CC BY
91
УДК 556.16:504.064(282.251+282.247.1) Д.В. Магрицкий1
ТЕПЛОВОЙ СТОК РЕК В МОРЯ РОССИЙСКОЙ АРКТИКИ И ЕГО ИЗМЕНЕНИЯ2
Исследованы связи между тепловым стоком североевропейских и сибирских рек и их расходами и температурой воды, площадями водосборов; между этими характеристиками получены устойчивые и тесные зависимости. Выполнена оценка годовых, сезонных и месячных величин теплового стока средних и больших рек в их замыкающих створах и в устьях; оценен суммарный тепловой сток в моря Российской Арктики. Исследован характер многолетних и вдольрусловых изменений температурного режима и теплового стока северных рек, выявлены естественные и антропогенные причины этих изменений. Полученные результаты сопоставлены с опубликованными данными.
Ключевые слова: реки, арктические моря, температура воды, тепловой сток, водохранилища.
Введение. Тепловой сток рек — важный фактор гидроэкологического состояния водных объектов. Роль этого фактора зависит от размера, географического положения, термических и гидрологических условий в речном бассейне.
Впервые сведения о тепловом стоке рек, впадающих в моря Российской Арктики, встречаются в работе В.Б.Шостаковича (1911), но первые достоверные оценки этого стока были получены в 1930-х гг. Н.Д. Антоновым (1936), Б.Д. Зайковым (1936) и И.П. Коровкиным (1941). Следующим важным этапом в исследовании температурного режима и теплового стока рассматриваемых рек стали 1960— 1980-е гг., когда выходила монографическая часть справочника "Ресурсы поверхностных вод СССР", расширялась сеть наблюдений Гос-комгидромета, активно строились крупные гидротехнические сооружения (ГТС), обсуждались проекты по переброске части водного стока рек на юг. В этот период изучением теплового стока североевропейских и сибирских рек занимались В.С. Антонов [15], Ю.А. Ёлшин [3, 4], В.В. Иванов и А.Н. Кур-жунов [5, 7], Т.В. Одрова [13], Г.А. Орлова [14] и др.
Новые гидрометеорологические данные, ввод в строй новых водохранилищ, существенные климатические изменения требуют нового и комплексного анализа реакции термического режима северных рек на эти процессы (в прошлом, настоящем и будущем), оценки вклада естественных и антропогенных факторов в происходящие изменения. Кроме того, необходимо уточнить существующие, но полученные по коротким рядам оценки характеристик теплового состояния изученных рек, а также рассчитать аналогичные характеристики для неохваченных сетью наблюдений рек и районов матери-
ковой части Российской Арктики. Важность таких исследований обусловлена отсутствием многих количественных оценок естественных и антропогенных изменений теплового состояния северных рек, необходимостью прогнозировать гидрологические последствия глобального потепления климата и их влияние на безопасность населения и хозяйственную деятельность. Основные результаты многолетних исследований автора в рамках перечисленных задач изложены в статье.
Объекты исследования. Сток рек, впадающих в моря Российской Арктики, формируется на территории Кольского п-ова и Карелии, северной половины Восточно-Европейской равнины, Полярного Урала, Западной, Средней и Северо-Восточной Сибири, Восточного Казахстана, Китая и Монголии, Алтае-Саянской горной страны, Прибайкалья и Забайкалья, северного склона Чукотки и арктических островов в умеренном (основная часть), субарктическом и арктическом климатических поясах.
Все рассматриваемые реки относятся к водосборам Баренцева, Белого, Карского, Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского морей Северного Ледовитого океана (СЛО). Общая площадь водосборов этих морей составляет 13,286 млн км2. На долю Российской Федерации приходится 12,064 млн км2 (90,8%), что составляет 70,7% всей площади нашей страны. Основная часть водосбора морей Российской Арктики приходится на водосборы морей Карского (6,650 млн км2) и Лаптевых (3,693 млн км2). Существенно меньшую площадь занимают водосборы Чукотского моря и западной части Баренцева моря.
На рассматриваемой территории (в пределах РФ) насчитывается более 1629 тыс. малых, средних и
1 Кафедра гидрологии суши географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, ст. науч. сотр., канд. геогр. н., e-mail: [email protected]
2 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 08-05-00305) и гранта Президента РФ (НШ-4964.2008.5).
больших рек. Но только небольшая часть из них впадает непосредственно в арктические моря, а остальные являются притоками этих рек. Все реки можно условно разделить на малые (с площадью водосбора F< 2 тыс. км2), средние (2—50), большие (50—200), очень большие (200—1000) и крупнейшие (> 1 млн км2). Крупнейшие реки региона (и страны) — Обь, Енисей и Лена. Очень большие — Северная Двина, Печора, Хатанга, Оленек, Яна, Индигирка и Колыма, большие — Онега, Мезень, Надым, Пур, Таз, Пясина, Нижняя Таймыра, Анабар и Алазея. К средним можно отнести около 110 рек.
