Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Гидроэкологическая безопасность территории (ГЭБТ) и условия природопользования
1.1. Опасные гидрологические процессы 11
1.2. Гидроэкологическая безопасность территории 16
1.3. Физико-географические условия природопользования 17
1.4. Социально-экономические условия природопользования 31
Глава 2. Особенности ледового режима в период замерзания
2.1. Особенности ледового режима в период замерзания 37
2.2. Влияние климатических факторов на процессы замерзания 49
Глава 3. Особенности ледового режима в период ледостава
3.1. Особенности ледового режима в период ледостава 59
3.2. Влияние климатических факторов на процессы Г ледостава 64
Глава 4. Особенности ледового режима в период вскрытия
4.1. Особенности ледового режима в период вскрытия 76
4.2. Формирование заторов на реках севера ЕТР 85
4.3. Возможность прогноза заторных явлений 92
4.4. Профилактические мероприятия и методы борьбы с заторами 98
4.5. Влияние климатических факторов на процессы вскрытия 102
Глава 5. Влияние изменения климата на ледовый режим рек и изменение гидроэкологической безопасности территории
5.1. Районирование территории по ледовому режиму 115
5.2. Изменение ледового режима и его влияния на ГЭБТ 125
Заключение 132
Список литературы ". 136
- Гидроэкологическая безопасность территории
- Влияние климатических факторов на процессы замерзания
- Влияние климатических факторов на процессы Г ледостава
- Формирование заторов на реках севера ЕТР
Введение к работе
Актуальность проблемы. Вследствие особенностей географического положения России ледовые явления в той или иной степени характерны для рек всей территории страны. Поэтому возникает необходимость решения целого ряда гидрологических задач, связанных с изучением ледового режима. Особенно это важно в арктической зоне, в том числе на севере европейской территории России (ЕТР), где проявления ледового режима могут существенно ограничивать деятельность населения.
Исследуемая территория находится в бассейне Белого моря и включает в себя бассейны рек Онега, Северная Двина, Мезень, Печора. В административном отношении территория относится к Архангельской и Вологодской областям, а также Республике Коми.
Снижение гидроэкологической безопасности территории (ГЭБТ) на севере ЕТР может быть связано с низкими уровнями воды в период появления льда, образованием шуги и зажоров, низкой прочностью и малой толщиной льда, высокими уровнями в период ледохода и образованием заторов. Все это оправдывает интерес к изучению ледового режима как в связи с освоением северных территорий страны, так и с их защитой от чрезвычайных ситуаций.
Состояние изученности проблемы. Систематическое изучение ледового режима рек севера ЕТР началось с организации сети постоянных постов в конце XIX в. К этому периоду относятся первые карты характеристик ледового режима, составленные М.А. Рыкачевым и В.Б. Шостаковичем для территории всей страны.
Изучению ледового режима в период замерзания, процессов образования внутриводного льда и шуги посвящены работы В.Я. Альтберга, В.В. Пиотровича, В.А. Рымшы, А.Н. Чижова и др.; в период ледостава, в том числе вопросу нарастания толщины льда — Ф.И. Быдина, С.Н. Крицкого, М.Ф. Менкеля, К.И. Российского, А.И. Чеботарева, А.Г. Шуляковского [50, 82]. Исследованием процессов разрушения ледяного покрова под влиянием
тепловых и механических факторов занимались В.П. Берденников [31], К.Н. Коржавин, Д.Н. Панфилов, В.В. Пиотрович и др. Существенный вклад в изучение процессов вскрытия рек внесли С.Н. Булатов и Л.Г. Шуляковский [108]. В дальнейшем теория процесса разрушения ледяного покрова получила развитие в исследованиях В.А. Бузина [21-28, 90] и была использована для прогнозной оценки возможных изменений сроков вскрытия рек под влиянием изъятия части стока.
В прошлых и современных исследованиях процессов замерзания и вскрытия рек большое внимание уделяется изучению зажорных и заторных явлений [21, 46, 47, 49, 63-65, 74, 81, 84, 100, 106]. В 1970—2002 гг. в Государственном гидрологическом институте (ГГИ) и ряде других научно-исследовательских организаций России был выполнен комплекс исследований заторов льда. После серии заторных наводнений в конце 1990-х - начале 2000-х гг. в Великом Устюге, Ленске и на Кубани интерес к ним резко возрос. Коллективом авторов, включая В.К. Дебольского, Д.В. Козлова и др., была составлена карта заторных наводнений [116]. Математическому моделированию русловых процессов в ледовых условиях, в том числе при образовании заторов, посвящены работы Е.И. Дебольской [45, 46]. Среди иностранных авторов, занимающихся проблемами заторообразования, наиболее полные исследования принадлежат С. Белтаос [110-112].
