Моделирование гидрологического режима водохранилищ в случае глобального потепления

Моделирование гидрологического режима водохранилищ в случае глобального потепления

Гречушникова  М.Г.

Московский  государственный университет, Москва, Россия

      На  географическом факультете МГУ выполнен большой и многогранный цикл прогностических исследований климатических, гидротермических и водных ресурсов в условиях дальнейшего потепления в XXI в. на Восточно-европейской равнине [2, 4]. Результаты этих исследований – основа для решения актуальной задачи  – прогностического расчета вероятного изменения к середине XXI в. гидрологического режима разнотипных водохранилищ: Можайского, Иваньковского и Рыбинского.

      Решение поставленной задачи включало два этапа:

1) диагностический модельный расчет гидрологического режима маловодные годы и валидация полученных результатов; 2) прогностический расчет с учетом ожидаемого потепления и изменения притока воды в водохранилища к середине XXI в. с учетом вероятных модельных ошибок.

     Для диагностического расчета использованы опубликованные в гидрологических ежегодниках среднесуточные расходы воды в створах рек водосборов водохранилищ, а также среднесуточный уровень воды, рассчитанный по данным водомерных постов. В качестве исходных файлов данных для Иваньковского водохранилища были выбраны маловодный 1973 г. и средневодный 1984 г., для Можайского водохранилища использован период с марта 1983 г по март 1985 г., когда на водоеме производились учащенные гидрологические съемки (данный период многократно использовался для отладки модели, ее новых блоков и показывает хорошие результаты воспроизведения фактического изменения гидрологических характеристик); в качестве исходного файла данных для Рыбинского водохранилища был выбран маловодный 1964 г., чтобы рассмотреть изменения при неблагоприятном маловодном варианте. Для прогностических модельных расчетов в данной работе решено было выбрать наиболее неблагоприятное (в частности для водоснабжения г. Москвы) сочетание уменьшения слоя годового стока и слоя стока за половодье: модульные коэффициенты 0,7 для годового стока,  дляслоя стока за половодье для притоков Иваньковского и Можайского водохранилищ значение 0,4, а для притоков Рыбинского водохранилища значение 0,5-0,6 в зависимости от расположения бассейна притока. Для зарегулированного притока (рр. Волга, Шексна, Кесьма) использован только модульный коэффициент годового стока, равномерно сокращающий объем притока за год на 30%. На основании выбранных модульных коэффициентов рассчитаны предполагаемые значения расходов воды притоков водохранилищ на основании фактически наблюденных расходов воды. В прогностическом расчете для задания погодных условий использованы результаты климатической модели INM RAS, воспроизводящей сценарий А2. Для узлов сетки с координатами 56ºс.ш. 40ºв.д и 60ºс.ш. 40ºв.д ряды среднесуточных значений метеорологических характеристик с 1945 по 1975 гг. были осреднены для годового периода, поскольку прогноз изменения климатических условий основан на осредненных значениях метеорологических характеристик за 30-летний период. Но при этом синоптические циклы, играющие важную роль в формировании гидрологической структуры водохранилищ, становятся снивелированными. В то же время изменения погоды необходимо соотносить с вероятными колебаниями притока воды в водохранилище, т.е. паводки должны соответствовать дождливым периодам. Поэтому файл исходных метеоданных был подготовлен следующим образом. По данным наблюдений выделены периоды ледостава и открытой воды. Для каждого из них определены средние значения характеристик. Затем для ряда температуры воздуха Т, например, и модельного осредненного климатического ряда Т* рассчитаны ежесуточные редукционные коэффициенты k_i для введения поправки к наблюдавшимся среднесуточным значениям: T_i*=k_i×Т_i.. Таким способом редуцированы ряды осадков, скорости ветра, температуры и влажности воздуха, атмосферного давления. В итоге полученная сумма осадков, например, и средние значения других величин приведены к характерным прогнозным значениям, которые рассчитаны по климатической модели INM RAS.

