CC BY
24УДК 556.55
ВОДНЫЙ БАЛАНС ОЗЕРА БАЙКАЛ В УСЛОВИЯХ ЗАРЕГУЛИРОВАННОГО РЕЖИМА
© 2011 г. В.Н. Синюкович
Лимнологический институт Сибирского отделения Российской академии наук, г. Иркутск
Ключевые слова: озеро Байкал, водный баланс, зарегулированный режим, приток, сток, осадки на поверхность озера, испарение с водной поверхности, аккумуляция воды, невязка водного баланса.
Рассчитаны составляющие водного баланса оз. Байкал и их изменчивость в период после зарегулирования озера плотиной Иркутской ГЭС (1962— 2008 гг.). Полученные оценки характеризуют соотношение прихода и расхода воды в озере в годы с нарушенным водным режимом и отражают произошедшие изменения отдельных элементов. Отмечается необходимость совершенствования расчетных схем основных статей баланса, связанная с наличием устойчивой положительной невязки.
Введение
Байкал — одно из величайших озер нашей планеты, занимающее первое место по объему пресных вод (23 000 км3). Оно издавна имело чрезвычайно важное значение для населения региона, а с включением озера в список Всемирного наследия ЮНЕСКО (1996 г.) повысился и его международный статус. В связи с этим возросла и актуальность исследований как всего озера и его экосистемы, так и отдельных характеристик водоема, в том числе водных ресурсов и элементов водного баланса.
Строительство Иркутской ГЭС на р. Ангара изменило водный режим Байкала, превратив его в головное водохранилище Ангарского каскада с сезонным и частично многолетним регулированием. Начало нарушения водного режима озера от плотины ГЭС (подпора) приходится на сентябрь 1958 г., а с 1962 г. Иркутское водохранилище и оз. Байкал эксплуатируются уже в режиме нормальных подпорных уровней (НПУ) [1, 2].
Водное хозяйство России № 1, 2011
Водное хозяйство России
Впервые водный баланс озера был составлен Г.Ю. Верещагиным за 1928—1929 гидрологический год в связи с составлением справочника по водным ресурсам СССР. В дальнейшем вопросы расчетов водного баланса Байкала исследовались в работах Б.С. Цейтлина, А.Н. Афанасьева, З.А. Викулиной, Н.Н. Янтер, Т.П. Гронской и Т.Э. Литовой и др. Составление официальных водных балансов озера осуществляет Иркутское межрегиональное управление федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Иркутское УГМС).
Полученные разными авторами (и для разных периодов) оценки составляющих водного баланса озера зачастую существенно различаются, что одновременно служит предметом дискуссий и стимулирует поиски путей совершенствования расчетных схем. Эти обстоятельства, вместе с удлинением рядов натурных гидрометеорологических данных, совершенствованием технических средств измерений и вычислений, а также происходящими изменениями климата и уровня хозяйственного воздействия на те или иные компоненты окружающей среды, определяют целесообразность периодического пересмотра балансовых оценок.
В работах [3—5], наиболее полно описывающих водный баланс Байкала после зарегулирования, недостаточно отражены особенности формирования и учета элементов прихода-расхода воды, имеются расхождения в их оценках. Кроме того, баланс приводится к створу Иркутской ГЭС (т. е. включает Иркутское водохранилище), требуя дополнительной корректировки. С этих позиций, регулярный анализ точности расчета элементов водного баланса озера, с внесением необходимых уточнений, становится важнейшим фактором оптимизации режима наполнения и сработки водоема, обеспечивающего наиболее эффективное и рациональное использование его водных ресурсов.
Методика и исходный материал
В настоящей работе оценивается водный баланс озера (без Иркутского водохранилища) за период зарегулированного режима (1962—2008 гг.) с использованием данных Иркутского УГМС и литературных источников. Объем и качество исходной информации обеспечивают приемлемую для основных потребителей (гидроэнергетика, жилищно-коммунальный сектор, водный транспорт и др.) точность полученных результатов и позволяют оценить текущее состояние и происходящие изменения отдельных элементов баланса оз. Байкал, обусловленные русловым регулированием и изменением внешних условий.
