Оценка гидрометеорологических характеристик болотного массива Ламмин-Суо
Оценка гидрометеорологических характеристик болотного массива Ламмин-Суо
Аннотация
Рассматриваются гидрометеорологические данные по болоту Ламмин-Суо, на котором располагается полевая экспериментальная исследовательская станция Государственного гидрологического института. Из болота Ламмин-Суо берут начало три ручья: Южный, Северный и Западный. Наблюдения на них осуществляются на постоянной основе. Целью исследования является установление и анализ взаимосвязей между расходами воды из вытекающих с болота стоков и уровней болотных вод, уровнем болотных вод и количеством выпавших осадков, а также выявление реакции болотного массива на возможные изменения климата. Статистически обрабатываются ряды наблюдений за осадками, уровнями болотных вод и расходами воды с болота: ряды проверяются на однородность по среднему значению и по дисперсии, на значимость трендов, рассчитываются статистические характеристики (средние значения, коэффициенты вариации и асимметрии). Выявленные асинхронные тренды у расхода воды и уровня болотных вод подтверждают текущее нарастание торфяной залежи. Установлены и проанализированы взаимосвязи между расходами вытекающей из болота воды и уровнем болотных вод, между уровнем и количеством выпавших осадков, а также выявлена современная реакция болотного массива на возможные изменения климата. Получено, что существует достаточно тесная связь между расходами воды и уровнями болотных вод, но эта связь может нарушаться и варьироваться в зависимости от текущий увлажненности болотного массива. Явной зависимости уровней болотных вод от осадков не выявлено. Знание взаимосвязей характеристик позволит давать прогнозы стока с болотных массивов и, в первую очередь, это касается верховых болот, сток с которых может попадать в реки, изменяя их уровненный режим. Дальнейшее развитие исследования будет направлено на разработку подхода прогнозирования стока с олиготрофных болотных массивов. Имеющиеся данные по болоту Ламмин-Суо будут использованы как типовые для составления поверочных прогнозов.
1. Введение
В России болотные и заболоченные оторфованные земли покрывают 369,1 млн га, что составляет 21% от всей территории страны .
Болотом, или болотным ландшафтом, называется участок территории, характеризующийся обильным застойным, или слабо проточным увлажнением верхних горизонтов почво-грунтов. На этом участке произрастает специфическая болотная растительность с преобладанием видов, приспособленных к условиям обильного увлажнения и недостатка кислорода в почвенном субстрате . Особенностью болот является процесс торфонакопления, при котором толщина отложившегося торфа не дает живым корням основной массы растений достигать подстилающего минерального грунта; если же корни достигают минерального грунта, то такие участки называются заболоченными землями .
Болота на водосборе способствуют снижению речного стока по сравнению с незаболоченными бассейнами в естественном состоянии. Верховые болота с микроландшафтами средней и слабой обводненности характеризуются относительно высоким стоком в половодье и низкой меженью, наиболее неравномерным распределением водности внутри года. Если на водосборе развиты сильно обводненные водораздельные озерно-болотные массивы или низинные болота, то у речного стока наблюдается менее значительная амплитуда колебаний водности внутри года .
Основным показателем гидрологического режима болота можно считать расход воды и, соответственно, модуль стока, слой стока . На величину стока болота оказывают влияние выпадающие осадки, уровни болотных и грунтовых вод которые зависят от свойств торфа – дисперсности структуры, пористости, влажности и влагоемкости, содержания свободной и связанной воды, водоотдачи, водопроводимости .
В свою очередь, изменения уровненного режима болотных массивов является одним из показателей питания рек , . Болота могут накапливать в себе значительные объемы осадков, которые пропитывают болотные массивы и через некоторое время формируют сток с болота. Относительно быстрый сток происходит, в основном, с верховых (олиготрофных) болот, так как низинные (евтрофные) болота залегают в углублениях, которые долгое время препятствуют выходу стока с болота, кроме того, и питание низинных болот происходит за счет стекания поверхностных вод. Переходные (мезотрофные) болота могут иметь свой выраженный сток, который формируется и в результате выпадения осадков, и за счет поверхностного стока к болоту. Олиготрофные же болота являются возвышениями по сравнению с окружающим их ландшафтом и питание их происходит исключительно осадками. Ко времени, как болото дойдет до олиготрофной стадии, оно уже будет иметь ярко выраженный сток .
