1 Природно-климатические и антропогенные причины

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
1
УДК 556.168
Джамалов Р.Г., Потехина Е.В.
Университета «Дубна», Институт водных проблем РАН
ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ И АНТРОПОГЕННЫЕ ПРИЧИНЫ
ИЗМЕНЕНИЯ ПОДЗЕМНОГО СТОКА БАССЕЙНА ЛЕНЫ
В течение последних десятилетий в Восточной Сибири происходит заметное
потепление, которое сопровождается ростом температуры приповерхностного воздуха
и в меньшей степени увеличением атмосферных осадков. Происходит существенное
изменение годовых и сезонных величин речного и подземного стока. В связи с этим
выполнены исследования особенностей формирования водных ресурсов Восточной
Сибири в условиях нестационарного климата. Особое внимание уделено региональной
переоценке и картированию подземного стока этого крупного региона. Работа
выполнена в Институте водных проблем РАН и на кафедре Экологии и наук о Земле
Государственного университета природы, общества и человека «Дубна» в 2009 году.
The noticeable climate warming has been established in Eastern Siberia for the last
several decades. These are inducing air temperature increase, and to a lesser extent of
atmospheric precipitation. In this connection, the changes in river and underground water flows
are observed. The aim of this work is the change assessment of water resources in Eastern
Siberia under the effect of unstable climate. In this work the regional reassessment and mapping
of the natural groundwater resources of Eastern Siberia have been performed. The
investigations are carrying out in the Water Problems Institute of RAS and
the Ecology
Department of the State University of Nature, Society and Man “Dubna”.
Введение
Изучение пространственно-временных особенностей формирования подземной
составляющей речного стока направлено на выявление основных особенностей питания
подземных вод и формирования их естественных ресурсов как при существующих
климатических условиях, так и при прогнозируемых изменениях климата и основных его
элементов (осадков, речного стока, испарения). Основные задачи исследований:
—
анализ изменения величин поверхностной температуры суши, осадков,
речного и подземного стока по территории бассейна р. Лены;
—
оценка направленности и масштабов изменений подземного стока в реки как
интегрального показателя вариабельности питания поземных вод под влиянием
современных антропогенных и климатических факторов;
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
—
2
региональная переоценка естественных ресурсов подземных вод крупных
речных бассейнов.
Изучение пространственно-временных особенностей формирования речного стока
как элемента водного баланса суши дает возможность рассмотреть изменения режима
годового и меженного стока рек в различных природно-климатических зонах территории
России в связи с глобальными изменениями климата и антропогенным воздействием (рр.
Волга, Дон, Кубань, Лена, Обь, Енисей и др.). Анализ временных рядов стоковых и
метеорологических характеристик целесообразно проводить для трех различных
периодов: 1) с начала наблюдения по 2000—2008гг.; 2) с 1939 по 1969 гг.; 3) с 1970 по
2000 г. или до конца наблюдений. Два последних периода сопоставимы по длительности,
что позволяет сравнивать между собой среднегодовые и сезонные характеристики за эти
близкие по длительности интервалы времени для более объективной оценки выявляемых
изменений.
При анализе режима стока рек использованы методики расчета стоковых
характеристик как в многолетнем разрезе, так и по сезонам года, что позволяет
определить расчетные характеристики изменения годового и меженного (подземного)
стока рек при различных вариациях климата.
Внутригодовое распределение стока чувствительно к изменениям как атмосферных
осадков, так и температуры воздуха. При этом важным является не только величина этих
изменений, но и сезоны (месяцы) их проявлений. Определяющую роль могут играть как
осадки, так и температура воздуха. Сток рек внутри года за последние десятилетия имеет
более равномерное распределение: максимальный половодный сток ниже, а меженный
(подземный) выше, чем при климатических условиях середины ХХ века.
Особый интерес для расчетов величин подземного стока представляет выявление
линейных трендов во временном распределении именно меженных расходов Лены за год,
которые наиболее полно отражают вариации подземной составляющей в течение
гидрологического года. Истинно меженным стоком для рек Восточной Сибири служит
зимний сток с ноября по март, когда реки покрыты льдом и в их питании принимают
участие только подземные воды. Это дает основание по данным меженных расходов рек
рассчитать естественные ресурсы подземных вод (обеспеченный питанием расход
подземного потока) и оценить масштабы и направленность их изменений за последние
годы в связи с климатическими вариациями.
Угловые коэффициенты таких линейных трендов изменяются от 0.5 до 3.0 м3/с*год
и более. При этом величины угловых коэффициентов обычно возрастают при анализе
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
3
стоковых значений за последние десятилетия, с 70—80-х годов. Подобный анализ с целью
выявления линейных трендов в годовом и меженном стоке выполнен также для всех
гидрометрических постов бассейна Волги, Дона и Кубани с многолетними рядами
наблюдений и восстановленными значениями условно-естественного стока [2, 3, 9].
Влияние климата на условия формирования режима поверхностного и подземного
стока
Процесс изменения среднегодовой глобальной температуры приземного воздуха в
ХХ в. протекал неравномерно. Выделяют 3 периода аномальных изменений температуры
во времени [4]:
· потепление 1910-1945 гг.
· относительное похолодание 1946-1975 гг.
· интенсивное потепление с 1976 г (рисунок 1).
В 1901 - 2000 г. среднегодовая температура приземного воздуха возросла на
0.6±0.2 °С. Самым теплым десятилетием для планеты было 1990-2000 гг., самым теплым
годом для России — 2007 г.
Рисунок 1. Изменение температуры за последнее столетие в России и в мире [5]
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
4
Температура воздуха. Характер современных изменений температуры на
территории РФ дают временные ряды средних годовых аномалий температуры,
осредненных по всей территории России (рисунок 2) и ее регионам (рисунок 3) [4].
Рисунок 2. Аномалии среднегодовой (январь–декабрь) температуры приземного
воздуха (°С), осредненные по территории России за 1886 – 2007 гг. Аномалии рассчитаны
как отклонения от среднего за 1961-1990 гг. Кривая линия соответствует 11-летнему
скользящему осреднению. Прямой линией показан линейный тренд за 1976-2007 гг. [4].
Линейный тренд отражает тенденцию увеличения температуры за последние 30 лет
как для территории России в целом, так и для отдельных ее регионов (рисунки 2, 3).
Средняя скорость потепления в 1976-2007 гг. для территории России составила 0.48 °С/10
лет, на Европейской территории России — 0.53 °С/10 лет, в Средней Сибири и в
Прибайкалье-Забайкалье — 0.52 °С/10 лет. Следовательно, коэффициенты линейного
тренда для Средней и Восточной Сибири, Прибайкалья и Забайкалья выше по сравнению
с другими регионами, кроме Европейской территории. Анализ региональных трендов по
сезонам года показывает устойчивую тенденцию к потеплению в ЕТР и Восточной
Сибири [4, 10].
Довольно подробную картину дает схематическая карта распределения скорости
изменения средних годовых температур приземного воздуха (C°/10лет) по данным
наблюдений за 1976-2007 гг. на территории России (рисунок 4). За последние 30 лет
потепление происходило на всей территории России. Причем для многих европейских
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
5
регионов повышение годовой температуры воздуха за последние десятилетия происходит
в основном за счет зимних температур.
