River ice regime of the Arctic zone of Western Siberia under the modern climatic conditions

Арктическая зона Западной Сибири представляет собой низменную заболоченную равнину, ограниченную Полярным Уралом на востоке и Сибирскими Увалами на юге. В административном отношении – Ямало-Ненецкий автономный округ.

Климат исследуемой территории характеризуется суровой продолжительной зимой и коротким прохладным влажным летом. Средняя годовая температура воздуха составляет от –5°С на юге территории до –11°С на севере. Переход температуры воздуха через 0°С в сторону отрицательных значений осенью наблюдается в третьей декаде сентября – начале октября, переход в сторону положительных значений весной – в конце мая – первой декаде июня. Средняя температура самого холодного месяца составляет от –22 до –28°С. Годовая сумма осадков – 300–500 мм, большая их часть выпадает в виде дождей в теплый период года. Устойчивый снежный покров образуется в начале октября, число дней со снежным покровом – 220–255 сут. Исследуемая территория расположена в зоне сплошного распространения многолетней мерзлоты. Широтная зональность ярко выражена: с севера на юг сменяют друг друга тундра, лесотундра и тайга, для склонов Полярного Урала характерна высотная поясность. ^{[6, 9]}.

Реки исследуемой территории впадают в Обскую и Тазовскую губу Карского моря. Крупнейшие – Обь, Надым, Пур и Таз, средние – Сыня, Полуй, Щучья, Ныда и другие. В нижнем течении р. Обь ярко выражена пойменная многорукавность. Большая и Малая Обь соединяются многочисленными поперечными протоками, пойменные берега сложены песками и суглинками. Вершина дельты расположена ниже г. Салехард, два главных рукава дельты – Хаманельская и Надымская Обь также соединены многочисленными протоками. Истоки рр. Надым, Пур и Таз берут начало на склонах Сибирских Увалов и протекают преимущественно по ледниковой, а затем морской песчаной равнине. Болота занимают половину водосборных территорий рек Пур и Надым ^[11].

Водный режим исследуемых рек характеризуется весенне-летним половодьем, летне-осенней меженью, прерываемой дождевыми паводками и устойчивой продолжительной зимней меженью. Питание рек снеговое. Половодье начинается в среднем в первой половине мая. Зимняя межень продолжается с ноября по апрель ^{[5, 8]}.

Транспортная инфраструктура исследуемой территории представлена автомобильным, железнодорожным, водным и воздушным транспортом. Водным транспортом осуществляются как пассажирские, так и грузовые перевозки, функционируют паромные переправы ^[3]. По рекам ежегодно осуществляется северный завоз. В зимний период функционируют 4 автозимника. Сроки открытия зимников определяются не только погодными условиями, но и сроками образования устойчивого ледостава на малых реках. Крупные ледовые переправы обустраиваются на р. Обь в створе г. Салехард – г. Лабытнанги и на р. Надым в створе г. Надым.

В качестве исходной информации были выбраны данные 40 гидрологических постов (рис. 1). Использован период от начала наблюдений до 2014 г. Собрана информация о сроках ледовых явлений (появления льда, установления ледостава, вскрытия и очищения ото льда), о продолжительности (периода с ледовыми явлениями, ледостава, осеннего и весеннего ледохода), о повторяемости заторов и перемерзания, о характере уровенного режима (максимальные уровни воды в период весеннего ледохода и образования заторов), а также об изменении толщины ледяного покрова в зимний период. Среди выбранных гидрологических постов для 10 створов площадь водосбора менее 5000 км². на р. Обь расположены 9 постов, на реках бассейна р. Надым – 4 , р. Пур – 8, р. Таз – 6. Для описания особенностей режима рек Полярного Урала были выбраны 3 поста в верховьях рр. Собь и Щучья. Кроме того, использовались данные постов р. Се-Яха – пос. Сеяха на полуострове Ямал и р. Антипаюта Яха – пос. Антипаюта на Гыданском полуострове.

