Ресурсы и качество вод суши: Оценка, прогноз и управление
реклама
И нститут водных проблем Российской акад ем ии наук Каф едра гидрологии суши М Г У им. М .В. Ломоносова Сборник трудов Второй открытой конференции Научно-образовательного центра Ресурсы и качество вод суши: Оценка, прогноз и управление 20 - 21 декабря 2012 года Москва, Россия Москва 2012 Институт водных проблем Российской Академии наук Кафедра гидрологии суши МГУ им. М.В. Ломоносова С б о р н и к тр у д о в П ервой откры той конф еренции Н а у ч н о -о б р а зо в а т е л ь н о г о ц е н т р а Ресурсы и качество вод суши: оценка, прогноз и управление 2 0 - 2 1 д е к а б р я 2 0 1 2 г. М осква, Россия О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р - д .ф .-м .н . А .Н . Г ел ь ф ан Материалы подготовлены М.В. Александровичем. Е.В. Белозеровой П р и ф и н а н с о в о й п о д д ер ж к е: Р о с с и й с к о й А к а д е м и и н аук Р осси й ского ф он да ф у н дам ен тал ьн ы х и ссл ед о ван и й М осква 2012 Ресурсы и качество вод суши: оценка, прогноз и управление Ресурсы и качество вод суши: оценка, прогноз и управление. С борник трудов Второй открытой конф еренции Н аучно-образовательного ц ен­ тра. 2 0 - 2 1 декабря 2012 г. / М.: ИВП РАН, К аф едра гидрологии М ГУ им. М.В. Ломоносова, 2012, 274 с. В сборник включены материалы второй открытой конференции Научно­ образовательного центра «Ресурсы и качество воды суши: оценка прогноз и управление», объединяющего специалистов Института водных проблем РАН и кафедры гидрологии суши Географического факультета МГУ им. М.В. Ло­ моносова. Для студентов, аспирантов, преподавателей, научных сотрудников профиль­ ных учреждений. УДК 556.5 О 2012 ИВП РАН О 2012 Кафедра гидрологии суши ГФ М ГУ Изображение, использованное для оформления обложки, было взято в сети Интернет и принадлежит его законному правооблада­ телю. 4 Ресурсы и качество вод суши: оценка, прогноз и управление ОСОБЕННОСТИ ПРОХОЖДЕНИЯ ВЕСЕННЕГО ПОЛОВОДЬЯ НА РЕКАХ ЕТР В СОВРЕМЕННЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ К иреева М .Б., Терский П.Н., Фролова H.JI. М ГУ имени М.В. Ломоносова, г. М осква kireeva m b@ m ail.ru. pavel tersky@ m ail.ru, frolova_nl@ m ail.ru Современны е климатические изменения по-разному влияют на особенности прохождения весеннего половодья на реках ЕТР. И сследование специфики их проявления в различны х природных условиях в пределах Европейской части России проведено на примере бассейна С еверной Д вины, Волги и Дона. Для последних 40 лет наблюдений можно говорить об увеличении годовой суммы осадков в Северной Атлантике, что проявляется такж е в их увеличении на севере ЕТР. Основной причиной данной тенденции является активизация циклонической деятельности, особенно ярко выраженная в 1980-1995 гг. [1]. В многолетних изменениях суммы твердых осадков в бассейне Северной Д вины для современного периода (1970-2002 гг.) выявлены статистически значимые тренды. Эта тенденция характерна для разны х метеостанций - А рхангельск, Котлас, Сыктывкар, и особенно выражена в последние 15-20 лет (рис. 1). В бассейне С еверной Д вины наибольшее число оттепелей (число дней с полож ительной среднесуточной температурой воздуха за холодный период) наблю далось в середине 1970-х гг.). К началу XXI в. оно несколько сократилось, однако, с 2000 г. опять отмечается незначительный рост числа оттепелей в зимний период [2]. При наличии часты х и продолжительных оттепелей даже при больших 146 20 —21 декабря 2012 года, Москва значениях суммы зимних осадков к весне наблю даю тся деф ицит паса воды в снежном покрове, что приводит к формированию о т н о с и т е л ь н о пониженны х расходов воды в период половодья. Связь 1сла оттепелей за зимний период с максимальными расходами воды в п о л о в о д ье и с объемом стока за половодье практически отсутствует из- а сложности и многофакторности процесса формирования стока п о л о во д ья. Расходы и уровни воды в период половодья зависят не олько от запасов воды в снежном покрове, но и от погодных условий весны, характера снеготаяния. Рис. 1 Многолетние изменения суммы твердых осадков на м/с Архангельск Общ ий рост суммы