В данном исследовании будут рассмотрены основные гидрометеорологические характеристики болота: осадки, уровни болотных вод и расходы воды стока с болота.
Знание взаимосвязей данных характеристик позволит давать прогнозы стока с болотных массивов. В первую очередь это касается верховых болот, сток с которых может попадать в реки, изменяя их уровненный режим.
Рассматриваются данные по болоту Ламмин-Суо, на котором располагается полевая экспериментальная исследовательская станция Государственного гидрологического института (ГГИ). Период наблюдений за гидрометеорологическими характеристиками болота начинается с года первых наблюдений (для ручья Северный наблюдения начинаются с 1953 года, для ручья Западный – с 1955 года, для ручья Южный – с 1955 года) и заканчивается 2020 годом.
2. Материалы и методы
Целью исследования является установление и анализ взаимосвязей между расходами воды из вытекающих с болота стоков и уровней болотных вод, уровнем болотных вод и количеством выпавших осадков, а также выявление реакции болотного массива на возможные изменения климата.
Для достижения цели исследования были решены следующие задачи: – статистическая обработка временных рядов гидрометеорологических характеристик болотного массива Ламмин-Суо; – выявление и анализ взаимосвязей между имеющимися характеристиками; – описание и физическое обоснование выявленных взаимосвязей с перспективной возможностью построения математических моделей формирования стока с болотного массива.
Наблюдения на постоянной основе осуществляются на трех ручьях, которые берут начало из болота Ламмин-Суо: Южный, Северный и Западный (рис. 1).
Рисунок 1 - Схема болотного массива Ламмин-Суо
Примечание: по ист. [10]
Ряды количества осадков не имеют пропусков и имеют продолжительность с 1950 по 2020 год.
Уровни болотных вод наблюдались по скважинам: для створа Южный – скважина 109 на схеме рис. 1, для Северного – 212 и позже – 107б, для Западного – 210.
Рисунок 2 - Совмещенные хронологические графики хода гидрометеорологических характеристик для ручья Южный:
синий – уровень болотных вод (период 1), см; жёлтый – уровень болотных вод (период 2), см; оранжевый – расход воды (период 1), л/с; голубой – расход воды (период 2), л/с; серый – осадки (период 1), мм; зелёный – осадки (период 2), мм
Рисунок 3 - Совмещенные хронологические графики хода гидрометеорологических характеристик для ручья Северный:
оранжевый – уровень болотных вод (период 1), см; жёлтый – уровень болотных вод (период 2), см; синий – расход воды (период 1), л/с; голубой – расход воды (период 2), л/с; серый – осадки (период 1), мм; зелёный – осадки (период 2), мм
Рисунок 4 - Совмещенные хронологические графики хода гидрометеорологических характеристик для ручья Западный:
синий – уровень болотных вод, см; оранжевый – расход воды, л/с; серый – осадки, мм
Данные по ручью Южный самые продолжительные с 1950 по 2019 год. Пики расходов воды соотносятся с подобными пиками уровней, однако не всегда происходит равноценное увеличение двух этих характеристик. Видны резкие колебания уровня в сторону минимальных значений, которые, в некоторых случаях, связаны с продолжительным уменьшением осадков. Однако, нередко наблюдается и тенденция увеличения осадков и, соответственно, расходов, но уровень болотных вод идет на понижение, что не коррелирует с увеличением перечисленных величин. Возможно, что часть осадков не доходит до болотных вод и сразу тратится на сток.
На рис. 3 для ручья Северный пики расходов и уровней болотных вод совпадают, хотя с некоторым добеганием, которое может достигать двух месяцев. Тренды осадков и уровня болотных вод идут на повышение, однако, расход не имеет значимого тренда. Также на графике заметно большое количество пиковых значений осадков, но у уровня болотных вод количество пиков в несколько раз меньше. Во второй период тренд на подъем болотных вод не наблюдается. Так же как и для ручья Южный, на ручье Северный в 1985 году произошла смена начала отчета: измерения по скважине 212 (номер на схеме рис. 1) в первый период прекратились, и была выбрана другая, ближайшая по характеристикам микроландшафта и высоте, скважина – 107б.