Для выяснения наличия у исследуемых рядов монотонного (возрастающего или убывающего) тренда использован непараметрический критерий тренда Спирмена ^[12]. Расчеты показали отсутствие статистически значимых изменений. Для 27 постов ряды характеристик ледового режима (прежде всего сроки ледовых явлений) приведены к периоду 1936–2014 гг. Пропуски и короткие ряды были восстановлены методом гидрологической аналогии с использованием информации по створам, расположенным на реках со схожими физико-географическими условиями и характеристиками водосборов.

Рис. 1. Исследуемая территория

Характеристиками, позволяющими оценить опасность наводнений в период с ледовыми явлениями, могут служить повторяемость выхода воды на пойму в период весеннего ледохода (образование заторов), а также повторяемость лет, когда максимальный годовой уровень воды сопровождается ледовыми явлениями. Отметим, что выход воды на пойму не является опасным явлением – обводнение пойменных территорий необходимо для сельскохозяйственных районов. Важно разделять участки, где выход воды на пойму, в том числе в период с ледовыми явлениями, опасен и участки, где выход воды на пойму необходим и ущерба не приносит ^[10].

При организации судоходства и ледовых переправ наиболее проблемны два периода: 1) от появления льда осенью, когда навигация закрывается, до установления ледостава и устойчивых морозов, когда возможно строительство ледовой переправы; 2) от начала весенних ледовых процессов и закрытия ледовых переправ до очищения ото льда и открытия летней навигации. Первый период можно охарактеризовать продолжительностью периода замерзания, второй период – продолжительностью периода очищения. Для оценки ледовой опасности стоит также учитывать изменчивость сроков ледовых явлений. Для характеристики периода, когда возможна летняя навигация, т.е. река свободна ото льда, используется продолжительность физической навигации ^[1].

Первый лед на реках исследуемой территории в виде заберегов и шуги появляется в среднем в первой половине октября: в первых числах месяца на реках полуострова Ямал и в низовьях р. Таз; к концу первой декаде на рр. Сыня, Надым и Пур. На р. Обь лед появляется несколько позже: 25 октября в районе пос. Горки, 17 октября в районе г. Салехард (рис. 2). Замерзание рек сопровождается осенним шугоходом, наиболее шугоносны рр. Собь, Щучья, Надым, Пур и Таз. Средняя продолжительность периода замерзания для большинства рек составляет около 7 сут., для р. Обь – около 15 сут. Кроме того несколько выше продолжительность замерзания на реках Полярного Урала (например, на р. Собь у пгт Харп – 20 сут.).

Рис. 2. Средние сроки появления льда (Д_пл) и установления ледостава (Д_лд)
по длине р. Обь (L, км – расстояние от устья)

Формирование ледяного покрова начинается с участков сужений, крутых поворотов русла и отмелей. Здесь происходит остановка и смерзание плывущих льдин. Сроки установления ледостава, как и сроки появления льда, имеют четкое пространственное распределение: в низовьях рр. Пур и Таз ледостав устанавливается в середине октября, в среднем и верхнем течении – во второй декаде октября, на реках Полярного Урала – к концу месяца, а на р. Обь – в конце октября – первых числах ноября (рис. 2). Среднеквадратическое отклонение осенних сроков ледовых явлений составляет 6–8 сут.

При установлении ледостава толщина ледяного покрова составляет от 2–5 см на малых реках до 15–20 см на больших реках с высокими скоростями течения. В первый месяц ледостава наблюдается наиболее интенсивное нарастание толщины ледяного покрова. К концу октября толщина льда в среднем достигает 15–20 см, толщина снега на льду 5–10 см. К концу ноября толщина снега на льду составляет в среднем около 15 см, а толщина ледяного покрова для створов южнее 66°с.ш. 30–35 см, для створов до 68°с.ш. – 35–40 см и до 50 см для низовья р. Таз и рек полуострова Ямал и Гыданского полуострова. Значения толщины льда к концу ноября 90% обеспеченности составляет 20–30 см. Несмотря на более поздние сроки установления ледостав на р. Обь к концу ноября значения толщины льда выравниваются и заметных отклонений от средних по широте значений не наблюдается (рис. 3а).