Водное хозяйство России № 1, 2011
Водное хозяйство России
Современная гидрометеорологическая изученность озера позволяет представить уравнение его водного баланса в следующем виде:
X + Ур + Уп + К - У - Е = АШ,
где X — атмосферные осадки на поверхность озера;
Ур и Уп — приток речных и подземных вод, соответственно;
К — конденсация водяного пара на поверхности озера;
У — поверхностный и подземный сток из озера;
Е — испарение с водного зеркала озера;
АШ — изменение объема воды в озере за расчетный период.
Рассмотрим отдельные нюансы формирования и определения каждой из воднобалансовых составляющих.
Речной приток является основной (80—88 %) компонентой приходной части водного баланса Байкала. Он формируется с площади 540 000 км2 и учитывается в замыкающих створах наиболее крупных притоков. Две трети притока обеспечиваются за счет трех основных рек — Селенга, Верхняя Ангара и Баргузин. Изученная площадь, с которой учитывается сток, год от года меняется и в среднем составляет 93 % от всей водосборной территории Байкала. С неизученной части бассейна приток определяется расчетным путем с использованием метода аналогии, локальных зависимостей от физико-географических факторов, разложения полей стока на естественные ортогональные составляющие (ЕОС) и др.
Атмосферные осадки на поверхность озера (12—20 % прихода) рассчитываются по результатам фактических наблюдений на береговых и островных станциях. В связи с введением в систему учета осадков поправок на смачивание (с 1966 г.), полученные ранее оценки осадков нуждаются в корректировке. Нами приняты осадки (и испарение) за период 1971—2008 гг. по сведениям Иркутского УГМС, 1962—1970 гг. — откорректированным данным Государственного гидрологического института (ГГИ) [3].
Для подсчета осадков по акватории озера используется система изо-гиет или районные зависимости первых трех векторов разложения их полей, учитывающие условия циркуляции воздуха над Байкалом и орографические особенности расположения пунктов наблюдений. Площадь водной поверхности в большинстве случаев принимается постоянной и равной 31 500 км2, хотя по последним уточнениям она несколько больше — 31 722 км2 [6].
Подземный приток в оз. Байкал в первых исследованиях в связи со слабой изученностью определялся по величине невязки баланса.
Водное хозяйство России № 1, 2011
Водное хозяйство России
В последующем он, в основном, принимается по данным [7] (1,64 км3/год, из которых 1,52 — подрусловой сток). Последнее обстоятельство не позволяет напрямую вводить полученную оценку подземного стока в уравнение баланса воды в озере, т. к. подрусловой сток приведен к береговой линии озера, а замыкающие гидрометрические створы на притоках отнесены от нее за пределы предгорных равнин, сложенных рыхлыми отложениями, способствующими переводу поверхностного стока на подземную (подрусловую) составляющую. Очевидно, по этой причине А.Н. Афанасьев [8, 9], приводя более высокие оценки подземного притока в оз. Байкал, не вычленяет его из общего речного или материкового притока.
Сток из озера (73—86 % расходной части баланса) осуществляется через р. Ангару, гидрометрические измерения в ее истоке ведутся с 1899 г. После заполнения Иркутского водохранилища сток из озера учитывается на Иркутской ГЭС.
Подземный отток воды из озера эпизодически рассматривался, но каких-либо определенных результатов в этом направлении получено не было. В работе [10] его величина, например, была принята равной невязке баланса, составляющей 1,17 км3/год или 37 мм.
Испарение с акватории озера (14—27 % расхода) рассчитывается по данным наблюдений за температурой воды и воздуха, влажностью воздуха и скоростью ветра. С 1966 г. испарение с водной поверхности рассчитывается по формулам ГГИ и В.А. Рымши — Р.В. Донченко, которые дают более высокие значения в сравнении с применяемой до этого времени формулой Б.Д. Зайкова. Поэтому требуется корректировка данных при анализе испарения за многолетний период.
Конденсация водяного пара на поверхности Байкала имеет место в период со времени вскрытия озера до выравнивания температуры поверхности воды и поверхности суши (август). Роль этой составляющей в водном балансе озера крайне невелика, а в связи с ее недостаточной изученностью в расчетах баланса она учитывается не всегда. В большинстве случаев конденсация включается (с обратным знаком) в испарение и не выделяется отдельной статьей баланса.
