Влияние изменения климата на обводненность территории Северного Прикаспия Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2010, том 16, № 5 (45), с. 25-30

————————— СПЕЦИАЛЬНЫЙ ВЫПУСК =========

УДК 631.432.1; 551.465.6

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА НА ОБВОДНЕННОСТЬ ТЕРРИТОРИИ СЕВЕРНОГО ПРИКАСПИЯ1

© 2010 г. М.К. Сапанов

Учреждение Российской Академии наук Институт лесоведения РАН Россия, 143030 Московская обл., Одинцовский р-н, с. Успенское, ул. Советская, 21.

E-mail: [email protected]

Реферат. Выявлена тенденция уменьшения обводненности территории Северного Прикаспия с середины 1995-х годов, которая обусловлена прекращением поверхностного стока весенних талых вод вследствие существенного потепления осенне-зимних месяцев. До этого времени сток воды происходил периодически раз в 4-5 лет при быстром весеннем таянии снега на фоне водонепроницаемого промерзшего слоя почвы.

Ключевые слова: аридные регионы, высыхание водоемов, поверхностный сток, потепление, зимний период.

Современное глобальное изменение климата считается сильнейшим преобразователем природы. Между тем, научных подтверждений, выявляющих его влияние, например, на обводненность территорий проведено недостаточно, особенно в части изучения изменения механизма естественного увлажнения исконно засушливых территорий. Эта проблема важна как с научной, так и практической точек зрения. Например, в последнее десятилетие наметилась устойчивая тенденция к уменьшению обводненности Прикаспийского региона, характерными признаками которого являются: длительная маловодность незарегулированных рек (Урала, Малого и Большого Узеней и др.), сильное снижение уровня воды или даже полное высыхание естественных и искусственных водоемов, понижение уровня грунтовых вод во всем регионе (Шнитников, 1961; Sapanov, Sizemskaya, 2008). Поэтому закономерен интерес, в какой же степени необратим процесс увеличения дефицита воды на этой территории и обусловлен ли он изменением климата?

В этой связи, для выявления основных механизмов изменения обводненности территории нами проведен сопряженный анализ результатов инструментального, более чем полувекового мониторинга погодных условий, уровня воды в почвогрунтах и открытых водоемах Прикаспийской низменности.

Объекты и методы исследований

Участок Джаныбекского стационара Института лесоведения РАН (49°23' с. ш., 46°47' в. д.) площадью 1500 га расположен на равнинной местности с выраженным мелкоконтурным мезо- и микрорельефом, который определяет дифференциацию засоления почв и грунтовых вод. Грунтовые воды имеют застойный характер. Под возвышенными участками воды засолены (до 7-10 г/л), тогда как в блюдцеобразных понижениях - западинах (площадью менее 1 га), больших падинах и лиманах (площадью от 1 до сотен га) из-за периодической инфильтрации весенних талых вод - опреснены и залегают в виде пресных линз, покоящихся на засоленных водах. По существу, это единственный источник пополнения грунтовых вод, уровень которых расположен на глубине 450-650 см от

1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект № 09-04-00030.

25

поверхности земли. Уровень грунтовых вод находится выше уровня Каспийского моря на 45 м (Роде, 1963).

Бессточное оз. Челкар (50°33' с. ш., 51°41' в. д.) имеет средний диаметр около 16 км, при средней глубине 5 м и располагается выше уровня Каспийского моря на 43 м. Вода горько-соленая и непригодна для питья. В озеро впадают две маловодные реки. При крайне редком максимальном заполнении озера водосброс осуществляется через пересыхающее русло, которое соединено с бассейном р. Урал.

В работе использовались собственные (с 1978 г.) и литературные данные наблюдений за уровнем грунтовых вод (ежедекадные замеры в режимных скважинах) на территории Джаныбекского стационара. Уровень воды в оз. Челкар приводится по данным Казгидромета. Обсуждаются также 30-летние собственные наблюдения за обводненность многочисленных естественных и искусственных водоемов России и Казахстана в Волжско-Уральском междуречье.

