Институт г Институт гидрометеорологии идрометеорологии

ANNALS OF AGRARIAN SCIENCE, vol. 9, no. 4, 2011
ИЗВЕСТИЯ АГРАРНОЙ НАУКИ, Том 9, Ном. 4, 2011
AGRONOMY AND AGROECOLOGY АГРОНОМИЯ И АГРОЭКОЛОГИЯ
ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА
КЛИМАТА НА СТОК РЕК В ГРУЗИИ
Н.А.Бегалишвили,
Бегалишвили, Т.Н.Цинцадзе,
Цинцадзе, Н.Н. Бегалишвили,
Бегалишвили, Н.Т.Цинцадзе
Институт ггидрометеорологии
идрометеорологии Грузинского технического университета
пр. Давид Агмашенебели 150-а, Тбилиси, 0112, Грузия; ecohydmet@yahoo.com
Поступила в редакцию: 10.11.10; одобрена к печати: 23.04.11
Явление глобального потепления на Земле особенно проявилось со второй
половины 80-х годов прошлого столетия. Однако тенденции изменения
климата в отдельных регионах мира отличались друг от друга и часто имели
противоположную направленность. Поэтому следовало ожидать: различную
реакцию стока рек на глобальное потепление; изменение гидрологического
режима рек и в целом водных ресурсов Грузии. В результате статистическокорреляционного анализа 40-50-летних синхронных рядов температуры
воздуха в бассейнах рек, сумм осадков на водосборах и стока в замыкающих
створах получены эмпирико-статистические и воднобалансовые модели
формирования стока основных рек Грузии. На основе этих моделей
определена реакция стока на климатические изменения в бассейнах,
оценена чувствительность стока, связанная с климатическими вариациями.
ВВЕДЕНИЕ
На фоне происходящего на Земле глобального потепления, оцененного по
данным мировой метеорологической сети величиной около 0.6 0С в течение ХХ
столетия, реакция климатической системы в регионе Южного Кавказа оказалась весьма
неоднородной. В частности, было обнаружено достаточно заметное вековое потепление
на территории Восточной Грузии в отдельных случаях с максимальной оценкой
повышения среднегодовой температуры до 0.5 – 0.7 0С и умеренное похолодание в
Западной Грузии с максимальным понижением температуры в некоторых ее районах
до 0.3 – 0.5 0С. Неоднородным оказалось также изменение сумм осадков за 60-летний
период наблюдений )1936-1995 гг.) По некоторым данным увеличение осадков было
отмечено на Колхидской низменности, в горных районах Аджарии, высокогорной зоне
западной части Большого Кавказа, где максимальное его значение составило 5 -10% от
годовых норм. В крайней восточной области Кахетии в районе Дедоплис-Цкаро был
зафиксирован рост осадков до 15%. На остальной, большей части территории страны
наблюдалось повсеместное уменьшение осадков в диапазоне от 5 до 15%, и только в
небольшой области восточного Большого Кавказа оно составило 20% годовой нормы.
При этом влагосодержание в атмосфере на территории Грузии в целом оставалось
неизменным, хотя и были зафиксированы в вековом ходе тенденции обеих знаков [1,2].
Естественно, следовало ожидать различную реакцию стока на неоднородность
климатических изменений в бассейнах рек. Климатические изменения, и в первую
очередь вариации температуры и осадков, действуя на компоненты гидрологического
цикла – испарение, эвапотранспирацию, снежно-дождевое и ледниковое питание,
фильтрацию, грунтовые воды, речной сток, вызывают изменения их режимов. Таким
образом, одним из наиболее существенных последствий неоднородности
климатических изменений может стать различная реакция стока рек, изменения
гидрологического их режима и в целом водных ресурсов в Грузии. От тенденции этих
изменений во многом зависит обеспечение устойчивого развития отраслей экономики,
в особенности сельского хозяйства и гидроэнергетики, водообеспечения населения,
функционирования водно-ресурсных и водно-хозяйственных систем. Поэтому
исследования реакции речного стока на климатические вариации, изменения
гидрологического режима рек и водных ресурсов весьма актуальны и имеют как
научное, так и прикладное значение.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
При выборе объектов исследований - приоритетных регионов и речных
бассейнов необходимо учесть сравнительно сильную чувствительность стока рек
относительно ожидаемых климатических изменений, уязвимость водных ресурсов,
связанную с их интенсивным использованием в различных отраслях экономики, в
особенности в сельском хозяйстве и гидроэнергетике. Следует в перспективе учесть
также социально-экономическое развитие регионов и связанную с ней
интенсификацию потребления водных ресурсов. Поэтому приоритетными регионами и
водными бассейнами были выбраны [2,3]
в Западной Грузии:
• Дельта реки Риони (с.Сакочакидзе), где наблюдаются основные климатические
риски, вызванные обильными осадками, наводнениями, повышением уровня моря,
а также среднее течение реки в Имерети (с.Алпана) с рисками, связанными с
обильными осадками, паводками и наводнениями.