Рисунок 3. Средние годовые аномалии температуры приземного воздуха (°С) для
регионов России за 1936-2007 гг. Аномалии рассчитаны как отклонения от среднего за
1961-1990 гг. Кривая линия соответствует 11-летнему скользящему осреднению. Прямой
линией показан линейный тренд за 1976-2007 гг. [4].
Рисунок 4. Средняя скорость изменения средних годовых температур приземного
воздуха (C°/10лет) на территории России по данным наблюдений за 1976-2007 гг. [4].
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
6
Для исследуемой территории наиболее интенсивным потепление было в Средней
Сибири – весной, в Восточной Сибири – весной и осенью, в Прибайкалье и Забайкалье –
зимой и весной. При этом в верхнем и нижнем течении реки Лены скорость изменения
средних годовых температур приземного воздуха выше, чем в среднем течении. В СевероВосточном регионе (бассейны рек Индигирки, Алазеи, Колымы, Анадыри) наиболее
интенсивным было потепление осенью, но в зимний период здесь
наблюдается
похолодание, которое требует дальнейших наблюдений и анализа.
Атмосферные осадки. Изменения атмосферных осадков на территории России
приведены по данным инструментальных наблюдений с 1936 по 2007 гг. на тех же
станциях государственной наблюдательной сети России, что и измерения температуры.
На всех временных рядах (рисунки 5, 6) показаны линейные тренды за период 1976–2007
гг., которые характеризует современные изменения климата с учетом антропогенных
воздействий. Сложный характер межгодичных колебаний количества осадков, позволяет
условно выделить периоды увеличения осадков — до 1960-х и после 1980-х гг., а между
ними – примерно два десятилетия разнонаправленных флуктуаций (рисунок 5).
Рисунок 5. Аномалии среднегодовых (январь–декабрь) месячных сумм осадков
(мм/месяц), осредненные по территории России за 1936-2007 гг. Аномалии рассчитаны
как отклонения от среднего за 1961-1990 гг. Кривая линия – 11-летнее скользящее
среднее. Линейный тренд показан за 1976-2007 гг. [4]
Графики среднегодовых аномалии осадков (мм/месяц) для регионов России за
1936-2007 гг. свидетельствуют об увеличении количества осадков за последние 30 лет для
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
7
исследуемой территории (регионы – Средняя и Восточная Сибирь, Прибайкалье и
Забайкалье), где линейные тренды положительные (рисунок 6).
По территории России и ее регионов (кроме Восточной Сибири, Приамурья и
Приморья) наблюдается некоторое увеличение среднегодовых осадков, наиболее
существенное в Западной и Средней Сибири (бассейн р. Лены). В среднем по России
тренд среднегодовых осадков за 1976—2007 гг. составляет 0.8 мм/месяц/10лет и
характеризует 23 % межгодичной изменчивости. Для Средней Сибири, в бассейне р. Лены
и прилегающих территориях, наиболее существенным является рост летних и осенних
осадков (2.2—1.5 мм/месяц/10лет, вклад в дисперсию 12—17 %).
Рисунок 6. Среднегодовые аномалии осадков (мм/месяц) для регионов России за 19362007 гг. Аномалии рассчитаны как отклонения от среднего за 1961-1990 гг. Кривая линия
– 11-летнее скользящее среднее. Линейный тренд показан за 1976-2007 гг. [4]
Пространственное распределение локальных коэффициентов линейного тренда
изменений режима осадков за 1976—2007 гг. приведены на рисунке 7. Коэффициенты
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
8
линейного тренда на рисунке 7 выражены в процентах от локальной сезонной/годовой
нормы осадков за десятилетие и характеризуют среднюю скорость локальных изменений
атмосферных осадков на территории России в течение 1976—2007 гг.
Распределения трендов подтверждают основные региональные и сезонные
особенности изменений осредненных рядов осадков. В Средней Сибири прослеживается
рост летних и осенних осадков, в Восточной Сибири увеличение весенних осадков, но
убывание зимних и летних, в Прибайкалье рост зимних и весенних осадков.
Рисунок 7. Пространственные распределения локальных коэффициентов линейного
тренда годовых и сезонных аномалий атмосферных осадков за 1976-2007 гг. на
территории России (%/10 лет) [4]
Изменение климатических условий Восточной Сибири. Для исследуемого
региона выполнен анализ данных изменения среднегодовой температуры и осадков для
бассейнов рек Лены, Яны, Оленек, Индигирки, Колымы. Климат на большей части
Восточной Сибири резко континентальный и довольно засушливый, что определяется ее
географическим положением внутри Азиатского материка. Зима продолжительная,
холодная и малоснежная, а лето короткое с относительно высокими температурами. Это
определяется антициклональным режимом погоды, продолжительной зимой и частым
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
9
вторжением летом воздушных масс с Ледовитого океана с довольно низким
влагосодержанием.
Средние месячные температуры воздуха самого холодного месяца (января)
колеблются от –25—40 оС на юге региона до – 48—50 оС в Верхоянске, где они на этом
полюсе холода достигают – 60, –70 оС. Переход температуры воздуха через 0 оС в южных
частях района (Минусинская котловина) происходит во второй половине апреля и в
середине октября, а на крайнем севере — в середине июня, осенью — в середине
сентября. Средние месячные температуры самого теплого месяца (июля) на юге, в
Минусинской котловине, до 20 оС, иногда повышаясь до 30—40 оС, а в зоне тундры —
около 10 оС.
Количество атмосферных осадков на большей части территории не превышает
200—400 мм/год. Летом выпадает до 70—80 % осадков в виде дождей, а в холодный
период года — не более 50 мм. Чрезвычайно бедна осадками Приполярноморская
низменность, где годовая их сумма не превышает 100 мм, а в пределах Лено-Вилюйской
низменности — около 200 мм/год. Сравнительно обильные осадки (до 600—700 мм/год)
выпадают в Саянах, где местами они достигают 1200 мм/год. Высота снежного покрова
сравнительно невелика. В тундровой зоне и прилегающих районах (Яно-Оймяконском
плоскогорье) она не превышает 25—30 см, а в бассейне Верхнего Алдана превышает 50
см, но в верховьях Лены и Витима (Забайкалье) снова снижается до 20 см и менее.
В конце XX в. проблема глобального изменения климата стала одной из
центральных. Анализ метеорологических данных подтверждает, что за последние 25—30
лет происходит изменение среднегодовых значений приповерхностной температуры,
осадков, речного стока и других измеряемых характеристик. Температурные изменения на
территории Сибири за 1974—2000 гг. характеризуются устойчивой тенденцией к
потеплению со скоростью от 0,5 до 0,8—1,0 °С/10 лет. Наиболее быстрые изменения
отмечаются на территории Якутии.
Конкретный анализ метеорологических характеристик для исследуемых бассейнов
рек проведен для трех различных по длительности временных рядов: 1) с 1935 по 2007 гг.;
2) с 1935 по 1970 гг.; 3) с 1970 по 2007 гг.