Методам прогноза сроков замерзания и вскрытия посвящены работы Гинзбурга Б. М. [34-39], Солдатовой И; И. [98-99] и Савченко Е. И. [95]. Методы прогноза сроков замерзания и вскрытия рек севера ЕТР рассматривались в работах сотрудников ААНИИ (для низовьев рек и их устьевых областей).
Возможные изменения ледового режима в последние десятилетия в связи с изменением климата оценивались Б.М. Гинзбургом [34], И.И. Солдатовой [98, 99], СВ. Борщом [16, 17], B.C. Вуглинским [32, 128] и др.
Опасным явлениям, в том числе гидрологическим, посвящены работы А.Б. Авакяна [1], С.С. Гинко [40], СМ. Мягкова [78], Р.А. Нежиховского [79, 80], А.В. Рожденственского [90], И.Н. Русина [93], А.А. Таратурина [102] и др. Вопросам гидроэкологии и оценки ГЭБТ посвящены многочисленные работы сотрудников кафедры гидрологии суши МГУ [6, 7, 9, 11—13].
Последние крупные обобщения характеристик ледового режима относятся к семидесятым—восьмидесятым годам прошлого столетия [36, 50]. В связи с происходящими изменениями климата необходимо дальнейшее изучение ледового режима рек, основанное на современных гидрометеорологических данных; сравнение особенностей ледового режима за разные периоды, в том числе изучение отклонений характеристик ледового режима от аналогичных значений за период 1961-1990 гг., который, согласно рекомендациям ВМО [129], повсеместно используется для характеристики современного климата; совершенствование методов расчета и прогноза характеристик ледового режима. Оценка гидроэкологической безопасности территории необходима для разработки методов и средств защиты населения и хозяйства от неблагоприятных проявлений ледового режима.
Цель исследования — на основе полученной за последние годы гидрометеорологической информации и с применением современных методов анализа и расчетов изучить характеристики ледового режима рек севера ЕТР (от бассейна р. Онега до бассейна р. Печора), определяющие гидроэкологическую безопасность территории, и оценить возможное их изменение в связи с глобальным потеплением климата.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
Сформировать базу данных о процессах ледового режима севера ЕТР, опасных его проявлениях и факторах, его определяющих.
Провести статистическую обработку гидрометеорологических данных, построить комплекс карт характеристик ледовых явлений и метеорологических показателей за 1961-1990 гг. и 1991-2007 гг., выявить про-
странственно-временные закономерности процессов замерзания и вскрытия рек.
Провести районирование исследуемой территории по ледовому режиму.
Выявить изменения ледового режима и его негативные проявления в современных климатических условиях, оценить его возможные изменения в будущем.
Оценить возможности прогноза и расчета характеристик ледового режима, в том числе для неизученных рек.
Оценить влияние ледового режима на безопасность населения и хозяйства на освоенных участках рек, создать методику оценки ГЭБТ, определяемой ледовым режимом.
Методика исследований и фактический материал. Исследование опасных проявлений ледового режима в диссертационной работе было проведено на основе данных наблюдений на 146 гидрологических постах и 11 метеостанциях, приведенных в специализированных изданиях и Интернет-источниках [20, 33, 41-44, 76, 87-89, 94, 96-97, 113, 122]. Данные за период 1988-2006 гг. были любезно предоставлены Вологодским областным центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, Северным территориальным управлением по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (г. Архангельск), а также отделом ледовых прогнозов Гидрометцентра России.
Данные об опасных ледовых явлениях за 2003—2008 гг., а также оперативные сводки о ледовой обстановке на реках взяты с сайта Северного межрегионального территориального управления федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды [124], сайта Центра регистра и кадастра [126] и сайта управления государственной противопожарной службы и гражданской защиты Архангельской области [118]. Представленные в работе карты построены с помощью пакета ArcView. Статистическая обработка проводилась с помощью пакетов Statistica и Excel.
При обработке данных были использованы статистические и прогностические методы, изложенные в [5, 14, 73, 91, 104, 105]. Предметом защиты являются:
Результаты регионального гидрологического обобщения характеристик ледового режима рек ЕТР, включая районирование территории по ледовому режиму, уточнение величин основных характеристик ледовых явлений, оценку влияния ледового режима на ГЭБТ;
Оценка изменения ледового режима и ГЭБТ в связи с потеплением климата;
Методики расчета и прогноза дат ледовых явлений, максимальной толщины льда, максимальных заторных уровней воды и степени опасности весеннего ледохода.