Результаты и обсуждение

На современном этапе в Северном Прикаспии отмечается повсеместное уменьшение степени обводненности территории, что существенным образом ухудшает условия проживания местного населения. Высохли или сильно обмелели большие, приуроченные к водоразделам разных рек и озерных котловин, искусственные водоемы - пруды: Финогенов (49°27' с. ш., 46°22' в. д.), Ждановский (49°53' с. ш., 47°34' в. д.), Пшеничный (50°18' с. ш., 47°17' в. д.), Мангур (49°49' с. ш., 47°46' в. д.), а также все неглубокие безымянные пруды и неглубокие естественные соленые озера, например, оз. Соркуль (49°37' с. ш., 47°48' в. д.) и оз. Арал-сор (49°01' с. ш., 48° 10' в. д.). В глубоких водоемах также отмечается понижение уровня воды, например, в оз. Челкар. Обмелели и постепенно засоляются колодцы, особенно неглубокого заложения. В этой связи, снабжение населения водой осуществляется за счет увеличения эксплуатации искусственных обводнительно-оросительных систем: Быковской, Палласовской, Джаныбекской, Малоузенской и др.

Напомним, что вся вода в открытых водоемах Северного Прикаспия обязана своим происхождением атмосферным осадкам, при этом, их годовое поступление (около 300 мм) намного меньше испаряемости (более 900 мм). Из этого следует, что в водоеме должно быть гораздо больше влаги на единицу площади, чтобы его уровень после испарения остался в равновесном состоянии. Основная дополнительная масса такой воды здесь накапливается только за счет притока весенних талых вод.

В круговорот влаги на суше вовлекаются грунтовые воды, и их уровень как результирующая величина, определяется количеством весенней инфильтрационной воды и ее расходом на транспирацию растительности и испарения с поверхности почвы. При этом расход влаги лимитируется пропускной способностью почвенной толщи (зоны аэрации). Водобалансовые расчеты указывают на то, что общий расход из грунтовых вод не превышает нескольких десятков миллиметров воды за сезон. Кстати, это легко обнаружить по сезонному опусканию его уровня в среднем на 20-30 см. С учетом того, что для тяжелых суглинков величина водоотдачи при понижении уровня на 1 см составляет 1.1 мм, расход будет равен 22-33 мм (Роде, 1963; Сапанов, 2000).

Поверхностный сток, пополняющий водоемы и грунтовые воды, происходит по уклону местности: вначале заполняются блюдцеобразные замкнутые понижения рельефа (западины, падины, лиманы), затем, переливаясь, вода устремляется в балки, далее попадает в реки и затем в озера.

На этой территории за все годы наблюдений (1951-2009 гг.) заметный поверхностный сток талых вод отмечался в 1952, 1964, 1968, 1971,1974, 1978, 1981, 1986, 1993, 1994 гг. Как

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА НА ОБВОДНЕННОСТЬ ТЕРРИТОРИИ

видим, до 1995 г. сток происходил в среднем, через каждые 4-5 лет, после - ни разу. Для выявления причины отсутствия стока в это время рассмотрим особенности динамики некоторых факторов среды, в том числе, общеизвестного коэффициента увлажнения (Реймерс, 1990), вычисленного делением ежегодных сумм осадков за год на испаряемость (рис. 1). На рисунке видна сопряженная флуктуация во времени уровней воды в оз. Челкар и в почвогрунтах Северного Прикаспия с общей увлажненностью территории и с мощностью снежного покрова. Особенно синхронизируются все показатели в годы существенного улучшения природных условий (с конца 1970-х до середины 1990-х годов).

-800 J

Рис. 1. Динамика факторов природно-климатических условий в Северном Прикаспии: 1 -коэффициент увлажнения и его 5-летний скользящий тренд; 2 - максимальная мощность снежного покрова и его 5-летний скользящий тренд; 3 - уровень оз. Челкар, приведенный к относительному «0» в нижней точке стояния (1978 г.); 4 - уровень грунтовых вод. Fig. 1. Dynamics of natural conditions in the Northern Pricaspian lowland: 1 - annual humidity index and humidity index with moving average 5-period trendline; 2 - maximum depth of snow cover and depth of snow cover with moving average 5-period trendline; 3 - the level of lake Chelkar, 0 m is the lowest point of water level (1978); 4 - depth of the groundwater table.