Изменения
среднегодовой
температуры
характеризуются
положительными
линейными трендами почти на всех метеостанциях за период с 1935 по 2007 гг. (рисунок
8).
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
среднегодовая температура (Вилюй Сунтар)
0,0
1920
-2,0
1940
1960
1980
2000
2020
-4,0
-6,0
-8,0
среднегод.тем-ра
-10,0
Линейный
(среднегод.тем-ра)
-12,0
среднегодовая температура (0ленек)
0,0
-2,01920
1940
1960
1980
2000
2020
-4,0
-6,0
-8,0
-10,0
-12,0
среднегод.тем-ра
-14,0
-16,0
Линейный
(среднегод.тем-ра)
-18,0
среднегодовая температура (Алдан Томмот)
0,00
1920
-0,10
1940
1960
1980
2000
2020
-0,20
-0,30
-0,40
среднегодовая
температура
-0,50
-0,60
Линейный
(среднегодовая
температура)
-0,70
-0,80
среднегодовая температура (Лена Крестовское)
0,00
-1,001920
1940
1960
1980
2000
2020
-2,00
-3,00
-4,00
-5,00
-6,00
среднегодовая
температура
Линейный
(среднегодовая
температура)
-7,00
-8,00
-9,00
Рисунок 8. Графики изменения среднегодовой температуры за период с 1935—2007 г.
10
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
11
Построены также графики для 2-х временных диапазонов: с 1935—1970 и 1970—
2007 гг. За период с 1935 по 1970 гг. отмечается падение среднегодовой температуры, а с
1970 по 2007 гг. рост среднегодовой температуры (рисунок 9).
среднегодов ая температ ура И ндигирка
И ндигирский
0,00
1920
1930
1940
1950
1960
1970
среднегодов ая т емпература
И ндигирка(И ндигирский
1980
0,00
-2,001960
1970
1980
1990
2000
2010
-4,00
-5,00
-6,00
-10,00
-8,00
-10,00
-12,00
-15,00
-14,00
-20,00
-16,00
-18,00
-20,00
-25,00
среднегодовая температура (Конда
Элкисер)
среднегодовая температура (Конда
Элкисер)
0,00
4,00
1930
-1,00
1935
1940
1945
1950
1955
1960
1965
1970
1975
2,00
-2,00
0,00
-3,00
1960
-2,00
-4,00
-4,00
-5,00
-6,00
-4,00
-6,00
-8,00
-10,00
1940
1950
1960
1970
1980
1980
1990
2000
2010
среднегодов ая температ ура (Витим Калакан)
среднегодов ая т емперат ура (Вит им Калакан)
0,00
1930
-2,00
1970
0,00
-1,001960
-2,00
-3,00
-4,00
1970
1980
1990
2000
2010
-5,00
-6,00
-7,00
-8,00
-9,00
-10,00
Рисунок 9. Графики изменения среднегодовой температуры за периоды 1935—1970 и
1970—2007 гг.
Особый интерес также представляет ход сезонной температуры за теплый и
холодный периоды по наиболее репрезентативным метеостанциям. Выполненный анализ
показывает, что ход приповерхностной температуры теплого периода не имеет
направленных изменений за весь период наблюдений. В то же время ход температуры
холодного периода по всем метеостанциям имеют статистически обоснованный рост с
ярко выраженным линейным трендом (рисунок 10)
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
Калакан
Чита
-8,0
1920
1930
1940
1950
1960
12
1970
1980
1990
2000
2010
-10,0
-11,01920
1940
1960
1980
2000
-13,0
-15,0
-12,0
-17,0
-14,0
-19,0
-16,0
-21,0
-18,0
-23,0
-20,0
-25,0
Алдан
Витим
-10,0
-10,0
1920
1940
1960
1980
1910
2000
1930
1950
1970
1990
2010
-12,0
-12,0
-14,0
-14,0
-16,0
-16,0
-18,0
-18,0
-20,0
-20,0
-22,0
-22,0
-24,0
-24,0
Оймякон
-28,00
1910
1930
1950
1970
1990
2010
-29,00
-30,00
-31,00
-32,00
-33,00
-34,00
-35,00
-36,00
Рисунок 10. Изменение температуры холодного периода по метеостанциям в бассейне
Лены
Изменение количества атмосферных осадков происходит крайне неравномерно и
разнонаправлено по данной территории. В одних ее частях суммы среднегодовых осадков
за период 1970—2007 гг. имеют тенденции к увеличению, в других — к уменьшению. Это
обусловлено тем, что распределение и выпадение осадков зависит от климатических,
географических и ландшафтных условий конкретного района этой огромной территории.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
13
Ниже представлены графики репрезентативных метеостанций с различной тенденцией
изменения сумм осадков за последние 37 лет (рисунок 11,).
А
Б
Чит а
Чита
100,00
600,00
90,00
500,00
80,00
70,00
400,00
60,00
50,00
300,00
40,00
200,00
30,00
20,00
100,00
10,00
0,00
1960
1970
1980
1990
2000
2010
0,00
1930
1940
1950
Тр прииск
1960
1970
1980
1990
2000
2010
Троицкий прииск
90
700
80
600
70
500
60
400
50
300
40
200
30
100
20
0
1930
10
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
0
1930
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
1980
1990
2000
2010
Якутск
Якут ск
300,00
140
250,00
120
100
200,00
80
150,00
60
100,00
40
50,00
0,00
1960
20
1970
1980
1990
2000
2010
0
1930
1940
1950
1960
1970
Рисунок 11. Графики изменения сумм осадков за теплый (А-апрель-октябрь) и холодный
(Б-ноябрь-март) периоды с1970г. по 2007 г. для бассейна р. Лена
Характерная
особенность
территории
Восточной
Сибири
—
практически
повсеместное распространение многолетнемерзлых пород (ММП). Мощность ММП в
северных и центральных районах достигает 200—500 м и более. В южных частях района
(Забайкалье, бассейн верхней Лены) мощность мерзлых пород уменьшается, появляются
участки переходной и островной мерзлоты с таликами. В зоне сплошной мерзлоты на
долю таликов обычно приходится до 5 % территории. Суммарная площадь таликов в зоне
переходной мерзлоты в среднем составляет 50 % всей территории, а в островной мерзлой
зоне — более 80 % [8]. Наиболее распространены подрусловые и подозерные талики,
которые формируются под пресными водотоками и водоемам и расчленяют сплошную
мерзлую зону на отдельные участки.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
14
В пределах сплошного развития мерзлых пород их мощность превышает 100—200
м, а температура обычно ниже –2,5 °С. В области прерывистого распространения мерзлой
зоны ее мощность снижается до 50 м, температура постепенно возрастает до –1°С. В
пределах островной мерзлой зоны мощность мерзлых пород обычно меньше 50 м при их
температуре около и выше –1 °С.
