УДК 556.555:556.131.11(262.81-17)
Исследование пространственно-временной изменчивости составляющих водного баланса Северного Каспия с применением его вод но-ба лан совой моде ли
Л. П. Остроумова*, В. Ф. Полонский*
Рассматривается водно-балансовая модель устьевого взморья рек Волга и Урал и Северного Каспия, а также отдельных его частей. В ней выделены расчетные пространственные элементы, три части Северного Каспия: от-мелая зона устьевого взморья Волги, глубоководная зона западной части Северного Каспия, восточная часть Северного Каспия. Входными характеристиками в этой модели являются слои испарения с водной поверхности, рассчитанные с помощью технологии "ISPAR", слои атмосферных осадков, откорректированные по технологии введения поправок к измеренным осадкам ГГО — КазНИГМИ. Расчеты проведены по данным наблюдений четырех метеорологических станций: Зеленга (Россия), о. Пешной, о. Кулалы и Форт Шевченко (Казахстан). В качестве притока воды в Северный Каспий из дельты Волги использовали приток воды к вершине дельты Волги, откорректированный на величину естественных потерь воды на испарение в ее дельте, а приток воды из дельты Урала в Северный Каспий оценивали по данным гидрологического поста Махамбет. С помощью водно-балансовой модели можно рассчитывать составляющие водного баланса для отдельных частей Северного Каспия и решить уравнение водного баланса относительно водно-балансового оттока из этих частей. Как результат водообмена между ними определяется объем оттока воды из Северного Каспия в Средний Каспий. С помощью водно-балансовой модели Северного Каспия рассчитаны изменения основных составляющих его водного баланса по разным типовым сценариям (характерным годам, определяемым по стоку р. Волга). Проанализированы пространственно-временные закономерности перераспределения объемов воды в Северном Каспии с учетом объема речного стока, потерь воды на испарение и количества осадков при разном фоновом уров не Кас пий ско го моря.
Ключевые слова: водно-балансовая модель, Северный Каспий, составляющие водного баланса, р. Волга, сток.
Введение
При водно-балансовых исследованиях водных объектов методы и технологии расчета водного баланса (ВБ) позволяют количественно оценивать водные ресурсы и оптимизировать их использование: разрабатывать
* Государственный океанографический институт им. Н. Н. Зубова; e-mail: lostroumova@ mail.ru, vpolonskii@mail.ru.
стратегию водохозяйственной политики, выполнять прогностические расчеты для обоснования мер по предупреждению нежелательных последствий климатических и антропогенных изменений гидрологического режима, разрабатывать проекты эффективного водопользования и охраны природной среды.
Водный баланс Северного Каспия представляет собой совокупность параметров, характеризующих его гидрометеорологический режим, и опре-де ляет ся по дан ным стан дар тной на блюдательной сети как на тер ри то рии устьевых областей рек Волга и Урал, так и вокруг водного объекта. Наиболее оптимальным периодом для расчетов ВБ является месяц, за который можно успешно провести анализ сезонных и климатических изменений водных ресурсов и их гидрологического режима. Как известно, в качестве основного условия для подобного расчета выбрана независимая оценка всех составляющих ВБ — приход и расход воды, изменение ее запаса в водном объекте за расчетный интервал времени. С помощью уравнения ВБ водного объекта может быть определена только одна его составляющая, которую, как правило, невозможно ни измерить, ни оценить другим спо со бом. В этом слу чае в ве ли чи не та кой со став ляю щей при сутству ют все ошибки расчета других составляющих ВБ.
Водно-балансовая модель Северного Каспия
Рассмотрим водно-балансовую модель Северный Каспий — устьевое взморье рек Волга и Урал [6]. Схема Северного Каспия с выделенными частями, их границами и глубиной приведена на рис. 1. Площадь Северного Каспия при отметке -27, -28 и -29 м БС составляет соответственно 104,6, 90,1 и 71,9 тыс. км2. Площадь этой части Каспия рассчитывали по данным работы [2] в зависимости от уровня воды.
В качестве основных расчетных пространственных элементов выделены:
- отмелая зона устьевого взморья Волги (площадь составляет 0,10 (здесь и далее в расчете указана в долях от площади Северного Каспия), средняя глубина в современных условиях 1,5—2 м);
- глубоководная зона западной части Северного Каспия (площадь 0,38, средняя глубина 6—8 м);
- восточная часть Северного Каспия (площадь 0,52, средняя глубина 4—5 м).
С помощью водно-балансовой модели [6] можно рассчитывать составляющие водного баланса для отдельных частей Северного Каспия и решать уравнение водного баланса относительно водно-балансового оттока воды из каждой конкретной его части:
Wот = Wп + Жос - Жис - Л Ж, (1)
где Жот — объем оттока воды; Жп — объем притока воды; Жос — объем осадков, выпавших на водную поверхность; Жис — потери воды на испарение с водной поверхности; ЛЖ — изменение объема воды. Все составляющие водного баланса переведены в кубические километры. В уравнение не включен при ток (отток) под земных вод из-за сла бой гид ро ге о ло ги чес кой изученности района и малой значимости этой величины по сравнению с другими составляющими водного баланса частей Северного Каспия.