Рис. 3. Пространственное изменение значений толщины льда на реках исследуемой территории:
а – к концу ноября, б – максимальные за период ледостава
(средн. – средние значения, 90 % - 90 % обеспеченности, 1% – 1 % обеспеченности).

Рост толщины ледяного покрова продолжается в течение практически всего периода ледостава. Резкое увеличение толщины льда в феврале–марте обычно связано с выходом воды на лед и образованием наслуда, в апреле – с оттепелями и смерзанием мокрого снега с ледяным покровом. Значительный рост толщины льда на малых реках часто обусловлен промерзанием до дна нижележащих участков и отсутствием течения в створе поста. На реках тундровой зоне более интенсивное нарастание толщины ледяного покрова связано с меньшими суммами осадков в зимний период и меньшими значениями толщины снега на льду, в отдельных случаях снега на льду не наблюдается вовсе. Максимальных значений толщина ледяного покрова достигает в апреле. Максимальные значения толщины снега на льду наблюдаются в марте и составляют для большинства створов 40–50 см, для рек тундровой зоны – около 30 см.

Максимальные значения толщины ледяного покрова в среднем достигают 1,0–1,5 м. Среднеквадратическое отклонение максимальной толщины ледяного покрова для большинства створов – около 15 см, для нижнего течения рр. Обь, Пур и Таз, а также для рек Полярного Урала – 20–25 см. Максимальная толщина льда 1% обеспеченности составляет 1,0–1,5 м для створов южнее 66°с.ш. и более 2,0 м для створов севернее 67°с.ш.

Реки исследуемой территории могут в отдельные годы промерзать до дна, например участки р. Щучья у д. Лаборовая и у д. Шучье промерзают на срок до 5 месяцев. Существуют сведения о перемерзании рек полуострова Ямал и Гыданского полуострова ^{[2, 11, 13]}.

Средняя продолжительность ледостава на реках составляет от 210 до 250 сут. Для р. Обь продолжительность ледостава несколько ниже и в пределах исследуемого участка составляет от 190 до 215 сут. (рис. 4а).

Рис. 4. Пространственное изменение продолжительности ледостава (а, Т_лд, сут.) и периода с ледовыми явлениями (б, Т_ля, сут.). Красным выделены створы, расположенные на р. Обь.

Весенние процессы начинаются с таяния снега на льду и образования проталин. Талая вода просачивается в трещины ледяного покрова, разрушая его. На реках исследуемой территории вскрытие происходит под действием как механических, так и тепловых факторов. Вдоль более прогретых берегов образуются полосы, свободные ото льда (закраины). С ростом расходов воды ледяной покров отрывается от берегов, поднимается и продвигается вниз по течению. На малых реках со значительной толщиной льда и на промерзающих участках ледохода не наблюдается, вода размывает ледяной покров, лед тает на месте.

Весенний ледоход на р. Обь выше г. Салехард начинается в среднем во второй декаде мая (рис. 5), в третьей декаде мая вскрываются рр. Полуй, Щучья, верхнее и среднее течение рр. Пур и Таз, нижнее течение рр. Пур и Таз вскрывается в первой декаде июня. Из-за высокой заболоченности реки исследуемой территории имеют несколько затяжной характер вскрытия и лед к началу ледохода значительно теряет свою прочность ^{[4, 7]}. С этим связана невысокая продолжительность весеннего ледохода – 3–5 сут., несколько выше она на реках Полярного Урала (рр. Щучья и Собь – 7–10 сут.). В период прохождения весеннего ледохода в местах крутых поворотов, сужений русла, при наличии островов образуются заторы льда. Заторные подъемы уровней воды не превышают 1–2 м.