• Нижняя Сванетия (Лентехский район), бассейн р.Цхенисцкали (с.Рцхмелури) с
основными климатическими рисками, вызванными обильными осадками,
паводками, наводнениями, селями, оползнями.
в Восточной Грузии:
• Дедоплисцкаройский район, с соседними бассейнами рек Алазани (устье
р.Агричай) и Иор
ори
ор (с.Салахли), с основными климатическими рисками –
градобитие, засуха, опустынивание.
• Бассейн р.Куры (г.Тбилиси) с рисками, вызванными паводками и наводнениями,
засухой и опустыниванием.
Методика исследований включала:
• Составление информационных баз месячных значений температуры воздуха, сумм
осадков и стока рек по данным наблюдения около 100 метеостанций и гидропостов
на территории Грузии за период 1905-2006 гг. Восстановление пропущенных
элементов в эмпирических рядах, а также приведение всех их к указанному периоду
проводилось методом разложения полей случайных функций на составляющие
ортогональные компоненты (векторы). Метод позволяет контролировать точность
восстановления значений элементов [2].
• Выполнение статистическо-корреляционного анализа синхронных вековых рядов
средних значений температуры воздуха и сумм осадков на водосборе, стока рек в
замыкающих створах; построение динамических трендов, представляющих
линейную аппроксимацию колебаний элементов во времени; получение эмпирикостатистических и водобалансовых моделей формирования стока рек [4,5].
•
Определение чувствительности и реакции стока на климатические изменения в
бассейнах рек; оценку возможных изменений стока в текущем столетии на основе
принятых климатических сценариев вариаций температуры воздуха и сумм осадков
на водосборе.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В качестве примера ниже приведены результаты исследований для бассейна реки
Алазани – замыкающий створ (гидропост) в 2-х км от устья р.Агричай.
На рис.1 представлена динамика усредненных на водосборе годовых значений
температуры воздуха и сумм осадков, а также годового стока в замыкающем створе
реки. Здесь же приведены линейные тренды, соответствующие уравнения регрессии
и коэффициенты корреляции. Как видно из приведенных на рис.1 и в табл.1
данных, в условиях практически постоянной температуры воздуха на водосборе
(потепление происходит лишь на 0.010С) и незначительного роста сумм осадков на
47 мм (6% от нормы) зафиксировано небольшое увеличение стока реки на величину
9 м3/с (9% от нормы). Указанные скорости изменения параметров характеризуют
рассмотренный 45-летний период. В Табл.1 эти скорости приведены к различным
интервалам времени, в том числе и к 100-летнему периоду. Однако рассматривать
их как прогнозные оценки на конец текущего столетия было бы абсолютно
неверным. Вряд ли развитие климатической системы в ХХI веке будет аналогичным
динамике, присущей ей в ХХ столетии. Экстраполировать трендовые скорости
изменения параметров, по-видимому, возможно лишь на ближайшие 10-20 лет, что
придает им смысл инерционных прогнозных оценок. Здесь также принято во
внимание, что определение климатических норм, как правило, производят для
минимальных временных периодов в 20-30 лет.
