ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2008, том 35, № 1, с. 17-24
ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ И РЕЖИМ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
УДК 556.168
ИЗМЕНЕНИЕ ПОДЗЕМНОГО СТОКА ПОД ВЛИЯНИЕМ КЛИМАТА И АНТРОПОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ1
© 2008 г. Р. Г. Джамалов, И. С. Зекцер, Г. Н. Кричевец, Т. И. Сафронова,
Л. Ф. Сотникова, Ю. В. Громова
Институт водных проблем Российской академии наук 119333 Москва, ул. Губкина, 3 Поступила в редакцию 18.12.2006 г.
Получены количественные соотношения подземного стока с другими водобалансовыми элементами, что дает возможность прогноза изменения питания подземных вод в различных природно-климатических зонах Земли в связи с глобальными изменениями климата и интенсивным антропогенным воздействием на водный режим территорий. Выполнена количественная оценка подземного стока (естественных ресурсов подземных вод) по речным бассейнам. По основным речным бассейнам Европейской территории России построены цифровые карты (грид-модели) пространственно-временного распределения элементов водного баланса (по ГИС-технологии) и выполнены расчеты речного стока по каждому расчетному узлу речного бассейна с шагом в 0.1° координатной сетки. Увязанные между собой таким образом значения основных элементов водного баланса служат основой для их пространственно-временного анализа и картографического представления. Данная методика апробирована на бассейне р. Волги с многолетними наблюдениями за элементами водного баланса по целому ряду гидрометрических створов.
Исследования направлены на решение фундаментальной проблемы гидрологии и гидрогеологии, связанной с изучением пространственно-временных закономерностей формирования подземного стока как одного из слабоизученных в региональном и глобальном масштабах элементов водного баланса суши. Это позволит выявить основные соотношения между элементами водного баланса по крупным речным системам, особенности 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) [4, 13, 14].
В ходе исследований решались следующие задачи:
анализ изменения величин приповерхностной температуры, осадков, речного и подземного стока
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 05-05-65033).
по речным бассейнам Европейской территории России (ЕТР) (бассейн р. Волги и др.) для выявления линейных трендов указанных величин во времени и пространстве и уточнения особенностей питания подземных вод в зависимости от гидролого-климатических и геолого-гидрогеологических факторов;
пространственно-временная оценка соотношений величин подземного стока с другими основными элементами водного баланса (осадки, испарение, речной сток);
региональная оценка изменений подземного стока и естественных ресурсов подземных вод, уточнение их роли в общих водных ресурсах и водном балансе крупных речных бассейнов ЕТР с целью обоснования водообеспеченности и возможности увеличения (сокращения) отбора подземных вод в соответствии с перспективной потребностью;
выявление основных тенденций в изменении подземного стока (питания подземных вод) в соответствии с основными сценариями изменения климата.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ
На основе изучения пространственно-временны х особенностей формирования подземного стока как элемента водного баланса суши установлены его количественные соотношения с другими водобалансовыми элементами. Это дает возможность прогнозировать изменения питания подземных вод в различных природно-климатических зонах Земли в связи с глобальными изменениями климата и интенсивным антропогенным воздействием на водный режим территорий. Данные исследования направлены на уточнение соотношений между элементами водного баланса крупных речных бассейнов России и выявление особенностей питания подземных вод и формирования их естественных ресурсов в последней четверти XX в. Это позволило разработать методические основы прогнозирования изменений абсолютных и удельных характеристик подземного стока (естественных ресурсов подземных вод) как при существующих климатических условиях, так и при их возможном изменении.
Таблица 1. Современная обеспеченность континентов Земли и России водными ресурсами
Континент
Площадь, млн. км2
Водные ресурсы, км3/год
среднемноголетнии речной сток по [14]
Европа 10.5 2900 1061 37 276
Северная Америка 24.4 7890 2132 27 323
Южная Америка 17.8 12030 3656 30 676
Азия 44.3 13510 3434 25 305
Африка 30.3 4050 1129 28 134
Австралия и Океания 8.9 2405 305 13 269
Вся суша 136.2 42785 11717 27 314
Россия 17.1 4053 914 23 237
подземные воды*
отношение ресурсов
подземных вод к речному стоку, %
Водообес-печенность, тыс. м3/км2
* По данным авторов на начало XXI в.
На рубеже XX и XXI вв. зафиксировано повышение среднегодовой приповерхностной температуры воздуха Земли на 0.6°С, на территории России - 0.9, а в Западной и Восточной Сибири - 3.5-4.7°С. Глобальное повышение среднегодовой температуры воздуха приводит к изменению региональных величин испарения и осадков, что в свою очередь обуславливает среднегодовое приращение или сокращение речного и подземного стоков. Следовательно, региональная и глобальная оценка изменений подземного стока как элемента водного баланса на рубеже XXI в. имеет конкретную физическую основу. Следует подчеркнуть, что прогнозные оценки изменения водных ресурсов на ближайшую и отдаленную перспективы недостаточно совершенны и содержат определенные ошибки, поэтому они должны быть вариантными и соответствовать наиболее вероятной направленности климатических изменений в будущем [2, 3, 6, 10].
