CC BY
16НАУЧНЫЕ СТАТЬИ
Гидрометеорология и экология №1 2013
УДК 556.18.004.14
Канд. техн. наук С.П. Шиварева *
Канд. техн. наук В.И. Ли
Канд. геогр. наук В.В. Голубцов
МОДЕЛИРОВАНИЕ УРОВНЯ КАСПИЙСКОГО МОРЯ С УЧЕТОМ ВОДОПОТРЕБЛЕНИЯ И В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ КЛИМАТА
УРОВЕНЬ МОРЯ, РЕЧНОЙ СТОК, ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, КЛИМАТ, ВОДОПОТРЕБЛЕНИЕ
В настоящее время уровень Каспийского моря достиг отметки минус 27м. Для оценки возможного изменения уровня моря проведена серия численных экспериментов. Моделирование проводилось с использованием водобалансовой модели, двух сценариев изменения климата А2 и В2 и двух вариантов расчёта суммарного притока в море. Из приведенных результатов моделирования оба варианта не сильно отличаются друг от друга. В перспективе уровень Каспийского моря не будет превышать отметку минус 25,4 м абс. и не будет снижаться ниже отметки минус 27 м абс.
Моделирование осуществлялось с использованием водно-балансовой модели с целью оценки уровня моря на перспективу в условиях хозяйственной деятельности и изменяющегося климата. Модель позволяет рассчитывать уровни моря по стоку в водоем с учетом его изменений за счет возможных колебаний климата и водопотребления в бассейне при различных значениях эффективного испарения (испарение минус осадки) и поступления воды в залив Кара-Богаз-Гол [9, 15]. Расчет уровней водоема в этой модели производится методом последовательных приближений.
При выполнении водно-балансовых расчетов в качестве основной информации использовались сведения об уровне моря, притока воды в море, полученные путем непосредственных наблюдений. При этом уровень моря рассчитывался как среднее по данным станций Баку, Махачкала, Туркменбаши (Красноводск) и Форт Шевченко.
Казгидромет, г. Алматы
83
*
Гидрологический режим, водный баланс и уровень Каспийского моря тесно связаны с поверхностным стоком в пределах его бассейна. В Каспийское море впадает около 160 рек, но основной объем стока приносят в море реки: Волга (до 80 %), Урал (около 5 %), Терек, Сулак, Самур (в сумме до 5 %), Кура (около 6 %). Сток рек иранского побережья, малых рек Кавказа и прочих составляет 4...5 %. Среднемноголетний годовой сток рек в море составляет около 300 км3 воды.
С конца 30-х годов 20-го века Волга начала использоваться как источник гидроэнергии. В настоящее время в бассейне Волги сосредоточено около 45 % промышленного и примерно 50 % сельскохозяйственного производства Российской Федерации (РФ). На реке построено 9 водохранилищ с гидроэлектростанциями. Начиная с 1950-х годов, началось заполнение крупнейших водохранилищ Волжско-Камского каскада, в результате за счет снижения стока Волги резко уменьшился её приток в Каспийское море. К концу 1980-х годов уменьшение притока в море за счет хозяйственной деятельности составляло уже около 40 км3/год, или 13 % нормы суммарного притока. Если с 1956 по 1975 гг. основным фактором хозяйственной деятельности, способствующим наибольшему уменьшению притока в море, были сооружение и эксплуатация водохранилищ, то уже в 1980-е годы ведущая роль принадлежала затратам воды на нужды орошения [13], затем эти затраты резко уменьшились. В бассейне Волги в 1996 г. по сравнению со средними показателями за 1986.1990 гг. они уменьшились на 21 %.
Восстановление естественного стока р. Волги в створе г. Волгоград, начиная с 1960 г., производилось путем прибавления к наблюденному (бытовому) стоку величины суммарного водозабора воды на хозяйственные нужды в ее бассейне за каждый год.
На рис. 1 приведена совмещенная разностная интегральная кривая восстановленных естественных и наблюденных (бытовых) расходов воды р. Волга - г. Волгоград, за период 1901.2010 гг., где более наглядно видна антропогенная нагрузка на речной сток рассматриваемого бассейна.
Потери воды в низовье р. Волги являются необходимым элементом при расчёте водного баланса Каспийского моря. Они состоят из потерь воды при перемещении стока по руслу на участке длиной 430 км от г. Волгограда до с. Верхнее Лебяжье и потерь воды в дельте [4]. Большинство расчетных выражений для определения величины потерь на указанном участке и в дельте реки основаны на логических построениях и прикидочных расчетах. Наиболее
84
обоснованными являются расчеты ежегодных потерь в низовье р. Волги, основанные на определении площадей увлажненных и покрытых водой поверхностей поймы и дельты в различные годы и испарения с водной поверхности и водной растительности с учетом выпавших атмосферных осадков.
Рис. 1. Совмещенная разностная интегральная кривая 1 - наблюденного (бытового) и 2 - естественного (восстановленного) стока р. Волга -г. Волгоград за период 1927...2010 гг.
