Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Изменения годового стока основных рек под влиянием хозяйственной деятельности 10
1.1. Краткий исторический обзор 10
1.2. Динамика водопотребления в бассейнах основных рек страны в 1982-2000 гг. и современные изменения их годового стока 23
Глава 2. Восстановление естественных гидрографов стока больших рек, зарегулированных водохранилищами 31
2.1. Постановка задачи 31
2.2. Методика исследования 33
2.2.1. Общий подход 33
2.2.2. Используемые методы расчета неустановившегося движения воды в руслах 35
2.3. Реализация методики восстановления стока на примере бассейна Волги 38
2.3.1. Подготовка исходной информации, её анализ, устранение невязок стока 38
2.3.2. Результаты восстановления стока 43
2.4. Ретрансформация месячных рядов стока больших рек, зарегулированных водохранилищами 48
Глава 3. Изменения водности рек в условиях глобального потепления 58
3.1. Глобальное потепление климата - происходящие изменения 58
3.2. Оценка гидрологических последствий потепления последних десятилетий XX столетия
3.2.1. Общий методический подход 62
3.2.2. Оценка современных изменений водного режима рек 68
3.2.3. Оценка изменений элементов гидрологического цикла по данным воднобалансовых станций 86
3.2.4. Особенности динамики стока больших рек страны 95
3.2.5. Реакция на потепление стока рек, расположенных в умеренной климатической зоне Европы 97
Глава 4. Методологические вопросы оценки гидрологических последствий возможных антропогенных изменений климата 100
4.1. Современные подходы к оценке климата будущего 100
4.2. Методы оценки влияния возможных изменений климата на речной сток - критический обзор 106
4.3. Предлагаемый методический подход к оценке влияния возможных изменений климата на водные ресурсы и водный режим 112
4.3.1. Общие положения 112
4.3.2. Воднобалансовая модель для расчетов стока при различных климатических условиях
4.3.3. Общая схема расчетов и проверка адекватности модели 117
Глава 5. Возможные изменения водных ресурсов и водного режима рек при различных климатических сценариях 129
5.1. Бассейн Волги 129
5.2. Бассейн Дона 136
5.3. Бассейн Днепра 140
5.4. Бассейн Лены 145
5.5. Оценка изменений водных ресурсов территории Русской равнины при климатическом сценарии, разработанном на основе метода палеоклиматической реконструкции. 149
5.6. Общие выводы о вероятных в первой половине XXI столетия изменениях стока рек России 153
Глава 6. Оценка элементов водного баланса Каспийского моря и их многолетней динамики 156
6.1. Проблема колебаний уровня моря 156
6.2. Приток поверхностных вод 162
6.3. Приток подземных вод 171
6.4 Осадки 172
6.5. Испарение 175
6.6. Сток в залив Кара-Богаз-Гол 187
Глава 7. Причины колебаний уровня Каспийского моря 192
7.1. Колебания уровня в зависимости от изменений элементов водного баланса 192
7.2. Взаимосвязь элементов водного баланса 201
7.3. Влияние хозяйственной деятельности на водный баланс и изменения уровня 207
7.3.1. Современные изменения притока речных вод в Каспий под влиянием хозяйственной деятельности 207
7.3.2. Влияние хозяйственной деятельности на многолетние колебания уровня 216
Глава 8. Будущие условия и вероятностный прогноз уровня Каспийского моря 219
8.1. Общие методологические подходы к прогнозированию уровня Каспийского моря 219
8.2. Критический анализ результатов прогнозов (расчетов) уровня Каспия, разработанных в последние десятилетия 224
8.3. Сценарии будущих условий 230
8.3.1. Климатические сценарии 230
8.3.2. Оценка влияния возможных антропогенных изменений климата на элементы водного баланса моря 232
8.3.3. Сценарии развития водопотребления в бассейне 234
8.4. Моделирования уровня Каспийского моря на перспективу до 2030 года. 235
8.4.1. Общие положения 235
8.5. Направления и задачи дальнейших исследований 246
Заключение 247
Список использованных источников
- Динамика водопотребления в бассейнах основных рек страны в 1982-2000 гг. и современные изменения их годового стока
- Используемые методы расчета неустановившегося движения воды в руслах
- Оценка гидрологических последствий потепления последних десятилетий XX столетия
- Методы оценки влияния возможных изменений климата на речной сток - критический обзор
Введение к работе
Актуальность работы. Надежное водообеспечение населения и отраслей экономики является необходимым условием устойчивого развития общества. При разработке стратегии в области рационального использования и охраны водных ресурсов, планировании и реализации дорогостоящих водохозяйственных мероприятий, направленных на решение проблем водообеспечения, включая оптимальное регулирование речного стока и его территориальное перераспределение, необходимо, прежде всего, иметь научно-обоснованные оценки происходящих и возможных в перспективе изменений водных ресурсов и водного режима рек под влиянием естественных и антропогенных факторов. Сложность решения этих вопросов на , современном этапе развития общества в значительной мере обусловлена особенностями социально-экономических и климатических условий последних двух десятилетий XX столетия. В этот период отчетливо обозначился процесс глобального потепления климата, для умеренных широт северного полушария особенно интенсивное повышение температуры воздуха наблюдается с конца 1970-х - начала 1980-х годов. Интенсивный рост водопотребления в бассейнах основных рек страны, наблюдавшийся в 1950-х - первой половине 1970-х годов, затем сменился его стабилизацией, а с начала 1990-х годов - резким снижением.