Рис. 1. Динамика и соответствующие тренды: (а) стока (R), (б) годовых
сумм осадков (P), (в) температуры воздуха (t) в 1941-1985 гг. в бассейне р.Алазани
Табл. 1. Величины изменения стока, осадков и температуры в 1941-1985 гг. в
бассейне р.Алазани, доведенные до 1-, 10-, 45-, 100-летних периодов
Изменение стока
Рассчитанные значения стока R,
м /с
3
R =0,2069X1985301,64=109,06
R =0,2069 X 1941-301,64 =99,95
2
R
м /с
0
∆R=R -R м /с
3
104,
5
Относительное изменение к
норме, |∆R|/R %
3
2
0
1
1
10
45
100
1
10
45
100
0,20
2,02
9,11
20,24
0,19
1,93
8,72
19,37
1
Изменение осадков
Рассчитанные значения осадков
P, мм
P =1,0613X1985 1238,4=868,28
Относительное изменение к
норме, |∆P|/P %
∆P=P -P мм
P мм
2
0,
0
1
1
10
45
100
1
10
45
100
1,04
10,38
46,70
103,7
8
0,12
1,23
5,53
12,28
2
844,8
P =1,0613X1941-1238,4=821,58
1
Рассчитанные значения
температуры T, C
0
T,C
0
0
Изменение температуры
∆T=T -T C
1
10
45
100
0
2
1
Относительное изменение к
норме, |∆T|/T %
0
1
10
45
100
T =0,0003 X1985 +11,164=11,76
t2=0,0003x1941 +11,164=11,75
1
11,7
0,000
2
0,002
0,01
0,02
0,002
0,017
0,08
5
0,170
Сравнительно высокие корреляционные связи характеризуют зависимости стока
) и температуры воздуха
реки Алазани от сумм осадков на водосборе (
(
), а также зависимость сумм осадков от температуры (
). Графики этих
зависимостей, соответствующие уравнения регрессии и значения коэффициентов
корреляции представлены на рис.2. Удовлетворительные корреляционные зависимости
позволяют использовать их для построения и применения эмпирико-статистических и
водобалансовых моделей формирования годового стока реки. Отметим, что оба подхода
приводят примерно к одинаковым аналитическим зависимостям типа
,
при значении коэффициента множественной корреляции
. Здесь м3/с-сток
0
реки, мм-сумма осадков и
С-температура воздуха на водосборе. Абсолютная
м3/с,
относительная
погрешность
уравнения
составила
для всего периода наблюдений.
Находя полный дифференциал полученного уравнения, можно определить
реакцию стока на вариации температуры и сумм осадков, иначе, изменение стока,
вызванного климатическими вариациями. А после обезразмеривания и нахождения
частных дифференциалов (производных) уравнения можно оценить также
чувствительность изменения стока относительно вариаций температуры и сумм
осадков раздельно по этим вариациям и затем сопоставить их [4,5]. В частности,
согласно выполненным оценкам, отношение чувствительности изменения стока реки
Алазани соответственно вариациям осадков ( ) и температуры ( ) находится в
пределах
Аналогичные исследования были выполнены для всех отобранных рек и речных
бассейнов. В табл.2 приведены результаты оценок реакции стока рек на климатические
изменения. С этой целью был выбран сравнительно «мягкий» сценарий развития
климатической системы в течение ХХI столетия, согласно которому ожидаемое
повышение температуры воздуха в Западной и Восточной Грузии к концу столетия
могут составить 10С и 20С соответственно, а уменьшение сумм осадков - 5% и 10% от
нормы соответственно [1,3] .
Рис. 2. Связь между: (а) стоком реки Алазани ( гидропост в 2-х км вниз по течению
от устья р.Агричай) и годовыми осадками, выпавшими на водосборе; (б) стоком и
среднегодовой температурой воздуха в районе бассейна;
(в) осадками и температурой воздуха
Как видно из данных табл.2, такие климатические вариации могут иметь серьезные
последствия для водности рек Восточной Грузии, сток которых значительно
уменьшается в пределах от 20 до 50% от норм стока рек в замыкающих створах. Для
рек Западной Грузии уменьшение стока ожидается до 5-6%. При более “жестком”
сценарии климатических изменений, который принят в качестве наиболее вероятного в
[3], к концу XXI века вариации температуры и осадков предыдущего сценария удвоены.
Принимая во внимание линейную зависимость между изменениями стока и
вариациями температуры и осадков в уравнениях реакции (см.табл.2), все оценки
величины уменьшения стока необходимо также удвоить. Таким образом, при “жестком”
сценарии развития климатических процессов, когда ожидается повышение
температуры воздух на 2-40С, а уменьшение осадков может достигнуть величины 1020% от климатических норм, водность рек, в особенности в регионе Восточной Грузии,
катастрофически падает от 35% (р.Иори), до 60% (р.Алазани) и 100% (р.Кура) от
величин норм стока в указанных замыкающих створах.