Как видим, несмотря на то, что количество вовлеченной в ежегодный круговорот воды с открытых водоемов (сотни миллиметров) и из грунтовых вод (десятки миллиметров) различаются на порядок, тренды их динамик удивительным образом совпадают во времени. Ранее также было отмечено аналогичное совпадение флуктуаций уровней воды в почвогрунтах и в Каспийском море (Сапанов, 2007). Если учесть, что уровни воды в рассматриваемых экосистемах (водоемах и почвогрунтах) в течение всего времени находятся в динамически равновесном состоянии, то становится понятным, что механизмы их

формирования обусловлены воздействием одних и тех же факторов погодных условий. При этом наличие периодического поверхностного стока талых вод имеет ключевое значение, так как именно это явление формирует приходную часть их водного баланса.

Основным условием возникновения поверхностного стока является быстрое весеннее потепление на фоне мерзлого водонепроницаемого слоя в почве (рис. 2). Для стока также важны некоторые параметры условий, их динамика и сочетание.

1. Наличие снежного покрова (Роде, 1959). Сток может наблюдаться и в годы с меньшим, чем среднегодовая максимальная мощность снежного покрова (6.9 см), как это было в 1971 г. (3.7 см), 1981 г. (1.8 см), 1986 г. (4.8 см), 1993 г. (3.8 см). Большое количество снега увеличивает массу накапливаемой воды, например, как это было в 1964 г. (мощность снежного покрова 17 см). В этот год некоторые падины были заполнены водой в течение 1.5 месяцев.

2. Почвы должны находиться в промерзшем состоянии во время таяния снега. Этому способствует промерзание почвы на значительную глубину, а также ее сильное осеннее промачивание перед промерзанием. Наилучшие условия для стока возникают при наличии водонепроницаемой ледяной корки в почве во время снеготаяния.

3. Быстрый переход весенних среднесуточных температур воздуха через «0» градусов. В это время также важно отсутствие ночных заморозков. Чередование морозных и теплых периодов задерживает стекание воды с возвышенных участков и способствует их инфильтрации на месте.

Рис. 2. Метеорологические условия, обусловившие сток талых вод в локальные понижения рельефа весной 1986 г.: А - изменение среднесуточных температур воздуха, Б - мощность снежного покрова, В - глубина промерзания почвы, Г - время стока. Fig. 2. The meteorological conditions, which have caused the snow run-off to the depressions of relief in the spring of 1986: A - Dynamics of daily air temperature, Б - Depth of snow cover, В - depth of frozen soil horizon, Г - time of run-off.

Анализ данных температуры воздуха за изучаемый период (1951-2008 гг.) показал ее повышение с октября по апрель. В декабре отмечалось понижение температуры воздуха. В остальные месяцы (с мая по сентябрь включительно) температурный режим воздуха был преимущественно неизменным. Таким образом, общее годовое повышение температуры воздуха происходило за счет потепления холодного периода года (рис. 3).

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА НА ОБВОДНЕННОСТЬ ТЕРРИТОРИИ

t°C

^H^H^H^H^H^H^H^H^H^H^H^H^H^H^H^H^HrSrSrS

Рис. 3. Динамика средней температуры воздуха в Северном Прикаспии: годовой (1), теплого (2) и холодного (3) полугодия. Fig. 3. Dynamics of average air temperature in Northern Pricaspian lowland: annual (1), warm season (2), cold season (3).

Вполне логично предположить, что отсутствие поверхностного весеннего стока в понижения рельефа за последние 14 лет обусловлено именно этим потеплением. Действительно, если за все изучаемое время средняя температура воздуха осенне-зимних месяцев равна -3.5 °C (1951-2008 гг.), то за период отсутствия заметного весеннего стока (1995-2008 гг.) - всего лишь -2.1 °C. Контраст будет еще более разительным, если отдельно посчитать среднюю температуру воздуха (-4.0 °C) за все предшествующие анализируемые годы (1951-1994 гг.). Эти результаты убедительно показывают, почему же не было стока в последние время даже при высокой мощности снежного покрова в 2006 и 2008 гг. (12.3 и 11.3 см соответственно). Как видим, в последние 14 лет исчезли условия, способствующие возникновению поверхностного стока талых вод, и это связано с устойчивым потеплением климата в холодный период.