На фоне происходящих климатических изменений, стабилизации, а затем резкого снижения общих объемов водопотребления, в ряде регионов Российской Федерации отмечались аномальные гидрологические явления, наиболее ярким примером которых является катастрофическое повышение уровня Каспийского моря в 1978-1995 гг., приведшее к значительным затоплениям и подтоплениям прибрежных территорий и громадным экономическим ущербам.
В связи с вышеизложенным, одной из наиболее актуальных проблем, стоящих перед гидрологами, является выявление закономерностей изменений водных ресурсов и водного режима рек в современных социально-экономических и климатических условиях, и оценка этих изменений на перспективу.
Аналогичная проблема стоит и при исследованиях гидрологического режима внутренних водоемов страны. Здесь наиболее актуальными в настоящее время являются задачи, связанные с гидрологическим обоснованием проблемы Каспийского моря крупнейшего замкнутого водоема мира. Для планирования и проведения мероприятий
• по защите прибрежных территорий Каспия от затопления и подтопления, разработки общей стратегии по обеспечению надежного функционирования Каспийского водохозяйственного комплекса в условиях резких колебаний уровня моря, необходимо установить роль естественных и антропогенных факторов в многолетних колебаниях уровня, их вклад в его повышение, произошедшее в 1978-1995 гг. и выполнить оценку перспективного водного баланса моря.
Цель исследований. Целью исследований является выявление основных закономерностей динамики водных ресурсов и водного режима рек России, водного баланса Каспийского моря в современных социально-экономических и климатических условиях, и оценка возможных в перспективе их изменений при вероятных климатических сценариях будущего.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение ряда задач, в том числе, по обоснованию общих методических подходов и разработке конкретных методов ретрансформации стока рек, оценки гидрологических последствий происходящего в последние десятилетия XX века потепления климата, оценки возможных в перспективе изменений водных ресурсов и водного режима рек, водного баланса Каспийского моря, а также по их реализации для выявления роли хозяйственной деятельности и климатических факторов в современных и будущих изменениях изучаемых гидрологических процессов.
Научная новизна.
• Выявлена существенная роль климатических факторов в формировании потерь стока под влиянием отдельных видов хозяйственной деятельности (орошаемое земледелие, водохранилища) на реках южного склона ЕТР в последние десятилетия XX века.
• Выполнена оценка динамики водопотребления по бассейнам основных рек страны и отдельным крупным физико-географическим регионам.
• Произведена оценка изменений годового стока крупнейших рек страны в современных социально-экономических и климатических условиях под влиянием комплекса факторов хозяйственной деятельности.
• Разработан общий методический подход и конкретные методы ретрансформации стока рек, зарегулированных водохранилищами.
• Выполнено восстановление месячных рядов стока больших рек России, зарегулированных водохранилищами.
• Разработан методический подход к оценке гидрологических последствий потепления последних десятилетий XX столетия.
• Выполнена оценка современных изменений водности рек в условиях происходящего потепления.
• Разработана методология по оценке возможных в перспективе изменений водных ресурсов и водного режима рек, основанная на использовании результатов анализа современных изменений водности рек под влиянием климатических факторов и расчетов изменений стока при различных сценариях изменений климата, полученных по моделям общей циркуляции атмосферы и на основе палеореконструкций.