Интенсивная хозяйственная деятельности характерна для Кольского п-ова и Карелии, бассейнов Северной Двины и Печоры, южной части бассейнов Оби, Енисея и Лены, районов с развитой горнодобывающей промышленностью в бассейнах Пура и Колымы [10]. Сток ряда рек зарегулирован водохранилищами, в том числе очень крупными, это реки Кольского п-ова и Карелии, а также водохранилищами в бассейнах Оби, Енисея, Лены и Колымы.
Материалы и методы исследования. В качестве исходных данных использованы (за все время инструментальных наблюдений и по состоянию по 2004 г.): 1) средние декадные и месячные значения расхода воды на 177 гидрологических постах (г/п); 2) средние декадные и месячные значения температуры воды на 270 г/п; 3) средние месячные и годовые значения температуры воздуха на 19 метеостанциях (м/с); 4) сведения о площадях бассейнов рек и межбассейновых водосборных территорий (МБВТ); 5) оценки притока речной воды с неохваченных гидрологической сетью наблюдений участков речных бассейнов; 6) опубликованные результаты предыдущих исследований.
Декадную и месячную величины теплового стока рек Шт автор рассчитывал по общепринятой формуле:
= ср ГШ, (1)
где Ср — удельная теплоемкость воды (4,174—4,212 кДж/(кг • °С)) при t от 0 до 30°С), г — плотность воды (кг/м3), t — средняя за декаду или месяц температура воды (°С), Ш — объем стока воды (м3) за декаду или месяц. Диапазон изменения Ср и г для речных вод очень небольшой и на результаты расчетов практически не влияет. Заметные колебания Шт связаны с временно й и пространственной изменчивостью t и Ж Эти гидрологические характеристики обусловлены совокупностью природных и антропогенных факторов формирования водного и термического режима рек.
Тепловой сток за год рассчитывался как сумма декадных или месячных величин Шт за период выноса теплоты в арктические моря. Он вклю-
чает дни с t > 0,2°С и является функцией водоносности, географического положения и вытянуто-сти в южном направлении реки и ее водосбора. В среднем такой период для рассматриваемых рек не превышает 180 дней в году и достигает наибольших величин (170—190 дней) для рек западной части Европейского Севера. В восточном направлении продолжительность этого периода закономерно уменьшается и составляет для нижних участков Печоры и Оби 150—155 дней и приблизительно 130—135 дней для низовьев больших рек, впадающих в Карское море. Период минимален для средних рек и нижних участков больших рек, впадающих в море Лаптевых и Восточно-Сибирское море — от 110 до 130 дней.
Данные по г/п многих рек не всегда отражают реальное поступление теплового стока в их устье, во-первых, в силу неизбежных отклонений измеряемых на г/п прибрежных значений температуры воды от средней температуры всего речного потока; во-вторых, из-за удаления замыкающего гидрометрического створа (ЗС) от устьевого створа или вершины дельты (ВД). Величины Шт в замыкающем створе и в устье реки отличаются мало, если они находятся на незначительном расстоянии. Такая ситуация характерна для Онеги и Яны. В противоположном случае сток теплоты в большей или меньшей степени изменяется по направлению к морю, реагируя на вдольрусловую трансформацию расхода (0 и температуру воды ^).
При вычислении стока теплоты, выносимого реками в моря СЛО, существует несколько подходов. Первый предполагает суммирование величины Шт в замыкающем створе реки с величинами бокового притока теплоты (б ) на участке ЗС—ВД. Числовые значения последних могут быть получены либо на основе измеренных (или рассчитанных) среднемесячных значений расхода и температуры воды притоков [5], либо путем перемножения площади этих неизученных частей водосборов на значения модуля теплового стока, полученные по ближайшим изученным рекам [4], либо по зависимостям вида Шт = / (Ш) и Шт = / ^) для всего участка в целом.
Такие зависимости для годовых величин построены автором для средних рек всех северных районов российской части водосбора СЛО. Зависимости Шт = / (Ш) имеют линейный характер и очень тесную связь (г > 0,98) (рис. 1), так как в формировании теплового стока рек главную роль играет водный сток. Устойчивая и тесная связь, существующая между Шт и размерами водосбора реки, вытекает из зависимости Ш от ^ Эти зависимости использованы автором при оценке выноса реками теплоты с межбассейновых водосборных территорий (МБВТ). Между t и Шт рек связь не такая очевидная (г < 0,2). Однако применение этого
метода не всегда оправданно, так как для рек, текущих с юга на север, характерно продольное увеличение стока воды и снижение (с определенного участка) значений ?. Первое обусловлено боковой приточностью на участке ЗС—ВД, второе — закономерным уменьшением в северном направлении радиационного баланса и температуры воздуха. В результате действительная интенсивность продольного увеличения Цт может быть меньше расчетной, а с определенного участка Цт может даже снижаться.