В работе [9] предлагалось учитывать почвенную конденсацию паров воды, играющую в некоторых районах бассейна Байкала заметную роль в балансе подземных вод. По нашему мнению, данная составляющая, в конечном итоге, опосредована в приходной части баланса через поверхностный и подземный приток, поэтому ее оценки оправданы при изучении формирования данных составляющих.
Аккумуляция воды в озере оценивается через изменение среднего уровня водоема за расчетное время и площадь его водной поверхности.
Водное хозяйство России № 1, 2011
Водное хозяйство России
С начала XXI в. колебания объема воды в озере значительно уменьшились в связи с изменением предельных уровней водоема, регламентированных постановлением Правительства РФ.
Аккумуляция в ледовом покрове для Байкала обычно не учитывается из-за непродолжительного ледостава (в среднем 4 месяца) и незначительных объемов осевшего на берегах льда вследствие преобладания приглубых берегов на озере и сравнительно низкой (не более 0,6 м) сра-ботки уровня за ледоставный период.
Аккумуляция в подземных водах (береговое регулирование) малозначима и не учитывается по причине невысокой амплитуды колебаний уровня.
Результаты и обсуждение
Сначала оценим репрезентативность рассматриваемого расчетного периода (1962—2008 гг.) в отношении его соответствия многолетним условиям тепло- и влагообеспеченности территории. Для этого обратимся к анализу динамики многолетнего хода притока, определяющего элемента водного баланса Байкала, отражающего условия увлажнения его водосборной территории. Как видно из [11], начало используемого нами периода приходится на первые годы внутривекового цикла приточности 1959—1979 гг., а конец — окончание следующего цикла, начавшегося в 1980 г. Таким образом, период 1962—2008 гг. практически включает два полных цикла водности, что позволяет считать оценки средних значений элементов водного баланса Байкала за эти годы достаточно репрезентативными и объективными.
Среднее значение притока за указанный период составило 63,60 км3/год (2019 мм), а характеризующий его межгодовую изменчивость коэффициент вариации Су = 0,17. Максимальный объем годового притока в эти годы достигал 92,24 км3 (1973 г.), минимальный — 44,38 (1979 г.). В течение 1962—2008 гг. происходило общее снижение притока со скоростью около 0,08 км3/год (рис. 1а), или 3,67 км3 за весь период. Примечательно, что тренд притока стал отрицательным в результате маловодья на реках бассейна озера, наступившего в середине 1990-х годов.
Сток из озера в рассматриваемые годы изменялся от 40,53 (1982 г.) до 77,43 км3/год (1985 г.) при среднем значении 58,90 км3/год (1870 мм) и Су = 0,15. За расчетные 47 лет сток уменьшился на 4,80 км3 (0,10 км3/год).
Осадки на поверхность озера в период после зарегулирования менялись в диапазоне от 9,17 (1977 г.) до 16,08 км3/год (2008 г.) при средней
Водное хозяйство России № 1, 2011
Водное хозяйство России
3
км3
3
км3
Годы
Рис. 1. Динамика элементов водного баланса в исследуемый период: а) сплошная линия — приток, пунктирная — сток; •) сплошная — испарение, пунктирная — осадки (прямая линия — тренд).
величине 12,45 км3/год (393 мм) и Сv = 0,14. Долговременные тенденции осадков (рис. 16) практически не выражены — тренд менее 0,01км3/год и статистически недостоверен.
Абсолютные значения испарения варьировали в пределах от 10,92 (1966 г.) до 19,38 км3/год (1996 г.) при средней величине 14,73 км3/год (468 мм) и Су = 0,13. Наиболее значительное повышение испарения приходится на период 1989—2000 гг., в течение которого его величина
Водное хозяйство России № 1, 2011
Водное хозяйство России
оставалась не ниже 14 км3/год, а среднее значение за эти годы составило 16,5.
В исследуемый период, в отличие от рассмотренных выше составляющих, испарение отличается незначительным ростом с градиентом тренда 0,054 км3/год, что определяет его общее увеличение за 1962— 2008 гг. на 2,54 км3.