осадков не всегда влияет на увеличение запаса воды в снежном покрове из-за потерь во время оттепелей (либо дополнительная сумма осадков незначительна и не ведет к явному увеличению объема стока за половодье). В период наиболее интенсивны х изменений климатических характеристик стока (1970— 2007 гг.), на Большой С еверной Д вине (в створе У сть-Пинега) 147 Ресурсы и качество вод суши: оценка, прогноз и управление практически не изменялись величины максимальных суточных расходов воды, при этом в середине 1990-х гг. наблю дались наиболее высокие за период значения. Ежегодные даты начала половодья менялись незначительно (в сторону более ранних). В 1970-80-х гг. отмечалась более значительная разница ежегодных сроков начала половодья, а в последнее десятилетие, наоборот, фиксировались более стабильны е даты начала половодья. Незначительно возрос объем стока половодья за многолетний период (период в течение года, который вклю чает в себя половодье - от самого раннего до самого позднего) с 1970 по 2007 гг., а с 1990 г. заметно увеличился объем стока за половодье (рис. 2). Первая половина 1990-х гг. характеризовалась повыш енными значениями максимальных расходов воды С еверной Д вины в течение ряда лет. В начале 2000-х гг. половодье проходило примерно в одни и те же сроки без ярко выраж енных многоводных и маловодных лет. Конец 2000-х гг. оказался крайне маловодным, особенно 2006 г., когда максимальный расход воды р. Северной Д вины в районе Усть-Пинеги (7910 м3/с) не достиг даж е половины среднемноголетнего значения (20800 м3/с). При этом для более высоких половодий отмечалось уменьш ение продолжительности периода их прохождения, на фоне незначительной изменчивости объема стока (рис. 3). Ф орма гидрографов половодья р. Сухоны изменялась так же, как у С еверной Двины. Серия высоких половодий в начале 1990-х гг. сменилась в 2000-х гг. рядом маловодных лет с низким половодьем, проходящим примерно в одинаковые сроки. Для р. Ю га и р. Пинеги характерно отсутствие заметных изменений в объеме стока в половодье за многолетний период, а такж е в величинах максимальных расходов воды при неизменных датах начала и окончания половодья. 148 20 - 21 декабря 2012 года, Москва Форма гидрографа половодья менялась от года к году намного более значительно, чем в течение многолетнего периода. 1 9 70 197S 19 80 1 9 85 1 9 90 1 995 2 0 00 20 05 Рис. 2. Изменение даты начала половодья (А), максимальный суточный расход воды (Б) и объем стока за половодье (В) в 1970-2007 гг. на р. Сев. Двине (г/п Усгь-Пинега) о-м’/с ------ 91 ам'/с ------ 92 ------ 93 ------ 94 ------ 95 ------ ] о п ------2006 ------2007 Рис. 3. Примеры изменения формы гидрографа р. Северной Двины (г/п Усть-Пинега) для современного периода 149 Ресурсы и качество вод суши: оценка, прогноз и управление В есеннее половодье является главной фазой и отличительной чертой водного реж им а и рек бассейна Волги. Уменьш ение максимальных расходов весеннего половодья характерно для всего рассматриваемого периода наблю дений (1935-2005 гг.) для рек бассейна Оки и Нижней Волги. Д ля этих рек отмечается сдвиг сроков начала весеннего половодья в сторону более ранних дат на 10-15 дней, соответственно увеличивается и продолж ительность половодья [3, 4] (рис. 4). Т, дни Дата 26 июм 120 100 SS ■ ч ААлМ Д 80 7апр 60 18 мар 40 26 фее 20 6 фев 17янв о 1930 1950 1970 1990 1930 1950 1970 1990 2010 1990 2010 б) ,м*/с d, % 70 60 50 40 30 20 10 0 1930 1950 1970 1990 2010 1930 1950 в)с Рис. 4 Изменение даты начала (1) и окончания (2) половодья (а), его продол­ жительности Т (дни) (б), доли стока за половодье d в годовом объеме стока (%) (в), максимальных расходов весеннего половодья QM . (м /с) (г) (Волга г. Старица, 1935-2005 гг.) 150 20 - 21 декабря 2012 года, Москва Уменьш ение максимальных расходов составляет для Оки и ее притоков 2(МЮ%, для рек Нижней Волги - 4 0 -7 0 % (рис. 5, 6). Д ля рек бассейна Оки эта тенденция характерна и для последних 35 лет. Она обусловлена повыш ением температуры воздуха зимой, которое сопровождается увеличением числа и продолжительности оттепелей и, следовательно, уменьш ением предвесенних запасов