География и геология/3гидрология и водные ресурсы

к.т.н. Сотникова Л.Ф.

Институт водных проблем Российской Академии Наук

Методические подходы к оценке гидрометеорологических характеристик для задач управления водно-ресурсными системами

(на примере бассейна Волги).

Для решения проблем современного и перспективного водообеспечения населения, промышленности и сельского хозяйства, для разработки мероприятий по охране окружающей среды в современных условиях требуются детальные исследования водных ресурсов по бассейнам, исследования процессов их формирования стока, изменчивости в пространстве и во времени и связи его со стокоформирующми факторами.

Требования к гидрологической информации зависят от поставленных задач по управлению водно-ресурсными системами, а надежность входных параметров водохозяйственных моделей определяется наличием исходных данных и теоретическими методами оценивания рассматриваемых характеристик стока. При этом необходимо учитывать региональные особенности рассматриваемого района, как в плане исходной информации, так и обеспечения района региональными зависимостями, связывающими сток с формирующими его природными факторами. Для многих моделей управления водно-ресурсными системами необходимо высокая степень точности в оценке средних значений стока и его изменчивости, а это зависит от длительности используемого ряда и его репрезентативности. Для моделей оценки качества вод при формировании гидрологической базы большое внимание уделено анализу минимального стока в многолетнем ряду и во внутригодовом его ходе. Необходимо выбрать годы малой водности, характерные для всех частей бассейна с учетом того, что и сток межени в году малой водности также должен иметь обеспеченность порядка 75-95%%.

В настоящее время гидрологический режим больших рек испытывает значительные антропогенные изменения, которые нарушают однородность гидрологических рядов и должны учитываться при оценке расчетных стоковых значений. Поэтому одной из основных задач применительно к водохозяйственному проектированию является восстановление характеристик естественного гидрологического режима.

Восстановление естественных характеристик стока дает возможность решить две проблемы. Во-первых, оценить степень влияния антропогенных факторов на естественный природный процесс, что имеет самостоятельное значение. Во-вторых, получение многолетнего однородного стокового ряда позволяет анализировать динамику водности в бассейнах в многолетнем периоде и в пространстве, а это может служить базой при планировании водохозяйственных мероприятий в регионе.

В целом бассейн Волги достаточно хорошо обеспечен данными наблюдений за стоком в опорных гидрометрических створах на р. Волге и ее притоках. Стоковые ряды имеют к настоящему времени продолжительность более 100 лет (с 1881 г). Освещенность водосборной площади бассейна данными гидрометрических наблюдений составляет, в среднем, 60-65 %.

В результате регулирования стока Волги водохранилищами ее естественный гидрологический режим существенно изменился [1]. Так, если в естественных условиях за три месяца (приток IV-VI) в створе Куйбышева проходило 62% годового стока, а остальной сток (38%) проходил за 9 месяцев межени; в условиях зарегулированного стока в период половодья проходит в среднем 44% стока, а в межень - 56%. В маловодные годы эта разница возрастает.

Наиболее детальные исследования по восстановлению стока при естественном режиме в бассейне Волги были выполнены в последнее десятилетие в институте « Гидропроект» и Государственном Гидрологическом институте. Сравнительный анализ результатов расчета по данным ГГИ и Гидропроекта позволил сделать вывод об их хорошем соответствии и о возможности использования рядов восстановленного стока в бассейне Волги для водохозяйственных расчетов на ближайшую перспективу.

Полученные многолетние ряды естественного (или условно естественного стока) имеют самостоятельное значение для исследования закономерностей в колебаниях различных стоковых характеристик во времени и по территории водосборной площади.

В данной работе приняты многолетние ряды стока в обработке Гидропроекта. Полученная гидрологическая информация была подвергнута дополнительной обработке в ИВП РАН с целью исключения обнаруженных невязок данных по стоку по всей длине реки Волги. Эти скорректированные гидрологические ряды стали основой для дальнейшей работы по формированию базы гидрологической информации для математических моделей управления Волжско-Камским каскадом водохранилищ.