Данные по расходам воды для ручья Западный (рис. 4) являются суммой значений по двум ручьям, так как ручей расходится на два притока-ручья, на каждом из которых есть створ наблюдений. Наблюдается небольшой, но значимый тренд на понижение уровня болотных вод и такой же тренд на повышение расхода воды при явном росте общего количества осадков. Данный створ явно свидетельствует о том, что часть осадков не доходит до болотных вод, а стекает по поверхности, однако при анализе видно, что пиковые значения расходов совпадают по месяцам с пиковыми значениями уровней болотных вод.
Основными методами исследования взаимосвязей между гидрометеорологическими величинами болота Ламмин-Суо будут являться методы статистического анализа, включающие оценки значимости выявленных на графиках трендов, проверку данных на однородность, вычисление статистических характеристик.
3. Результаты и дискуссия
В табл. 1 представлены статистические характеристики гидрометеорологических величин болота Ламмин-Суо.
В таблице «+» обозначены однородные ряды, «–» – неоднородные. Проверка на однородность производилась по критерию Фишера и Стьюдента. Получено, что однородными рядами по дисперсии и по среднему значению являются ряд расходов воды для ручья Северный и ряд осадков, причем при изменении длины ряда осадков получены различные результаты проверки на однородность, см. столбы 9 и 10 таблицы 1.
Одновременно неоднородные ряды по дисперсии и среднему значению присущи рядам расходов и уровней болотных вод для ручья Южный (первый и второй периоды) и для ручья Западный, ряды уровней и осадков для ручья Северный (второй период). Кроме того, для уровня болотных вод все ряды неоднородны по среднему значению, происходят значимые изменения среднего значения во второй половине исследуемого периода.
Следует отметить, что для ручья Западный ряды всех гидрологических характеристик являются неоднородными по двум показателям, а ряд осадков однородный. Данное явление можно объяснить эффектом детектирования, описывающего нелинейное преобразование системой линейного сигнала . Этот вопрос требует тщательной проработки с добавлением исходной информации.
Выявлены значимые тренды у рядов расходов воды для ручья Западный, для рядов уровней болотных вод для ручья Южный во втором периоде, для ручья Северный в первый и второй периоды и для ручья Западный. Причем значимые синхронные тренды для расхода и уровня есть только у ручья Западный. Это говорит о тесной связи этих характеристик. Наличие же тренда у уровня болотных вод и отсутствие его у расхода говорит о нарастании торфяной залежи: уровень болотных вод относительно болотной поверхности остается примерно на том же самом уровне, но из-за изменения болотной поверхности уровень относительно этой поверхности идет на спад. Значимого предполагаемого эффекта от изменения климата не наблюдается, происходит рост болотного торфа.
Несмотря на выявленные значимые тренды в рядах расходов и уровней воды, для ряда осадков подобные тренды не выявлены. Есть определенный, «усвояемый» болотом, объем поступающей влаги, после превышения которого уровни болотных вод достигают критического значения и происходит их разгрузка в сток. С другой стороны, необходимо также выявить связи между выпавшими осадками и увлажненностью принимающего их болотного массива. Болото является специфическим водным объектом, которое нужно рассматривать постепенно и поэтапно, выявляя все больше закономерностей во взаимосвязях его характеристик.