1425
Изменение стока dR м3/с
(% от нормы)
1
Норма стока R м3/с
Норма сумм осадков Р мм
12.2
Вариация сумм осадков
dR мм (% от нормы)
Вариация температуры dt0 C
Риони(устье) –
Норма температуры t0 C
Река-гидропост (створ)
1
Уравнение реакции стока
№№
Табл. 2. Реакция стока рек на климатические изменения
по “мягкому” сценарию
-71.25
407
-25
2
3
4
5
6
с.Сакочакидзе
Риони – с.Алпана
7.9
1
1224
Приток Риони
р.Цхенисцкали –
с.Рцхмелури
Иори – с.Салахли
3.7
1
1390
9.8
2
835
Алазани – створ в 2
км вниз по течению
от устья р.Агричай
р.Кура – Тбилиси
(с.Муштаид)
11.7
2
845
6.7
2
795
(-5%)
-61.2
(-5%)
-69.5
(-5%)
-83.5
(-10%)
-84.5
(-10%)
-79.5
(-10%)
101
62
13
104.5
204
(-6%)
-5
(-5%)
-0.85
(-1%)
-2.25
(-17%)
-31
(-30%)
-99
(-48%)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные результаты исследований могут быть сформулированы в виде следующих
выводов (величины изменения гидрометеорологических характеристик бассейнов рек
приведены к 100-летнему периоду).
* В бассейне основной реки Западной Грузии – Риони, в условиях практически не
изменяющейся температуры воздуха и умеренного увеличения осадков на 253 мм (18%
от климатической нормы) сток в замыкающем створе с.Сакочакидзе фактически
остается неизменным – уменьшение стока составляет всего лишь 6 м3/с, или 2% от
нормы. С одной стороны? естественные факторы, каковыми являются большие
площади, покрытые лесом (70-75% территории водосбора), болота Колхидской
низменности, в особенности в районе дельты реки, развитая гидрографическая сеть,
способствуют задержанию атмосферных осадков лесами, накоплению воды в
подземных горизонтах бассейна и в системе болот, развитию процессов испарения. С
другой стороны, искусственное
регулирование стока существующей системой
водохранилищ в бассейне объясняет слабое влияние увеличения осадков на расход
воды в замыкающем створе, расположенном в районе дельты реки.
*В бассейне одного из притоков Риони р.Цхенисцкали при вековом повышении
температуры воздуха почти на 10С и роста сумм осадков на 481мм (35%) отмечено
значительное увеличение стока в створе гидрологического поста Рцхмелури на 40 м3/с
(около 60%). Указанный пост фактически находится в зоне формирования стока. Такое
увеличение стока может происходить в результате заметного увеличения осадков, а
также из-за интенсификации ледникового питания при отмеченном повышении
температуры воздуха в верховьях бассейна.
*Для двух бассейнов основных рек Восточной Грузии Иори и Алазани характерным
оказались умеренное увеличение осадков на 87мм (10%) и на 104мм (12%)
соответственно на фоне практически неизменной температуры воздуха (вековое
потепление в бассейне происходит всего лишь на 0.08 и 0.020С), что привело к росту
стока примерно на 1 м3/с (7%) в створе Салахли и на 20 м3/с (19%) в створе
гидрологического поста, расположенного в 2-х км ниже по течению от устья
р.Агричай.
*Выявлена общая закономерность для всех рассмотренных бассейнов рек – увеличение
осадков и стока на фоне неизменяющейся температуры, уменьшение осадков и стока
при повышении температуры воздуха на водосборе.
*Бассейн р.Риони в Западной Грузии (с.Сакочакидзе) включает большую часть
территории региона, где представлены как горные и высокогорные, так и предгорные и
низменные зоны водосбора. Поэтому в условиях обилия атмосферных осадков для
замыкающего створа характерны сравнительно высокие значения годового
коэффициента стока к=0.60 – 0.90 (среднее значение =0.70). Вследствие этого
чувствительность изменения стока относительно вариации сумм осадков оказалась в
несколько раз больше (n=1-3) чувствительности стока при вариациях температуры
воздуха в бассейне. В случае р.Цхенисцкали (с.Рцхмелури) водосбор расположен в
области Большого Кавказского хребта, характеризующейся обильными осадками.