Научная новизна заключается в комплексном региональном пространственно-временном обобщении характеристик ледового режима рек севера ЕТР с учетом современной гидрометеорологической информации, оценке влияния происходящих и ожидаемых изменений климата на ледовый режим рек и гидроэкологическую безопасность территории, комплексе методических приемов, позволяющих определять характеристики ледового режима в условиях отсутствия или недостатка данных наблюдений.
Практическая значимость работы заключается в региональном анализе современной гидрометеорологической информации об опасных гидрологических процессах, оценке влияния изменений климата на ледовый режим рек территории. Полученные зависимости и комплекс карт могут быть использованы для характеристики ледового режима и оценки его возможного изменения на неизученных реках. Практическую ценность имеет разработка методических средств для долгосрочного и краткосрочного прогнозирования максимальных заторных уровней воды, фоновой опасности весеннего ледохода. Оценка гидроэкологической безопасности территории имеет большое значение для разработки методов и средств защиты населения и хозяйства от неблагоприятных природных явлений.
Результаты регионального анализа ледового режима рек севера ЕТР, оценки возможных климатических изменений и их влияния на гидроэкологическую безопасность территории вошли в отчет по гранту Президента РФ для поддержки ведущих научных школ (проект НШ-4964.2008.5), по грантам РФФИ (проекты 03-05-64306, 06-05-64099, 07-05-100045-к).
Методические и практические результаты исследования гидрометеорологических закономерностей возникновения заторов льда в узле слияния Сухоны и Юга стали основой программного комплекса для долгосрочного, среднесрочного и краткосрочного прогнозирования опасных гидрологических процессов, созданного в рамках договора с ЗАО ПО «СОВИНТЕРВОД» «Исследование ледотермического режима и русловых процессов в устьях Сухоны, Юга, а также Мал. Северной Двины для обоснования противопаводковой защиты г. Великий Устюг» и переданного Вологодскому областному центру по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.
Результаты исследования ледового режима эстуария р. Мезень и оценка его возможного изменения после строительства ПЭС вошли в «Комплексный технико-экономический доклад по обоснованию строительства Мезенской ПЭС». Результаты анализа опасных ледовых явлений в низовьях арктических рек и оценка изменения их ледового режима к концу XX в. вошли в разделы отчета по государственному контракту №43.016.11.1628 (проект Министерства промышленности, науки и технологий «Оценка роли речного стока и береговых процессов в российской Арктике в глобальных изменениях при-родной среды и климата»). Результаты также были использованы в совместных с Институтом криосферы Земли СО РАН исследованиях «Study of Permafrost Response to Climate Changes» для компании ExxonMobil (США), соглашение EM00330 от 31.08.08 г.
Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались на международных конференциях студентов и аспирантов «Ломоносов» (Москва, 2001, 2002 гг.); международной научной конференции «Великие реки — аттракторы локальных цивилизаций» (Дубна, 2002 г.); Первой
Общероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону» (Вологда, 2003 г.); VI конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей» (Москва, 2004 г.); IV научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций» (Москва, 2004 г.); Всероссийской научной конференции «Ледовые и термические процессы на водных объектах России» (Архангельск, 2007 г.); научном семинаре кафедры гидрологии суши географического факультета МГУ (Москва, 2008 г.); конференции молодых ученых «Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность» (Москва, 2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе глава в коллективной монографии, 3 статьи, одна из них в журнале, рекомендованном ВАК, 9 тезисов докладов.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 127 наименований и 10 приложений на 59 страницах. Работа изложена на 145 страницах текста, включает 76 рисунков и 18 таблиц.
Автор выражает благодарность Вологодскому областному центру по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, Северному территориальному управлению по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (г. Архангельск), а также отделу ледовых прогнозов Гидрометцентра России за любезно предоставленные данные наблюдений; докторам географических наук профессорам Н.И. Алексеевскому, В.Н. Михайлову и А.В. Христофорову за ценные консультации, а также научному руководителю Н.Л. Фроловой за длительное сотрудничество.
Гидроэкологическая безопасность территории
Под гидроэкологической безопасностью территории (ГЭБТ) понимается такое состояние отношений между населением, хозяйством, экосистемами и водными объектами, при котором возможно экономически эффективное и экологически безопасное природо- и водопользование [9]. Поддержанию ГЭБТ на уровне нормы соответствует наличие достаточных водных ресурсов, надежное водоснабжение, приемлемое качество воды, низкий природный уровень развития опасных гидрологических процессов, стабильность числа водных объектов территории, отсутствие признаков деградации водных и наземных экосистем. Снижение ГЭБТ повышает риск экологических и экономических ущербов.