Во втором методе оценка изменения величины теплового стока по длине реки выполняется на основе рассчитанных (для нижерасположенных г/п) среднемесячных значений расхода воды и измеряемой на этих постах температуры воды [7]. Но такие посты есть далеко не на всех реках, поэтому применение этого метода очень ограничено.
Анализ изменения Цт, вызванного климатическими факторами и водохозяйственными мероприятиями, выполнен автором путем, во-первых, сопоставления многолетних изменений значений расхода и температуры воды, теплового стока рек и температуры воздуха, во-вторых, сравнения изменений О, ? и по длине рек до и после создания водохранилищ (для схожих гидроклиматических условий).
Результаты расчета современного теплового стока. Тепловой сток рек, впадающих в моря Российской Арктики, довольно велик, несмотря на относительно низкие значения температуры воды и короткий период года с ? > 0,2°С. Этому способствуют два фактора. Первый — большая водоносность этих рек и главенствующая роль водного стока в формировании стока теплоты. По данным В.И. Бабкина [1], средний годовой сток воды рек с российской части водосбора СЛО равен ~2900 км3 (67% общего стока рек России), что составляет 55% суммарного притока речных вод в океан и Гудзонов залив [16]. Около 54,3% указанной величины приходится на сток Енисея (630), Лены (540) и Оби (408 км3/год); 29,2% — еще на 16 больших рек и 16,4% — на примерно 1500 средних и малых рек [1, 10].
Второй фактор — сходство водного и температурного режимов, когда по времени совпадают максимальные значения О и I. Типичные изменения температуры на реках в пределах арктического региона России заключаются в ее плавном повышении весной, максимуме в июле (реже в августе) и понижении при переходе к осени. Половодье на северных реках, особенно в азиатской части страны, проходит в свою очередь в весенне-летние или только летние месяцы, меженные значения расхода в теплый сезон сравнительно велики, а летние паводки увеличивают вынос теплоты в устья рек.
Критерием влияния внутригодового распределения стока и температуры воды на тепловой сток
Рис. 1. Графики связи годового теплового стока (Цт) средних рек на севере России с годовыми расходами воды ( О) (а) и площадями водосборов (^) (б): 1 — Северный край (между Онегой и Печорой); 2 — верхняя и средняя части бассейна Яны;
3 — Обский Север
служит тепловой коэффициент (Кт), отражающий соотношение годового стока теплоты и стока воды. Для больших рек региона он составляет примерно 25+30 МДж/м3 (табл. 1) и существенно возрастает у водотоков со значительным стоком воды в июле и августе, когда влияние температуры воды на Цт наибольшее. К ним относятся реки Обского Севера (Хт = 25+35 МДж/м3) и особенно реки Яно-Колымского района (37+43 МДж/м3) с западносибирским и близким к тянь-шанскому типами водного режима соответственно. У этих рек 1 м3 воды переносит в год наибольшее количество теплоты. Существенные отклонения величины Кт от средних региональных значений наблюдаются на горных реках, на реках, зарегулированных озерами (несколько выше среднего) и водохранилищами (в сторону снижения), на реках с повышенным грунтовым питанием (ниже среднего) и малых реках [6, 7]. Выявленные закономерности вдольруслового изменения теплового коэффициента Кт служат дополнительным инструментом для определения в устьях рек (табл. 1).
Результаты расчетов Цт вполне предсказуемы: больше всего теплоты (кДж в год) выносят в дельты (и соответственно в арктические моря) наи-
Таблица 1
Годовой тепловой сток больших рек российской части водосбора СЛО
Река Период В замыкающем створе Вершина дельты
средний Wт, кДж, п • 1012 Су Кт, МДж/м3 наибольший Wт, кДж, п • 1012 наименьший Wт, кДж, п • 1012 средний Wт, кДж, п • 1012
Онега 1943—2004 463(3,0) 0,22 29,3 771 306 475
Северная Двина 1939—2004 2840(2,4) 0,19 28,0 4390 1700 2870/2830
Мезень 1936—2004 515(2,4) 0,19 25,7 733 305 685
Печора 1936—2004 2670(2,0) 0,16 24,5 3590 1780 3250/3740*
Обь 1930—2000 13 500(2,3) 0,19 34,3 20 140 7420 13700
Надым 1955—1991 362(3,2) 0,19 25,0 550 250 480/450
Пур 1939—1991 781(2,7) 0,19 27,6 1160 512 900
Таз 1962—1995 1160(4,7) 0,24 34,5 1870 704 1490/1550
Енисей 1936—1966 15 400(2,2) 0,12 26,9 19 900 11 100 16 150/15 400
1967—2002 13 500(1,8) 0,11 22,7 18 600 10 700 —
Пясина — — — — — — 1880**
Нижняя Таймыра — — — — — — 885**
Хатанга 1961—1991 2100(2,9) 0,16 27,7 (3140) (1470) 2520/2450
Анабар 1954—1992 311(4,6) 0,29 23,0 475 147 410/380
Оленек 1964—1991 870(5,3) 0,28 25,4 134 367 970/940
Лена 1935—2000 15 500(2,5) 0,20 29,3 22 300 10 600 15 600/15 500
Яна 1972—2000 1260(5,0) 0,27 37,3 1975 817 1270
Индигирка 1939—1995 2150(2,6) 0,20 42,6 3150 1390 2230/2200
Алазея 1968—1971, 1978—1992 55,5(11) 0,41 37,0 87,8 11,7 110
Колыма 1977—2001 3780(5,4) 0,27 36,9 6430 2190 4510/4460
Амгуэма 1944—1976 216(3,8) 0,22 25,1 301 142 230
Примечания. В скобках — среднеквадратическое отклонение; слева от черты — по зависимости = / (0) для средних рек региона, справа — на основе продольныгх градиентов Кт.