Такая работа была выполнена в Государственном гидрологическом институте (ГГИ - г. Санкт Петербург) Шикломановым И.А. и Кожевниковым В.П., в которой впервые были определены потери в низовьях р. Волги за 1936.1970 гг. [14]. Значительно позже аналогичная работа была выполнена Голубевым В.С. и Цыценко К.В. за 1952.1990 гг. [8]. При определении потерь в низовье Волги в указанных работах были использованы результаты непосредственных наблюдений за испарением в пойме и дельте реки. Эти данные были использованы нами для оценки изменения стока в низовье р. Волги. Проведенные исследования показали, что основными факторами, определяющими изменение стока в пойме реки, являются: объем воды р. Волги в створе г. Волгоград и характеристика неравномерности его распределения внутри года. В качестве характеристики неравномерности распределения стока внутри года использован коэффициент вариации Су месячных значений стока [2].
85
Математические выражения для определения изменений стока в дельте р. Волги имеют вид:
ау„ - (1)
п 2,5 - С,
и
- о,оозт'Е, (2)
где АУП - изменение стока в пойме на участке г. Волгоград - с. Верхнее Лебяжье, км3/год; АУд - изменение стока в дельте, км3/год; Ж - площадь дельты, 103 км2; УЕ - объем годового стока р. Волги у г. Волгограда, км3/год; С, - коэффициент вариации месячного стока у г. Волгограда за отдельные годы.
Несмотря на значительные различия в оценке границ и размеров дельты, удалось установить зависимость ее площади от уровня моря [4]:
Ж--20-, (3)
1 + ехр[0,67(7 + 35) - 5,97] где Ж - площадь дельты р. Волги, 103 км2; Ъ - уровень моря, м.
Подставив в выражение (2) значение Ж из уравнения (1), получим:
АУд -_Ше_. (4)
Д (2 - С,){1 + вхр[0,67(2 + 35) - 5,97]}
Сток из дельты р. Волги в Каспийское море может быть определен по выражению:
Уд - УE-AУп-AУд, (5)
где Уд - сток из дельты р. Волга в Каспийское море, км3/год.
Река Урал берет начало на Южном Урале (хребет Уралтау) на территории РФ. Река протекает по территории России (Башкортостан, Челябинская и Оренбургская области), Казахстана (Западно-Казахстанская и Атырауская области) и впадает в Каспийское море.
Сток р. Урал, поступающий в Каспийское море, измеряется в створе г. Атырау (г. Гурьев). Восстановление естественного стока р. Урал в створе г. Атырау производилось с помощью зависимости его значений от стока р. Урал в створе с. Махамбет за период 1936.. .1956 гг..
До конца 1920-х годов сток Урала в Каспий осуществлялся по двум основным рукавам дельты (Яик и Урал) и их многочисленным боковым ответвлениям (ерикам). Свободный выход воды в море, небольшие размеры самой дельты и короткий период ее заливания (не более месяца в
86
многоводные годы) не способствовали формированию здесь сколько-нибудь ощутимых затрат стока. Понижение уровня моря и увеличение водозабора из Урала обусловили заметное понижение уровня воды в дельте, которое привело к сосредоточению стока в главных рукавах и отмиранию боковых ериков — они стали тупиковыми. В устьевой области р. Урал формируются значительные объемы потерь стока, которые заметно уменьшают приток в Каспийское море. Их образование происходит под влиянием как естественных, так и антропогенных факторов [7]. Согласно [7], за 1936.1990 гг. потери в дельте составили около 0,4 км3/год.
Учет стока р. Урал в море тесно связан с оценкой его потерь в низовье реки. Потери стока непосредственно в дельте до недавнего времени не определялись. В 1950.1960 гг. антропогенные потери стока в устьевой области Урала не превышали 20 % его суммарного объема [15]. В последующем, влияние хозяйственной деятельности возросло, и с середины 1970-х годов потери здесь зависели, в основном, от водозабора на орошение и водоснабжение [13]. На транзитном участке от с. Кушум до с. Махамбет за период 1961.2005 гг. уменьшение стока составило 0,97 км3/год. На участке Махамбет - Атырау за этот же период потери стока составили 0,45 км3/год.
Интенсивное расширение орошаемого земледелия на районы, прилегающие к Каспийскому морю (в пределах республик СССР), продолжалось примерно до конца 1970-х - начала 1980-х годов прошлого столетия, затем темпы его резко замедлились. С распадом СССР и затяжным социально-экономическим кризисом водопотребление в хозяйственных целях стало снижаться. В бассейне Волги в 1996 г. по сравнению со средними показателями за 1986.1990 гг. оно уменьшилось на 21 %, в бассейне Су-лака - на 26 %, а в бассейне Терека - на 40 %. Водопотребление из рек побережья Ирана оставалось устойчивым [13].