Снижение ГЭБТ под воздействием ледового режима проявляется при : 1) наводнениях (заторы и зажоры); 2) нарушениях условий эксплуатации различных объектов: - водозаборов (промерзание рек и образование шуги), - ледовых переправ (низкая прочность и малая толщина льда); - мостовых переходов (наледи, навалы льда, густой ледоход при высоких уровнях воды); - водного транспорта (раннее замерзание, позднее вскрытие и очищение при низких уровнях воды); 3) повреждениях гидротехнических сооружений и плавсредств (ледовые на грузки при ледоходе).
Таким образом, ледовый режим является одним из факторов, определяющих условия равновесия между природными и социальными элементами организации территории. И его необходимо учитывать при планировании эффективного природопользования.
Отрасли хозяйства Характеристики ледового режима и ледовые явления, влияющие на отрасли хозяйства Сельскохозяйственное производство Заторные и зажорные уровни воды, уровни ледохода, навалы льда Лесное хозяйство Заторные и зажорные уровни воды, уровни ледохода, навалы льда Промышленное производство Энергетика Заторные и зажорные уровни воды, уровни ледохода, навалы льда, внутриводный лед и шуга
Транспорт, в том числе водный Для водного транспорта сроки вскрытия и замерзания, уровни ледохода и навалы льда; для остального транспорта (в том числе, мостовых сооружений) -период достаточной толщины и прочности льда (при использовании ледовых переправ), заторные и зажорные уровни воды, наледи, уровни ледохода и толщина льда Водоснабжение Образование шуги, перемерзание, наледи Рекреационный комплекс Все характеристики ледового режима, в зависимости от отрасли рекреационного комплекса
Взаимодействие между населением, хозяйством и ледовым режимом водного объекта определяется природными и социально-экономическими условиями природопользования. Исследуемая территория находится в северо-восточной части Восточно-Европейской равнины, в бассейне Белого моря и включает в себя бассейны рек Онега, Северная Двина, Мезень и Печора, а также много других более мелких. В административном отношении бассейны в основном относятся к Архангельской, Вологодской, Кировской области и Республике Коми. Территория представляет собой огромную лесистую равнину, почти не защищенную от западных и северо-западных ветров, с которыми связано поступление влажных воздушных масс. Для нее характерно избыточное увлажнение и относительное однообразие природных условий (рис. 1.1). Рис. 1.1. Физико-географическая карта исследуемой территории [15]
Равнинный характер местности только в узкой полосе на восточной границе сменяется горным. Возвышенные равнины приурочены к приводораздель-ным участкам междуречий. В целом поверхность севера ЕТР понижается с юга на север, что и определяет общее направление речного стока. Поверхность плато и возвышенных равнин пересечена густой сетью глубоковрезанных речных долин, хорошо дренированных и лишь местами заболоченных. В пределах низменностей долины неглубокие, слабо разработанные. Основная масса болот приурочена к низменностям.
Особенности климата определяются малым количеством солнечной радиации зимой, воздействием северных морей и интенсивным западным переносом воздушных масс. Характерна частая смена воздушных масс при прохождении циклонов со стороны Атлантики, с которыми связана пасмурная, с осадками погода, сравнительно теплая зимой и прохладная летом. Поступление воздушных масс арктического происхождения в любое время года сопровождается холодными сухими северо-восточными ветрами, приносящими резкие похолодания. Наиболее часты их вторжения в летнее время. В целом характерен умеренно-континентальный климат с продолжительной умеренно холодной зимой, относительно коротким теплым летом.
Средняя температура воздуха самого холодного месяца (января) - от -И...-12С на юго-западе до -18...-20С на северо-востоке. Количество среднегодовых осадков изменяется от 800 (в юго-западной) до 550 мм в северовосточной части [89].
Представленные ниже карты построены по данным 11 метеостанций (рис. 1.1) за период 1961-1990 гг. Координаты метеостанций приведены в приложении 1. Подробно рассмотрим климатическую характеристику осенне-зимних условий (рис. 1.2 и 1.3) [124].
Условия осени. Осень наступает в первой декаде сентября на юго-западе и во второй декаде августа на северо-востоке севера ЕТР. Во второй половине сентября уже возможны морозы. Осенью реки интенсивно охлаждаются. Как правило, ледообразование на реках севера ЕТР начинается в ноябре.
Октябрь - последний месяц с положительными температурами воздуха. В середине - конце октября среднесуточная температура воздуха переходит через 0С (рис. 1.4). Погода в октябре переменчива. В большинстве районов в этот месяц появляется снежный покров, который может сходить после выпадения жидких осадков. Самое раннее образование устойчивого снежного покрова зафиксировано 8 октября 1978 г.