* — с учетом данных г/п Оксино, ** — по зависимости Wт = /(0) для больших рек региона. Здесь и в табл. 2 прочерк — данные отсутствуют.
более водоносные реки региона — Сев. Двина (2850 • 1012), Печора (3250—3740), Обь (13700), Енисей (16 150—15 400), Лена (15 500—15 600) и Колыма ((4510^4460) • 1012) (табл. 1). Значительный вынос теплоты в моря осуществляют также реки Пур, Таз, Хатанга, Оленек, Яна и Индигирка.
Основная часть теплового стока крупных рек Белого моря формируется весной (апрель—май, 24—28%) и летом (июнь—август, 58—65%), а у остальных рассматриваемых рек — в летние месяцы (82% у Печоры, 85—92% у больших рек водосбора Карского моря, 89—96% у больших рек водосбора моря Лаптевых, 88—92% у больших рек водосбора Восточно-Сибирского моря, 96% у Амгуэмы).
В дельтах рек величина Wт может изменяться вследствие распределения стока воды по дельтовым водотокам, разной скорости нагревания и охлаж-
дения меньшего или большего объема воды в рукавах. Предварительный анализ показывает, что в относительно малых водотоках температура в период весенне-летнего нагревания выше, чем в относительно более крупных водотоках дельты. В период осеннего охлаждения, наоборот, температура в малых элементах русловой сети дельт меньше, чем в крупных водотоках, имеющих большее теплосодержание. В зависимости от вклада этих процессов в суммарное изменение теплового стока, а также влияния морских факторов и наличия многолетней мерзлоты значения Wт могут уменьшаться или увеличиваться от вершины дельты к ее морскому краю.
С МБВТ теплота поступает непосредственно в моря СЛО. Суммирование теплового стока с МБВТ и крупных рек дает полное представление о тепло-
те, поступающей с речных водосборов в арктические моря (табл. 2). По расчетам автора, ее вели-
Таблица 2
Характеристики притока теплоты в арктические моря России
Море, район Тепловой сток, кДж/год, п • 1012, по данным
[26] [6, 7] данные автора
Баренцево Кольский п-ов — 4480 654 4680
Белое Кольский п-ов Карелия — 6080 528 825 5860
Карское 23 460 41 500 37 500
Лаптевых Западный берег Восточный берег 13 070 23 200 21 900 463 475
Восточно-Сибирское к востоку от устья р. Колымы 7370 9300 7800 720
Чукотское 610 800 820
Материковый берег Российской Арктики в целом — 85 400 78 600
чина составляет около 78 600 • 1012 кДж/год, причем на долю рек водосборов морей Карского и Лапте-выгх приходится 48 и 28% соответственно.
Оценка воздействия изменения климата и антропогенных факторов на тепловой сток. Тепловой сток рек — величина не постоянная, она изменяется под влиянием климатических условий и антропогенных нагрузок. Наиболее ощутимое антропогенное воздействие на термический режим рек оказывают теплоэнергетика (при прямоточной схеме водоснабжения), промышленно-коммунальное водоснабжение, создание водохранилищ и переброска стока [8]. Тепловое влияние теплоэнергетики, промышленных и коммунальный предприятий на термический режим рек (увеличение и ?) особенно отчетливо проявляется для небольших рек, в пределах крупных городов и в зимнее время (или ниже мощных ГРЭС, ТЭС и АЭС), и прослеживается на несколько десятков километров от источника "теплового загрязнения". Для больших северных рек такое влияние локально.