Многолетние ряды расходов воды, осадков и температуры проверены на однородность по статистическим критериям Стьюдента и Фишера. Для оценки однородности полученных рядов в данной работе использовали также графический метод сравнения статистических параметров разных периодов. Так, на р. Волге могут быть выделены два достаточно продолжительных периода в которых влияние хозяйственной деятельности на сток различно. Первый с 1881 по 1935 г., когда сток можно считать естественным. В этот период влияние хозяйственной деятельности практически отсутствовало: не было регулярного орошения, на промышленные нужды забиралось незначительное количество воды. Во второй период, начиная с 1936 г. в связи с вводом в эксплуатацию Иваньковского и Углического водохранилищ на верхнем участке Волги и с 1941 г. – Рыбинского водохранилища, стало сказываться их влияние на сток. Ещё более значительное влияние на сток оказало создание Волжско-Камского каскада ГЭС в 1952-1962 гг (ёще без Чебоксарского, Саратовского и Нижнекамского гидроузлов, которые введены в эксплуатацию в период 1968-1972 гг.). Наибольшее влияние на перераспределение стока р. Волги оказывают Рыбинское, Куйбышевское и Волгоградское водохранилища. В меньшей степени трансформирующее влияние на сток Волги оказывают Камское и Горьковское водохранилища. Такие водохранилища как Верхневолжское, Вазузское, Иваньковское, Углическое, Саратовское, Чебоксарское и на Каме – Воткинское и Нижнекамское очень мало в настоящее время влияют на изменения годового стока Нижней Волги.

Проверка однородности многолетнего стокового ряда в данной работе выполнена путем сравнения статистических параметров распределения. Гидрологический ряд по створу у Волгоградского гидроузла разделен на два периода: 1881-1955 и 1960-2009. Первый период характеризует естественный режим реки, а второй – нарушенный хозяйственной деятельностью – был восстановлен, т.е. приведен к условиям естественного режима. Статистические параметры и построенные по ним кривые обеспеченности практически совпадают, что свидетельствует о хорошем учете всех факторов, нарушающих естественный режим стока. Это дает право считать весь стоковый ряд по р. Волге статистически однородным за весь период наблюдений с 1881года по 2009 год и использовать его в водохозяйственных расчетах.

Гидрологический процесс выполняет передаточную функцию от климатической системы к водному хозяйству. На уровне современных знаний точно сказать об изменениях климатических характеристик не представляется возможным. Невозможность в настоящее время получить надёжные прогнозы изменения климата усугубляет трудности в оценке будущего гидрологического режима речных систем и, в частности, будущей гидрологии Волжского бассейна, которая могла бы быть положена в основу разработки правил управления водными ресурсами бассейна. Поэтому принимаемые решения должны быть ориентированы лишь на вероятные ситуации будущего развития. В таком случае возможны приближенные оценки изменения водных ресурсов.

Повышение стока последних лет нередко увязывается с климатическими причинами; высказывались мнения об экологической опасности увеличения стока р. Волги для всей экосистемы бассейна реки и даже Каспийского моря. Однако продолжает ощущаться недостаток водных ресурсов в низовьях р. Волги, и вместе с тем там же обостряется проблема пропуска высоких половодий. Все это потребовало проведения специальных исследований по уточнению и дополнению информационной гидрологической базы и оценки расчетных характеристик сток [2, 3].

За период наблюдений построена многолетняя интегральная и разностная нормированная кривые годового стока в створе Волгоградского г/у (рисунок 1), которая показывает изменения в колебании стока р. Волги в естественных условиях режима по формуле: .

Рисунок 1 – Интегральная (нижняя) и нормированная (верхняя) разностные кривые годового стока р. Волги в створе Волгоградского гидроузла за период 1881-2009гг.

Здесь можно выделить затяжное маловодье периода 1930-1939г.г., обеспеченность которого можно считать один раз в сто лет. На графике виден также отчетливо резкое снижение кривой с 1971/72 года по 1977/78, характеризующий маловодье, хотя и не очень длительное, и следующий за ним период 1980/81-1988/89г.г. повышенной водности. Эти периоды в многолетних колебаниях стока исследовались подробнее с привлечением данных по осадкам и температуре воздуха на метеостанциях водосбора.