Мощность летнего талого (деятельного) слоя в зоне ММП изменяется от 0,5 до 5,0
м и зависит от характера теплообмена грунтов с атмосферой, что определяется как
широтой местности, так и всей физико-географической обстановкой конкретной
территории. С другой стороны, процессы летнего оттаивания грунтов оказывают
непосредственное влияние на формирование поверхностных вод, так как мощность талого
слоя, его пористость и фильтрационные свойства определяют характер дождевых
паводков и величину влагозапасов на водосборе. Кроме того, деятельный слой
способствует частичному или полному перераспределение влаги по сезонам и годам,
поскольку содержащаяся в нем вода в холодный период замерзает, и таким образом
деятельный слой, по–существу, служит сезонно-мерзлотным регулятором стока рек
высоких широт.
В высоких широтах, на значительных площадях Лено-Вилюйской низменности и
устьевых участках pp. Колымы и Индигирки, часто встречаются на небольшой глубине
погребенные льды мощностью до 5—10 м и более, что в значительной степени определяет
теплофизические свойства мерзлых горных пород. Подземные льды служат одним из
ведущих источников
формирования
подземного
стока
для
значительной
части
рассматриваемой территории. Эти льды фактически выводят на годы и десятилетия из
круговорота подземные или поверхностные воды, которые при более благоприятных
среднемноголетних
климатических
условиях
вновь
принимают
участие
в
гидрологическом цикле. Подобное влияние подземных льдов наиболее отчетливо
проявляется в возникновении многочисленных термокарстовых и других типов озер,
формирование которых на первых этапах их развития обусловлено таянием жильных
льдов. Непосредственное влияние на формирование подземных вод оказывают так
называемые повторножильные и инъекционные льды, которые образуют скопления в
толще рыхлых аллювиальных и водно-ледниковых отложений северных равнин и
Центральноякутской низменности. Массивы громадных клиньев повторножильных льдов
достигают высоты более 60 м и несколько метров в поперечнике. Жилы льда пересекаются и образуют в плане полигональную решетку, пространство между сторонами
которой сложены сильно льдистыми торфяно-суглинистыми отложениями. При этом
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
15
жилы чистого льда занимают до 60—70 % площади. Древние и современные мощные
повторножильные льды распространяются далеко на юг, вплоть до 56° с. ш.[8].
Не только повышение среднегодовой температуры, но и деятельность человека с
изменением условия теплооборотов на поверхности земли сопровождается вытаиванием
подземных льдов. Процесс вытаивания льдов может продолжаться в течение нескольких
лет как своеобразная цепная реакция, при которой протаивание захватывает все новые и
новые ледяные тела. В таких случаях тающие подземные льды представляют собой
существенный дополнительный источник питания подземных и поверхностных вод.
Данные современных мониторинговых наблюдений и
анализ
результатов
геотермических расчетов свидетельствуют о деградации криолитозоны (повышение
температуры
ММП,
уменьшение
их
площади,
увеличение
глубины
сезонного
протаивания) за последние 15-25 лет [13]. Существует несколько вариантов прогнозов
изменения границ распространения криолитозоны России к середине XXI века, один из
которых представлен на рисунке 12.
Рисунок 12. Вероятные изменения вечной мерзлоты в России при потеплении
климата к 2020 и 2050 гг. [12]. Условные обозначения: повсеместное оттаивание вечной
мерзлоты к 2020 г.: 1 - на равнинах. Повсеместное оттаивание вечной мерзлоты к 2050 г. 2
- на равнинах; 3 - на плоскогорьях, 4 - в горах. Частичное оттаивание вечной мерзлоты к
2050 г.:5 - на равнинах, 6 - на плоскогорьях, 7 - в горах. Относительно стабильная вечная
мерзлота; 8 - на равнинах, 9 - на плоскогорьях, 10 - в горах.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
16
В соответствии с приведенными модельными расчетами температура поверхности
грунтов повысится на 0,9—2,3 оС, а глубина сезонного протаивания увеличится на 15—30
%. С учетом полного и частичного оттаивания ММП расчетная полоса деградации
мерзлоты на северо-востоке Европейской территории России достигнет ширины 50-200
км, в Западной Сибири - 800 км и в Восточной Сибири - 1500 км. Существенно
сократятся, но полностью не исчезнут, острова и массивы ММП в горах Забайкалья, юга
Дальнего Востока и на Камчатке (рисунок 12).
Потепление климата приводит, в свою очередь, к оттаиванию вечной мерзлоты и
освобождению газов (особенно метана), захороненных в мерзлоте, и их дополнительному
поступлению в атмосферу. Согласно расчетам многих ученых, даже если метан будет
просачиваться из вечной мерзлоты в ближайшие сто лет, ежегодно он будет добавлять в
окружающую среду около 700 миллионов тонн углерода. Содержание в атмосфере этого
газа удвоится, что вызовет потепление климата на 10—25%. Результаты климатического
моделирования показывают, что при увеличении содержания водяного пара, СО2 и СН4 в
атмосфере рост количества осадков в Сибири будет продолжаться. В то же время,
возможно, сократится продолжительность периода со снежным покровом и изменится его
мощность [13].
Современные изменения годового и меженного стока речных бассейнов Восточной
Сибири.
Изменение годового и меженного стока для Восточной Сибири рассматриваются
на примере бассейна р. Лена. Лена принадлежит к числу величайших водных артерий
мира, а среди рек России по длине и площади водосбора она занимает соответственно
второе и третье место. Каждая из 13 других рек имеет длину более 1000 км (Хатанга,
Оленек, Витим, Олекма, Алдан, Мая, Амга, Вилюй, Марха, Тюнг, Яна, Индигирка и
Алазея), 62 реки – более 500 км, 845 рек - более 100 км [8, 11].
Густота речной сети относительно большая, в среднем около 0,5 км/км2, в горных
районах — местами более 1,0, а на низменностях — постепенно уменьшается до 0,1
км/км2 в Центральноякутской низменности. Малые водотоки (длиной до 10 км)
составляют свыше 94 % общего числа, а их длина - около 58 % суммарного протяжения
всех рек района. Речная сеть отличается глубоким врезом: в горных районах на отдельных
участках — до 600—1000 м (p. Индигирка и др.), на плато и возвышенных равнинах — до
150—300 м. Большие и средние реки протекают по хорошо разработанным долинам с
многочисленными террасами, а местами в скальных берегах с высотой уступов до 200 м.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
В
ходе
исследований
обработаны
данные
гидрологических
17
наблюдений
Росгидромета по 150 постам бассейна р. Лены и 30 постам бассейна рек Колыма и
Анадырь. Из них выбраны наиболее представительные по полноте данных и периоду
наблюдения. Для каждого выбранного поста построены графики изменения во времени
значений среднегодового и среднемеженного стока, а также графики и гистограммы
отклонения годовых и меженных величин стока от средних их значений за выбранный
период наблюдений. В качестве меженного стока рек Восточной Сибири принят зимний
сток с ноября по март, когда реки покрыты льдом и в их питании принимают участие
только подземные воды. Это дает основание по данным меженных расходов рек оценить
масштабы и направленность изменений подземной составляющей общего речного стока
за последние годы в связи с климатическими вариациями.