• Выполнена оценка возможных изменений водных ресурсов и водного режима рек в бассейнах Волги, Дона, Днепра и Лены, а также в целом для территории Восточно-Европейской равнины при вероятных климатических сценариях будущего. С учетом результатов перспективных оценок изменений стока больших рек России, полученных отечественными и зарубежными учеными с использованием различных методических подходов и климатических сценариев, обоснован вывод об увеличении в ближайшие десятилетия водных ресурсов на преобладающей части страны. Вместе с тем, для юго-западной части Европейской территории России, включающей бассейн Дона и российскую часть бассейна Днепра, возможно уменьшение водных ресурсов.
• Выполнена уточненная оценка основных составляющих водного баланса Каспийского моря и произведен анализ их многолетней динамики.
• Выявлена роль естественных и антропогенных факторов в многолетней динамике составляющих водного баланса моря, а также причины повышения уровня в 1978-1995 гг.
• Обоснован и реализован сценарный подход к вероятностным расчетам (прогнозам) уровня Каспия на ближайшие десятилетия.
• Выполнена оценка изменений основных составляющих водного баланса моря при возможных климатических сценариях будущего.
• Произведен вероятностный анализ возможных в ближайшие десятилетия изменений уровня Каспия при различных сценариях развития водопотребления в его бассейне и климатических условиях, на основе которого получен вывод о том, что в ближайшие три десятилетия колебания уровня моря будут происходить в диапазоне от -26,0 до -30,0 м БС, при этом наиболее вероятно положение уровня к 2030 г. в пределах отметок -27,65 -28,50 м БС. Предмет защиты. Предметом защиты является совокупность новых научно-обоснованных выводов об изменениях водных ресурсов и водного режима рек страны и водного баланса Каспийского моря в современных социально-экономических и климатических условиях, а также возможных их изменениях в перспективе при вероятных климатических сценариях будущего.
Личный вклад автора. В основе диссертационной работы лежат результаты многолетних исследований, полученных автором в отделе речного стока и водохозяйственных проблем Государственного гидрологического института при выполнении НИР Росгидромета, Федеральных целевых научно-технических программ, НИР выполненных по договорам в составе схем комплексного использования и охраны водных ресурсов, а также ряда международных проектов. По всем вышеперечисленным НИР автор являлся ответственным исполнителем или научным руководителем.
Личный вклад автора заключается в постановке задач, обосновании общей концепции и разработке конкретных методов их решения, анализе и обобщении полученных результатов, формулировках выводов и. направлений дальнейших исследований, подготовке научно-технических отчетов и научных статей. Часть результатов, которые вошли в диссертацию, получены в совместной работе с сотрудниками ГГИ, о чем в тексте диссертации имеются соответствующие ссылки.
Практическая значимость работы. Разработанная методика восстановления естественных гидрографов стока рек, зарегулированных водохранилищами, вошла в «Методические указания по оценке влияния хозяйственной деятельности на сток средних и больших рек и восстановлению его характеристик» (1986).
Результаты оценки изменений годового стока основных рек страны под влиянием комплекса факторов хозяйственной деятельности и восстановления стока по месячным интервалам времени, использованы при подготовке схем комплексного использования и охраны водных ресурсов СССР (1990), бассейна Азовского моря (1991), бассейна р.Волги (1992).
Результаты исследований современных и перспективных изменений водного баланса Каспийского моря и стока р.Волги под влиянием естественных и антропогенных факторов были использованы при разработке Комплексной программы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды в регионе Каспийского моря (КАСПАС) в 1995-1997 гг., а в последующие годы при её реализации.
Результаты исследований по ретрансформации стока р.Волги, оценке его современных и возможных в перспективе изменений под влиянием хозяйственной деятельности и климатических факторов, были использованы при выполнении ФЦП «Возрождение Волги» (1997-1999 гг.).
Полученные выводы о произошедших в последние десятилетия XX столетия изменениях водных ресурсов и водного режима рек России, а также уровня Каспийского моря под влиянием климатических факторов вошли в отчеты Межправительственной группы экспертов по изменению климата (1995,2001).