     По  результатам моделирования гидрологического режима Рыбинского водохранилища изменятся сроки характерных периодов: продолжительность обратной стратификации весной сократиться на период от 2 недель (в верховьях лопастей до 1 месяца в приплотинной части; на 2-3 декады увеличится продолжительность прямой стратификации; в среднем на 3^оС возрастет разность поверхностной и придонной температуры воды; в глубоководных отсеках максимум придонной температуры сдвинется с конца августа на середину сентября. При реализации прогнозного сценария сокращения притока воды в водохранилище преобразится структура водного баланса водохранилища, уменьшится аккумулятивная составляющая, внутригодовая амплитуда колебания уровня воды уменьшится более, чем на 30%. Уменьшится и проточность водохранилища. Среднее значение коэффициента водообмена (Кв) водохранилища за период 1948–1980 гг. составляет 1,27 год^-1 [3]. В маловодном 1964 г. его значение составило 1,09 год^-1, а при прогнозируемом снижении притока с его водосбора Кв сократится до 0,96 год^-1, т.е. на 12%. Наибольшее сокращение проточности (до 30-40%) наступит в весной (март–апрель) из-за уменьшения объема половодья и необходимости возможно большего наполнения водохранилища. В летом возможно небольшое увеличение проточности при всё большей сработке полезного объема. Удлинится продолжительность безледного периода в среднем на 1 месяц. Водохранилище, по модельному расчету, будет освобождаться ото льда на 2–3 недели ранее (не в конце, а в начале апреля), а ледостав наступать на 1–2 недели позднее – в конце ноября.

     Расчетные значения температуры воды Иваньковского водохранилища при предполагаемых климатических изменениях повысятся: 1) для маловодного года повышение температуры поверхности воды за период с мая по октябрь составит от 3,3^оС в верховьях до 5,1^оС у плотины, а в среднем за год – от 2,1 до 3,4^оС соответственно; 2) для года средней водности повышение будет менее существенным – от 3,4^оС в верховьях до 2,7^оС у плотины в среднем за год. Ожидается изменение проточности водохранилища. Среднее значение коэффициента водообмена (Кв) водохранилища за период 1952–1980 гг. составляет 8,3 год^-1 [3]. В маловодном 1973 г. его значение было в 1,2 раза меньше, а при прогнозируемом снижении притока с его водосбора Кв сократится до 5,42 год^-1, что в 1,5 раза меньше современного среднегодового значения. Проточность водохранилища для «экспериментального» маловодного года уменьшится в среднем на 25%, для средневодного - на 19%. Наибольшее сокращение проточности придется на весенний период (март-апрель) из-за сокращения объема притока воды за период половодья при необходимости наполнения водохранилища, чтобы поддерживать заданные значения уровня воды.

     Одним из последствий уменьшения проточности  водохранилища станет увеличение разности температур в поверхностном и  придонном слое воды. По данным наблюдений, прямая стратификация в водоеме имеет место до конца лета, и связана с натеканием теплых речных водных масс на относительно холодные воды половодья, вытесняющие зимнюю водную массу [1]. К концу лета холодная придонная водная масса сбрасывается в нижний бьеф, а квазигоризонтальная зона смешения теплых и холодных вод опускается при многофакторном перемешивании в водной толще. В случае предполагаемых климатических изменений при сокращении сбросов в нижний бьеф и большем прогреве поверхностного слоя разность поверхностной и придонной температуры воды увеличится. В отличие от фактически наблюдавшихся изменений, когда наибольшая разность температуры в поверхностном и придонном горизонтах (Т_п-Т_д) приходилась на май (до 5,1^оС), а в августе это различие уже составляло менее 1,5^оС, при вероятных климатических изменениях и сокращении проточности стратификация в водоеме будет наиболее выражена на месяц позднее – в июне (увеличение Т_п-Т_д составит 6,2^оС в маловодном году и 1,9 ^оС в средневодном году), а в августе будет все еще значима (3,8^оС и 2,1^оС соответственно вместо 0,9^оС и 1,3^оС, наблюдавшихся фактически). Ожидается сокращение продолжительности периода ледостава. По результатам моделирования при потеплении  водохранилище будет освобождаться ото льда на 2–3 недели ранее, а ледостав наступать на 1–2 недели позднее.