На построенных графиках выделены линейные тренды изменения стока рек за весь
период наблюдений (30-80 лет) и за последний период 30 лет, который в гидрологии и
климатологии рассматривается в качестве представительного. В результате установлено,
что в бассейне Лены из 75 наиболее представительных створов за весь период
наблюдений
происходит
увеличение
среднегодового
сток
на
57
створах
и
среднемеженного сток 59 (рисунок 13). Если же рассматривать 30-летний период
наблюдений с наиболее существенным изменением климатических характеристик (с 1970
по 2000 гг.), то увеличение среднегодового стока наблюдается на 56 створах и
среднемеженного стока
на 64
из тех же 75 рассмотренных створов (рисунок 14).
Следовательно, за последние 30 лет меженный сток увеличивается на большей части
территории бассейна Лены (85 % створов дают положительный линейный тренд).
Среднегодовой сток
Среднемеженный сток
450
70
400
60
350
50
300
40
250
200
Среднемеженный сток
30
Среднегодовой сток
150
100
Линейный
(Среднегодовой ст ок)
50
0
1920
1940
1960
1980
2000
2020
20
Линейный
(Среднемеженный сток)
10
0
1920
1940
1960
1980
2000
2020
Рисунок 13. Изменение среднегодового и среднемеженного стока за 1937-1999 гг.
на р. Амга (створ Терут)
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
18
Среднемеженный сток
Среднегодовой сток
2500
12000
2000
10000
Среднемеженный
сток
1500
8000
6000
Среднегодовой сток
4000
Линейный
(Среднегодовой сток)
1000
Линейный
(Среднемеженный
сток)
500
2000
0
1960
1970
1980
1990
2000
0
1960
2010
1970
1980
Среднегодовой сток
1990
2000
2010
Среднемеженный сток
1800
140
1600
120
1400
100
1200
Среднегодовой сток
1000
Линейный
(Среднегодов ой сток)
800
600
80
Среднемеженный сток
60
Линейный
(Среднемеженный сток)
40
400
20
200
0
1960
1970
1980
1990
2000
2010
0
1960
1970
1980
1990
2000
2010
Рисунок 14. Изменение среднегодового и среднемеженного стока за 1970-1999 гг.
на рр. Лена (створ Солянка) и Олекма (створ Куду-Кель)
Среднегодовой сток
Среднемеженный сток
4000
700
3500
600
3000
500
2500
Среднегодовой сток
2000
Линейный (Среднегодовой сток)
1500
Среднемеженный сток
300
Линейный (Среднемеженный
сток)
200
1000
100
500
0
1965
400
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
0
1965
2005
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005
Рисунок 15. Изменение среднегодового и среднемеженного стока за 1970-2000 гг.
на р. Колыма (створ Среднеколымск).
В бассейне рек Колыма и Анадырь меженный сток имеет положительный
линейный тренд за последние 30 лет (1970-2000 гг.) на 15 створах из 20 рассмотренных, а
по 17 створам наблюдается положительный линейный тренд среднегодового стока.
Однако здесь же встречаются створы, где за период 30 лет наблюдалось резкое
увеличение среднемеженного стока, но уменьшение среднегодового стока (рисунок 15).
Для
всех
створов
построены
нормированные
диаграммы
(гистограммы)
относительного среднего значения среднегодового и среднемеженного стока за
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
19
выбранный период наблюдений. На этих диаграммах наглядно видно, с какого года идет
заметное увеличение или уменьшение стока (рисунок 16).
а)
б)
отклонение среднемеженного стока от среднего
отклонение среднемеженного стока от среднего
1,4
0,4
1,2
0,3
0,8
0,2
0,6
0,1
0,4
0
0,2
-0,1
0
-0,4
-0,2
19
72
19
75
19
78
19
81
19
84
19
87
19
90
19
93
19
96
-0,2
нормир.среднемежен.-1
Год
1971
1973
1975
1977
1979
1981
1983
1985
1987
1989
1991
1993
1995
1997
1
-0,3
-0,6
-0,4
нормир.среднемежен.-1
-0,5
-0,8
в)
отклонение среднемеженного стока от среднего
0,6
0,4
0,2
96
93
19
88
19
85
19
82
19
78
19
75
19
19
19
-0,2
72
0
нормир.среднемежен.-1
-0,4
-0,6
-0,8
-1
Рисунок 16. Нормированная диаграмма отклонения годового меженного стока от
среднего значения за период 1970-1999 гг.: а) р. Адыча — створ Юрдук Кумах), б ) р. Лена
— створ Крестовское, в) р. Вилюй — створ Катырик - Хомо
доля меженного стока в годовом
изменение доли меженного стока в годовом
0,3
0,35
0,25
0,3
0,25
0,2
срмеж/сргод
0,15
Линейный (срмеж/сргод)
0,1
срмеж/сргод
Линейный (срмеж/сргод)
0,15
0,1
0,05
0
1965
0,2
0,05
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005
0
1965
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005
Рисунок 17. График изменения доли меженного стока в годовом за 30 лет на рр.
Алдан (створ Суон Тит) и Алазея (створ Аргахтах).
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
20
Следует подчеркнуть, что за последние десятилетия изменилась доля меженного
стока в среднегодовом. Почти по всех створам она растет, о чем наглядно
свидетельствуют тренды изменения доли среднемеженного стока в среднегодовом за
период 1970—2000 гг. (рисунок 17).
Основные факторы изменения меженного (подземного) стока рек Восточной Сибири.
Известно, что большая часть годового стока рек в речных бассейнах,
расположенных от лесной зоны до зоны тундр, формируется малыми реками длиной
менее 10 км (70—80 % протяженности гидрографической сети). При толщине льда уже
0,3—0,5 м эти малые реки в условиях суровой зимы Сибири могут перемерзать или же их
живое сечение существенно сокращаться. Если истощение подземного питания реки и
речного стока зимой происходит с меньшей интенсивностью, чем снижение пропускной
способности участка реки с интенсивным ледообразованием, то на малых реках (где лед
жестко скреплен с берегами) может возникнуть напорный режим потока подо льдом.
Реализация напора может выразиться либо в разрушении льда, выходу воды на его
поверхность и формировании наледей, либо в снижении притока подземных вод в реку.
На широких реках напор компенсируется за счет свободного поднятия или пригибания
ледяного покрова.
По многолетним данным установлено, что в более холодные зимы при
значительной толщине льда снижается суммарный расход воды в малых реках речных
бассейнов. В менее суровые зимы наблюдается уменьшение толщины речного льда и
сохранение в реке более высоких расходов меженного (подземного) стока к концу зимы.
Так, для бассейна р. Алдан увеличение средней зимней температуры воздуха на 2—3 оС
приводит к росту среднего зимнего стока рек на 20—30 % от среднемноголетних его
значений [1, 7].
Так, в нижней части р. Лены на увеличение стока влияют небольшие реки,
впадающие в Лену выше Вилюя. Раньше большинство этих рек промерзало до дна зимой.
Но, в связи с увеличением зимних температур воздуха, толщина льда сократилась на этих
реках, и зимний сток увеличился. Для оценки масштабов подобного явления проведен
расчет между 2 створами на отрезке меридионального течения р. Лены — Табага и Кюсюр
(рисунок 18). Разность стока между створами была рассчитана без учета стока Вилюя, так
как в увеличение стока р. Вилюй существенный вклад может вносить работа Вилюйской
ГЭС.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
21
Лена Кюсюр - Табага без влияния Вилюя
1800
1600
1400
1200
разность Q, среднемеж.