Одно из возможных направлений исследований будущих водных ресурсов, как было отмечено выше, заключается в дальнейшем изучении и использовании связей стока с основными стокообразующими факторами - температурой и осадками. Именно такая зависимость лежит в основе совместного анализа колебаний характеристик стока, температуры и осадков за периоды параллельных наблюдений [2,3].

Для прогноза изменений водных ресурсов в будущем был использован метод совместного анализа интегральных кривых стока, осадков и температур воздуха за многолетний период по отдельным частным водосборам в бассейне р. Волги, сток с которых можно считать условно-естественным. В результате удалось выбрать отдельные периоды, в которых ход температур воздуха, осадков и стока как в году, так и по сезонам соответствовали прогнозируемым климатическим изменениям этих характеристик. Сценарии изменения климата анализу не подвергались и были приняты по данным ГГО и ГГИ.

В частности, по бассейну р. Волги для этой цели были выбраны характерные для формирования всего стока р. Волги бассейны. Основные условия выбора этих бассейнов были: наличие длительных лет наблюдений за стоком; отсутствие активной хозяйственной деятельности на водосборах замыкающих створов, т.е. сток этих участков бассейна Волги можно считать условно-естественным; и наконец, наличие на территории всех этих бассейнов метеостанций, данные наблюдений по которым за осадками и температурой могут характеризовать условия формирования стока этих частных водосборов. Все створы имеют параллельный период наблюдений с 1891 г. Доказательством представительности этих бассейнов в формировании всего стока Волги служит выявленная связь стока Волги в створе г. Волгограда с суммарным стоком створов характерных бассейнов.

В основе метода лежит совместный анализ колебаний характеристик стока, температуры и осадков за периоды параллельных наблюдений. На водосборной площади этих бассейнов выбраны также метеостанции, отражающие климатические условия формирования стока и имеющие длительные ряды наблюдений за осадками и температурой также с 1891 года. В результате совместного анализа выделены периоды, в которых изменение температуры, стока и осадков, как в течение года, так и по сезонам, соответствовало бы прогнозным данным.

В ходе колебаний рассматриваемых характеристик за прошлые годы выделены периоды, которые могли бы служить аналогами будущих климатических условий и прогнозных характеристик стока Волги в целом по всему бассейну. По всем характеристикам стока, осадков и температур подсчитаны среднемноголетние статистические характеристики. Так, для всех бассейнов выявлены единые периоды отклонения температуры от нормы: 1891-1902 гг. - холодный период; 1930-1939, 1971-1980 и 1980-1986 гг. — теплые периоды. За эти периоды и за весь период наблюдений определены статистические характеристики распределения: среднее значение и коэффициент изменчивости С_v. Период 1891-1902 гг. характеризуется отрицательным отклонением температуры от нормы, особенно ярко выраженным в зимний сезон. Период 1930-1939 гг. характеризуется повышенными летними температурами - в среднем по бассейну на 1°С, а периоды 1971-1980 и 1980-1986 гг. — повышенными зимними температурами - в среднем по бассейну на 2-3°С (при среднем по бассейну повышении температуры в году на 0,8 и 0,9°С(при расчетах использованы данные ГГИ).

При анализе рядов осадков выявлено, что в теплые 1930-1939 и 1971— 1986 гг. осадки и сток ведут себя по-разному: в первый период осадки уменьшаются, а во второй — увеличиваются, что можно связать с разной структурой потепления: в 30-е годы оно связано с увеличением летних температур, а в 70-80-е годы - с увеличением зимних температур. При этом для одного сценария климата бассейн Волги попадает в зону уменьшения осадков. Аналогом этих условий является период 1971-1977 гг. Совместный анализ всех исходных данных по температуре, осадкам и стоку по всем формирующим сток Волги водосборам показал, что повышение среднегодовой температуры произойдет за счет повышения зимних температур. При этом если наблюдается уменьшение осадков в году, то это приводит к уменьшению стока Волги у г. Волгограда.