Апробация работы. Все основные результаты исследований, представленные в диссертации, докладывались на сессиях Ученого совета ГГИ. Отдельные разделы работы докладывались на съездах, симпозиумах, конференциях и семинарах, важнейшими из которых являются:
• VI Всероссийский (С-Петербург, 2004) и V Всесоюзный гидрологические съезды (Ленинград, 1986).
• I Всероссийский конгресс работников водного хозяйства (Москва, 2003).
• Всемирная конференция по изменению климата (Москва, 2003).
• Научно-промышленный форум «Великие реки» (Н.Новгород, 2000, 2001, 2003 гг.).
• Научная конференция по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды в государствах - участниках СНГ, посвященная 10-летию образования Межгосударственного совета по гидрометеорологии (С-Петербург, 2002).
• Международный конгресс ЭКВАТЭК-2002 вода: экология и технология (Москва, 2002).
• Международный семинар «Диалог по воде и климату» (Якутск, 2002).
• Международный семинар Каспийской Экологической программы (Алматы,2001).
• Сессия Ученого совета Центра международного сотрудничества по проблемам окружающей среды Российской академии наук (С.-Петербург, 1999).
• Международная конференция «Мировые водные ресурсы на рубеже XXI века» (Париж, 1998).
• Международный симпозиум «Расчеты речного стока» (С.-Петербург, 1995).
• Конференция Придунайских стран (Кельхейм, 1992). Публикации. По теме диссертации опубликовано 52 работы.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 275 стр., включая таблиц 18, 65 рисунков. Список литературы содержит 309 наименований.
Динамика водопотребления в бассейнах основных рек страны в 1982-2000 гг. и современные изменения их годового стока
Распад СССР и последовавший за ним сильнейший социально-экономический кризис привели к резкому падению промышленного и сельскохозяйственного производства, что не могло не отразиться на объемах полного и безвозвратного водопотребления в бассейнах рек и, соответственно, на масштабах влияния хозяйственной деятельности на речной сток. Поэтому важной задачей исследований являлось выявление особенностей этого влияния на водные ресурсы в конце XX столетия. Для этой цели была обобщена и проанализирована имеющаяся информация по использованию воды по всем основным бассейнам России.
Ниже приводятся результаты исследований динамики водопотребления в бассейнах рек и отдельных регионах страны за 1982-2000 гг. Исходной информацией при этом послужили данные непосредственного учета заборов и сбросов воды, опубликованные в ежегодных изданиях ГВК «Ресурсы поверхностных и подземных вод, их использование и качество».
В целом для России общее водопотребление, достигнув во второй половине 1980-х годов 113-115 км/год, к концу 1990-х годов снизились до 70 км/год (рис. 1.5), а безвозвратное - с 36-40 км3/год до 23-25 км3/год. Полученные данные по динамике водопотребления послужили основой для оценки современных изменений годового стока основных рек страны под влиянием хозяйствен ной деятельности. Такая оценка была выполнена автором с использованием ранее разработанного в ГГИ методического подхода [143, 209, 211]. При воднобалансовых расчетах, наряду с данными по безвозвратному водопотреблению, учитывались потери на дополнительное испарение с поверхности водохранилищ, аккумуляция воды в них, а также динамика естественных потерь в нижних течениях рек в связи с развитием хозяйственной деятельности в бассейнах. Для водосборов с высоким уровнем использования вод (Волга, Дон, Кубань, Терек, Сулак и Урал) был выполнен также статистический анализ многолетних колебаний годового стока и определяющих их естественных факторов.
В заключение настоящей главы необходимо подчеркнуть, что полученные в ней оценки современных изменений годового стока основных рек страны свидетельствуют о существенном снижении антропогенной нагрузки на водные ресурсы. В конце 1980-х гг. и даже в начале 1990-х гг. невозможно было представить такого развития событий. Первопричина их лежит в области политики (распад СССР и дальнейшая цепь событий). В результате социально-экономического кризиса, падения промышленного и сельскохозяйственного производства в России произошло уменьшение водопотребления.
Однако, следует иметь ввиду, что относительное уменьшение влияния хозяйственной деятельности на водные ресурсы крупнейших рек не является пропорциональным, например, снижению таких макроэкономических показателей, как валовой внутренний продукт, объем продукции и др. Этому имеется ряд объяснений. Исследования Н.И.Коронкевича и И.С.Зайцевой, выполненные с использованием обширной статистической информации, показали, что с 1990 г. в России происходит увеличение удельного водопотребления, что явилось следствием более быстрого снижения макроэкономических показателей по сравнению со спадом водопотребления [13]. По мнению авторов, это объясняется в значительной мере особенностями водопотребления в промышленности.