Суммарное поступление поверхностных вод в Каспийское море складывается из стока рек Волга, Урал, рек Кавказского побережья (Кура, Терек, Сулак и Самур), стока рек Иранского побережья и Междуречья западного берега моря. Из площади бассейна Каспийского моря, равной примерно 3 млн. км2, речной сток поступает с водосборной площади около
Т 2
2 млн. км .
Наиболее длительные наблюдения за стоком на гидропостах имеются по рекам: Волга, Урал и некоторым рекам Кавказского побережья. По оценкам, выполненным в ГГИ [7], суммарный приток в низовья каспийских рек за период 1936.1996 гг. составил в среднем 302 км3/год;
87
сток в море составил 277 км3/год. Из этого значения на долю Волги приходится 83 %, а на долю Куры - 6 %. Реки побережья Ирана доносят до моря 10,7 км3/год, или около 4 %. Суммарный сток рек Волга и Урал составляет 85,2 %, доля рек Кавказского побережья - более 10 %, около 4 %
- составляют реки побережья Ирана, а реки Междуречья западного берега
- 0,4 % (табл. 1).
Таблица 1
Распределение суммарного стока в море, в % (по данным ГГИ)
Река Приток из зоны формирования, км Потери в нижнем течении Приток в море
3 км % 3 км доля, в %
Волга 242 13,7 5,7 229 82,6
Урал 8,7 1,5 17,1 7,2 2,60
Терек 9,1 2,4 25,8 6,8 2,45
Сулак 5,5 1,3 24,2 4,2 1,51
Самур 2,0 0,3 15,1 1,7 0,61
Кура 16,0 0,4 2,7 16,6 5,98
Побережье Ирана 16,1 5,4 33,4 10,7 3,86
Междуречье западного берега 2,3 1,1 47,8 1,2 0,43
Всего 302 26,1 8,6 277,4 100,0
*
Примечание: Для Куры расчет по створу г. Сальяны, приток в море с учетом коллекторов (1,3 км3/год).
Что же касается непосредственного учета стока в море, то регулярные его измерения в устьях либо совсем отсутствуют (Волга, Самур), либо имеются только за непродолжительный период (Урал, Кура, Сулак) и не по всем водотокам дельт (Терек). В связи с удаленностью гидростворов, непродолжительностью наблюдений на них возникла необходимость применения расчетных методов для оценки стока и его потерь не только в дельтах, но и в пределах придельтовых участков.
За период с 1880 по 1993 гг. для оценки притока воды в море использовались данные ГГИ, с 1994 по 2009 гг. - данные Лаборатории изучения морей Государственного океанографического института (ГОИН), опубликованные в Гидрологических Ежегодниках и статьях отдельных авторов (табл. 2) [3, 6, 7, 8, 10, 14].
Наибольший вклад в суммарный приток дает р. Волга. В среднем за период 1880.1996 гг. на долю Волги приходилось 83 % общего притока. Следует отметить, что относительный вклад Волги в приток к морю увеличился от 83 % в первой половине столетия до 85 % в 1980.1990-е годы [13].
88
Таблица 2
Суммарный приток поверхностных и подземных вод в Каспийское море
Год Приток в море, км3/год Год Приток в море, км3/год Год Приток в море, км3/год
1880 328 1925 291 1970 303
1885 294 1930 254 1975 181
1890 259 1935 235 1980 283
1895 357 1940 242 1985 328
1900 303 1945 250 1990 368
1905 304 1950 269 1995 322
1910 206 1955 293 2000 297
1915 356 1960 238 2005 338
1920 240 1965 257 2010 267
Это связано, прежде всего, с тем, что в бассейнах рек западного и иранского побережья относительное влияние хозяйственной деятельности на их годовой сток в течение рассматриваемого периода времени было выше, чем в бассейне Волги. С 2001 г. для оценки стока использованы данные за стоком Волги в створе с. Верхнее Лебяжье, состоящие из стока Волги в основном ее русле, Волго-Ахтубинской пойме и рукаве Ахтуба.
Для оценки стока р. Урал в море использованы данные в створе с. Кушум и г. Атырау. В устьевой области р. Урал формируются значительные объемы потерь стока, которые заметно уменьшают приток в Каспийское море. Их образование происходит под влиянием как естественных, так и антропогенных факторов.
Потери стока в устьевой области р. Урал по оценкам ГГИ, полученным по зависимостям между расходами воды в створах Махамбет (Тополи) - Атырау, Атырау - устья рукавов за период 1936.1996 гг. составили 1,5 км3/год. По выполненным нами расчетам за период 1980.2009 гг. они увеличились и составили 2,55 км3/год.
Согласно исследованиям Г.Ю. Фатуллаева водные ресурсы рек северо-восточного склона Кавказа составляют 0,9 км3/год [12]. Потери их стока происходят за счет естественной фильтрации и водозабора на хозяйственные нужды. По расчетам азербайджанских ученых [1], затраты стока здесь составляют около 60 % водных ресурсов (0,54 км3/год), а приток в море равен 0,36 км3/год. В Ленкорани, по данным [12], из 1 км3/год ресурсов поверхностных вод, моря достигает примерно 0,65 км3/год.