воды, максимальных расходов весеннего половодья. Рис. 5. Изменение максимальных расходов воды (%) за 1970-2005 гг. по сравнению с периодом 1935-1969 гг. 151 Ресурсы и качество вод суши: оценка, прогноз и управление Статистически значимые возрастаю щ ие тренды (с вероятностью 95%) рядов максимальны х расходов воды для периода 1935-2005 гг. отмечаю тся для р. Унжа, многих рек в бассейне Камы. В последние три десятилетия эта тенденция проявилась в колебаниях максимального стока рек Верхней Волги (Чагодоща, Унжа, Суда, Лидь, Керженец, Ветлуга) и сохранилась для рек бассейна Камы. Такая ситуация объясняется характером изменения величины осадков за холодный период, увеличение которой характерно для указанных водосборны х территорий. м>/с А) -------------------------M L ------ i 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Годы *и% Б> Годы Рис. 6 Изменение максимальных расходов воды, м3/с (а) р. Ока (г. Калуга) и доли половодья в годовом стоке, % (б) и за период 1935-2005 гг. 152 20 - 21 декабря 2012 года, Москва И зменение характера весеннего половодья сказалось на его доле в годовом стоке. Ранее (до 1970 г.) эта величина колебалась от 60% (бассейн Камы и Верхней Волги) до 7 0 -8 0 % и более (левобереж ны е притоки в пределах Н ижней Волги). В последние десятилетия эта величина уменьш илась примерно на 10% (рис. 7). Q .- V t А) 2000 1976 г. 1000 Q , м */с 2000 1500 1000 Рис. 7 Гидрограф р. Ока (г. Калуга) за 1976 г. (А) и 1997 г. (Б) (закрашена базисная часть гидрографа) 153 Ресурсы и качество вод суши: оценка, прогноз и управление Похожие результаты выпущ енной по получены поручению в коллективной Росгидромета [5]. монографии, Здесь выявляется увеличение весеннего стока в бассейнах Камы, Унжи и Ветлуги. На остальной части водосбора Волги, согласно [5] весенний сток уменьшается. К роме того, авторами выявлено уменьш ение дисперсии характеристик весеннего стока для больш инства рек бассейна Волги в последние десятилетия. В монографии такж е выполнен анализ максимальных расходов воды половодья. Авторами выявлено, что для рек северо-западной которых находится незначительный части в бассейна, лесной полож ительны й больш ая зоне часть южной тренд водосборов тайги, типичен максимальных расходов весеннего половодья (р. Ветлу га) или фактическое его отсутствие (реки М олома и Вятка). С ущ ественное увеличение максимальных расходов наблю дается только на самых северны х и северо-восточных реках таеж ной зоны с более суровым климатом, где отмечается увеличение количества зимних осадков (реки Унжа и Кама). Н а реках лесостепной и степной зон наблюдается нарастаю щ ая тенденция к уменьш ению максимального весеннего стока, менее заметная в зоне смеш анны х лесов (р. Кострома) и более отчетливая для рек, частично или полностью протекаю щ их в полуаридны х зонах (реки Ока и Больш ая Кинель). результатам Здесь, произош ло согласно двукратное полученным уменьш ение в монографии максимальных весенних расходов воды [5]. Половодье как фаза водного реж им а играет исклю чительную роль в формировании стока воды в бассейне Д она в течение всего года, определяя потенциальны е запасы воды в период летне-осенний межени и даж е характер прохождения дождевых паводков в случае выпадения значительного количества ж идких осадков. 154 20 - 21 декабря 2012 года, Москва О сновная причина изменения стока воды в Донском бассейне за различны е сезоны года, безусловно, носит климатическую природу и связана с изменениями атмосферной циркуляции в данном регионе, проявляю щ ейся в смене характера зим, изменении количества атмосферны х осадков в летний и зимний периоды года, изменении температуры воздуха (особенно ее полож ительны е аномалии в зимний период). В бассейне Д она талы е снеговы е воды являю тся основны м источником увлажнения почвенного покрова и формирования речного стока. Как и снегозапасы, слой стока воды за половодье подчиняется зональны м закономерностям: уменьш ение весеннего стока происходит в ю го-восточном направлении. В среднем для бассейна Д она слой стока за половодье составляет ~50 мм, при этом наиболее высокий слой стока (более 60 мм) формируется в бассейне Хопра (выш е створа Поворино), тогда как ранее максимальны м слоем стока половодья характеризовалось верхнее течение Дона, с характерными значениями 80 - 85 мм. О тносительно пониженны ми значениями стока за половодье такж е как и ранее характеризуется бассейн М едведицы (30 40 мм), с той лиш ь разницей, что за период до 1988 г слой стока здесь составлял 60 - 70 мм. Ещ е м еньш ие значения слоя стока за половодья характерны для бассейнов Бузулука, Иловли и притоков Нижнего Дона: Ч ира и Калитвы и составляю т 20 - 30 мм (рис. 8). П роисходящ ие в настоящ ий момент климатические изменения приводят к сущ ественной деградации половодья рек бассейна Д она как фазы водного реж им а в целом. Д инам ика слоя стока воды за половодье имеет сложный характер, но для всего бассейна Д она однозначно Мо'*но говорить о статистически достоверном сокращ ении слоя стока половодья на 10 - 30%. Д аж е само выделение половодья как отдельной 155 Ресурсы и качество вод суши: оценка, прогноз и управление фазы водного реж им а на гидрографах становится исклю чительно сложной стока задачей. в последние годы Увеличение числа оттепелей приводит к «размазы ванию » начала многоводной фазы. В начале половодья, а часто и в течение всего зимнего периода, возникает несколько пиков повыш енной водности, связанных с зимними оттепелями. сравнении с 1936-1969 гг. Вследствие этого, ещ е до начала волны половодья, происходит частичная сработка запасов воды в снежном покрове, что, естественно, сокращ ает объем и максимальный расход половодья, увеличивая зимний меженный сток. 156 20 При разной степени - 21 декабря 2012 года, Москва выраж енности снижения слоя стока за половодье для всех постов фиксируется сильное изменение доли стока за половодье. Ряды доли стока однородны по дисперсии, но абсолю тно по всем постам математического больш инства имеется статистически ож идания постов (по выявлен значимое критерию уменьш ение Стью дента), статистически значимый для тренд уменьш ения доли весеннего стока в годовом. М аксимальны е расходы воды за время прохождения половодья являю тся одной из важнейших характеристик этой фазы водного реж има. Изменения бассейне Д она весеннего наиболее ярко стока и деградация проявляю тся половодья именно в в динамике максимальных расходов воды. Сильнее всего сниж ение максимальных модулей стока проявляется в бассейнах средних рек и верховьях крупных рек. В верховьях Д она (г. Задонск) с начала 30-х годов прошлого столетия по 2000-е годы максимальны й модуль стока сократился со 100 до 40 л/(с-км2), для р. С осны - со 140 до 40 л/(с-км2), для р. Воронеж (г. Л ипецк) и р. Битю г (г. Бобров) - с 80 до 20 л/(с-км2), для р. Вороны (г. Б орисоглебск)- с 60 до 20 л/(с-км2) (рис. 9). д _ „ л /(с к м ; ) оI Qm,,. Л'(с кы: ) ь 140 б мо. I 1940 1950 1960 1970 19» 1990 2000 2010 19» 19W 1950 i960 1970 1960 1990 2000 20W Рис. 9 Изменение максимальных модулей стока а) р. Воронеж - Липецк; б) р. Чир - ст. Обливская 157 Ресурсы и качество вод суши: оценка, прогноз и управление Сокращ ение максимального модуля стока в бассейне Д она в среднем составляет 40-60% . На карте (рис. 10) выделяются три однородных района, сменяю щ их друг друга с севера-запада на юговосток: а) верховья Д она (включая бассейн р.Сосна) и Воронежа здесь сокращ ение максимального модуля стока составляет 4 0 -6 0 л/(с-км2); б) М едведицы составляет среднее течение - здесь 10-30 Дона, сокращ ение л/(с-км2); в) бассейн Хопра максимального нижнее течение и верховья модуля Дона, стока бассейн М едведицы, Иловли, реки правобережья Цимлянского водохранилища: здесь сокращ ение максимального модуля стока менее 10 л/(с-км2). Рис. 10 Максимальный суточный модуль стока весеннего половодья и его изменение (%) за период 1970 - 2008 гг. по сравнению с 1935 - 1969 гг. 158 20 - 21 декабря 2012 года, Москва С татистический анализ рядов показал, что для абсолю тно всех постов наблюдается статистически значимый отрицательны й тренд (по критерию Спирмена), что также проявилось в наличии статистически значимого снижения математического ож идания на всех постах. Проверка рядов максимальных модулей стока по критерию Ф иш ера (за