Используемые методы расчета неустановившегося движения воды в руслах
Одним из важнейших этапов разработанного методического подхода по восстановлению гидрографов естественного стока рек, зарегулированных водохранилищами, является расчет неустановившегося движения воды в руслах. Учитывая, что главной целью исследований являлось, в конечном итоге, восстановление естественного стока по коротким интервалам времени основных рек страны, для трансформации были использованы упрощенные методы расчета неустановившегося движения воды. В процессе разработки методов восстановления стока и их практической апробации было установлено, что для трансформации паводочных вод очень хорошие результаты дает применение кривых добегания.
Использование уравнения (2.4) для трансформации паводочного стока связано с допущением о постоянстве параметров кривой добегания по всей амплитуде изменения расходов воды. Как справедливо указывают авторы работы [11], посвященной обобщению опыта использования кривых добегания в прогнозах и расчетах стока, на многих реках при прохождении паводочных волн время добегания не остается постоянным и в связи с этим расчеты по уравнению (2.4) с постоянными значениями п и Т могут приводить к значительным погрешностям. С целью приближенного учета изменения времени добегания, амплитуду многолетних изменений расходов воды разбивают на два-три диапазона, для которых кривую добегания (2.4) приближенно принимают постоянной.
Автором был использован более общий подход, позволяющий учесть нелинейность уравнения (2.3) [54]. В основе разработанного подхода лежит предпосылка о том, что каждому элементарному расходу, поступающему на участок через верхний створ, соответствует своя кривая добегания. Надо отметить, что впервые переменные кривые добегания были использованы для расчетов гидрографов паводков по данным об эффективных осадках в работе [207],что позволило более точно отразить динамику природного процесса. Естественно, что аналогичный подход имеет, по крайней мере, не меньше оснований для расчетов трансформации паводочных волн в русле.
Подбор кривой добегания сводится к определению параметров п и Г, определяющих её вид. Проведенные ранее исследования [11] указывают на то, что между параметром п и морфометрическими характеристиками участка существует достаточно четкая связь. При относительной неизменности во времени морфометрических характеристик параметр п является для каждого конкретного участка устойчивой величиной. Параметр "Г при определенном значении п зависит только от общего времени добегания на участке, и если последнее заметно изменяется с увеличением расхода, является переменным.
Таким образом, при известном п для определения Т нужно знать время добегания на участке при различном наполнении русла. Время добегания может быть определено по измеренным скоростям течения, а наполнение русла характеризуется значением среднего расхода на участке. При ретрансформации стока, когда известны только расходы воды, поступающие на рассматриваемый участок реки через верхний створ, время добегания целесообразно определять по его зависимости от этого расхода. Как показал проведенный нами анализ таких связей по большому числу участков на ряде рек ЕТР в условиях естественного, режима, они достаточно объективно отражают характер изменения времени добегания с изменением наполнения русла.
С учетом изложенного трансформация гидрографов стока производится в следующей последовательности: Определяется зависимость времени добегания на участке от расхода в верхнем створе; Задается значение параметра п в соответствии с рекомендациями, изложенными в работе [11]; Для каждого расхода, поступающего на рассматриваемый участок реки, определяется соответствующее ему время добегания и далее параметр Т; По известным пи Г определяется кривая добегания вида (2.4) и по уравнению (2.3) рассчитывается расход в замыкающем створе; Рассчитывается критерий качества как сумма отклонений вычисленных расходов от наблюденных; Производится корректировка параметра п из условия минимума среднего квадратического отклонения рассчитанных расходов в нижнем створе от наблюденных. Данная методика была использована для восстановления естественных гидрографов стока в бассейне Волги. Восстановление стока в створе Рыбинской ГЭС производилось по суточным интервалом времени, а в целом для бассейна, включая все основные створы, по декадам. Подробно результаты этих исследований приведены в работах [54, 55,225, 50]. В случае, если конечной задачей исследований является восстановление месячных расходов воды в бассейне крупной речной системы, вполне допустимым, как показали выполненные автором совместно с А.Л.Шалыгиным многочисленные расчеты, является использование модифицированной методики восстановления по которой, в общем виде, расчет стока в нижнем створе по данным о стоке в верхнем створе и боковой приточности производился по формуле: "max max QHJ = ІЛ(г)0 нм) + ЪШОбмы) (2.5) В этой формуле, предназначенной для расчетов по месячным интервалам времени: Рв( "), Рб( 2") - значение трансформационной функции в расчетную единицу времени , соответственно для расходов верхнего створа и боковой приточности; Q Н,І - расход в нижнем створе за i-ый интервал времени; Q В,І-(Т -і) и Q б,цГ -і) - расход в верхнем створе и расход боковой приточности, доля которого, равная соответственно Рв( Т ) и Рб( Т), проходит нижний створ за i-ый интервал времени.