Рис. 5. Средние сроки вскрытия (Д_вс) и очищения ото льда (Д_оч)
по длине р. Обь (L, км – расстояние от устья)

Весенний ледоход на реках проходит при высоких уровнях воды. Повторяемость выхода воды на пойму в период весеннего ледохода для средних и больших рек составляет 90–100 %. Максимальные годовые уровни воды для большинства рек территории наблюдаются в период весеннего половодья (в последних числах мая – начале июня). Для средних и больших рек (рр. Обь, Надым, Пур и Таз) максимальные годовые уровни воды в 80–90% случаев сопровождаются ледовыми явлениями, в остальных 10–20% случаев максимальные уровни наблюдаются в первую неделю после очищения ото льда.

Среди населенных пунктов, подверженных затоплению в период весеннего ледохода: пос. Горки, с. Мужи, г. Салехард, г. Надым, пгт Уренгой и г. Тарко-Сале. В 1999 г. в период весеннего ледохода критических уровень был превышен в пос. Овгорт (р. Сыня), г. Салехард, пос. Горки и с. Мужи (р. Обь) и г. Надым (р. Надым). В нескольких районах Ямало-Нененцкого автономного округа был введен режим чрезвычайной ситуации. Последнее наводнение в период весеннего ледохода произошло весной 2014 г. на р. Пур в пгт Уренгой. 31 мая 2014 г. уровень воды поднялся выше критической отметки, были подтоплены 29 жилых домов и 5 производственных зданий, около 1 тыс. чел. были эвакуированы.

В конце мая – первой половине реки очищаются ото льда: сначала р. Обь (рис. 5) и верховья бассейна рр. Таз и Пур; в первых числах июня р. Пур в районе пгт Уренгой и р. Таз в районе с. Сидоровск; средние сроки очищения Тазовской губы в районе пос. Находка – 18 июня. Среднеквадратическое отклонение весенних сроков ледовых явлений 8–10 сут.

Средняя продолжительность периода с ледовыми явлениями на реках составляет от 225 до 260 сут., для р. Обь – от 207 до 225 сут. (рис. 4б). Таким образом, продолжительность физической навигации, т.е. безледного периода составляет от 105 до 140 сут., для р. Обь – от 140 до 158 сут., для створа р. Обь, протока Малая Юмба – пос. Яр-Сале – 125 сут.

Сроки ледовых явлений, характерная толщина льда, продолжительность ледостава и периода с ледовыми явлениями на реках арктической зоны Западной Сибири имеют четкое пространственное распределение, которое можно выразить зависимостями средних значений от географической широты гидрологического поста. Исключения составляют створы, расположенные на р. Обь и, в отдельных случаях, на реках Полярного Урала.

Первый лед на реках исследуемой территории появляется в среднем в первой половине октября. Среднеквадратическое отклонение осенних сроков ледовых явлений составляет 6–8 сут.

К концу октября толщина ледяного покрова в среднем достигает 15–20 см, к концу ноября 30–35 см для створов южнее 66°с.ш. и до 50 см для низовья р. Таз и рек полуострова Ямал и Гыданского полуострова. Значения толщины льда к концу ноября 90% обеспеченности составляет 20–30 см.

Толщина ледяного покрова нарастает в течение всего ледоставного периода. Максимальных значений толщина ледяного покрова достигает в апреле. Максимальная толщина льда 1% обеспеченности составляет 1,0–1,5 м для створов южнее 66°с.ш. и более 2,0 м для створов севернее 67°с.ш.

Вскрытие рек происходит под действием как механических, так и тепловых факторов. Благодаря затяжному характеру вскрытия лед к началу ледохода значительно теряет свою прочность. Среднеквадратическое отклонение весенних сроков ледовых явлений 8–10 сут.

Повторяемость выхода воды на пойму в период весеннего ледохода для средних и больших рек составляет 90–100 %. В период весеннего ледохода возможно образование заторов в местах сужений и крутых поворотов, но заторные подъемы уровней воды не превышают 1–2 м. Для низовья р. Обь, а также для рр. Надым, Пур и Таз максимальные годовые уровни воды в 80–90% случаев сопровождаются ледовыми явлениями. Среди населенных пунктов, подверженных затоплению в период весеннего ледохода: пос. Горки, с. Мужи, г. Салехард, г. Надым, пгт Уренгой и г. Тарко-Сале.