Влияние крупных водохранилищ на тепловое состояние рек (даже очень больших) отмечается во все сезоны года и на протяжении многих сотен километров [1, 2, 6, 8, 9, 11, 13, 14]. Безвозвратное изъятие стока занимает промежуточное положение.
Реки севера европейской территории России. Многолетняя изменчивость теплового режима североевропейских рек страны обусловлена естественными причинами. Увеличение Ш и ? в низовьях
крупных рек, впадающих в Белое и Баренцево моря, хорошо согласуется с повышением в 70—80-е гг. XX в. суммы осадков и температуры воздуха на севере ЕТР. В нижнем течении Северной Двины (г/п Усть-Пинега) увеличение ? отмечено во все сезоны года с ? > 0,2°С, но с различиями в величине и хронологии. Весной оно составляет 0,5—1,0°С и наблюдается с середины 1970-х гг., а наиболее явно с середины 1980-х гг. Летом оно достигло 0,4—1,5°С; началось в первой половине 1970-х гг. и приобрело хорошо выраженный характер с 1988 г. Увеличение осенней температуры отмечается относительно недавно (с середины 1990-х гг.) и не превышает 0,5°С. Одновременно с осадками и температурой годовой объем стока воды реки возрос почти на 6,7 км3 (в основном за счет теплого сезона года). В результате тепловой сток Северной Двины повысился в 1976—2004 гг. на 14,5% (по сравнению со стоком до 1975 г. включительно). Схожие изменения характерны для Онеги (6,7%) и Печоры (8,8%). Исключение составляет р. Мезень. Современная водоносность этой реки оказалась близка и даже меньше средней многолетней. В этих условиях повышения только значений ? оказалось недостаточно для увеличения ШТ. В пределах г. Архангельска дополнительное увеличение Шт и ? объясняется отведением в Северную Двину отработан-ныгх промышленно-коммунальных вод. На зарегулированных реках Карелии и Кольского п-ова колебания Шт во многом обусловлены естественными причинами, но заметное воздействие оказывают теплоэнергетика (например, Кольская АЭС, отводящая подогретые воды в оз. Имандра), промышленные предприятия (горнодобывающая и металлургическая отрасли) и водохранилища. Например, на р. Туломе после строительства ГЭС значения Шт уменьшились на 30% [4].
Реки водосбора Карского моря. Преобладающая роль природныгх факторов в колебаниях выноса теплоты характерна и для рек, впадающих в Карское море. Исключение составляет Енисей, зарегулированный Ангаро-Енисейским каскадом водохранилищ. Несмотря на явный (за последние 30 лет) положительный тренд годовыгх значений О, тепловой сток реки заметно уменьшился (табл. 1, рис. 2). Изменения ?, наоборот, невелики и обусловлены сложным сочетанием разнонаправленных изменений весенней и летне-осенней температуры воздуха в разных частях бассейна Енисея и регулированием его стока и притоков водохранилищами. Наполнение и эксплуатация каскада водохранилищ в бассейне Енисея привели к снижению его годового водного стока и существенному внутригодо-вому перераспределению О [1, 10] — водность теплого периода уменьшилась, а зимний сток, наоборот, увеличился. Температурный режим Енисея и Ангары также нарушен [2, 6, 13]. В створе плотины
Рис. 2. Межгодовые изменения годовой величины теплового стока и их линейные тренды (пунктирная линия) в замыкающих створах некоторых рек арктического региона России: 1 — Онега (г/п Порог); 2 — Северная Двина (г/п Усть-Пинега); 3 — Мезень (г/п Малонисогорская); 4 — Печора (г/п Усть-Цильма); 5 — Обь (г/п Салехард); 6 — Пур (г/п Самбург); 7 — Енисей (г/п Игарка); 8 — Лена (г/п Кюсюр); 9 — Яна (г/п Джангкы); 10 — Яна (г/п Юбилейная); 11 — Индигирка (г/п Воронцово); 12 — Колыма (г/п Среднеколымск); 13 — Колыма (г/п Колымское)
Красноярской ГЭС температура воды понизилась в период с мая по сентябрь (на 1°С в сентябре и на 12,2°С в июле). В остальные месяцы она, напротив, повысилась (на 1,3°С в январе—марте и на 6°С в октябре—ноябре). На участке от плотины до устья Ангары период с близкой к 0°С температурой воды не наблюдается. С увеличением расстояния от плотины ГЭС техногенные изменения температу-
ры воды уменьшаются. Максимальная интенсивность восстановления температуры в мае—октябре характерна, по оценкам И.В. Космакова [6] и данным работы [1], для первых 400—600 км. Естественный температурный фон летом почти полностью восстанавливается на расстоянии до 700—750 км, а зимой — до 400 км от плотины. Но естественных значений ? не достигает вследствие усилившегося теплового влияния притоков Нижнего Енисея и изменившихся климатических факторов. Ангарские водохранилища практически не влияют на температурный режим Енисея.