Потери стока в устьевых областях водотоков по оценкам составляют 26 км3/год, или примерно 9 % суммарного стока, поступившего в эти
89
районы. В низовьях Волги расходуется 53 % всех затрат поверхностных вод, а в дельтовых равнинах Ирана - 17 %.
Так как наблюдения за стоком рек Кавказа носят эпизодический характер или имеются периоды с отсутствием наблюдений, а за последний период их получить достаточно сложно, возникла необходимость определения суммарного поступления стока в море по данным на основе использования суммарного стока рек Волга и Урал. Сток рек Кавказского и Иранского побережий, а также Междуречья западного берега рассчитан на основе суммарного стока рек Волги и Урала.
На основании соотношений притока в море различных рек приведенных выше, были получены уравнения для определения суммарного стока рек Кавказского побережья моря (Жк) за период 2001.2010 гг.:
С 1,0 4
Жк = 0,105 •
ч 0,876
+ Жу ), (6)
где Жв - сток р. Волги, км3/год; Жу - сток р. Урал, км3/год.
Суммарный сток рек Иранского (ЖИ) побережья может быть
определен с помощью следующего уравнения:
С 1,0 4
ЖИ = 0,032 •
V 0,876^
(Жв + Жу ). (7)
Общий сток рек междуречья западного берега (ЖЗБ) может быть
:
•(Жв + Жу ). (8)
определен с помощью следующего уравнения:
С 10 4
ЖЗБ = 0,0046 • — V 0,876
В этих условиях сток р. Урал в море может быть принят равным 2,6 %, сток рек Кавказского побережья - 9,2 %, сток Иранского побережья - 2,8 %, сток Междуречья западного берега - 0,4 %.
В табл. 3 приведены данные по стоку рек, впадающих в Каспийское море, с учетом притока подземных вод в размере 4 км3/год за 2001.2010 гг.
Сопоставление средних значений суммарного притока в море, приведенных в табл. 3 с данными ГОИН за 2001.2009 гг. показывает, что они составляют соответственно 301 км3/год и 298 км3/год. Это указывает на то, что приведенная расчетная схема может быть использована при оценке притока в море на ближайшую перспективу.
90
Таблица 3
Поступление речных и подземных вод в Каспийское море за 2001.2010 гг., км3/год
Год Река Сток Кавказских рек Сток Иранских рек Сток рек Западного берега Подземный сток в море Суммарный сток в море
Волга Урал
2001 273 9,15 33,8 10,3 1,48 4,00 332
2002 254 11,3 31,8 9,69 1,39 4,00 312
2003 243 8,00 30,1 9,19 1,32 4,00 296
2004 255 8,60 31,6 9,64 1,39 4,00 311
2005 280 8,69 34,7 10,6 1,52 4,00 340
2006 200 2,28 24,2 7,37 1,06 4,00 238
2007 276 7,12 34,0 10,4 1,49 4,00 333
2008 228 4,61 27,9 8,50 1,22 4,00 274
2009 228 5,75 28,0 8,53 1,23 4,00 275
2010 194 5,03 23,9 7,28 1,05 4,00 236
Безвозвратное водопотребление речного стока является основным фактором сокращения суммарного стока воды в море и понижения его уровня. Для оценки безвозвратного водопотребления в бассейне р. Волги за период с 1955 по 2010 гг. использованы данные ГГИ [6]. В бассейне р. Урал водопотребление рассчитывалось как разность восстановленного естественного и наблюденного (бытового) стока.
Для оценки безвозвратного водопотребления в бассейнах рек Терек и Сулак были использованы данные, приведенные в работе [6]. Для бассейнов рек Кура и Самур его величина определялась на основе отрывочных сведений, приведенных в работе В.Ю. Георгиевского и др. [7]. Для уровня 1960 г. оно было принято равным 0,2 км3, для уровня 1971 г. -0,25 км3. Наиболее надежные сведения о безвозвратном водопотреблении в бассейнах этих рек имеются для уровня 1985 г., в котором оно составило 1 км3 в год. Для реки Самур безвозвратное водопотребление на уровне 1960 г. принималось равным 0,2 км3, для уровня 1980.1985 гг. оно было равным 0,5 км3. Начиная с 1985 г., водопотребление рек Куры и Самура рассчитывалось в соответствии с его динамикой в бассейнах рек Терек и Сулак. Для этого для 1985 г. определялось отношение водопотребления рек Терек и Сулак к суммарному водопотреблению рек Кура, Терек, Сулак и Самур. Оно оказалось равным 0,87. Суммарное водопотребление указанных рек в дальнейшем определялось путем деления водопотребления рек Терек и Сулак на указанный коэффициент 0,87.
91
Водопотребление в бассейнах рек Иранского побережья из-за отсутствия достоверных данных на данном этапе расчетов во внимание не принималась.
