ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ И РЕЖИМ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
УДК 556.168
ФОРМИРОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ РЕСУРСОВ ПОВЕРХНОСТНЫХ И ПОДЗЕМНЫХ ВОД ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ1
© 2012 г. Р. Г. Джамалов*, Н. Л. Фролова**, Г. Н. Кричевец*, Т. И. Сафронова*,
М. Б. Киреева**, М. И. Игонина*
*Институт водных проблем РАН 119333 Москва, ул. Губкина 3 E-mail: dzhamal@aqua.laser.ru **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119991 Москва ГСП-1, Ленинские горы E-mail: frolova_nl@mail.ru Поступила в редакцию 19.06.2012 г.
Выполнена оценка и проведен анализ изменений характеристик годового, меженного и минимального месячного стока рек Европейской части России за последние 35 лет (1970—2005 гг.) в сопоставлении с примерно аналогичным по продолжительности периодом (1935—1969 гг.). Исследованы генезис стока для разных бассейнов рек и основные причины современных изменений стоковых характеристик. Установлены региональные закономерности гидролого-гидрогеологических процессов и проведено районирование территорий с выделением особенностей формирования стока рек европейского севера, бассейнов Волги, Дона, Урала и др. Проведена переоценка естественных ресурсов поверхностных и подземных вод за 1970—2005 гг. с построением соответствующих карт. Выполнен анализ водообеспеченности и нагрузки на водные ресурсы.
Ключевые слова: естественные ресурсы подземных вод, ресурсы поверхностных вод, подземный сток, речной сток, режим стока.
В настоящее время назрела необходимость переоценки возобновляемых водных ресурсов (естественных ресурсов подземных и поверхностных вод) в связи с изменением климатических характеристик, влияющих на формирование элементов водного баланса речных бассейнов. Изучение современных особенностей формирования подземной и поверхностной составляющих речного стока позволяет судить о распределении общих водных ресурсов на Европейской части России (ЕЧР) в их динамике под влиянием нестационарного климата.
Выполненная комплексная оценка водных ресурсов включала:
— определение средних значений годового и сезонного стока со статистическим анализом рядов наблюдений;
— анализ основных факторов изменения водных ресурсов;
— определение пространственно-временных характеристик современных водных ресурсов и составление серии карт их распределения;
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты 10-05-00252, 09-05-92001-ННС, 11-05-00467).
— оценку масштабов и направленности изменения водного режима и соотношений источников питания;
— расчет удельной водообеспеченности и современной нагрузки на водные ресурсы.
Результаты данного исследования могут найти применение в перспективе для оценки изменений других видов гидролого-гидрогеологических процессов и явлений, значимые вариации которых влекут за собой изменение стока. В частности, существует ряд методик оценки влияния изменений водности рек на режим стока взвешенных и растворенных веществ, денудацию поверхности земли и ее просадку при выщелачивании пород подземными водами. Следовательно, выполненные исследования могут служить основой для оценки возможных изменений производных стока (геостока) при определенных изменениях климата.
Использованные материалы и методика исследований. Исходными данными для оценки и анализа послужили материалы Государственного водного кадастра, российские и международные базы гидрометрических и климатических данных. Собраны материалы примерно по 300 водосборам ЕЧР, выбранным в качестве репрезентативных
для пространственно-временного анализа изменений условий формирования и динамики водных ресурсов с 1935 по 2005 г.
Для каждого гидрометрического поста расчеты проводились для трех периодов: весь период имеющихся наблюдений, 1940—1969, 1970—2005 гг. Выбор 1970 г. в качестве порогового обусловлен началом изменения климатических условий для большей части ЕЧР [1]. Кроме того, выделенные временные интервалы в 30 и более лет обусловлены тем, что за такие интервалы выявляемые изменения в метео- и гидрологических рядах наблюдений могут рассматриваться как репрезентативные [6].
Для выделенных интервалов наблюдений рассчитаны средние, минимальные и максимальные значения, средние квадратические отклонения, а также непараметрические критерии тренда Спирмена для выяснения наличия монотонного тренда (возрастающего или убывающего) у исследуемых рядов. Критерий учитывает оценку коэффициента корреляции между рангами членов ряда и номерами соответствующих лет [15].
Для проверки статистической однородности исследуемых рядов каждый из них разбивался на два более коротких. Первый ряд п1 состоял из последовательных значений с 1935 по 1969 г., второй ряд п2 — из оставшихся наблюдений с 1970 г. Длина всего ряда наблюдений п составляет сумму п1 и п2. Полученные для п1 стандартные оценки среднего М, среднего квадратического отклонения S сравнивались с аналогичными оценками, полученными для второго ряда. Для проверки статистической однородности исследуемых рядов с точки зрения их дисперсии, характеризующей амплитуду колебаний характеристик относительно их средних значений, использовался критерий Фишера. Сравнение средних значений Мх и М2, полученных для первой и второй половин ряда, выполнено с помощью параметрического критерия Стьюдента. Кроме того, для оценки средней скорости увеличения или уменьшения (для отрицательного тренда) исследуемой переменной на рассматриваемом отрезке времени использовался коэффициент линейного тренда.