Влияние климатических факторов на процессы замерзания
Охлаждение водоема определяется характером его теплообмена с атмосферой и особенностями самого водоема. С момента охлаждения поверхности воды до 0С начинается процесс ледообразования, развитие которого зависит от дальнейшего хода теплообмена водной поверхности с атмосферой и нижними слоями воды. При этом образование льда на поверхности также оказывает влияние на ход теплообмена, так как теплоотдача в атмосферу включает и тепло, выделяемое при ледообразовании [82].
Таким образом, основным фактором, определяющим ледовые явления периода замерзания, является теплозапас водного объекта, который в свою очередь определяется климатическими условиями и водностью рек. Чем выше теплозапас, тем позже наблюдаются сроки начала ледовых явлений на водном объекте. Ледообразование на многоводных реках задерживается по двум причинам. Во-первых, благодаря их большему теплозапасу, а во-вторых, вследствие их большей сплавной способности, а, следовательно, и продолжительности ледохода [38].
Сроки появления льда и начала ледостава за каждый год определяются соотношением водного и температурного режимов [103] _Эта„связь_можех быть выражена зависимостями сроков осенних явлений от среднемесячных температур воздуха и среднемесячных расходов воды октября или ноября. Разработанные зависимости для дат появления льда в низовьях р. Северная Двина (R = 0,79, s/a = 0,62, рис. 2.11 - здесь и далее R - множественный коэффициент корреляции и s/o - показатель оценки точности методики) и дат начала ледостава в среднем (R = 0,64, s/a = 0,64) и нижнем (R = 0,73, s/a = 0,69) течении р. Сухона позволяют сделать выводы о характере возможного изменения ледового режима при различных сценариях изменения климата.
При уменьшении расходов воды наблюдаются более ранние даты появления льда и ледостава, даже при увеличении температуры воздуха (табл. 2.2 - 2.4). Например, для низовьев р. Сухона при уменьшении расходов воды на 25% отмечаются более ранние на 1 день сроки ледостава даже при увеличении среднемесячной температуры воздуха на 2С.
Согласно прогнозам, изменение среднемесячной температуры воздуха в осенние месяцы [66] на исследуемой территории составит на период 2046-2065 гг. +3, а для периода 2081-2100 - +4,5-5,0С по сравнению с периодом 1961-1990 гг. Таким образом, к концу XXI в. следует ожидать смещения сроков появления льда к более поздним в низовьях р. Северная Двина на 14-19 сут, а сроков ледостава на р. Сухона - до 15 сут.
Некоторое снижение уровней и расходов воды в начале периода замерзания характерно для ряда рек на севере ЕТР (рис. 2.12). Эта тенденция осложняет условия перевода речного флота на зимний режим работы.
Повышение температуры воздуха увеличивает вероятность выпадения дождя вместо снега весной и осенью, что приводит к увеличению водности рек в осенне-зимний период и к истощению запасов влаги в бассейне к концу лета - началу осени при низком стоке в период половодья [120]. Увеличение водности для рек со снеговым питанием в холодный период, связанное с таянием снега во время оттепелей, подтверждают практически все гидрологи, занимавшиеся проблемами изменения климата [16]. Для севера ЕТР увеличение водности рек в осенне-зимний период связано с тем, что осадки ноября — декабря, которые должны были пойти на пополнение снегозапасов, выпадают в жидком виде или тают, приводя к осенне-зимним снегодождевым паводкам. Таким образом, даты появления льда практически не изменяются, а ледостав устанавливается позже средних сроков. В результате продолжительность периода замерзания возрастает (рис. 2.13).
Увеличение продолжительности периода замерзания - довольно опасное явление. С одной стороны, в годы с длительным периодом замерзания наблюдаются продолжительные ледоходы и шугоходы, увеличивается вероятность образования крупных зажоров и заторов, к моменту установления ледостава русло часто забито шугой, что создает неблагоприятные условия для весеннего вскрытия. С другой стороны, более поздние сроки установления ледостава уменьшают период эксплуатации ледовых переправ, которые нередко являются единственным вариантом для транспорта в холодный период, когда невозможна навигация.
Климатической характеристикой, определяющей осенний ледовый режим, может служить дата устойчивого перехода температуры воздуха через 0С. Проверка рядов дат устойчивого перехода температуры воздуха через 0С осенью показала отсутствие статистически значимых трендов (критерий ранговой корреляции Спирмена с риском а=5%) (рис. 2.14). Изменение даты устойчивого перехода температуры воздуха через 0С за период 1991— 2006 гг. по сравнению с аналогичными значениями за период 1961-1990 гг. для большей части территории составляет 1-2 дня, а для м/с Койнас (бассейн р. Мезень) - 4 дня.