В прогнозном отношении вполне оправдано предположение о том, что устойчивый тренд потепления может вызвать возникновение в Северном Прикаспии региональной экологической катастрофы в связи с устойчивым уменьшением водных ресурсов. Однако продолжительный мониторинг природных условий указывает все же на возможную цикличность и обратимость этих процессов, тем более, что уровни воды в оз. Челкар и почвогрунтах не достигли наименьших значений второй половины ХХ в., например, таких как в 1978 г. (рис. 1). Отметим, что в аридных регионах в конце Х1Х и начале ХХ вв. также отмечалось периодическое пересыхание озер на фоне изменения гидротермических параметров климата (Шнитников, 1961).

Заключение

В Северном Прикаспии с середины 1995-х годов отмечается постепенное снижение уровней воды в естественных озерах и искусственных водоемах, созданных в балках гидрографической сети. Большинство из них, особенно неглубокие, к настоящему времени высохли полностью или сильно обмелели.

Это связано с отсутствием поступления дополнительной влаги, которая совершенно необходима для саморегуляции уровней воды в водоемах и почвогрунтах, т. е.

уравновешивания сезонного расхода на испарение с водной поверхности и эвапотранспирацию наземных экосистем, которое в этом регионе превышают выпадающее количество осадков на месте. Ранее поверхностный сток воды происходил периодически (раз в 4-5 лет) при быстром весеннем таянии снега на фоне водонепроницаемого промерзшего слоя почвы, а такие условия с 1995 г. стали отсутствовать вследствие устойчивого потепления холодного периода года.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Реймерс Н.Ф. 1990. Природопользование. Словарь-справочник. М.: Мысль. 640 с.

Роде А.А. 1959. Климатические условия района Джаныбекского стационара // Сообщения

Лаборатории лесоведения. М.: Издательство АН СССР. Вып. 1. С. 3-40. Роде А.А. 1963. Водный режим и баланс целинных почв полупустынного комплекса //

Водный режим почв полупустыни. М.: Издательство АН СССР. С. 5-83. Сапанов М.К. 2000. Оценка десукции лесных культур на разных типах почв Северного

Прикаспия // Почвоведение. № 11. С. 1318-1327. Сапанов М.К. 2007. Синхронность изменения уровней Каспийского моря и грунтовых вод в Северном Прикаспии во второй половине ХХ в. // Известия РАН. Серия географическая. № 5. С. 82-87. Шнитников А.В. 1961. Современное состояние юго-востока европейской части СССР с точки зрения внутривековых колебаний климата и его общей увлажненности // Малые водоемы равнинных областей СССР и их использование. М.: Издательство АН СССР. С. 23-31.

Sapanov M.K., Sizemskaya M.L. 2008. Effect of climate changes on water redistribution in southern regions of the Russian Federation // New Methodologies and Interdisciplinary Approaches in Global Change Research. The 1st FMSH-ESF Entre-Sciences Conference in Environmental Sciences. 5-10 November 2008, IGeSA, Porquerolles. France. P. 84-85.

INFLUENCE OF CLIMATE CHANGE ON THE WATER RESOURCES OF NORTHERN PRICASPIAN LOWLAND

© 2010. M.K. Sapanov

Institute of Forest Science of Russian Academy of Sciences Russia, 143030Moscow area, Odintsovskii distr., Uspenskoe, Sovetskaja str., 21. E-mail: [email protected]

Abstract. In Northern Pricaspian lowland since the middle of 1990-th there have been a gradual reduction of quantity of water in natural lakes and artificial reservoirs, created near rivers. The majority of them, especially not deep, is completely dried up or became shallow at the moment.

It happens due to lack of additional moisture, which is necessary for self-controlling of water level in reservoirs and soils. Self-controlling can be performed by equilibration of evaporation from water surface and evapotranspiration of natural ecosystems. Without self-controlling, evapotranspiration exceeds the precipitation. The surface run-off used to occur periodically (once in 4-5 years). Snow melted very quickly, and the icy water-proof layer of earth provided the run-off. Such conditions have began to disappear due to warming of the cold season of the year since 1995-th.

We have revealed that there is the reduction of amount of water resources in Northern Pricaspian lowland since the middle of 1990-th, which has been caused by the termination of spring melted snow runoff of because of essential warming of autumn and winter months. The surface run-off used to occur periodically once in 4-5 years. Snow melted very quickly, and the icy water-proof layer of earth provided the run-off.

Key words: arid regions, drying of water objects, a surface run-off, winter warming.