Сток
1000
800
Линейный (разность Q,
среднемеж. Сток)
600
400
200
0
1965
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
Рисунок 18. Увеличение зимнего меженного стока на р. Лена между створами
Табага – Кюсюр
Таким образом, ледяной покров рек при толщине, соизмеримой с глубиной
водотоков, является регулятором водообмена гидрографической сети с подземными
водоносными горизонтами. Следствием этого регулирования является снижение вариации
зимнего стока в нижних звеньях речной сети. Об этом свидетельствуют и коэффициенты
вариации зимнего минимального 30-ти суточного стока: для малых рек они больше 0,5, а
для средних и больших колеблются в пределах 0,3—0,1, несмотря на резкие изменения
метеорологических условий и толщины льда [7].
В последние два десятилетия установились на территории РФ более теплые зимы.
Это привело к увеличению зимнего стока рек лесной и лесостепной зоны на 30 % и более.
Значительную роль в этом сыграло уменьшение толщины льда и увеличение в зимнем
стоке рек вклада верхних звеньев гидрографической сети, дренирующих подземные воды,
которые ранее срабатывались меньше в холодные зимы [7].
Рост заозерности и эмиссия парниковых газов в зоне распространения ММП
Восточной
Сибири.
Статистический
анализ
данных
глобального
мерзлотно-
климатического мониторинга свидетельствует, что в течение последних десятилетий на
фоне роста температуры приземного воздуха в приполярных широтах, наблюдается
повышение температуры почвы и многлетнемерзлых грунтов, увеличение толщины слоя
сезонного протаивания многолетней мерзлоты, а также уменьшение общей площади
многолетней мерзлоты при смене ее типов на значительных территориях. Очевидно, что в
результате этого в высоких широтах наблюдается трансформация существующих и
образование новых водных объектов. Это вызывает изменение термодинамических
свойств подстилающей поверхности.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
22
Криолитозона Северного полушария чувствительна к современным изменениям
климата.
Анализ
накопленных
к
настоящему
времени
эмпирических
данных
свидетельствует о значимом увеличении толщины слоя сезонного протаивания ММП (в
среднем для разных районов более 10 см/10лет), повышении температуры мерзлых
грунтов на глубине до 30 м (от 0,1 до 0,5 оС/10лет), переходе значительных площадей
мерзлоты сплошного распространения в прерывистую, а последних в островную,
сокращении общей поверхности покрываемой многолетнемерзлыми грунтами [1].
Озера в приполярной широтной зоне Северного полушария занимают более 30 %
поверхности суши. В районах Арктического побережья поверхность озер занимает в
среднем около 50 % территории и более. Только на севере Западной Сибири за период с
1983 по 1998 гг. количество талых озер возросло примерно на 6 % (с 1150 до 1200), а
суммарная площадь поверхности озер возросла примерно на 15 %. Следовательно, в
последние
десятилетия
в
районах
распространения
многолетнемерзлых
пород
наблюдается увеличение количества воды в жидкой фазе, вовлеченной в климатические
процессы взаимодействия суши и тропосферы. По оценкам специалистов, уменьшение
средней по площади величины альбедо подстилающей поверхности на 0,01-0,02 за счет
незамерзшей
водной
поверхности
увеличивает
температуру
пограничного
слоя
приземного воздуха на 2 оС и более.
Исходя из данных круглогодичных измерений эмиссии СН4 из водных и наземных
экосистем Арктики современное изменение заозерности северных территорий превышает
эффект заболоченности и может служить объяснением превышения концентрации метана
в атмосфере приполярных широт по сравнению с другими регионами. Эмиссия метана и
углекислого газа из арктических озер наиболее интенсивна при вскрытии льда весной.
Однако при повышении зимних температур в условиях высоких широт наблюдаются
незамерзающие отверстия во льду (грифоны), через которые из глубоких горизонтов
сезонно-талых слоев поток СН4 и СО2 в атмосферу зимой не прекращается. Через каждое
такое отверстие в атмосферу выбрасывается до 30 литров метана в сутки. При
определенных условиях поток метана из донных отложений озер в зимнее время
составляет величину порядка 1дм3/сут с 1м2.
Подозерные талики, глубина и площадь которых в последнее время возрастают, в
течение всего года являются одним из основных источников метана в атмосферу.
Примерное количество метана поступающего в атмосферу из талых озер Северной
Сибири в настоящее время составляет 3,8 млн. тонн в год. Это более чем в два раза
превышает объем метана выделяемого в этом регионе болотами (1,7 млн. т метана в год) и
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
23
составляет более 2 % глобального потока СН4. По некоторым данным годовой поток
метана из озер Северной Сибири в 1974 году составлял 2,4 млн. тонн. За последние 30 лет
эмиссия метана вследствие описанного процесса возросла примерно на 60 %.
Наблюдаемая динамика криолитозоны в Северном полушарии приводит к
переходу значительных объемов влаги из твердого состояния в жидкое на поверхности
суши и в верхнем слое пород. Это вызывает рост испарения и уменьшение альбедо
подстилающей поверхности, что способствует усилению парникового эффекта и
дополнительному росту температуры приземного воздуха. В связи с этим рост
заозерности и прогрессирующее оттаивание верхнего слоя мерзлоты приводит к
увеличению подземного и поверхностного стока.
Заболоченность водосборов. Для исследуемой территории сильно заболоченными
являются Центрально-Якутская низменность, долина нижнего течения Лены, СевероСибирская и Яно-Индигирская низменности. Топи проникают даже в горы Сибири,
распространяясь по плоским днищам разделяющих хребты котловин и впадин. Земля,
скованная мерзлотой, и продолжительные холода способствуют накоплению влаги.
Однако торф образуется в Восточной Сибири крайне медленно, поэтому глубина
болот, как правило, небольшая. Так, в Центральной Якутии мощность торфа составляет на
водоразделах рек 0,3—0,4 м, а на речных террасах — до 1 м. Наиболее глубоки здесь
болота, представляющие собой заросшие озёра. В Верхоянском районе слой торфа на
месте озёр достигает 4—5 м, а в береговых обрывах на берегах рек Лена и Алдан нередко
залегают слои торфа мощностью до 5 м. Это реликтовые отложения, образовавшиеся в
прежние, более тёплые климатические эпохи.
В связи с потеплением климата болота становятся более теплыми, мерзлый торф и
заторфованные породы оттаивают на большую глубину, особенно в речных долинах
южной тайги. Поэтому болотные комплексы могут служить дополнительным источником
подпитывания малых и средних притоков Лены, Вилюя, Алдана и других рек в зоне
островной и прерывистой мерзлоты. На более глубокое протаивание болотных массивов
указывает
существенное
увеличение
эманации
парниковых
газов
в
последние
десятилетия. Это свидетельствует о повышении годовой и сезонных температур верхней
зоны болот (особенно за холодный период года) и активизации деятельности различных
бактерий.