В целом, динамика многолетних колебаний стока и осадков соответствует изменениям притока воды в озеро — характеризующий их коэффициент корреляции (г) составляет 0,68 и 0,58, соответственно. Межгодовые колебания испарения, наоборот, по отношению к притоку направлены противоположно (г = -0,24).
Внутри года значения элементов водного баланса распределены по-разному. Основное поступление воды в озеро приходится на теплое время года, а расходная часть наиболее значима в холодный период (рис. 2, табл.). Приход за май-сентябрь составляет 84 % его годового объема, при этом приток максимален в июне (18 % от годовой величины), а осадки — в июле (21 %). Сток в течение года изменяется незначительно (см. рис. 2), принимая максимальные значения в ноябре-декабре.
Испарение достигает наибольших значений в предледоставный период при наибольшем контрасте температур воды и воздуха — средний
3
км3
Месяц
Рис. 2. Внутригодовое распределение элементов водного баланса: 1 — приток; 2 — сток; 3 — осадки; 4 — испарение.
Водное хозяйство России № 1, 2011
Водное хозяйство России
а
^
&
X
¡2
£
§
у
§ £
Й
Годовая сумма
сч!чо
С^ чо ооМ
м о н к а
с
НМ
с4| с-
от
¿1 - я
с^00
о!
I40
т! г,
I - $
7 а
О1чо
||
^н—1
^ О
5 ЗТ
||
р 3
||
О|чо
||
||
В
Р-
9 ^
|
|
^ а
||
о
Г- |о НМ
•ч И
Г I Я
НМ
Водное хозяйство России № 1, 2011
Водное хозяйство России
слой испарившейся влаги в ноябре составляет 109 мм или 23 % годовой величины испарения. За три предледоставных месяца (октябрь-декабрь) этот показатель составляет 65 %.
Аккумуляция изменяется в соответствии с меняющимся соотношением прихода-расхода воды. В период с октября по апрель, когда сток выше притока, аккумуляция отрицательна, т. е. происходит сработка уровня озера, в среднем достигающая в декабре 186 мм. В остальное время года идет накопление воды, с максимальными приращениями уровня в июне-июле по 250 мм.
Сумма приходных статей баланса за рассматриваемый период (табл.) получилась больше расходных, т. е. имеет место положительная невязка. С учетом аккумуляции (0,15 км3/год или 5 мм) невязка баланса в среднем составила 2,27 км3/год (72 мм), или около 107 км3 за 47 лет. По мнению авторов работ [1, 4] невязка обусловлена недостаточной точностью учета стока, который должен быть скорректирован на ее величину. По другим данным [3, 5] сток через Иркутский гидроузел измеряется надежнее притока, поэтому корректировать надлежит последний. Именно по этой причине, при практически совпадающих оценках осадков и испарения, приток и сток у этих авторов существенно различаются.
В связи с тем, что в настоящих расчетах баланс сознательно не уравнивается, полученные нами данные по притоку получились близкими к результатам [4], а по стоку — к оценкам [3].
Для оценки произошедших за годы эксплуатации Иркутского водохранилища в условиях НПУ изменений отдельных статей баланса озера сравним полученные результаты с аналогичными данными для периода естественного водного режима [9]. В целом, средние значения прихода и расхода за 1962—2008 гг. оказалось несколько выше, чем в бытовых условиях. Так, приток увеличился на 10,6 % как вследствие более полного учета, так и происходящих вариаций климата.
Сток из озера изменился несущественно (снижение на 2,5 %), что, с одной стороны, связано с затратами воды на наполнение полезного объема Байкала, а с другой, с занижением стока через Иркутский гидроузел, т. к. даже при достаточной точности учета стока на ГЭС неучтенными остаются обходная фильтрация и фильтрация через плотину. Основные же изменения стока коснулись его внутригодового распределения, которое раньше соответствовало изменениям притока, а теперь существенно выровнялось.
Более высокие осадки после зарегулирования, в первую очередь, обусловлены усовершенствованием методов их измерений (введением поправок к показаниям осадкомеров с 1966 г.). Увеличение же испа-
водное хо;
Водное хозяйство России
рения на 42 % определяется как переходом на новые расчетные формулы, так и более теплым климатом в годы после зарегулирования озера.