С использованием разработанной методики была выполнена ретрансформация гидрографов стока больших рек России, зарегулированных водохранилищами. Ниже проиллюстрируем основные этапы исследований на примере восстановления естественного месячного стока в бассейне р. Волги.
Оценка гидрологических последствий потепления последних десятилетий XX столетия
Как было показано в предыдущем разделе, в соответствии с данными наблюдений на мировой метеорологической сети, с 80-х годов прошлого столетия отмечается четкий тренд повышения глобальной температуры воздуха, причиной которого большинство климатологов считает увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере [269,271]. При этом в течение целого ряда лет в этот период глобальная температура была выше, чем за все 150 лет метеорологических наблюдений. Представляет большой теоретический, а также и практический интерес выявление реакции на это потепление водных ресурсов и водного режима рек на территории России.
В связи с эти автором, для количественной оценки происходящих изменений водных ресурсов и водного режима рек России, выявления особенностей этих изменений в различных физико-географических зонах и их причин, а также районирования территории страны по их направленности и интенсивности, был разработан и реализован методический подход основные положения которого излагаются ниже.
В связи с происходящими в последние десятилетия климатическими изменениями, прежде всего повышением приземной температуры воздуха, чрезвычайно важно выявить реакцию стока в пределах конкретных бассейнов и регионов на это потепление. Основой диагноза современных изменений речного стока на территории России является комплексный статистический анализ динамики годового, весеннего, летне-осеннего и зимнего стока средних рек, а также его внутригодового распределения. Выбор в качестве объектов исследований средних рек очевиден, поскольку динамка их стока определяется, прежде всего, климатическими факторами, а их бассейны являются репрезентативными для соответствующих физико-географических зон. Выбор створов производился с учетом следующих условий: Для объективной количественной оценки возможных направленных изменений годового и сезонного стока рек использовались ряды с продолжительностью наблюдений 55 и более лет и отсутствием или минимальным количеством пропусков в наблюдениях; При анализе динамики изменений стока и его внутригодового распределения под влиянием климатических факторов не использовались данные по створам, выше которых имеются водохранилища сезонного или многолетнего регулирования. Всего, с учетом соблюдения перечисленных выше условий, был подготовлен архив данных по месячному стоку 300 рек, расположенных в пределах Российской Федерации и сопредельных территорий. По большинству рек архив включает данные по 2000 г. включительно. Следует отметить, что по ряду бассейнов - Лены, Индигирки, Яны были использованы также данные и по более крупным рекам, поскольку большинство средних рек в этих бассейнах зимой перемерзает. Выделение гидрологических сезонов (весна, лето-осень, зима) было выполнено для каждой реки на основе анализа фактических данных по внутригодовому распределению их стока. Данные по годовому, сезонному и месячному стоку средних рек с естественным водным режимом явились информационной основой для оценки гидрологических последствий потепления последних десятилетий XX столетия, которая производилась в следующей последовательности. На первом этапе выполнялся комплексный статистический анализ рядов годового и сезонного стока с целью выявления возможных резких изменений (переломов во временном ходе) в многолетних колебаниях водности, вызванных климатическими факторами.
На втором этапе оценивались изменения годового, сезонного и месячного стока рек в последние десятилетия XX столетия, в течение которых на преобладающей части территории страны произошло наиболее существенное повышение температуры воздуха за весь период инструментальных наблюдений.
