работы для пунктов гидрологических наблюдений были рассчитаны актуальные значения заболоченность, лесистости, озерности и доли урбанизированных территорий.

Для определения озерности и доли урбанизированных территорий использовалась открытая карта OpenStreetMaps (OSM). OSM – свободно распространяемая база данных, предназначенная для создания электронной карты территории всей Земли.

Данные OSM представлены в формате электронной карты, включающей следующие базовые картографические слои: населенные пункты, дороги, административные границы, гидрографию, болотные массивы, растительность. Получаемые из OSM карты двумерные, представленные в проекции Меркатора. В проект заложена функция автоматической генерализации карты в зависимости от используемого масштаба (до 1 : 2000). При расчете морфологических характеристик водосбор использовался наиболее крупный масштаб, доступный для данной территории.

Данные OSM получены и уточняются инициативной группой пользователей на основании космоснимков LANDSAT, PROTOTYPEGLOBALSHORELINES (PGS), TIGER, IRS и др.; треков, записанных GPS-устройствами; данных различных правительственных сайтов (таких как GeoBase, MassGIS и др.).

Данные OSM не обеспечивают необходимой точности вычислений для ряда районов в связи с недостаточностью информации. В этом случае использовались цифровые топографические карты масштаба 1 : 200 000. Определение лесистости водосборов проводилось на основе карты GlobCover LandCoverMap. Результаты определения лесистости по данных GlobCover после сравнения с результатами расчетов по спутниковым снимкам LandSAT для ряда малых водосборов оказались завышены в среднем на 4–6 %. Величины заболоченности определялись по топографической карте масштаба 1 : 1 000 000.

Для малых водосборов использование глобальных покрытий низкого разрешения сопряжено со значительными погрешностями. Вследствие этого определение лесистости, заболоченности, озерности и доли урбанизированных территорий для малых водосборов площадью менее 500 км2, относящимся к действующим гидрологическим постам, было проведено по спутниковым снимкам и др. Тематическое дешифрование снимков осуществлялось LandSAT, OrbView полуавтоматически, с ручным контролем результата.

Сведения о физико-географических характеристиках бассейна Нижней Волги для пунктов гидрологических наблюдений приводятся в Приложении А.2.

3 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ ПАРАМЕТРОВ

ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

3.1 Определение расчетных гидрологических характеристик при наличии данных гидрометрических наблюдений Определение расчетных гидрологических характеристик при наличии данных гидрометрических наблюдений осуществляется по аналитическим функциям распределения ежегодных вероятностей (кривых обеспеченностей).

Расчеты параметров основных гидрологических характеристик (среднее значение, коэффициенты вариации, асимметрии и автокорреляции) в пунктах гидрометрических наблюдений предусматривают:

– приведение данных наблюдений за стоком и их параметров к многолетнему периоду [4, 6]

– оценку однородности и стационарности данных наблюдений статистическими методами, учитывающими специфику многолетних колебаний основных гидрологических характеристик (асимметрию и автокорреляцию) [4, 8].

– расчет параметров распределения (среднего многолетнего значения, коэффициентов вариации, асимметрии, автокорреляции).

Согласно официальному нормативному документу СП 33-101-2003 [4] в практике инженерногидрологических расчетов для сглаживания и экстраполяции эмпирических кривых распределения ежегодных вероятностей превышения (кривых обеспеченностей) применяются трехпараметрическое распределение Крицкого – Менкеля при любом соотношении коэффициентов асимметрии (Cs) к коэффициенту вариации (Cv), а также распределение Пирсона III типа при Cs/Cv 2. При неоднородности рядов гидрометрических наблюдений (различные условия формирования стока) применяются составные или усеченные кривые распределения ежегодных вероятностей превышения.

Оценки параметров аналитических кривых распределения: среднее многолетнее значение Q, коэффициент вариации Сv и отношение коэффициента асимметрии к коэффициенту вариации Cs/Cv, устанавливаются по рядам наблюдений за рассматриваемой гидрологической характеристикой методом приближенно наибольшего правдоподобия и методом моментов в соответствии с нормативными и рекомендательными документами [4, 5].

3.2 Однородность и стационарность основных гидрологических характеристик В соответствии с [4, 8] необходимым условием объективной статистической обработки гидрологических рядов для получения расчетных значений стока является анализ однородности временных рядов.

При определении статистических параметров распределения гидрологических характеристик и их расчетных значений заданной обеспеченности предполагается однородность исходной информации. Временная однородность рядов может нарушаться в результате влияния хозяйственной деятельности или изменения климатических факторов.

Оценка однородности рядов гидрологических наблюдений осуществляется на основе генетического и статистического анализа исходных данных наблюдений. Генетический анализ заключается в выявлении физических причин, обуславливающих неоднородность исходных данных гидрологических наблюдений.

Под статистической однородностью понимается принадлежность элементов гидрологического ряда и их выборочных параметров распределения (среднее, дисперсия) к одной совокупности.

Статистическая проверка гипотезы однородности предусматривает установление уровня значимости – достаточно малого значения вероятности, которое характеризует практически невозможное событие.

Оценка однородности по критериям состоит в сравнении расчетного значения статистики критерия, полученной по эмпирических данным, с ее критическим обобщенным значением из таблиц или номограмм при заданном уровне значимости, объеме выборки, коэффициентах автокорреляции и асимметрии. Уровень значимости обычно задается равным 5 %, что соответствует принятию нулевой гипотезы об однородности с вероятностью 95 %.Гипотеза однородности может быть принята в том случае, если расчетное значение статистики меньше соответствующего критического значения.