В существенно большей степени изменился тепловой сток Ангары и Енисея. Вниз по течениям этих рек Wт в целом увеличивается как при естественном, так и при измененном режиме его формирования. Это обусловлено увеличением водного стока к их устьям, который "перекрывает" техногенное снижение температуры воды. На участке Енисея от г. Красноярска до г. Игарки (расстояние 1765 км) Wт в незарегулированных условиях увеличивается почти в 4 раза, а на Ангаре от с. Богу-чаны до д. Татарки (расстояние 286 км) — в 1,3 раза. Вклад Ангары в тепловой сток Енисея у Игарки составлял 29%. Но в зарегулированных условиях Wт двух рек уменьшился. На расстоянии 40, 448, 934 и 1805 км от плотины Красноярской ГЭС современная величина теплового стока Енисея составляет 45, 61, 79 и 85% естественных величин соответственно. На ЗС Енисея (г/п Игарка) значительное уменьшение Wт отмечается с 1964 г. (рис. 2). Оно привело к формированию новой зависимости Wт = /(W): при W = 600 км3/год отличия между естественным и бытовым Wт в ЗС реки составляют ~ 18%. В первые годы XXI в. Wт существенно увеличился. Поэтому современные климатические изменения в регионе способствуют усилению роли природных факторов в формировании современного термического режима нижнего Енисея (переводят их в категорию доминирующих) и снижению влияния искусственного регулирования стока реки и ее притоков.
Эксплуатация Новосибирского и Бухтармин-ского водохранилищ, напротив, не привела к статистически значимому уменьшению Wт в низовье Оби (рис. 2) из-за уменьшения водности ряда месяцев в теплый период года [10]. Антропогенные изменения температурного режима Оби относительно малы. Вблизи плотины Новосибирской ГЭС понижение темратуры воды в мае, июне и июле составляет примерно 4, 2 и 0,5°С соответственно, а ее увеличение с августа по ноябрь колеблется от 0,5 (август, ноябрь) до 2,5°С (октябрь). Ниже по течению прямое влияние водохранилища на температуру воды ограничивается в основном его нижним бьефом и изменяется от 20—200 до 450—600 км (в зависимости от сезона года) [8, 14]. Дальнейшее продольное изменение температурного режима Оби
вызвано нарушением ее водного режима, изменившейся ролью притоков, изменчивостью климатических факторов. Влияние Усть-Каменогорского и Бух-тарминского водохранилищ на температурный режим Иртыша прослеживается на несколько сотен километров [8], но не достигает Оби. Воздействие Новосибирского водохранилища на тепловой сток Оби закономерно ослабевает по длине реки и сохраняется практически неизменным ниже г. Колпа-шево. У гидроузла Шт равен 84% его естественной величины, на 23, 564, 1834 и 2699 км ниже он составляет 88, 95, 95 и 95% соответственно.
Дополнительный антропогенный фактор повышения температуры воды в верхней Оби (на отдельных участках) и ряде ее притоков — сброс теплых вод в районах крупных городов, промышленных центров и тепловых электростанций, что привело к локальному увеличению температуры воды в среднем за май—октябрь на 0,8—2,1°С и максимально в июле—августе (на 1,5—3°С) [8].
Реки водосбора моря Лаптевых и Восточно-Сибирского моря. В нижнем течении Лены отмечаемое по фактическим данным изменение теплового состояния реки почти не связано с сооружением Ви-люйского водохранилища. Однако температурный режим самого притока претерпел заметные изменения [1, 2, 11, 12]. Вблизи плотины Вилюйской ГЭС температура воды в Вилюе понизилась в июне на 6,9°, в июле — на 11, в августе — на 8,5, а в сентябре — на 0,4°С. В мае и октябре температура увеличилась на 0,9 и 4,1°С соответственно. Положительные значения температуры стали характерны для зимних месяцев. Восстановление фоновых величин температуры происходит в июне на 265 км ниже плотины, в июле—августе — на 1050—1100, в сентябре — на 145, в октябре — на 400 км. В мае такое восстановление практически не наблюдается, но значения температуры приближаются к естественным значениям в 910 км ниже плотины. Ниже по течению, вплоть до устья Вилюя, во все теплые месяцы наблюдается повышение температуры (от 0,2 до 1,0—2,0°С), что вызвано снижением летне-осеннего стока Вилюя и усилением прогрева речной воды. Вследствие уменьшения О и ? в теплый сезон года тепловой сток Вилюя уменьшился в 2 раза у плотины, на 40% на г/п Сунтар (в 605 км от плотины) и 20% на г/п Хатырык-Хо-мо (в 1223 км); отмечено также его внутригодовое перераспределение. Тепловой сток нижней Лены (г/п Кюсюр) в 1988—2000 гг., наоборот, превысил свою величину в 1936—1950 и 1951—1975 гг. на 12 и 6% соответственно, что вызвано климатически обусловленным увеличением расхода и температуры воды одновременно в весеннее половодье и в летний период.