Исходные позиции при обосновании такой оценки следующие. Со второй половины 1970-х годов на территории России преобладают положительные аномалии температуры воздуха. В соответствии с данными по изменениям аномалий приземной температуры воздуха за 1886-2000 гг., приведенным в работе [80], в последние два десятилетия XX века в среднем для территории Росси температура существенно превысила норму, а за отдельные годы аномалии превышали 1,5С. В целом, потепление в последние 20-25 лет XX столетия превысило потепление 1930-х гг. В распределении аномалий температуры воздуха по территории в этот период отмечается усиление пространственной связанности аномалий: зимой и весной область положительных аномалий охватывает Европейскую и Азиатскую части России [10,13]. С конца 1970-х гг. отмечается ряд аномальных природных процессов, одним из наиболее ярких примеров которых является катастрофическое повышение Каспийского моря с 1978 г. В связи с изложенным, для всех рассматриваемых рек была выполнена оценка изменений среднего за период 1978-2000 гг., годового, сезонного и месячного стока по отношению к среднему за предшествующий многолетний период времени. В целях более детального выявления особенностей современных изменений водного режима рек, аналогичные расчеты были выполнены для двух последних десятилетий XX века: 1981 -1990,1991 -2000 гг.
Поскольку на большинстве выбранных рек непрерывные наблюдения за стоком ведутся в послевоенные годы, то в качестве расчетного периода, относительно которого рассчитывались современные изменения водности, был принят период 1946-1977 гг. Для створов с наиболее продолжительными рядами наблюдений, в целях оценки влияния выбора базового расчетного периода на результаты оценок современных изменений стока, использовались также данные за весь период наблюдений, т.е. в качестве базового был принят период с начала наблюдений по 1977 г. включительно.
Методы оценки влияния возможных изменений климата на речной сток - критический обзор
Проблема оценки и прогнозирования водных ресурсов на перспективу в несколько десятилетий всегда относилась к разделу наиболее актуальных в научной гидрологии. Она непосредственно связана с решением важнейших практических задач по планированию водообеспечения населения и экономики и, соответственно, с обоснованием крупных водохозяйственных мероприятий по регулированию стока, его территориальному перераспределению и др. На протяжении XX столетия были разработаны и к настоящему времени используются практически во всех странах мира методы оценки водных ресурсов, основанные на применение теории вероятности. Эти методы разработаны на основе изучения закономерностей многолетних колебаний стока и основываются на гипотезе стационарности гидроклиматических условий в прошлом ив обозримом будущем (период прогнозирования, как правило, исчисляется несколькими десятилетиями). Правомерность принятия этой гипотезы подтверждается . результатами исследований колебаний стока рек мира, имеющих наиболее длительные ряды наблюдений, выполненных В.Иеджевичем [307]. Применительно к рекам бывшего СССР аналогичный вывод получен А.В.Рождественским [177]. Chiew and McMahon [243] проанализировав динамику стока по 142 рекам по всему миру с периодом наблюдений больше 50 лет и площадями водосбора более 1000 км2 пришли к заключению, что статистические значимые тренды отмечаются только в нескольких регионах и между собой не согласуются. Наиболее детальные исследования, выполненные с использованием наиболее полной информации по стоку рек мира и приведенные в [306], также показали отсутствие значимых трендов в многолетних колебаниях их водности. Однако, полученные в последние десятилетия климатологами результаты по оценке влияния антропогенных факторов на глобальный климат указывают на то, что рост концентрации в атмосфере углекислого газа и малых газовых составляющих может привести уже в ближайшее время к значительным направленным изменениям климата. Начиная с 1980-х годов большинство климатологов признает неизбежность глобального потепления в результате происходящего антропогенного изменения химического состава атмосферы. Существенным этапом для мирового сообщества стала Международная конференция ЮНЕП/ВМО/МСНС, состоявшаяся в Австрии (Филлах) в 1985 г., где проблема антропогенных изменений глобального климата была признана одной из важнейших для человечества.