Для выполнения расчета или краткосрочного прогноза дат начала ледостава можно использовать данные о датах устойчивого перехода температуры воздуха через 0С (рис. 2.15). Относительное постоянство погодных условий осени и достаточно густая сеть метеорологических станций позволяет составить такие зависимости практически для любого изученного участка рек севера ЕТР. В данной работе были построены зависимости для 10 метеорологических станций и гидрологических постов, с высокими коэффициентами корреляции (0,77-0,89) и удовлетворительными значениями S/G (0,48-0,63).
Изменение сроков замерзания за период 1991-2006 гг. по сравнению с периодом 1961-1990 гг., в общем, повторяет изменения для дат устойчивого перехода температуры воздуха через 0С (рис. 2.16 - 2.17). Даты замерзания сместились на 5 сут. и менее в сторону более поздних сроков. Для некоторых рек в бассейне Печоры из-за низкой водности рек в период замерзания наблюдается незначительное изменение сроков на более ранние. Хотя средние сроки начала ледостава изменились мало, последние 5 лет (2004-2008 гг.) ледостав устанавливается позже на 2—4 недели. В 2006 г. ледостав установился в сроки, близкие к норме на севере и востоке территории, но был разрушен во время оттепели.
Влияние климатических факторов на процессы Г ледостава
В качестве основных климатических факторов изменения ледового режима можно выделить следующие: сумму среднесуточных отрицательных температур воздуха, сумму твердых осадков, сумму положительных температур воздуха и дней с положительными температурами воздуха за холодный период.
Сумма отрицательных температур воздуха является как показателем суровости зимы, так и основным фактором нарастания толщины льда. В суровые годы сумма отрицательных температур воздуха достигает 4000 (С) и более на северо-востоке территории и 2000 на юго-западе; в мягкие зимы сумма отрицательных температур воздуха составляет 1500-2000 на северо-востоке и 500—1000 на юго-западе территории (рис. 3.6). За последние несколько лет наметились определенные тенденции к смягчению суровости зимнего периода. Для м/с Котлас, Архангельск, Сыктывкар и Вологда тренды изменения суммы отрицательных температур воздуха значимы (проверка проводилась критерием ранговой корреляции Спирмена с риском а = 5%). В результате малые значения толщины льда и прочности не позволяют открывать ледовые переправы в традиционные сроки практически на всей территории, что приносит определенные убытки расположенным на ней предприятиям.
Сумма осадков за холодный период является косвенной характеристикой снегозапаса к началу снеготаяния. Для всех метеостанций исследуемой территории увеличение суммы твердых осадков статистически значимо. Сумма твердых осадков в малоснежные зимы составляет менее 100 мм, в снежные зимы - до 300-350 мм (рис. 3.7). Но при наличии частых и продолжительных оттепелей даже при больших значениях зимних осадков к весне наблюдаются дефицит снегозапасов и низкие расходы воды в период половодья. Расходы и уровни воды в период половодья также зависят от погодных условий весны и характера снеготаяния. При неблагоприятном сочетании факторов (относительно низкой температуре воздуха и дефиците осадков) наблюдаются значительные потери стока. Таким образом, увеличение количества осадков за холодный период редко приводит к экстремально высоким половодьям.
Сумма положительных температур и дней с положительными температурами воздуха за холодный период характеризуют особенности оттепелей. За период 1961-1990 гг. температура воздуха при оттепелях составляла 2— 5С, при этом длительность оттепелей составляла в половине случаев 1— 2 дня. При таких непродолжительных оттепелях нередко выпадал дождь, что способствовало уплотнению и оседанию снежного покрова. Количество дней с оттепелями не изменилось (рис. 3.9), что связано с более поздним устойчивым переходом температуры воздуха через 0С осенью и более ранним — весной. Оттепели стали более продолжительными, и зимой 2006-2007 гг. почти на всех реках наблюдалось осенне-зимнее вскрытие. Это довольно редкое для севера ЕТР явление, и за последние 50 лет оно наблюдалось только в 1969, 1977 и 1982 гг. Однако по охвату, продолжительности осеннего ледохода при исключительно высоких уровнях воды, мощности осенних заторов и масштабам неблагоприятного воздействия, чрезвычайные условия, сложившиеся в декабре 2006 г., являются экстремальными и не имеют аналогов за историю 50—70-летнего периода. Ледоход на реках бассейнов Онеги и Северной Двины повсеместно сопровождался образованием заторов и резкими подъемами уровней воды. В результате образования затора и подъема уровня воды в г. Котлас началось разрушение укрепления мостового перехода. В результате паводка в бассейне Северной Двины были затоплены дороги, луга с зимним хранением сена, повреждены деревянные мосты и понтонные переправы, линии телефонной связи. Высокие уровни воды вызвали затопление зимних плотбищ, что на 1,5 месяца задержало проведение работ по подвозке древесины. На затопленных лугах произошло смерзание подмокшего сена. Ледостав на реках, где произошло вскрытие и прохождение зимнего ледохода, устанавливался с конца декабря до конца января, что позже нормальных сроков на 40-50 сут., на отдельных участках рек - на 65 сут. С 8 декабря 2006 г. по 31 января 2007 г. на территории Архангельской области был введен режим чрезвычайной ситуации [124].