Положительные, климатически обусловленные тенденции изменения отмечены и для других рек региона. Так, тепловой сток нижней Яны в
1988—2000 гг. повысился на 22% по сравнению с его величиной в 1936—1975 гг. Этому способствовало увеличение водного стока и температуры воды в нижнем течении Яны. В низовьях рек, впадающих в западную часть моря Лаптевых, повышение
в основном совпадает с заметным увеличением О с середины 80-х гг. прошлого века. В отношении нижней Индигирки и рек водосбора Чукотского моря выводы о направленном изменении их термического режима пока преждевременны, в том числе из-за отсутствия данных за последние годы (стоковые посты закрыты).
К изменениям температурного режима Колымы привело сооружение в ее верхнем течении Колымского гидроузла [9, 10], в результате чего при слабых отличиях температуры воздуха и водности Колымы в 1990—1995 и 1969—1975 гг. температура воды в нижнем бьефе Колымского ГУ понизилась в июне и июле на 6,4°С, в августе — на 1,6°С, она повысилась в сентябре и ноябре—мае на 0,5—1,9°С и в октябре на 4,4°С. Полное восстановление естественного температурного режима отмечено в ноябре—апреле в 40—100 км ниже плотины ГЭС и в 230—620 км в мае—октябре. Но в июне влияние водохранилища, возможно, распространяется на существенно большее расстояние — до 1450 км.
Ниже по течению от участка с прямым воздействием водохранилища на тепловое состояние Колымы в июне и июле в настоящее время температура воды превышает фоновые значения (на 0,4—1°С на г/п Черский), в августе и сентябре меньше их (на 0,4—0,8°С), а в мае и октябре она не изменилась. Выявленные изменения температуры вызваны техногенными нарушениями водного режима реки и изменившейся на их фоне ролью вод притоков и метеорологических факторов в северной части бассейна. Изменения режима теплового стока прослеживаются на всем протяжении среднего и нижнего течения Колымы. В створе ГЭС он уменьшился почти на 50%, в створе г/п Усть-Среднекан (в 227 км от плотины) на 21%, на г/п Средне-колымск (1209 км) на 14% и на г/п Колымское (1578 км) на 8%. К дельте эти изменения менее значимы вследствие впадения полноводного притока Анюя. Кроме того, с 1995 г. на устьевом участке Колымы на фоне климатически обусловленного повышения летней и осенней температуры с 1988 и 1980 г. и повышения О весеннего половодья с середины 1990-х гг. отмечено увеличение . Это свидетельствует, как и в случае с нижним Енисеем, об усилении в последние десятилетия роли природных факторов.
Заключение. Выполненные автором на современном и обширном литературном материале исследования позволили: 1) уточнить полученные ранее (по коротким рядам) оценки теплового стока всех без исключения рек, впадающих в моря Россий-
ской Арктики и охваченных сетевыми гидрологическими наблюдениями; 2) получить для средних рек всех северных районов российской части водосбора СЛО расчетные зависимости вида Wт = / (Щ и Wт = / (^); 3) изучить характер продольных изменений величины Wт ниже замыкающих створов больших рек; 4) во многих случаях впервые оценить величины Wт в устьевых створах и ВД больших и ряда средних рек, а также суммарный Wт в арктические моря и СЛО (с российской части их водосборов); 5) изучить и оценить естественные и антропогенные (в основном под влиянием водохранилищ) изменения теплового состояния рек за многолетний период и по длине русла.
Тепловой сток рек, впадающих в моря Российской Арктики, довольно велик, несмотря на относительно низкие значения температуры воды и короткий теплый период года. Большая величина Wт объясняется большой водоносностью этих рек и оптимальным сочетанием значений расхода и температуры воды в течение года. Суммарная величина притока теплоты в арктические моря России с речными водами составляет около 78 600 • 1012 кДж/год.
Временная изменчивость теплового стока рек обусловлена климатическими причинами, за исключением ряда освоенных рек Кольского п-ова и Карелии, рек в бассейнах Оби и Енисея, а также Вилюя и Колымы. У незарегулированных водохранилищами рек в основном наблюдается многолетнее увеличение температуры воды и их теплового стока. Следствием гидроэнергетического освоения рек
стало: 1) снижение водности в период с положительной температурой воды; 2) понижение ниже плотин ГЭС температуры летом и ее увеличение в остальные месяцы; 3) восстановление естественного температурного фона зарегулированных рек на значительном расстоянии от плотин ГЭС; 4) уменьшение теплового стока зарегулированных рек. Но ряд аспектов воздействия крупных гидротехнических сооружений на температурный режим и тепловой сток северных рек постепенно нивелируется вследствие усиления роли климатических факторов (потепления климата). Так, уже с конца XX в. и в первые годы XXI в. на устьевых участках Оби, Енисея и Колымы выявлено увеличение Wт.