Заключение
Рассчитанные составляющие водного баланса Байкала за 1962— 2008 гг. отражают гидрометеорологические условия в бассейне озера в период после создания Иркутского водохранилища и являются достаточно репрезентативными оценками.
В исследуемые годы динамика притока, стока и осадков характеризуется незначительными отрицательными трендами, тогда как испарение, наоборот, повышается. Во внутригодовом ходе элементов баланса произошло существенное перераспределение стока воды из озера, заключающееся в его выравнивании и смещении максимальных расходов воды на зимние месяцы.
В сравнении с периодом естественного режима отмечается некоторое увеличение ежегодного кругооборота воды, вызванное не только колебаниями климата, но и изменениями техники расчета отдельных статей, обусловившими, в частности, более высокие значения осадков и испарения.
В период зарегулированного режима водный баланс озера характеризуется систематическим преобладанием его приходной части над расходной (суммарное превышение за рассматриваемый период 107 км3), указывая на недостаточную точность учета основных статей — притока и стока. Наличие положительной невязки не позволяет также включить в приходную часть баланса подземный приток в озеро и требует проведения натурной тарировки стока воды через Иркутский гидроузел.
Следует отметить, что в совершенствовании нуждаются методы определения и других элементов баланса. Так, точность учета притока снизилась из-за сокращения числа пунктов наблюдений и их технического оснащения, а стандарты расчетов тепло- и влагооборота в котловине разработаны для равнинных водоемов Европейской части России.
Указанные нюансы, вместе с колебаниями климата и хозяйственным воздействием на окружающую среду, определяют неоднозначность оценок воднобалансовых составляющих оз. Байкал и обусловливают необходимость их периодического пересмотра.
Водное хозяйство России № 1, 2011
Водное хозяйство России
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гидрометеорологический режим озер и водохранилищ СССР. Иркутское водохрани-
лище. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 140 с.
2. Синюкович В Н. Реконструкция естественного уровенного режима оз. Байкал после
строительства Иркутской ГЭС // Метеорология и гидрология. 2005. № 7. С. 70—76.
3. Гронская Т.П., Литова Т.Э. Краткая характеристика водного баланса озера Байкал
за период 1962—1988 гг. // Мониторинг состояния озера Байкал. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. С. 153—158.
4. Янтер Н.Н. Водный баланс оз. Байкал в период зарегулированного режима // Труды
V всесоюз. гидрол. съезда. Т. 8. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. С. 161—169.
5. Водные ресурсы России и их использование / под ред. И.А. Шикломанова. СПб.: ГГИ,
2008. 600 с.
6. Шерстянкин П.П., Алексеев С.П., Абрамов A.M., Ставров К.Г., М. Де Батист,
Хус Р., Каналье М, Касамор Х.Л. Батиметрическая электронная карта озера Байкал // ДАН. 2006. Т. 408. < 1. С. 102—107.
7. Писарский Б.И. Региональные закономерности формирования подземного стока
в Прибайкалье (вторая половина XX века) // Водные ресурсы Байкальского региона: Проблемы формирования и использования на рубеже тысячелетий. Т. 1. Иркутск. 1998. С. 42—43.
8. Афанасьев А.Н. Колебания гидрометеорологического режима на территории СССР.
М.: Наука, 1967. 231 с.
9. Афанасьев А.Н. Водные ресурсы и водный баланс бассейна оз. Байкал. Новосибирск:
Наука, 1976. 239 с.
10. Цейтлин Б.С. Водный баланс оз. Байкал // Труды III всесоюз. гидрол. съезда. Т. 4.
Л.: Гидрометеоиздат, 1959. С. 184—192.
11. Шимараев М.Н., Куимова Л.Н., Синюкович В Н., Цехановский В.В. Климат и гидро-
логические процессы в бассейне оз. Байкал в XX столетии // Метеорология и гидрология. 2002. < 3. С. 71—78.
Сведения об авторе:
Синюкович Валерий Николаевич, к. г. н., старший научный сотрудник, Лимнологический институт СО РАН, 664033, Иркутск, Уланбаторская, 3; e-mail: sin@lin.irk.ru
Водное хозяйство России