В результате суммирования безвозвратного водопотребления стока указанных рек была определена его суммарная величина для бассейна Каспийского моря (рис. 2).
ДУ, км3/год
60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0
Рис. 2. Суммарное безвозвратное водопотребление стока речных вод, впадающих в Каспийское море, за период 1955... 2010 гг.
В начальный период водопотребления, наблюдавшегося в 50-х годах прошлого века, оно было принято изменяющимся от 7,0 км3 в 1955 г. до 23,4 км3 в 1960 г. Начиная с 60-х годов, водопотребление значительно увеличивалось и достигло своего наибольшего значения в середине 80-х годов прошлого века. Начиная с 90-х годов прошлого века, водопотребле-ние в хозяйственных целях стало снижаться в связи с сокращением посевных площадей и экономическим кризисом в Прикаспийском регионе. В первом десятилетии 21-го века суммарное безвозвратное водопотребление в бассейне Каспийского моря сократилось до 31.33 км3 в год.
Используя воднобалансовую модель, выполнены расчёты уровня Каспийского моря по измеренному стоку (бытовому) и по суммарному речному стоку (естественный) за вычетом водопотребления в бассейнах впадающих в море рек (рис. 3). На рис. 3 видно, что в случае отсутствия водопотребления в бассейне уровень Каспийского моря может достигать высоких значений (минус 24 м).
В последние десятилетия отмечаются существенные изменения климата, которые в значительной мере влияют на водные ресурсы. В связи с этим возникла необходимость определения суммарного стока рек, впадаю-
5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 о
5 6 6 00 00 0 0
0 0 о
1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2
Год
92
щих в Каспийское море, на перспективу до 2035 г. В данной работе использовано два варианта определения суммарного стока. В первом варианте применялись климатические модели для расчёта осадков и коэффициента стока. Во втором варианте речной сток рассчитывался с использованием методики Борзенковой И.И. [5].
Уровень, м
Год
Рис. 3. Многолетний ход моделированных уровней Каспийского моря. 1 - бытовой (измеренный), 2 - естественный (без водопотребления).
Вариант первый. Оценка среднего значения притока речных вод на перспективу в Каспийское море по р. Волге производилась путем использования среднего многолетнего коэффициента стока, определенного за период 1980.1999 гг. Для этого были использованы осадки, расчёт которых был произведен с использованием программного комплекса MAGICC/SCENGEN (Model for the Assessment of Greenhouse-gas Induced Climate Change/SCENario GENerator, version 5.3.v2) по данным ансамбля из 9 моделей.
Будущие изменения количества осадков рассматриваются для двух сценариев SRES («Special report on emission scenarios» - Специальный доклад МГЭИК о сценариях выбросов): А2 и B1 (Nakicenovic et al., 2000), и для временного периода 2006.2035 гг., осредненного за 30 лет по отношению к базовому климатическому периоду 1980.1999 гг. Осадки в бассейне р. Волги за базовый период (1980.1999 гг.) составляют 547 мм, на перспективу (2006.2035 гг.) по сценарию А2 - 547 мм, а по сценарию В2 - 558 мм. Естественный сток р. Волги для замыкающего створа -г. Волгоград оказался равным 9264 м3/с, а среднемноголетний коэффициент стока - 0,39. Использование среднего многолетнего коэффициента стока позволило рассчитать средний сток на перспективу (2006.2035 гг.), который по сценарию А1 равен 9264 м3/с, а по сценарию В2 - 9450 м3/с.
93
Далее, используя процедуру нормирования стока, был определен сток р. Волги в створе г. Волгоград за каждый год, начиная с 2006 г. и по 2035 г. по (9).
а = 0ср + ао, (9)
где а - параметр нормирования, равен:
а = а ~ , (10)
где - расходы воды (м3/с), приведенные в табл. 4 (графы 2 и 5); аср -среднемноголетние расходы воды (м3/с), о - среднеквадратическое отклонение. аср для естественного периода принято равным 9264 м3/с, а
о = 1197.
Таблица 4
Определение параметра а для процедуры нормирования естественного стока р. Волга - г. Волгоград
Год Сток, м3/с а Год Сток, м3/с а
1 2 3 4 5 6
1980 8935 -0,27 1995 9672 0,34
1981 10406 0,95 1996 6465 -2,34
1982 8232 -0,86 1997 8519 -0,62
1983 8625 -0,53 1998 9811 0,46
1984 8257 -0,84 1999 9995 0,61
1985 10361 0,92 2000 8563 -0,59
1986 10376 0,93 2001 9923 0,55
1987 9883 0,52 2002 9517 0,21
1988 8409 -0,71 2003 9081 -0,15
1989 8106 -0,97 2004 9491 0,19
1990 11638 1,98 2005 10424 0,97
1991 11150 1,58 2006 7322 -1,62
1992 8951 -0,26 2007 9967 0,59
1993 9856 0,49 2008 8288 -0,82
1994 11554 1,91 2009 8279 -0,82
Сток р. Волга - г. Волгоград за период 2006.2035 гг. был восстановлен для двух различных сценариев смоделированных осадков с учётом среднемноголетнего стока рассматриваемой реки (табл. 5).