Рис. 1. Северный Каспий на снимке из космоса (а) и его схема (б) с выделенными районами разной глубины и границами отдельных частей.
1 — средняя глубина 2—4 м; 2 — средняя глубина 5 м и более; 3 — граница Северного Каспия; 4 — граница его восточной части; 5 — граница отмелой зоны устьевого взморья Волги.
Объем оттока воды в Средний Каспий определяется как результат водообмена между его частями.
Водный баланс Северного Каспия рассчитан за месячные интервалы времени в характерные годы, выбранные по стоку воды р. Волга. Это маловодные 1977 и 2006 гг. и многоводные 1979 и 2005 гг. В 1977 и 1979 гг. уровень Каспия был на отметке около -29 м БС, в 2005 и 2006 гг. — на отметке -27 м БС.
Объем годового стока воды в вершине дельты Волги в маловодные 1977 и 2006 гг. составил соответственно 198 и 205 км3, а в многоводные 1979 и 2005 гг. — 319 и 289 км3. Тщательный анализ данных российских и казахских морских гидрологических постов на Северном Каспии показал, что с наибольшей надежностью его средний уровень может быть рассчитан как среднее арифметическое из показаний постов о. Кулалы и Форт Шевченко. Аккумуляция воды в каждой из частей Северного Каспия за месяц рассчитывается как произведение среднего месячного значения площади соответствующей части и разности фоновых уровней воды, вычисленных на конец и начало месяца. Для отмелой зоны устьевого взморья Волги за фоновый уровень воды принят уровень на морском гидрологическом посту о. Искусственный, для глубоководной западной и восточной частей Северного Каспия — средний уровень воды по данным станций Форт Шевченко и о. Кулалы.
Входные характеристики водно-балансовой модели Северного Каспия и их климатическая и пространственно-временная изменчивость
Входными характеристиками водно-балансовой модели Северного Каспия являются: слои испарения с водной поверхности, рассчитанные с помощью методов [4], реализованных в технологии "КРАЯ" (оригинальная компьютерная программа Л. П. Остроумовой зарегистрирована в ОФАП Госкомгидромета, инвентарный № Ж 051411072); слои атмосферных осадков, откорректированные по технологии введения поправок к измеренным
осадкам по методу ГГО — КазНИГМИ [3, 5]; приток воды в Северный Каспий из рек Волга и Урал.
Расчеты по технологиям "КРАЯ" [4] и ГГО — КазНИГМИ [3] проведены по данным наблюдений четырех метеорологических станций: Зеленга (Россия), о. Пешной, о. Кулалы и Форт Шевченко (Казахстан), что позволяет, по сравнению с результатами работы [6], получить более точные значения слоев потерь воды на испарение и выпавших осадков на поверхность (площадь) Северного Каспия и отдельных его частей. Приток воды в Северный Каспий из Волги складывается из объема притока в вершину дельты за вычетом объема суммарных потерь воды на видимое испарение, рассчитанное с использованием водно-балансовой модели дельты Волги [7]. Приток воды из Урала определяли по данным наблюдений за стоком воды на гидрологическом посту Махамбет. В расчетах водного баланса эти характеристики представлены в кубических километрах.
Технология "КРАЯ" предназначена для оценки испарения с водной поверхности. В ней реализован метод эмпирических формул и использована формула А. П. Браславского, опубликованная в 1986 г. в материалах V гидрологического съезда. В технологии моделируется процесс испарения как взаимодействие двух явлений — массообмена в плоскости водной поверхности и переноса водяных паров от нее в приводном слое атмосферы. Параметрами модели являются метеорологические величины, измеренные на метеорологических станциях, расположенных на суше, которые затем пе-ресчитываются на водную поверхность. Температура тонкого поверхностного слоя воды в водном объекте рассчитывается из уравнения его теплового баланса [4]. Изменчивость величины слоев испарения в водном балансе Северного Каспия и отдельных его частей в характерные годы показана на рис. 2.
Про веден анализ вли я ния изме не ний кли мата на ве ли чи ну потерь воды на испарение с водной поверхности Северного Каспия (рис. 2а, б). За период с 1977 по 2006 г. (30 лет) в этом районе Северного Каспия потеплело, а величина потерь воды на испарение за год уменьшилась в среднем на 30 мм. Произошло это из-за уменьшения слоев испарения с января по август каждого года. Хотя за эти месяцы разность температуры воды и воздуха в среднем увеличилась на 0,5°С, скорость ветра при этом уменьшилась на 0,4 м/с, что и определило уменьшение слоев испарения. В осенне-зимний период как в многоводные, так и в маловодные годы слои испарения с водной поверхности Северного Каспия увеличились. В результате зимы стали более теплыми и влажными, разность значений температуры воздуха и воды уменьшилась незначительно, зато скорость ветра над водной поверхностью увеличилась в среднем на 0,1 м/с.
При мер про стра нствен но-вре мен ной измен чи вос
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.