В XXI в. по мере усиления потепления климата в регионе и сопутствующего увеличения стока воды северных рек [1], учитывая доминирующую для большинства рек роль климатической составляющей в происходящих изменениях ? и 0, следует ожидать сохранения тенденции к увеличению температуры воды и Wт рассматриваемых рек и, следовательно, усиления отепляющего воздействия рек на морские воды и на климат региона; активизации процессов разрушения речных и морских берегов, сложенных многолетнемерзлыми породами; изменения в ледовом режиме рек и устьевых взморьев, возникновения заторных наводнений, повышения интенсивности биохимических и биологических процессов, самоочищающей способности рек и др.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Геоэкологическое состояние арктического побережья России и безопасность природопользования. М.: ГЕОС, 2007.
2. Евсеева Л.С., Магрицкий Д.В., Ретеюм К.Ф. Природные и техногенные факторы изменения теплового стока северных и южных рек России // Гидроэкология: теория и практика. Проблемы гидрологии и гидроэкологии. Вып. 2. М.: Изд-во МГУ, 2004. С. 213—237.
3. Ёлшин Ю.А. Тепловой сток рек европейской территории СССР // Метеорология и гидрология. 1981. № 9. С. 85—93.
4. Ёлшин Ю.А. Тепловой сток в моря Северного Ледовитого океана // Вод. ресурсы. 1988. № 5. С. 63—68.
5. Иванов В.В., Куржунов А.Н. Тепловой сток рек в Обско-Тазовскую губу // Тр. ААНИИ. Т. 358. 1980. С. 102—110.
6. Космаков И.В. Термический и ледовый режим в верхних и нижних бьефах высоконапорных гидроэлектростанций на Енисее. Красноярск: Кларетианум, 2001.
7. Куржунов А.Н. Тепловой сток Енисея в устьевой области // Тр. ААНИИ. Т. 394. 1984. С. 66—74.
8. Леонов Е.А. Изменение термического режима рек под влиянием хозяйственной деятельности // Тр. ГГИ. Вып. 239. 1977. С. 49—77.
9. Магрицкий Д.В. Особенности изменения гидрологического режима Колымы в условиях регулирования ее
стока // Тр. Междунар. научно-практической конференции "Современные проблемы водохранилищ и их водосборов", 28 мая—1 июня 2007 г. Т. 1. Пермь: ПГУ, 2007. С. 87—91.
10. Магрицкий Д.В. Антропогенные воздействия на сток рек, впадающих в моря Российской Арктики // Вод. ресурсы. Т. 35, № 1. 2008. С. 1—14.
11. Назаренко С.Н., Сахарова Н.Б. Изменение ледо-термического режима р. Вилюй в нижнем бьефе Вилюй-ской ГЭС 1—11 // Гидротехн. строительство. 1982. № 8. С. 23—26.
12. Ноговицын Д.Д., Кусатов К.И. Анализ изменения режима реки Вилюй после зарегулирования стока водохранилищем ГЭС // Антропогенное воздействие на водные ресурсы Якутии. Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1984. С. 41—55.
13. Одрова Т.В. Изменение режима рек Енисея и Ангары в результате зарегулирования стока // Влияние ГЭС на окружающую среду в условиях Крайнего Севера. Якутск, 1987. С. 84—95.
14. Орлова Г.А. Изменение термического режима Енисея и Оби ниже водохранилищ Красноярской и Новосибирской ГЭС // Пути преобразования речного стока на юге Сибири. Новосибирск, 1984. С. 23—39.
15. Советская Арктика. Моря и острова Северного Ледовитого океана. М.: Наука, 1970. С. 155—156.
16. Шикломанов И.А., Шикломанов А.И. Изменения Ледовитый океан // Вод. ресурсы. Т. 30, № 6. 2003. климата и динамика притока речнык вод в Северный С. 645—654.
Поступила в редакцию 13.11.2008
D.V. Magritsky
HEAT RUNOFF TO THE RUSSIAN ARCTIC SEAS AND ITS CHANGES
Relations between heat runoff of North European and Siberian rivers and their discharge values, basin areas and water temperature were studied. Reliable correlations of these parameters were obtained. Annual, seasonal and monthly values of heat runoff of medium and large rivers were estimated for their outfalls and mouths, as well as the total heat runoff to the Russian Arctic seas. Long-term and along-the-course changes of temperature regime and heat runoff of northern rivers were studied, and their natural and anthropogenic factors were revealed. The results were correlated to already published data.
Key words: river, runoff, temperature heat runoff, reservoir.