Восстановление значений естественного стока на перспективу до 2035 г. из дельты р. Волги в Каспийское море производилось по уравнениям (1.5). Сток р. Волги в Каспийское море на перспективу до 2035 г. рассчитывался как разность восстановленного естественного стока и водозабора.
94
Таблица 5
Естественный годовой сток р. Волга - г. Волгоград (Qi), восстановленный на перспективу до 2035 г. по двум сценариям
Год Сценарий В1 Сценарий А2 Год Сценарий В1 Сценарий А2
дср = 9264 м3/с дср = 9450 м3/с дср = 9264 м3/с дср = 9450 м3/с
2011 10361 10548 2024 9811 9998
2012 10376 10562 2025 9995 10182
2013 9883 10070 2026 8563 8749
2014 8409 8595 2027 9923 10109
2015 8106 8293 2028 9517 9703
2016 11638 11824 2029 9081 9267
2017 11150 11336 2030 9491 9678
2018 8951 9137 2031 10424 10610
2019 9856 10043 2032 7322 7508
2020 11554 11741 2033 9967 10154
2021 9672 9858 2034 8288 8475
2022 6465 6652 2035 8279 8465
2023 8519 8705
Для оценки стока р. Урал, поступающего в Каспийское море, вначале был определен сток этой реки в основной зоне его формирования - у с. Кушум. Для этого были использованы осадки, расчёт которых был произведен с использованием сценарных прогнозов климата программного комплекса МЛ01СС/8СЕК0ЕК. Будущие изменения количества осадков рассчитаны в соответствии с двумя сценариями выбросов парниковых газов А2 и В1 для временного периода 2006.2035 гг., осредненного за 30 лет по отношению к базовому климатическому периоду 1980.1999 гг.
Имея значение смоделированных осадков за период 2006.2035 гг., а также среднемноголетний коэффициент стока, рассчитанный за период 1980. 1999 гг. и равный 0,15, был восстановлен средний естественный сток р. Урал за период 2006.2035 гг. Сток Урала на перспективу до 2035 г. восстанавливался как разность естественного восстановленного стока и средней величины водопотребления в бассейне, равной 64,3 м3/с. Восстановление стока Кавказских, Иранских рек, а также рек западного побережья рассчитывалось в зависимости от суммарного восстановленного на перспективу стока рек Волга и Урал по уравнениям (6.8). На перспективу до 2035 г подземный сток в Каспийское море был принят равным 4 км3.
95
В табл. 6 приведен суммарный приток речного стока в Каспийское море, рассчитанный на перспективу до 2035 г. с учётом изменения климата (естественный) и с учётом водопотребления (бытовой).
Таблица 6
Суммарное поступление стока рек в Каспийское море на перспективу до 2035 г, (км3) по сценариям А2 и В1
Год Водопотребление, км Сценарий А2 Сценарий В1
естественный бытовой естественный бытовой
2006 37,6 325 287 332 294
2007 43,6 390 346 396 353
2008 38,7 303 265 310 271
2009 34,8 314 280 321 286
2010 38,7 304 265 311 272
2011 38,3 379 341 386 348
2012 37,8 378 339 385 346
2013 39,1 363 324 370 331
2014 39,4 309 270 316 276
2015 39,8 297 257 304 264
2016 40,2 429 388 436 395
2017 40,7 406 366 413 373
2018 41,2 326 285 333 292
2019 41,6 367 325 374 332
2020 42,1 425 383 432 390
2021 42,5 352 309 359 316
2022 43,0 238 195 245 202
2023 43,5 312 268 319 275
2024 43,9 360 316 367 323
2025 44,4 363 319 370 326
2026 44,9 320 275 326 282
2027 45,3 365 319 371 326
2028 45,8 354 308 361 315
2029 46,2 333 286 340 293
2030 46,7 349 302 356 309
2031 47,2 383 336 390 343
2032 47,6 267 219 274 226
2033 48,1 368 320 375 327
2034 48,5 303 255 310 261
2035 49,0 301 252 308 259
Среднее 42,7 343 300 350 307
Результаты проведенных исследований показали, что средний приток в море на перспективу до 2035 г. может составить 300 км3 для сценария А2 и 307 км3 для сценария В1.
96
На рис. 4 показаны результаты моделирования уровней по притоку в море в условиях современного климата и по притоку, рассчитанному по варианту 1 с учетом антропогенного изменения климата согласно сценариям А2 и В1 на перспективу до 2035 г.
Рис. 4. Вероятные изменения фонового уровня Каспийского моря (м БС)
на перспективу до 2035 г. (вариант 1). 1 - моделированный уровень с учетом хозяйственной деятельности в условиях современного климата, 2 - моделированный уровень (сценарий А2), 3 - моделированный уровень
(сценарий В1).