Значение коэффициента стока здесь находится в пределах к=0.80 – 0.90 и иногда
превышает эту величину. Это указывает на характерную для малых горных бассейнов
высокую эффективность трансформации осадков в сток. В этих условиях
чувствительность стока по отношению изменения осадков оказалась на порядок выше
чувствительности стока при вариациях температуры (n=10-20).
*Для соседних бассейнов рек Иори и Алазани, расположенных в полузасушливых и
засушливых областях Дедоплисцкаройского района, коэффициент стока существенно
уменьшается по сравнению с таковыми, характерными для рек Западной Грузии. В
случае бассейна р.Иори (с.Салахли) к=0.07-0.15 ( =0.12), а для бассейна р.Алазани
(ниже устья р.Агричай) – к=0.25-0.50 ( =0.35). В таких условиях чувствительность стока
р.Иори при вариациях осадков на водосборе фактически равна чувствительности по
отношению к изменению температуры воздуха (n=1). Примерно такое соотношение
характерно для чувствительности стока р.Алазани при вариациях тех же характеристик
(n=1-2).
*В условиях глобального потепления при общепринятых сценариях климатических
изменений, ожидаемых к концу нынешнего столетия в регионе Южного Кавказа,
водность рек Восточной Грузии может резко понизиться. Для сравнительно «мягкого»
сценария развития климатических процессов в ХХI веке в Грузии, когда
прогнозируется повышение температуры воздуха на 1-20С и уменьшение осадков на 510%, водность рек Восточной Грузии понизится от 20% (р.Иори) до 35% (р.Алазани) и
50%(р.Кура) от норм стока в замыкающих створах. Понижение водности рек в Западной
Грузии в условиях аналогичных климатических изменений ожидается в гораздо
меньших масштабах – примерно на 5% от норм стока.
Вышеизложенные результаты исследований были представлены на пленарном
заседании Х Международного конгресса «Энергия, Экология, Экономика», Баку,
Республика Азербайджан, 23-25 сентября 2009 г.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Georgia's Initial National Communication under the United Nations Framework
Convention on Climate Change // UNDP/GEF – Government of Georgia. National Climate
Research Centre, Tbilisi, 1999, 137 pp.
2. Бегалишвили Н.А., Таварткиладзе К.А., Вачнадзе Дж.И. Современное
изменение климата в Грузии. Вековое изменение влагосодержания атмосферы и его
влияние на влагооборот // “Ин-т гидрометеорологии Грузии”, Тбилиси, 2007, 123 с.
3. Georgia’s Second National Communication to the UNFCCC. Ministry of
Environmental Protection and Natural Researches/UNDP // Tbilisi, 2009, 237 pp.
4. Begalishvili N., Tavartkiladze K., Begalishvili N.A. Contemporary Evolution of
Runoff Sensitivity With Relation to Climate Variability from Empirical-Statistical Model of
the River Mtkvari // Transaction of the Institute of Hydrometeorology “Problems of
Hydrology”, v.106, Tbilisi, 2001, pp.160-164.
5. Бегалишвили Н.Н., Цомая В.Ш., Бегалишвили Н.А. Оценка изменения стока
рек в условиях изменения климата на основе математической модели // Тр. Ин-та
гидрометеорологии Грузии “Проблемы засухи и борьбы с ней”, т.107, Тбилиси, 2002,
с.133-138. (На груз. яз).
IMPACT OF CLIMATE CHANGE ON RIVER RUNOFF IN GEORGIA
N.A. Begalishvili, T.N. Tsintsadze, N.N. Begalishvili, N.T. Tsintsadze
Global warming processes on Earth especially intensified in the second half of the 80s of the
last century. Though, tendency of climate change in specific regions of the world differed
from each other and often had an opposite direction. Consequently, the following was
expected to take place: different reaction of river runoff on global warming; change of
hydrological regime of rivers and the water resources in Georgia in whole. As a result of
statistic-correlation analysis of 40-50 year-old synchronous rows of air temperatures in river
basins, total precipitations on water collectors and runoffs in the closing cross sections,
empirical-statistic and water-balance models of formation of basic river runoffs in Georgia
have been received. On the basis of these models, reaction of runoffs on climate change in
basins has been defined and sensitivity of runoffs linked with climate variations assessed.