В настоящей работе использованы обобщенные значения классических критериев однородности Стьюдента и Фишера применительно к коррелированной во времени и пространстве и асимметричной гидрологической информации [8].

Оценка однородности или стационарности средних значений основных гидрологических характеристик осуществляется по критерию Стьюдента путем сравнения расчетных и критических значений статистик. Если расчетное значение критерия меньше критического при заданном уровне значимости, то гипотеза об однородности или стационарности не отклоняется.

Для анализа многолетних колебаний гидрологических характеристик применяется критерий однородности выборочных дисперсий Фишера, обобщенный для особенностей гидрологической информации [8].

Гипотеза о стационарности дисперсий принимается при заданном уровне значимости (%).

если расчетное значение статистики критерия меньше критического (F F*) при заданных степенях свободы, соответствующих объемам выборок (n1 и n2).

Критические значения статистики Фишера (F*) в зависимости от уровня значимости (%), коэффициентов внутрирядной (r(1)) и межрядной корреляции (R) и коэффициентах асимметрии при равных объемах двух выборок (nx = ny) приведены в [8].

При анализе однородности средних значений и дисперсии ряда, исходный ряд разбивается на две совокупности (или равных, или в точке предполагаемого и обоснованного изменения стока в результате антропогенного или климатического воздействия) Поскольку в результате выполненных в последнее время исследований [49–54] установлено, что со второй половины 1970-х гг. в бассейне Волги произошли существенные изменения водного режима рек и условий его формирования, обусловленные влиянием климатических факторов, в настоящей работе оценка однородности характеристик стока производилась на основе выборочных параметров распределения (среднее, дисперсия) за 1978–2010 гг. и предшествующий многолетний период. Уровень значимости принят равным 5 %.

При оценке однородности основных гидрологических характеристик не использовались данные по гидрологическим постам, выше которых имеются водохранилища сезонного или многолетнего регулирования.

3.3 Определение расчетных гидрологических характеристик при неоднородности ряда гидрометрических наблюдений При неоднородности ряда гидрометрических наблюдений (различные условия формирования стока) применяются усеченные и составные кривые распределения вероятностей ежегодного превышения [4, 8]. При наличии неоднородности исходных данных гидрометеорологических наблюдений, когда рассматриваемый ряд состоит из неоднородных элементов гидрометеорологического режима, эмпирические и аналитические кривые распределения устанавливают отдельно для каждой однородной совокупности [4, 8] и далее рассчитывается составная кривая распределения.

Классическим примером подобных расчетов являются максимальные расходы воды весенних половодий и дождевых паводков, когда в каждом году имеют место и максимальный расход воды весеннего половодья и дождевых максимумов стока.

В последние десятилетия на некоторых реках Волги наблюдается неоднородность стоковых рядов, связанная с влиянием климатических факторов, в частности с повышением температуры воздуха [49]. Происходит внутригодовое перераспределение стока: увеличивается минимальный сток за летний и зимний периоды и уменьшаются максимальные расходы весеннего половодья.

Оценка расчетных характеристик стока по данным наблюдений только за последний период не является правомочной, так как продолжительность ряда за эти годы недостаточна и наблюдаемые изменения, возможно, обусловлены естественными циклическими колебаниями климата.

Современное состояние знаний о климатических условиях будущего имеет очень большой уровень неопределенности, особенно в отношении факторов, определяющих формирование экстремальных расходов воды. Поэтому определение расчетных параметров только по данным наблюдений за последний период может привести к значительным погрешностям расчетов при использовании этих результатов в водохозяйственной практике. В связи с этим в настоящей работе использовались данные наблюдений за весь имеющийся период, а в случае неоднородности стоковых рядов и при оценке параметров кривых распределений применялись составные кривые обеспеченности в соответствии с [4, 8].

3.4 Погрешности определения расчетных параметров гидрологических характеристик Расчетные значения стока заданной вероятности ежегодного превышения (значения стока заданной обеспеченности) представляют собой конечный результат в инженерно-гидрологических расчетах различных гидрологических характеристик.

При использовании аналитических функций распределения ежегодной вероятности превышения (кривых обеспеченностей) возникает задача оценки точности произведенных расчетов.

Параметры аналитических кривых распределения рассчитываются по ограниченным во времени гидрометрическим наблюдениям и в связи с этим рассчитываются с погрешностями [55, 56], которые учитывались при расчетах параметров и кривых обеспеченности основных гидрологических характеристик. В гидрологических расчетах оценка точности выборочных квантилей за пределами наблюденного ограниченного ряда представляет наибольший интерес, так как именно эти расчеты, как правило, используются в практике гидротехнического строительства.

Погрешности определения расчетных параметров гидрологических характеристик обуславливаются ограниченным объемом исходных данных наблюдений и недостаточностью точностью аппроксимации эмпирических данных аналитическими кривыми распределения основных гидрологических характеристик. Точное аналитическое решение определения погрешностей расчета параметров и значений стока заданной обеспеченности отсутствует.

Частичное решение этого вопроса основывается на использовании многочисленных формул определения средних квадратических погрешностей выборочных квантилей, обобщенных в [55], которые не однозначно решают этот вопрос.

Абсолютная средняя квадратическая погрешность выборочного среднего значения ряда, рассчитанная методом моментов, учитывающая только длину ряда, определяется по формуле:

Источник