ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2015, том 42, № 4, с. 387-395
= ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 556.048
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ СТОКА РЕК И СНЕЖНОГО ПОКРОВА НА СЕВЕРЕ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ1
© 2015 г. Е. М. Гусев, О. Н. Насонова, Л. Я. Джоган, Г. В. Айзель
Институт водных проблем РАН 119333 Москва, ГСП-1, ул. Губкина, 3 E-mail: gusev@aqua.laser.ru Поступила в редакцию 12.03.2013 г
Исследована возможность применения ранее разработанной методики расчета гидрографов стока северных рек для территорий, находящихся в условиях многолетней мерзлоты и сильной заболоченности (на примере рек Западно-Сибирской низменности: Таз, Пур, Надым). В основу методики расчета положена модель тепло- и влагообмена подстилающей поверхности суши с атмосферой SWAP в сочетании с информационным обеспечением, основанным на глобальных базах данных по параметрам подстилающей поверхности и метеорологической информации, полученной по данным наблюдений метеорологических станций, расположенных в бассейнах указанных рек или в непосредственной близости к ним. Также исследована способность модели SWAP воспроизводить многолетнюю динамику средних по бассейнам высот снежного покрова и средних снегозапасов бассейна р. Таз.
Ключевые слова: гидрограф речного стока, взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью суши, снежный покров, физико-математическое моделирование, глобальные базы данных, бассейны рек Таз, Пур, Надым, оптимизация параметров.
DOI: 10.7868/S0321059615040069
Как отмечается в ряде работ (например, [6, 7]), полярные регионы, оказывающие существенное влияние на гидрологические процессы и водные ресурсы нашей планеты, в наибольшей степени подвергнутся влиянию предполагаемого изменения климата. В связи с этим задача повышения точности расчетов гидрологического режима данного региона становится все более актуальной.
Ранее авторами настоящей статьи была разработана методика расчета составляющих гидрологического цикла рек пан-Арктического бассейна, основанная на использовании модели взаимодействия подстилающей поверхности суши с атмосферой LSM SWAP (Land Surface Model Soil Water—Atmosphere—Plants) в сочетании с различным информационным обеспечением [6, 9, 10]. Возможность применения этой методики для моделирования гидрографов суточного речного стока исследовалась на целом ряде северных рек, расположенных на европейской части России (ЕЧР)
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 14-05-00027), РАН (Госконтракт 74ОК/11-5) и Министерства образования и науки РФ (проект № 14.B25.31.0026).
в условиях преимущественно умеренного климата и на территории Республики Саха (Якутия) в гораздо более суровых условиях субарктического и арктического климата [6, 7, 9, 10, 15, 16]. Настоящая статья посвящена приложению разработанной методики к расчетам гидрологического режима бассейнов рек Надым, Пур и Таз, расположенных на севере Западной Сибири и существенно отличающихся по природным условиям от бассейнов как ранее рассмотренных рек ЕЧР, так и рек Якутии. Наиболее существенное отличие заключается в том, что 35—70% водосборной площади рек Надым, Пур и Таз составляют избыточно увлажненные территории, болота и озера. Болота, по приближенным оценкам, занимают ~24% площади бассейна р. Таз и ~52% площадей бассейнов рек Пур и Надым [20]. Поскольку ранее модель SWAP не использовалась для расчета гидрологических характеристик заболоченных бассейнов, важно исследовать возможность ее применения в этом случае и оценить точность расчета.
Кроме того, в отличие от вышеуказанных работ, связанных с бассейнами северных россий-
71°
75°
79°
83°
87°
91°
67°
65°
63°"
67° 91°
- 65°
63°
71° 75° 79° 83°
Рис. 1. Карта территории бассейнов рек Таз, Пур и Надым.
87°
ских рек, в настоящей статье предстоит исследовать, насколько предлагаемая методика применима не только для воспроизведения гидрографов речного стока, но и для моделирования эволюции снежного покрова. Такая проверка авторами уже проводилась, но на объектах с достаточно хорошим информационным обеспечением, что не требовало оптимизации модельных параметров [2, 3, 12]. В данном случае ситуация несколько иная. Ненадежное информационное обеспечение требует проведения калибровки части параметров по данным о речном стоке. Насколько хорошо при этом будут воспроизводиться другие гидрологические характеристики, в частности средние по бассейнам высоты снежного покрова и снегоза-пасы, — также задача настоящей работы.
Описание модели SWAP можно найти в работах [2—5].
ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ИССЛЕДУЕМЫХ РЕЧНЫХ БАССЕЙНОВ
Надым, Пур и Таз — самые крупные после Оби реки на севере Западной Сибири, протекающие
по территории Ямало-Ненецкого национального округа и относящиеся к бассейну Карского моря (рис. 1). Текут они с юга на север, преимущественно по низменной заболоченной равнине (средняя высота 100 м) с множеством ледниковых озер и болот. На востоке и юге имеются невысокие возвышенности, в том числе Сибирские Увалы с абсолютными отметками до 150 м.
Самая многоводная из указанных рек — Таз (на востоке региона) берет начало на Сибирских Увалах. Длина ее 1401 км, площадь бассейна — 150 тыс. км2, средний слой стока в устье реки ~305 мм/год.