Таблица 1 - Статистическая оценка гидрометеорологических характеристик
Q, л/с | h, см | X, мм | |||||||
n, мес. | дисперсия | ср. значение | n, мес. | дисперсия | ср. значение | n, мес. | дисперсия | ср. значение | |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
Ручей Южный | |||||||||
1 период | 504 | – | – | 504 | – | – | 504 | + | – |
тренд 1 | не значим | не значим | не значим | ||||||
Среднее 1 | 15,6 | –17 | 71 | ||||||
Cs 1 | 2,26 | –1,91 | 0,99 | ||||||
Cv 1 | 1,44 | –0,63 | 0,56 | ||||||
2 период | 336 | – | + | 336 | – | – | 336 | – | – |
тренд 2 | не значим | значим | не значим | ||||||
Среднее 2 | 14,6 | –54 | 73 | ||||||
Cs 2 | 1,96 | –1,17 | 0,93 | ||||||
Cv 2 | 1,20 | –0,20 | 0,56 | ||||||
Ручей Северный | |||||||||
1 период | 384 | + | + | 384 | + | – | 384 | + | + |
тренд 1 | не значим | значим | не значим | ||||||
Среднее 1 | 3,45 | –35 | 70 | ||||||
Cs 1 | 2,46 | –0,27 | 1,01 | ||||||
Cv 1 | 1,58 | –0,34 | 0,56 | ||||||
2 период | 432 | – | + | 432 | – | – | 432 | + | + |
тренд 2 | не значим | значим | не значим | ||||||
Среднее 2 | 4,02 | –16 | 75 | ||||||
Cs 2 | 1,90 | –1,66 | 0,90 | ||||||
Cv 2 | 1,35 | –0,47 | 0,56 | ||||||
Ручей Западный | |||||||||
Весь период | 792 | – | – | 792 | – | – | 792 | + | + |
тренд | значим | значим | не значим | ||||||
Среднее | 4,02 | –15 | 72 | ||||||
Cs | 1,86 | –0,81 | 0,97 | ||||||
Cv | 1,11 | –0,62 | 0,56 | ||||||
Примечание: Q – расход воды; h – уровень болотных вод; X – осадки; n – число месяцев наблюдения; Cs – коэффициент асимметрии; Cv – коэффициент вариации
Следует отметить большие значения коэффициентов асимметрии для расходов воды, показывающие отклонения средних значений от модальных. Причем коэффициенты имеют положительный знак, характеризующий, так называемый, режим «половодья», т.е. имеются выбросы значений в больший диапазон. Для уровня болотных вод характерные небольшие отрицательные значения коэффициента асимметрии – режим «засух», т.е. имеются резкие понижения отметок, что подтверждается и рисунком 2. Кроме того, значения коэффициентов вариации для уровня имеют отрицательный знак, что является результатом применения расчетной формулы в виде соотношения среднеквадратического отклонения к среднему значению, который для уровня имеет отрицательный знак.
Для всех ручьев коэффициент вариации для уровня болотных вод имеет меньшие значения, чем для расхода воды. Это может свидетельствовать о влиянии латентных факторов на формирование расходов воды стока с болотного массива.
На рис. 5 представлены построенные графики связи для расхода воды и уровня болотных вод, для уровня и осадков.
Рисунок 5 - Графики связи гидрометеорологических характеристик h=f(Q) (где h – уровень болотных вод; Q – расход воды) (а, в, д) и h=f(X) (где X – количество осадков) (б, г, е):
а, б - ручей Южный; в, г - ручей Северный; д, е - ручей Западный
Примечание: cиние точки относятся к первому периоду, оранжевые точки – второй период наблюдений
4. Заключение
Основным результатом исследования является обработка массива данных о поступающих осадках и болотном стоке за почти семидесятилетний период. Обработка включает статистический анализ с проверкой однородности рядов, выявлением значимых трендов, вычислением статистических характеристик для болота Ламмин-Суо.
Получены следующие значимые результаты исследования:
– для болотного массива присущ эффект детектирования, который помогает объяснить связь между осадками и расходами/уровнями воды болота;
– выявленные асинхронные тренды у расхода воды и уровня болотных вод подтверждают текущее нарастание торфяной залежи;
– значимого предполагаемого эффекта от регионального изменения климата на болоте Ламмин-Суо не наблюдается;
– существует достаточно тесная связь между расходами воды и уровнями болотных вод, но эта связь может нарушаться и варьироваться в зависимости от текущий увлажненности болотного массива;
– явной зависимости уровней болотных вод от осадков не выявлено.
Дальнейшее развитие исследования будет направлено на разработку подхода прогнозирования стока с олиготрофных болотных массивов. Имеющиеся данные по болоту Ламмин-Суо будут использованы как типовые для составления поверочных прогнозов.