Вследствие изменения метеорологических характеристик (суммы отрицательных температур воздуха, суммы твердых осадков, суммы положительных температур воздуха и дней с положительными температурами воздуха за холодный период) отмечаются следующие тенденции изменения ледового режима периода ледостава. Как отмечалось выше, максимальная толщина льда — характеристика многофакторная, при этом основным фактором, обусловливающим изменение толщины льда, является сумма отрицательных температур воздуха. Максимальная толщина льда может быть рассчитана по значениям суммы отрицательных температур воздуха. Составленные зависимости для 6 метеорологических и 6 гидрологических постов (рис. 3.10) имеют высокие коэффициенты корреляции (0,66-0,82), удовлетворительные значения s/a (0,59-0,69) и могут быть использованы при восстановлении рядов наблюдений.
Уменьшение толщины льда за период 1991—2007 гг. по сравнению с аналогичными значениями за период 1961-1990 гг. составляет до 15 см (рис. 3.11). Эти тенденции более заметны на юге территории, где температура воздуха в зимний период чаще меняется на положительную в период оттепелей и изменения суммы отрицательных температур воздуха более заметны. Уменьшение суммы отрицательных температур воздуха за последние 17 лет для м/с Вологда составило 12%, уменьшение максимальной толщины льда для г/п Тотьма на р. Сухона — 15 см, а для м/с Койнас - только 4%, уменьшение максимальной толщины льда для г/п Малонисогорская на р. Мезень — 8 см. Продолжительность ледостава за период 1991-2007 гг. по сравнению со значениями за период 1961-1990 гг. изменилась не более чем на 8 сут. (рис. 3.12). В большинстве случаев уменьшение продолжительности ледостава происходит из-за более позднего замерзания рек.
Уменьшение продолжительности ледостава, толщины льда и его прочности сокращает сроки эксплуатации ледовых переправ. На севере ЕТР для некоторых населенных пунктов зимники и ледовые переправы являются единственным наземным путем сообщения с другими населенными пунктами в зимний период. Кроме того, такими дорогами часто пользуются для транспортировки грузов на промышленные объекты, поскольку воздушное сообщение между населенными пунктами было прекращено еще в 70-80-е годы XX в. Карта ледовых переправ на зиму 2007-2008 гг. представлена в главе 1.
Формирование заторов на реках севера ЕТР
Весенний ледоход на реках севера ЕТР проходит интенсивно, при высоких уровнях воды и сопровождается заторами льда. Скопления льдин в русле при заторах вызывают подъем уровней воды и наводнения. Нередко заторные уровни воды превышают максимальные уровни половодья. Заторные наводнения особо опасны тем, что происходят в холодное время года и сопровождаются выходом на берег льда, который разрушает расположенные в пределах зоны затопления сооружения. Хотя заторные наводнения и кратко-временны (до 10 сут.), причиняемый ими ущерб, как правило, намного превышает ущерб от наводнений в период свободной ото льда реки [21].
Заторы не всегда ведут к бедствию. Задерживая лед и давая тем самым возможность рассредоточиться ледовым массам ниже по течению, они в какой-то мере нормализуют ледоход. Так, небольшие заторы в Орленцах позволяют р. Северная Двина ниже по течению достаточно «подготовиться» к вскрытию, в этом случае катастрофические заторы у г. Архангельск не образуются.
Заторообразование характерно для начальной стадии вскрытия, когда энергия волны половодья еще невелика, лед не мятый, среди плавающего льда много крупных льдин, являющихся «лидерами» заторообразования. Места образования заторов приурочены к участкам резкого уменьшения уклона русла, островам резким поворотам, сужениям русла и т.д. На больших реках заторы нередко начинаются при подвижках льда. Значительную роль в их формировании играет неодновременность развития половодья на основной реке и притоках. Особо надо выделить заторы антропогенного происхождения. Они образуются при малых скоростях ледохода (менее 1,0 м/с) перед мостами, пролеты которых не обеспечивают свободного беззаторного пропуска льда. Перечисленные выше природные условия усугубляют опасность заторов перед мостами [69].