График, приведенный на рис. 4 показывает, что в случае если антропогенные изменения климата будут развиваться в соответствии со сценарием А2, то уровень моря будет повышаться до отметки минус 25,4 м в период до 2020.2021 гг., затем он станет ниже этой отметки с последующей тенденцией к стабилизации к 2034.2035 гг. на отметке близкой к минус 26,0 м.
Если же антропогенные изменения климата будут развиваться в соответствии со сценарием В1 - уровень моря будет повышаться до отметки минус 25,90 м к 2020 г., затем он станет ниже этой отметки с последующей тенденцией к стабилизации к 2034.2035 гг. на отметке, близкой к минус 27 м.
Как сказано выше, в данном исследовании проведен расчет изменения притока с речными водами р. Волги и общего стока в Каспийское море в двух вариантах. По варианту 2 сток в море рассчитывался по методике Бор-зенковой И.И. В основу этой методики положен комплексный метод расчета испаряемости и испарения с поверхности суши, разработанный Будыко М.И., с помощью которого можно рассчитать все основные составляющие теплового и водного баланса путем использования широко распространенной гидро-
97
метеорологической информации. В работе Борзенковой И.И. [5] проведена оценка составляющих водного баланса р. Волги при глобальном потеплении климата, параметры которого были определены путем использования па-леоклиматической информации. Значения этих составляющих водного баланса рассчитаны ею по данным 30 метеорологических станций, расположенных в бассейне Волги. Модель, разработанная автором, может быть использована и при других параметрах изменения температуры воздуха и атмосферных осадков. Эти параметры могут быть получены с помощью указанных выше моделей общей циркуляции атмосферы. Представим рассматриваемую модель Борзенковой И.И. в виде уравнения для расчета отклонений годового испарения в бассейне р. Волга при антропогенном изменении климата от его значений при современных условиях в зависимости от изменений годовой температуры воздуха и годовых сумм осадков в ее бассейне:
ДЕ = ДТ[ Д(ДР / ДТ) т + Д], (11)
где Д = 0,0208; В1 = 2,2; т = 1,8608 - эмпирические параметры.
Из уравнения водного баланса за многолетний период ДЯ равно: ДЯ = ДР-ДЕ. (12)
Подставив (11) в (12) получим
ДЯ = ДР -ДТ[ Д(ДР / ДТ)т + Д]. (13)
Изменение объема стока р. Волга, как известно, может быть определено с помощью выражения:
ДЖУ = ДЯ-$-106, (14)
где ДЖУ - изменение стока, км3/год; 8 - площадь водосбора, равная
1 360 000 км2.
Изменение суммарного речного стока в Каспийское море будет равно: ДЖУ = КДЯ^ -106, (15)
где ДЖ - суммарный речной сток в Каспийское море, км3/год, К = 1,25,
при условии, что среднемноголетнее значение стока Волги составляет 80 % от суммарного стока в Каспийское море.
В табл. 7 приведены результаты расчета изменения речного стока в Каспийское море по методике Борзенковой И.И. при изменении климата.
Результаты моделирования уровня Каспийского моря по стоку, рассчитанному по методике Борзенковой И.И., представлены на рис. 5.
98
Кривые, приведенные на рис. 5 и построенные по стоку, рассчитанному по методике Борзенковой И.И. показывает, что в случае если антропогенные изменения климата будут развиваться в соответствии со сценарием А2, то уровень моря будет повышаться до отметки минус 25,7 м к 2022 г., затем он станет ниже этой отметки с последующей тенденцией к стабилизации к 2034.2035 гг. на отметке, близкой к минус 26,0 м.
Таблица 7
Изменение речного стока в Каспийское море при изменении климата
Изменения Сценарии изменения климата
А2 В1
Температура воздуха AT, °С Осадки AP, мм AP/AT, мм/°С Суммарное испарение АЕ, мм/год Общий сток AR, мм/год Объем стока р. Волги AWv, км3/год Суммарный речной приток A W, км3/год I,52 2,31 II,78 1,89 7,75 0,82 4,77 5,11 7,00 -3,22 9,52 -4,38 11,9 -5,48
Уровень, м
2006 2010 2014 2018 2022 2026 2030 2034
Год
Рис. 5. Вероятные изменения фонового уровня Каспийского моря (м БС)
на перспективу до 2035 г. (вариант 2). 1 - моделированный уровень с учетом хозяйственной деятельности в условиях современного климата; 2 - моделированный уровень (сценарий А2); 3 - моделированный уровень
(сценарий В1).
Если же антропогенные изменения климата будут развиваться в соответствии со сценарием В1 - уровень моря будет повышаться до отметки минус 26,26 м к 2022 г., затем он станет ниже этой отметки с последующей тенденцией к стабилизации к 2034.2035 гг. на отметке близкой к минус 27,0 м.