Вторая по водности река — Пур образуется при слиянии рек Пякупур и Айваседапур. Длина ее — 389 км. Часто считают, что Пур — продолжение реки Пякупур, их общая длина — 1024 км. Площадь бассейна — 112 тыс. км2, средний слой стока в устье реки — более 293 мм/год. Таз и Пур впадают в Тазовскую губу Карского моря.
Самая маловодная река — Надым (на западе территории) имеет длину 545 км, площадь бас-
сейна 64 тыс. км2
средний слой стока
~290 мм/год. Она берет начало из оз. Нумто на Сибирских Увалах и впадает в Обскую губу Карского моря.
На большей части территории бассейнов указанных рек климат умеренный континентальный. Резкую континентальность и суровость климата определяют высокоширотное расположение бассейнов (часть региона находится за Полярным кругом), близость холодного Карского моря, глубоко впадающие в сушу морские заливы, обилие болот, озер и рек, равнинный рельеф, открытый для вторжения воздушных масс со стороны Арктики в летнее время и переохлажденных континентальных масс зимой. Среднегодовая температура воздуха около —9°С. Продолжительность зимнего периода составляет 7—8 мес. Средняя температура января колеблется от —22 до —25.6°С. Минимальные температуры воздуха могут опускаться до —63°С (по данным ст. Уренгой в бассейне р. Таз). Наиболее теплый месяц на юге рассматриваемой территории — июль, на севере — конец июля, август; в это время температура может подниматься до +30°С на всей территории. Средняя температура июля — от +4 до +14°С.
Годовое количество осадков в пределах рассматриваемого региона колеблется от 220 до 500 мм, 50—55% осадков выпадает в теплое время года. Самые влажные месяцы — август и сентябрь. Снежный покров держится около 240 дней. Средняя максимальная высота снежного покрова 35— 60 см. На всей территории распространена многолетняя мерзлота (мощностью до 150—300 м).
Ледостав наступает в первой декаде ноября на юге и в начале третьей декады октября — на севере региона и продолжается в среднем 230 дней. Вскрываются реки в последней декаде мая-пер-вой половине июня.
Питание рек происходит за счет таяния снега (>50%), а также дождей и грунтового стока, доля последнего может достигать 30%. Наличие вечной мерзлоты придает рекам своеобразные особенности: они многоводны в периоды снеготаяния и весенне-летнего половодья и маловодны зимой. Самый многоводный месяц - июнь (до 35% объема годового стока), самые маловодные — март и апрель (~2%).
Природные зоны региона: в северной части — арктическая мохово-лишайниковая и кустарнич-ковая тундра, южнее — лесотундра и северная тайга. Для северной части территории характерны тундрово-глеевые болотные почвы, для южной — глеево-подзолистые, подзолисто-болотные почвы; для долин крупных рек — аллювиальные, нередко суглинистые почвы.
СХЕМАТИЗАЦИЯ ИССЛЕДУЕМЫХ БАССЕЙНОВ
Для проведения модельных расчетов стока выбранных рек, как и в случае других рек, упомянутых в [6—10, 12, 15, 16, 19], была использована схематизация их бассейнов в виде совокупности ячеек пространственной сетки с разрешением 1° х 1°, соединенных гидрографической сетью. Для каждой ячейки определялась площадь, влияющая на общее стокообразование в ячейке. Модель SWAP рассчитывает характеристики водного и теплового режимов для каждой ячейки, а затем на основе блоков трансформации стока внутри ячейки и в речной сети моделирует гидрограф стока для любого речного створа [4, 5]. Схематизация бассейнов выбранных в настоящей работе рек представлена на рис. 2. Здесь же показано расположение метеорологических и стоковых станций, пунктов точечных снегомерных наблюдений и маршрутных снегосъемок, данные которых использованы в расчетах.
Из рис. 2 следует, что бассейн р. Таз (до стоковой ст. Сидоровск) представлен совокупностью 20 ячеек, бассейн р. Пур (до створа Самбург) — совокупностью 18 ячеек, бассейн р. Надым (до створа Надым) — совокупностью 12 ячеек. Разное количество ячеек обусловлено различием площадей указанных выше бассейнов исследуемых рек.
ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАСЧЕТОВ СТОКА СЕВЕРНЫХ РЕК
Необходимое при проведении расчетов информационное обеспечение LSM-модели SWAP включало в себя приземную метеорологическую информацию (температуру и влажность воздуха, атмосферное давление, скорость ветра, атмосферные осадки, а также значения приходящих потоков длинноволновой и коротковолновой радиации) с трехчасовым разрешением, параметры подстилающей поверхности бассейна (почвы и растительного покрова), топографические характеристики, а также гидрологические данные для калибровки ряда параметров и для проверки модели (результаты измерений речного стока и высоты снежного покрова).
Метеорологические характеристики получены на основе данных наблюдений на метеорологических станциях (рис. 2) за 1966—1991 гг. Значения приходящих потоков коротковолновой и длинноволновой радиации рассчитывались по данным стандартных метеорологических измерений по м
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.