В связи с глобальной угрозой изменения климата страны, члены ООН, в 1992 г. на конференции по окружающей среде и развитию подписали рамочную Конвенцию ООН об изменении климата. Конечная цель Конвенции заключается в том, чтобы добиться стабилизации концентрации парниковых газов в атмосфере на таком уровне, который не допускал бы опасного антропогенного воздействия на климатическую систему. Первым шагом в этом направлении явился Киотский протокол, к которому Российская Федерация присоединилась в конце 2004 г. Вместе с тем, результаты исследований показали [269], что для стабилизации концентрации СОг в атмосфере ниже уровня 750 ppmv антропогенные выбросы должны быть значительно ниже сегодняшнего уровня. Стабилизация выбросов на уровни 1980-х годов не достаточна, поскольку в этом случае рост концентрации будет продолжен в течение всего следующего века и далее. По мнению Ю.А.Израэля [97] даже при ратификации Киотского протокола и выполнении его положений, за 100 лет сокращение эмиссии парниковых газов составит всего несколько процентов от необходимого для стабилизации. Таким образом, наблюдающееся глобальное потепление климата будет продолжаться и далее. Одним из наиболее существенных последствий ожидаемого глобального потепления климата, обусловленного увеличением концентрации парниковых газов в атмосфере, может стать изменение водных ресурсов и гидрологического режима водных объектов и территорий. От направленности этих изменений во многом зависят условия водообеспечения населения, функционирования водоемких отраслей промышленности, гидроэнергетики, сельского хозяйства, а также экологическая ситуация обширных регионов мира. Очевидна необходимость разработки новых, не основанных на гипотезе стационарности климата, методических подходов к оценке водных ресурсов будущего. Исследования по этому вопросу выполнены в течение последних лет в различных странах мира. Анализ результатов работ по проблеме оценки влияния возможных антропогенных изменений климата на водные ресурсы и водный режим рек показал, что используемые методические подходы можно условно разделить на несколько групп. Ниже приводится краткая их характеристика. а) Анализ многолетних данных наблюдений за стоком и метеорологическими факторами.
Исследования, основанные на данных многолетних наблюдений, получили достаточное распространение во многих странах мира. Они основаны на анализе, в пределах выбранных речных водосборов и регионов, гидрологических характеристик за многолетние периоды, в течение которых наблюдались существенные отклонения температуры воздуха или осадков от нормы. При этом, поскольку основной задачей исследований является изучение реакции водосборов на потепление климата, то, как правило, по данным наблюдений выбираются периоды с значительными положительными аномалиями температур воздуха и анализируются изменения осадков, водных ресурсов, водного режима и др. В работах, выполненных в последние годы, особое внимание уделяется исследованиям реакции речных водосборов на современное потепление климата.
Анализ многолетних данных наблюдений за стоком и метеорологическими факторами к настоящему время выполнен для многих бассейнов и регионов мира [218, 229, 244, 254, 283, 284]. Несомненно, результаты этих исследований представляют большой научный интерес и позволяют оценить реакцию водосборов на значительные климатические аномалии. Вместе с тем, прогнозные возможности такого подхода остаются в значительной степени неясными. Известно, что в периоды относительных потеплений осадки могли, как увеличиваться, так и уменьшаться. Например, на территории Восточно-Европейской равнины за последние 100 лет отмечались два периода значительного повышения приземной температуры воздуха: 1930-е годы и 1980-е - 1990-е годы. Однако, если потепление в первый из этих периодов сопровождалось значительным снижением осадков, то, напротив, в течение второго периода отмечается их существенное увеличение. Основываясь на результатах разработанного климатологами подхода, в котором предлагается на основе использования метеорологических наблюдений за 1980-е - 1990-е годы оценивать климатические условия ближайшего будущего [32], есть основания использовать в качестве аналога, гидрологические условия, наблюдающиеся при современном потеплении. Хотя правомерность такой аналогии в настоящее время не может быть доказана. б) Использование регрессионных зависимостей между характеристиками стока и метеорологическими факторами.
Зависимости между годовыми величинами стока, осадками и температурой воздуха установлены для многих бассейнов мира, расположенных в различных природных зонах. Такие зависимости использовались в ряде работ для оценки возможных изменений водности в результате ожидаемого потепления климата [189, 297, 304]. Такой подход отличается простотой и требует относительно небольшого объема необходимой исходной информацией. Однако, по нашему мнению к выводам, полученным путем экстраполяции на будущий период регрессионных зависимостей, установленных по данным наблюдений за прошлые годы, необходимо относиться с большой осторожностью. Последние относятся к вполне определенной ситуации внутригодового распределения метеорологических факторов, которая вряд ли повториться в будущем. Очевидно, что при одной и той же годовой температуре воздуха и сумме осадков величина годового стока может сильно варьировать в зависимости от распределения метеофакторов по месяцам и сезонам года.