99
Как видно из приведенных результатов моделирования оба варианта не сильно отличаются друг от друга. В перспективе уровень Каспийского моря не будет превышать отметку минус 25,4 м абс. и не будет ниже
отметки минус 27 м абс.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Азимов С. А., Махмудов Р. Н. Запасы речных вод на устьевых участках рек северо-восточного склона Большого Кавказа. / В сб.: Вопросы гидрометеорологии Каспийского моря и устьев рек. Вып. 1. Часть 1. -Баку: изд. АзУГКС, 1988. - С.133-136.
2. Актуальные проблемы гидрометеорологии озера Балхаш и Прибалхашья / Под ред. Скоцеляса И.И. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1995. - 269 с.
3. Байдин С.С. Сток и уровни дельты Волги. - Л.: Гидрометеоиздат, 1962. - 335 с.
4. Байдин С.С., Линберг Ф.Н., Самойлов Н.В. Гидрология дельты Волги. - Л.: Гидрометеоиздат, 1956. - 331 с.
5. Борзенкова И.И. Влияние возможных изменений климата на осадки, испарение и сток в бассейне р. Волги. / Сб. «Анализ изменений уровня Каспийского моря технико-экономического доклада по защите народно-хозяйственных объектов и населенных пунктов прибрежной полосы Каспийского моря в пределах Дагестана, Калмыкии и Астраханской области». - М.:1992. - С. 494-537.
6. Водные ресурсы России и их использование. / Под редакцией профессора И.А. Шикломанова. - СПб.: ГГИ, 2008. - 598 с.
7. Георгиевский В.Ю., Цыценко К.В., Шалыгин А.Л. Оценка притока поверхностных вод в Каспийское море. / В кн.: Гидрометеорологические аспекты проблемы Каспийского моря и его бассейна. - СПб.: Гидрометеоиздат, 2003. - С. 217-229.
8. Голубев В.С., Цыценко К.В. Структура и динамика потерь речного стока в низовьях Волги // Метеорология и гидрология. - 1995. - №8. -С. 85-93.
9. Голубцов В.В., Ли В.И. О расчете уровней Каспийского моря на перспективу с учетом возможных изменений климата // Гидрометеорология и экология. - 1995. - №1. - С. 28-38.
10. Полонский В. Ф., Горелиц О. В., Остроумова Л. Н. Особенности водного режима дельт Волги и Урала в условиях повышения уровня Каспия. // Водные ресурсы. - 1997. - Т. 24, № 4. - С. 430-436.
100
11. Тленбеков О.К. Распределение стока по водотокам и будущее дельты Урала. // Труды ГОИН. - 1967. - Вып. 89. - С. 125-139.
12. Фатуллаев Г. Ю. Водный режим Азербайджана и антропогенные факторы. // Труды ИГ АН Азербайджана. - 1999. - Т. 11. - С. 283-287.
13. Шикломанов И.А., Георгиевский В.Ю. Влияние хозяйственной деятельности на баланс и изменение уровня Каспийского моря. / В кн.: Гидрометеорологические аспекты проблемы Каспийского моря и его бассейна. - СПб.: Гидрометеоиздат, 2003. - С. 267-277.
14. Шикломанов И.А., Кожевников В.П. Потери стока в Волго-Ахтубинской пойме и дельте и их изменение под влиянием хозяйственной деятельности // Труды ГГИ. - 1974. - Вып. 221. - С. 3-46.
15. Golubtsov V.V., Lee V.I. The method of prospective calculation (probability forecast) of the Caspian Sea level taking into consideration possible changes in climate, water consumtion in its basin and runoff into Kara-Bogaz-Gol Bay, Proceedings of the world Coast Conference in Nordwijk, the Netherlands, November,1993, Vol 2. - p. 885-886.
Поступила 21.02.2013
Техн. гылымд. канд. С.П. Шиварева Техн. гылымд. канд. В.И. Ли Геогр. гылымд. канд. В.В. Голубцов
СУ ПАЙДАЛАНУ МЕН КЛИМАТТЬЩ вЗГЕРУ ЖАГДАЙЛАРЫН ЕСКЕРЕ ОТЫРЫП КАСПИЙ ТЕЩЗ1 ДЕЦГЕЙ1Н МОДЕЛДЕУ
Цаз1рг1 уацытта Каспий тещзтыц децгеш минус 27 м белг1ге жетт1. Тец1з децгешнщ взгеру мYмкiншiлiгiн багалау Yшiн сандыц mэжiрбиелер сериясы ЖYргiзiлдi. Моделдеу су балансты моделт цолданумен ЖYргiзiлдi,климаттыц взгерут А2 жэне В2 ею сценаритде жэне те^зге тYсетiн сомалыц саланы ею нусцада есептелiндi. Келтiрiлген нэтижелерден моделдеудщ ею нусцасында айтарлыцтай айырмашылыцтар жоц. Келешекте Каспий тецiзi децгеш минус 25,4 м абс аспайды жэне минус 27м абс тYспейдi.
101