Подобные исследования особенно актуальны для южных районов распространения многолетне-мерзлых пород, а также аридных и полуаридных территорий Евразии, Африки и Австралии, где амплитуда колебаний среднегодовой температуры имеет гораздо больший размах и приводит к более существенным изменениям составляющих водного баланса [13]. В частности, иссушение степных и полупустынных регионов сопровождается резким снижением запасов местных водных ресурсов и соответствующими социально-экономическими и медико-экологическими проблемами для населения [3].
Современные ресурсы поверхностных и подземных вод приведены в табл. 1. Ресурсы поверхностных вод (речной сток) приведены по последней наиболее полной их оценке по состоянию на конец XX в. [14]. Ресурсы подземных вод рассчитаны авторами с использованием Карты гидрогеологических условий и подземного стока Мира [15], а также дополнительных материалов [16]. При этом
анализ обеспеченности водными ресурсами одного жителя Земли показывает неуклонное снижение этой величины в связи с демографическим ростом и истощением пресных вод отдельных регионов и стран [14].
Следует отметить, что ресурсы поверхностных вод мира существенно возросли по сравнению с предыдущими оценками и в сумме составили 42785 км3/год [14]. Мировые ресурсы подземных вод также претерпели существенные изменения и по состоянию на начало 70-х гг. составили ~12000 км3/год. В связи с изменением климата и антропогенным воздействием приведенная величина естественных ресурсов подземных вод не вполне соответствует новым значениям общего речного стока и требует корректировки в дальнейшем по разработанной авторами методике.
Исследования роли подземного стока в водном балансе крупных территорий основаны на использовании методики региональной оценки и картирования подземного стока, разработанной в России [13]. На базе этой методики с привлечением материалов непосредственных наблюдений за элементами водного баланса речных бассейнов ЕТР выполнена количественная оценка соотношения величин подземного стока с другими элементами водного баланса. С этой целью по речным бассейнам были составлены цифровые карты (грид-модели) элементов водного баланса бассейнов по ГИС-тех-нологии и выполнены расчеты речного стока по каждому расчетному узлу с шагом в 0.1° географической координатной сетки.
Региональная оценка соотношения подземного стока с другими элементами водного баланса на основе ГИС-технологии позволяет не только проводить воднобалансовые расчеты, но и составлять региональные картографические модели элементов водного баланса и анализировать их адекватность при различных сценариях изменения климата. За ос-
Таблица 2. Статистические параметры годового стока (Ш - объем годового стока, Су - коэффициент вариации, С8 - коэффициент асимметрии) по отдельным створам за разные периоды наблюдений
Река (створ) 1881-2002 гг. 1987-2002 гг.
Ш, км3 Сц/Су Ш, км3
Ока (г. Горбатов) 39.1 0.21 1.0 39.6 0.19 2.5
Кама (Нижнекамский гидроузел) 92.5 0.21 1.5 97.7 0.24 0.5
Волга (Рыбинский гидроузел) 34.1 0.25 1.0 35.3 0.21 2.5
Волга (Волгоградский гидроузел) 257.0 0.17 1.5 280.1 0.14 0.5
нову приняты данные по распределению атмосферных осадков, полученные ранее величины подземного стока и общего речного стока крупных рек мира [8, 12, 14, 15]. Для верификации и калибровки воднобалансовых моделей используются табличные и картографические материалы по распределению основных составляющих водного баланса (осадки, испарение, сток) по континентам [7, 9]. Последние данные рассматриваются в качестве нормы основных элементов водного баланса (их средне-многолетних значений), характерной для XX в. (до 1970-х гг.). Изменения величин подземного стока определяются относительно этой нормы по состоянию на 1995-2000 и прогнозируются на 2010 и 2015 гг. в соответствии с установленными трендами температуры и осадков.
АНАЛИЗ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Рассмотренная выше методика оценки изменения подземной составляющей водного баланса была апробирована на примере бассейна р. Волги с более чем 100-летним рядом гидрометрических измерений и со значительной трансформацией соотношения воднобалансовых характеристик. За основу были приняты распределение среднемноголетних значений осадков, испарения и общего речного стока по бассейну, приведенные в [9], а также результаты анализа восстановленных значений речного стока и осадков [5, 8, 10]. Статистические параметры восстановленных (условно-естественных) значений речного стока
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.