Места образования заторов меняются из года в год, но на больших реках они относительно постоянны (рис.4.11, приложение 9). Данные, представленные в приложении 9, несколько отличаются от данных каталога [62], поскольку информация, представленная в каталоге, основана на данных до 1970 г.
Для определенных участков рек заторы являются неотъемлемым этапом процесса вскрытия. Особенно это характерно для рек, вскрывающихся по динамическому типу. В этих условиях весенний ледоход на реках проходит интенсивно, при высоких уровнях воды и сопровождается заторами льда. Мощность затора в том или ином году на конкретном участке реки определяется сочетанием двух групп гидрометеорологических факторов: а) тепловых, ко торые определяют интенсивность таяния льда, его толщину и прочность; б) динамических, под воздействием которых происходит взлом и нарушение целостности ледяного покрова, транспортирование льда вниз по реке, торошение и подсовы льдин под кромку ненарушенного ледяного покрова. Определенному сочетанию прочности, толщины льда и расходов воды соответствует определенная ледовая обстановка на участке реки: ледостав, затор, ледоход [21].
Ледовые процессы на реках в разные фазы ледового режима взаимосвязаны. Особенно это характерно для рек с устойчивым ледоставом, на которых ледовый режим представляет собой непрерывный процесс от замерзания до вскрытия. Сумма осадков за хо- Сумма осадков в пери лодный период од вскрытия Мощные заторы образуются при высоких осенних уровнях воды, наличии зажоров, высоких значениях прочности и толщины льда, зашугованности русла, дружной весне. Похолодания в период вскрытия увеличивают прочность льда и стабилизируют существующие заторы. Наиболее мощные заторы образуются после холодной зимы при дружном формировании весеннего половодья. Наличие осадков в период вскрытия способствует росту расходов воды.
На реках, текущих с юга на север, волна половодья продвигается быстрее фронта положительных температур воздуха, поэтому вниз по течению сокращается продолжительность подготовительного периода к вскрытию реки, и речной поток взламывает ледяной покров, мало затронутый тепловым разрушением. По мере того как волна половодья нагоняет кромку льда, возрастает высота подъема воды при вскрытии реки и увеличивается заторо-формирующий расход воды, вследствие чего в низовьях крупных рек, текущих на север (Северная Двина, Печора), заторный максимум уровня воды и максимум весеннего половодья совпадают во времени. При интенсивном снеготаянии в тылу фронта потепления создаются условия для формирования мощных заторов льда.
Если фронт положительных температур воздуха распространяется по реке относительно быстро, то фронт таяния намного опережает в своем продвижении кромку ледяного покрова, и прочность льда при вскрытии мала. В этом случае заторы образуются в начале половодья и обладают небольшой мощностью и продолжительностью. Иногда живое сечение реки забивается при заторе битым льдом на 60—80%.
Существуют определенные закономерности в распределении заторов в бассейне реки. Они определяются как гидрологическими условиями периода замерзания, ледостава и вскрытия, так и погодными условиями в эти периоды. Кроме того, на образование затора на участке реки влияет ледовая обстановка ниже и выше по течению. В теплые многоводные и средневодные годы заторы образуются практически на всех заторных участках рек. В теплые ма ловодные годы заторы образуются на притоках, задерживая процесс вскрытия, они обеспечивают беззаторный проход льда по главной реке. В холодные годы заторы образуются равномерно, т.е. и в нижнем, и в верхнем течении. Видимо, этому способствует большее количество льда в бассейне. В целом количество заторов в холодные годы меньше, чем в теплые и средние по температуре воздуха. В средние по температуре воздуха годы вскрытие происходит довольно быстро (до 10 сут.), что обеспечивает образование заторов по всей длине рек. Поэтому существует несколько сценариев процесса вскрытия в бассейне [57] (рис. 4.12 - 4.15): 1) заторы образуются в верховьях реки, что задерживает вскрытие до того момента, когда среднее и нижнее течение освободятся ото льда; 2) вскрытие рек происходит в целом спокойно, но с небольшими непродолжительными остаточными заторами по всей длине рек; 3) одновременное вскрытие достаточно протяженного участка реки или одновременное вскрытие реки и притока.
В пределах одного крупного бассейна могут наблюдаться несколько сценариев вскрытия. Например, в 1983 г. реки Сухона и Юг вскрылись прак тически одновременно, что повлияло на образование затора в узле их слияния, вскрытие же бассейна р. Пинега происходило постепенно, что сопровождалось образованием остаточных заторов на этом участке [56] (рис. 4.12).