период 1930-2007 гг.) показала, что почти на всех реках наблюдается значительное снижение дисперсии. Высокие значения максимального модуля стока наблюдались в те зимы , когда формировался мощ ны й снеж ны й покров, отсутствовали оттепели. Сроки начала и окончания половодья имею т некоторое условное значение, ибо выделение момента начала половодья оказывается достаточно сложной задачей. С некоторой долей условности можно говорить о том, что в настоящ ий момент практически на всех постах имеется статистически значимый тренд сдвига даты начала половодья и максимального расхода воды на более ранние сроки. Н аиболее сильны е изменения в дате начала половодья происходят в западной части бассейна Дона. Здесь дата начала волны половодья см естилась на 9 -1 2 дней в сторону более ранних значений. В восточной части бассейна дата начала изменилась примерно на неделю. Также общей тенденцией для современного периода является «запаздывание» дат окончания половодья: в среднем , дата смещ ается в сторону более поздних сроков на 5 - 10 дней. Суммарно, эффект сдвига даты начала половодья на более ранние сроки и запаздывание его окончания приводит к тому, что продолжительность половодья увеличивается со статистически значимым трендом практически на всех реках. В зависимости от м асш таба реки и положения водосбора продолжительность половодья увеличивается на 1 0 - 2 0 дней (рис. 11). 159 Ресурсы и качество вод суши: оценка, прогноз и управление Т, сут. а) б) Г . СУТ. Рис. 11 Динамика продолжительности половодья (сут.) а) р. Воронеж - г. Липецк; б) р. Дон - Лиски В связи с изменением формы половодья происходят заметные изменения в величине коэффициента дружности половодья, равного отнош ению максимального модуля стока за половодье, соответствую щ его максимальному расходу воды, к слою стока за половодье. Коэффициент дружности половодья является одной из основны х расчетных гидрологических характеристик, требуемых в расчетах стока свойственно под проектирование. значимое снижение Д ля всех постов коэффициента бассейна дружности, достигаю щ ее для многих рек 1.5-2 раза (рис. 12). Рис. 12 Типичный ход многолетних изменений коэффициента дружности половодья Подводя итог, следует сказать, что проявление влияния современны х климатических изменений на сток весеннего половодья 160 20 - 21 декабря 2012 года, Москва крупнейш их рек Европейской территории России носят различны й как по направленности, так и по степени выраженности характер. Д ля северны х рек свойственно относительное постоянство характеристик весеннего половодья не смотря на рост суммы зимних осадков и увеличении числа оттепелей. В бассейне Волги изменения носят разнонаправленны й характер и проявляю тся в снижении максимальных расходов воды Оки и Нижней Волги на 20 - 70 %. При этом для бассейна Камы, Унжи наблюдается зам етное увеличение максимальных расходов воды [5]. В пределах Донского бассейна деградация половодья проявляется наиболее ярко, здесь доля стока половодья снизилась на 20 - 40 %, достигнув значений <50 % от суммарного стока воды. С окращ ение максимальных расходов при этом носит здесь повсеместны й характер и достигает 20 - 60 %. Литература: 1. Доклад об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2009 год. М.: Росгидромет, 2010. 2. Терский П.Н., Фролова Н.Л. Наводнения на реках севера европейской тер­ ритории России (на примере бассейна р. Северная Двина) // Известия РАН. Сер. географическая. 2011. № 3. С. 94-105 3. Алексеевский Н.И., Джамалов Р.Г., Фролова Н.Л., Повалишникова Е.С., Антонова М.М. Оценка влияния изменений климата на водный режим и ресурсы поверхностных и подземных вод бассейна Волги // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов: в 4 т. Т. III. Управление водны­ ми ресурсами речных водосборов: труцы междунар. науч.-практ. конф. Пермь, 2011. С. 3-9. 4. Frolova N., Agafonova S., Nesterenko D. Water and ice regimes of the rivers of European Russia under climate change // Hydro-climatology: Variability and Change. IAHS Publ. 344. 2011. P. 63-68 5- Методы оценки последствий изменения климата для физических и биологи­ ческих систем. М.: Росгидромет, 2012 161