Общая площадь многолетнемерзлых болот в криолитозоне России составляет
около 0.7 млн. км2, и они содержат около 50 Гт углерода. Наиболее заболочены районы
Западной Сибири (рисунок 19). Многолетнемерзлые болота дают большой вклад в
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
24
современное глобальное поступление метана в атмосферу (приблизительно 20 Мт/год),
которое определяется как разностью между глобальными источники и стоками.
Болотные экосистемы функционируют и как сток (захоронение углерода в виде
торфов, около 530 Мт/год) и как источник атмосферного углерода (выделение
углекислого газа и метана, примерно 550 Мт/год). Сток углерода из атмосферы
осуществляется через фотосинтез и происходит в форме углекислого газа. Выступая в
роли источника углерода, болота, в зависимости от условий аэрации, могут выделять
углерод в виде углекислого газа или метана. В болотах метан производят бактерии,
которые обитают в анаэробном слое торфа ниже уровня болотных вод, где отсутствует
кислород. Если хотя бы часть накопленного углерода выделяется в виде метана,
происходит многократное усиление первоначального парникового эффекта, т. к. метан по
своим радиационным свойствам в 21 раз активнее СО2 [1]. В целом увеличение
доступного органического субстрата и более высокая температура грунта будут
способствовать усилению эмиссии парниковых газов.
Рисунок 19. Болота Российской Федерации (с мощностью торфа более 30 см) в % от
площади территории [13]
Существующие оценки показывают, что к середине ХХI в. вблизи арктического
побережья эмиссия метана может вырасти более чем на 50 %, а в зоне распространения
прерывистой криолитозоны — на 30—50% (рисунок 20). Суммарно эмиссия метана из
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
25
многолетнемерзлых болот России может увеличиться на 8—10 Мт/год, что сравнимо с
современным годовым поступлением. [1, 14]
Рисунок 20. Прогнозируемое к середине 21 века увеличение эмиссии метана из
многолетнемерзлых болот (%) [14]
1.4 Региональная переоценка естественных ресурсов подземных вод бассейна
р. Лены
Выполненный анализ изменения меженного стока рек Восточной Сибири за весь
период наблюдений и особенно за последние 30 лет позволяет провести предварительную
региональную переоценку подземного стока по крупным речным бассейнам и их частям
(естественных ресурсов подземных вод). Несмотря на сравнительно небольшое
количество атмосферных осадков на большей части региона, их небольшие потери на
испарение при суровом климате и широком распространении ММП обуславливают здесь
сравнительно высокий поверхностный и подземный сток.
Гидрогеологические структуры Восточной Сибири можно разделить на три типа в
соответствии с различным участием развитых здесь водоносных горизонтов в
формировании подземного и поверхностного стока. К первому типу следует отнести
структуры, подземные воды которых тесно взаимодействуют с поверхностными, ко
второму — ограниченного взаимодействия и к третьему — весьма ограниченного
(незначительного) взаимодействия подземных вод с поверхностными водами. При этом
основного
внимания
заслуживают
водоносные
горизонты
верхней
части
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
26
гидрогеологического разреза в зоне прерывистого и островного распространения ММП,
активно взаимодействующие с поверхностными водами.
В верхнем течении р. Лены, по бассейнам рек Олекмы, Алдана, Амги естественные
ресурсы подземных вод за последние 30 лет увеличились в среднем на 30—50 %. Хотя по
отдельным частным водосборам верхней Лены (створы Змеиново, Качуг), Витима,
Алдана,
Амги
наблюдается
уменьшение
ресурсов
до
25%.
Здесь
развиты
гидрогеологические структуры с тесным взаимодействием подземных и поверхностных
вод. К ним относятся Ангаро-Ленский артезианский бассейн в пределах бассейна р. Лены;
Среднеленский артезианский бассейн (бассейны рек Средней Лены, Туолбы, Амги,
Алдана, Маи, Джербы, Нюи, Пеледуя и др.); Алданское крыло Якутского артезианского
бассейна (бассейн нижнего течения рек Олёкмы, Ботомы, верхняя часть бассейна р. Амги,
частично Алдана и Лены). Основные водоносные горизонты указанных структур
принадлежат к силурийским, ордовикским, кембрийским и верхнепротерозойским
отложениям. Водоносные породы представлены преимущественно карбонатными,
терригенно-карбонатными и терригенными отложениями с линзами и прослоями гипсов и
ангидридов,
содержащими
пластово-карстовые
или
трещинно-пластовые
воды.
Суммарная их мощность от 300—800 до 1000—3000 м. Островной характер ММП в
сочетании с закарстованностью пород и значительным эрозионным врезом речных долин
обеспечивают благоприятные условия инфильтрации атмосферных осадков и активную
взаимосвязь подземных и поверхностных вод. Трещинно-пластовые и трещиннокарстовые воды разгружаются в долинах рек Лены, Алдан, Нюи, Бирюка, Джербы и
других, образуя многочисленные источники с дебитами от 0,5—10 л/с до 100—200 л/с.
Температура подземных вод от 0,5 до 2—4 °С. Воды из карбонатных пород
преимущественно пресные или слабосолоноватые гидрокарбонатно-сульфатные с минерализацией обычно 1—2 г/л, местами до 6 г/л, но в соленосных породах воды хлориднонатриевые до 80 г/л и более.
К структурам с тесным взаимодействием подземных вод с поверхностными
относится также гидрогеологическая система Восточно-Сибирских складчатых областей,
которая
охватывает южную и юго-западную часть рассматриваемой территории с
относящимися к ней частями бассейнов рек Лены, Витима, Чары, Олёкмы, Алдана и
включает Алданский и Патомо-Витимский гидрогеологические массивы, БайкалоЧарскую и Даурскую гидрогеологические складчатые области. Гидрогеологические
массивы и складчатые области на преобладающей площади сложены кристаллическими и
метаморфическими породами с трещинными и трещинно-жильными водами, связанными
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
27
с зоной выветривания мощностью до 100 м, либо с глубокими тектоническими разломами.
Субаквальные источники из этих пород имеют дебиты 3—10, групповые — до 300 л/с,
образуя зимой наледи и полыньи. Модули родникового стока не превышают 0,3 л/с км2.
Высокой водообильностью отличаются также четвертичные и мезозойские рыхлые
гравийно-галечниковые
отложения
древних
долин
гидрогеологических
массивов
мощностью около 70 м. Удельные дебиты скважин достигают десятков литров в секунду.
Воды сульфатно-гидрокарбонатные с минерализацией менее 0,3 г/л.