     Изменение режима работы Можайского гидроузла в условиях сокращения притока сократит амплитуду колебаний уровня воды с 6,5 до 4,5 м. В годы максимальной водности возможно будет наполнить водохранилище до НПУ. В связи с прогнозируемым сокращением притока возникает проблема сокращения подачи воды в столицу из Москворецкой системы водоснабжения (поскольку аналогичные изменения режима воды последуют и в других водохранилищах, которые нее входят). За рассматриваемый полувековой период возможно сокращение проточности водохранилища, особенно сильно весной, что связано с потребностью в сокращении сбросов из-за уменьшения притока воды, а также в зимнюю межень. За период летне-осенней межени изменение проточности будет минимально из-за увеличения паводкового стока. В среднем за год проточность водохранилища может сократиться на 40%.

     Изменения погодных условий, притока и проточности  отразятся на характеристиках свойств  воды в водоеме. Так температура  поверхности воды в среднем за период увеличится на 4,1^оС, а с мая по октябрь – на 5,9^оС. Различия температуры поверхности воды в верховьях и у плотины в период накопления тепла водной толщей уменьшатся на 1^оС из-за более раннего стаивания льда, меньшей доли относительно более теплых вод половодья при интенсивном нагревании акватории. А в период охлаждения разница температуры поверхностного слоя в приплотинном и верхнем районе возрастет на 0,3^оС (за счет более быстрого охлаждения мелководий при относительно низком уровне). Существенные изменения могут произойти в распределении минерализации воды: разность ее значений в верхнем и приплотинном районах сократится в среднем на 60 мг/л из-за сокращения доли притока талых маломинерализованных вод весной. По этой же причине сократятся различия ее в поверхностном и придонном слое: с -48 мг/л до -5 в среднем за весь период, а среднее значение в водоеме увеличится на 20 мг/л.

     Прогнозируемые  климатические изменения несомненно повлияют на гидрологический режим  водных объектов. Направленность и выраженность изменений будет определяться соотношением изменений погодных условий, определяющих тепло-масообмен водоема с атмосферой и изменения притока, от которого зависит режим наполнения водохранилища, его проточность, гидрологический характеристики в приустьевых заливах.

  Автор выражает благодарность В.М. Евстигнееву, М.В. Сидоровой и В.М. Степаненко за помощь в подборе исходных данных, консультации и замечания. Работа выполнена в рамках темы Госконтракта П1394 и при финансовой поддержке РФФИ (проект 09-05-00029).

Литература

1. Буторин Н.В. Гидрологические процессы и динамика водных масс в водохранилищах Волжского каскада. Л.: Наука, 1969. 320 с
2. Кислов А.В., Евстигнеев В.М., Малхазова С.М. и др. Прогноз климатической ресурсообеспеченности Восточно-европейской равнины в условиях потепления XXI века. М.: МАКС-Пресс, 2008. 292 с.
3. Эдельштейн К.К. Водохранилища России: экологические проблемы, пути их решения. М.: ГЕОС, 1998. 277 с.
4. Эколого-географические последствия глобального потепления климата XXI века на Восточно-Европейской равнине и Западной Сибири: Монография / Под ред. Н.С. Касимова и А.В. Кислова. М.: МАКС Пресс, 2011. 496 с.

Аннотация

Modelling of water reservoir hydrological regime in case of global warming

Grechushnikova M.G.

Moscow state university, Moscow, Russian Federaion

The article deals with probable changes of hydrological regime of different types water reservoirs in case of global warming. Input files were based on INM RAS A2 climate forecast and decrease of inflow according to hydrological forecast. Model showed decrease of water exchange duration, level ampliude and freezing-over period, increase of water temperature and difference between temperature of bottom and surface layer.