Режим стока и его изменения рассматривались как в пределах всего бассейна реки, так и в его отдельных частях, т.е. пространственные масштабы анализа ограничены целыми и частными водосборами в пределах ЕЧР, при этом минимальная длина реки ~120, максимальная — 3500 км. Исследования охватывают не только многолетние ряды, но и внутригодовые колебания гидрологических характеристик, формирование которых на-
ходится под влиянием глобальной циркуляции атмосферы над Атлантическим и Северным Ледовитым океанами и материком Евразии. Наименьший масштаб осреднения по времени — месяц. Дополнительно анализировалась информация по рядам годовых и сезонных осадков и температуры приземного воздуха по более чем 200 метеостанциям, расположенным на ЕЧР.
В качестве характеристики подземной составляющей речного стока принят меженный сток, рассчитываемый как среднемесячные расходы воды за маловодные месяцы. Принцип выделения меженного стока основан на принятой гипотезе:
— в период межени практически отсутствует снегодождевое питание и река питается преимущественно подземными водами;
— меженный сток принимается равным подземному, величина которого определяется расчленением гидрографа речного стока по методике Б.И. Куделина; выбор периода осреднения для различных регионов проводился на основе генетического расчленения гидрографов рек и сравнения полученной величины подземной составляющей с различными характеристиками меженного стока; статистическая обработка проводилась с помощью стандартных пакетов Statistica и Excel, а пространственный анализ гидрологических характеристик — с помощью пакета ArcViewGis 9.3.1.
Климатические особенности формирования поверхностных и подземных вод. Существенное повышение среднегодовой температуры наблюдается со второй половины 1970-х гг., и на территории всей России за 1976—2011гг. оно составило ~1.55°С. Наиболее интенсивное и статистически значимое повышение среднегодовой температуры приземного воздуха произошло на ЕЧР (0.53°С/10 лет). При этом увеличение средних температур воздуха за холодный период несколько выше и также прослеживается для всей ЕЧР (0.45—0.6°С/10 лет). Средние температуры воздуха за теплый период также имеют тенденцию к увеличению (0.38— 0.58°С/10 лет), однако это увеличение во многих случаях статистически незначимо. Среднегодовое повышение температуры в России (+1.55°C) почти в два раза превышает глобальное, что свидетельствует о высокой скорости потепления на территории страны. Даже 2011 г. с довольно низкой температурой в зимний период на севере ЕЧР — один из пяти самых теплых лет за период инструментальных наблюдений [9].
Для северной полярной области 2011 г. стал первым в ранге теплых лет за период с 1936 г. Теплое лето 2011г. способствовало увеличению в среднем на 10—15% толщины сезонно-талого
слоя (СТ^ мерзлых пород (за исключением Чукотки и Камчатки). Европейский север России характеризуется наибольшим приростом СТС за период наблюдений. Короткие ряды данных не позволяют достоверно оценить тренды СТС, которые составили ~0—2 см/год.
За 1976—2011 гг. установлено также некоторое увеличение годовых сумм осадков на ЕЧР (0.3 мм/мес/10 лет). При этом сопоставление осадков теплого и холодного полугодий на ЕЧР свидетельствует о противоположных тенденциях. Отрицательные тренды отмечаются в теплое полугодие (в целом для ЕЧР —2.0 мм/мес/10 лет) или вообще отсутствуют, а положительные — в холодное полугодие (0.9 мм/мес/10 лет). Увеличение количества осадков в холодное полугодие статистически более достоверно [9].
Хотя среднегодовое количество осадков возросло не столь существенно, обращает на себя внимание группировка ливневых выпадений в последние годы. Так, в 2009 г. на ЕЧР зарегистрировано около 50 случаев выпадения сильных ливневых осадков, количество которых по сравнению с 2008 г. возросло на ~19% [4]. При соответствующем температурном режиме ливневые выпадения могут оказывать непосредственное влияние на формирование стока и его генетических составляющих.
Таким образом, на фоне прогрессирующего потепления климата на большей части ЕЧР отмечается фаза повышенной водности и общей увлажненности. За последние 50 лет высокий уровень увлажнения фиксируется для регионов ЕЧР севернее 50° с.ш., где в отдельных областях увеличилась также доля жидких осадков в холодное время года. В значительной степени это обусловлено интенсификацией циркуляционных процессов в Северной Атлантике, влияющих на перемещение циклонов в центральные регионы России. Активность циклонов и связанный с ними перенос влаги и атмосферных осадков различаются как по регионам их зарождения (атлантический, северный, средиземноморский, черноморский, западноевроп
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.