В среднем течении Лены (посты Солянка и Табага), в бассейне Вилюя увеличение
подземного стока и соответственно естественных ресурсов подземных вод не превышает
20—30 %. Это связано с широким распространением здесь водоносных систем
(гидрогеологических
структур)
ограниченного
взаимодействия
подземных
и
поверхностных вод. К ним относятся в пределах Восточно-Сибирской артезианской
области Тунгусский артезианский бассейн, расположенный в верхней и средней части
бассейна р. Вилюя, и Лено-Вилюйский артезианский бассейн, охватывающий часть
бассейна р. Лены с нижним течением ее притоков Алдана и Вилюя. Основные водоносные
комплексы в этих структурах связаны с четвертичными, мезозойскими и верхнепалеозойскими отложениями. Резкое усиление суровости мерзлотных условий в северном
направлении приводит к уменьшению количества и размеров таликов и соответственно к
сокращению разгрузки подземных вод. В частности, водоносный комплекс четвертичных
отложений на большей части площади своего распространения глубоко проморожен и
содержит воду только в пределах подрусловых и подозерных несквозных таликовых зон
[6]. Особенностью этих вод является их весьма разнообразный состав и минерализация,
меняющиеся по площади и разрезу талика, что определяется, прежде всего,
проницаемостью водосодержащих пород и активностью водообмена. При этом
надмерзлотные талики в долинах рек и озерных котловинах, как правило, ограничены
чашей озера или руслом реки и очень редко выходят на пойменные террасы. Дебиты
скважин и родников редко превышают 1 л/с, но в долине Лены иногда превышают 200
л/с, и в зимнее время с ними связаны устойчивые наледи [8].
В нижнем течении Лены (створ Кюсюр) наблюдается увеличение ресурсов
подземных вод на 70 %, что требует своего дальнейшего уточнения и обоснования. Это
может быть связано в основном с вкладом малых рек на участке Табага - Кюсюр, а также с
заболоченностью территории. Малые реки полностью не промерзают и вносят свой вклад
в увеличение зимнего стока. Болота становятся более теплыми в связи с потеплением
климата, мерзлый торф и заторфованные породы оттаивают на большую глубину, и
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
28
болотные воды в большей мере участвуют в увеличении стока и ресурсов подземных вод.
Хотя развитые в этой зоне Хатангский, Нижнеленский, Оленёкский, Котуйский,
Колымский и Кондаковский артезианские бассейны, а также северное крыло Якутского
артезианского бассейна, Анабарский и Оленёкский гидрогеологические массивы
относятся к структурам весьма ограниченного взаимодействия подземных вод с
поверхностными. В пределах этих структур распространены разнообразные по составу и
возрасту
водоносные
комплексы,
начиная
от
четвертичных
отложений
до
кристаллических пород архея включительно. Их объединяет глубокое промерзание
верхних горизонтов гидрогеологического разреза (400—500 м и более), что затрудняет
взаимодействие подземных вод с поверхностными и их участие в формировании речного
стока. В этом отношении только воды подрусловых и подозерных таликов могут иметь
определенное значение. Однако подмерзлотные воды нередко обладают весьма низким
напором и отсутствием гидравлической связи с поверхностными (рисунок 21).
Рисунок 21. Карта–схема изменений подземного стока бассейна Лены по состоянию на
2002 г (в процентах отклонения современных величин стока от их предыдущих оценок
[5]).
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
29
Выводы
Исследованы влияние климата на современные условия формирования и
происходящие изменения режимов годового и меженного стока бассейнов рек Восточной
Сибири — Лены, Оленек, Яны, Индигирки, Алазея, Анадырь, Колымы. На основании
данных метеорологических и гидрометрических измерений на изучаемых реках проведен
анализ изменения среднегодового и среднемеженного стока за весь период наблюдений,
1940-1969 и 1970-2000 гг. Построены графики, диаграммы, таблицы по наиболее
представительным
створам.
Проведено
районирование
территории
по
условиям
формирования стока и выполнена переоценка подземного стока (естественных ресурсов
подземных вод) за период 1970—2000 гг. с построением карт в программе ArcMap.
Полученные результаты кратко сводятся к следующему:
1. Статистический анализ рядов температуры воздуха и осадков за холодный (XIIII месяцы) период года показал наличие в большинстве случаев статистически
достоверных возрастающих трендов с коэффициентами линейного тренда 0,3—0,52
о
С/10лет и 14—16 мм/10 лет. Средние температуры воздуха и осадков за теплый период
(IV-X месяцы) также имеют тенденцию к увеличению.
2. Основная особенность современных изменений речного стока — увеличение в
последние десятилетия годового и меженного стока. Для ряда створов выявлены
статистически значимые возрастающие тренды. На большей части исследуемых
территорий водность рек в период межени (подземный сток) за 1970-2005 гг. была выше
на 25—40 %, чем за предшествующий многолетний период.
3. Изменение климата Восточной Сибири сопровождается сокращением мощности
ледового покрова на малых и средних реках, большей глубиной протаивания
многолетнемерзлых пород и болотных массивов. При этом наблюдается рост эманации
парниковых газов, что может сказываться на локальном повышении приповерхностной
температуры.
5. Увеличение (уменьшение) естественных ресурсов подземных вод происходит в
связи с изменением соотношения основных стокообразующих факторов (температура,
осадки, испарение), оттаиванием мерзлых пород, ростом заозеренности и заболоченности
территории, уменьшением толщины льда на реках, условиями формирования подземных
вод конкретных районов.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 08-05-00428; 09-05-92001-ННС),
ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0336)
30
Литература
1. Георгиади А.Г., Золотокрылин А.Н. Тепловодообмен в мерзлотных ландшафтах
Восточной Сибири и его факторы. – Москва – Тверь: ООО «Издательство «Триада», 2007.
– 576 с.
2. Джамалов Р.Г., Зекцер И.С., Кричевец Г.Н, Сафронова Т.И., Сотникова Л.Ф., Громова
Ю.В. Изменение подземного стока под влиянием климата и антропогенных воздействий //
Водные ресурсы. 2008. Т.35. № 1. С.17-24
3. Джамалов Р.Г., Макарова О.А., Сотникова Л.Ф. Изменение многолетних характеристик
стока рек ЕТ России в начале ХХI века. Сб. трудов Всероссийской конференции
«Стратегические проблемы водопользования России». Азов, 2008. М. С. 333-344
4. Доклад об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2007 год Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды
(Росгидромет), Москва, 2008 г.
5. Карта подземного стока территории СССР, Масштаб 1:2500000 – Главное управление
геодезии и картографии при Совете Министров СССР, Москва 1977.
6. Куделин Б.И. Подземный сток на территории СССР – Изд-во МГУ, 1966. – 302 с.
7. Марков М.Л., Гуревич Е.В. О регулирующей роли ледяным покровом речного стока –
ГУ «Государственный гидрологический институт», Санкт-Петербург, 2008
8. Протасьев М.С. Ресурсы поверхностных вод СССР. Том 17 Лено-Индигирский район –
Гидрометеоиздат Ленинград, 1972. – 407 с.
9. Сотникова Л.Ф. Гидрологические основы управления водноресурсными системами.
Кн.: Обоснование стратегии управления водными ресурсами. М.: Науч. мир, 2006. С. 247270.
10. Христофоров А. В. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Изд-во
МГУ, 1988. 131 с.
11. World water resources at the beginning of the 21st century. Project of IHP UNESCO. /Ed.
Shiklomanov I.A. St. Petersburg, 1999. 395 p.
12. http://www.archipelag.ru
13. http://www.biodat.ru
14. http://www.mnepu.ru