Обеспеченность среднемноголетнего стока по бассейну в целом за период 1971-1977 гг., полученная по кривой распределения за весь период наблюдений, составляет 66,6%, а по отдельным частям бассейна изменяется от 60,3% (для Камы) до 79,2% (для Волги в створе Рыбинского гидроузла). Все это дает основание принять гидрологический ряд за период 1971-1977 гг. в качестве модели стокового ряда по р. Волге для одного из сценариев будущего развития водности в бассейне и использовать этот ряд для водохозяйственных расчетов по всему бассейну Волги. Для другого сценария климата, прогноз изменения хода температуры, осадков и стока носит несколько иной характер. Так, при повышении глобальной температуры примерно на 2°С, которое может произойти за счет повышения именно зимних температур в пределах 3-4°С, по прогнозу должны увеличиваться и осадки, что должно привести к повышению стока [2]. Такому сочетанию стока и формирующих его факторов для бассейна Волги может соответствовать период с 1980 по 1987 г.

В качестве модели для оценки чувствительности водосбора Волги на изменение стока были рекомендованы также реальные годы из прошлых наблюдений: для среднемноголетнего стока - 1974/75 гг., для многоводных лет - 1957/58, 1914/15 гг., для маловодных лет - 1934/35, 1936/37 и 1972/73 гг. Эти годы по характеристике метеорологических элементов (температуре и осадкам) соответствуют разным вариантам прогноза: так, имеют место повышенные значения годовых температур за счет более высоких по сравнению с нормой зимних температур, а осадки при этом могут отличаться от многолетних значений в разных вариантах в зависимости от того, в какую атмосферную циркуляцию попадает бассейн.

При выборе периодов-аналогов из прошлого для будущих сценариев должно учитываться и внутригодовое распределение стока. Повышение зимних температур по сравнению с нормой приводит к изменению внутригодовой структуры стока.

В таблице 1 представлены средние значения обеспеченностей за расчетные периоды по годовому, меженному и половодному стоку в разных створах бассейна. Так по створу Волгограда для периода 1971/72-1977/78 гг., если годовой сток имеет обеспеченность 66,6% в многолетнем ряду, то за этот же период межень имеет обеспеченность 59,4%, т.е. более низкую, чем у годового стока, а обеспеченность половодья близка к обеспеченности годового стока (67,2%). Обеспеченность годового стока бассейна Волги за период 1980-1988 гг. составляет 29,2%, изменяясь для отдельных частей бассейна от 30,5% до 43,8%. Внутригодовое распределение для данного расчетного периода характеризуется следующими показателями: обеспеченность межени за этот период составляет 19,8%, т.е. существенно ниже обеспеченности годового стока, а обеспеченность половодья составляет 43,6%, т.е. половодье ниже по абсолютной величине, но имеет более высокую обеспеченность в многолетнем ряду, чем годовой сток. Такое соотношение сохраняется для всех крупных составляющих частей бассейна.

Таблица 1 – Характеристики обеспеченности стока за различные периоды

Река (створ)	1971/72-1977/78 гг.			1980/81-1988/89 гг.
	За год	межен меженжень	Полов.д	За год	межень межень	Полов.д
Волгоград.г/у Рыбинский г/у Ока – г. Горбатов Кама – Нижнекамс.г/у	66,6 79,2 72,4 60,3	59,4 67,3 45,6 61,4	67,2 80,7 79,2 58,7	29,2 43,30,5 39,7	19,8 27,5 13,0 25,9	43,6 67,2 51,0 50,7

На такой гидрологической базе можно оценить чувствительность водосбора на климатические изменения как для экономических показателей, так для экологического благополучия рассматриваемых регионов.

Таким образом, совместный анализ годового стока и метеорологических элементов показывает колебания этих характеристик в условиях прошлого и позволяет выделить периоды, которые могут охарактеризовать возможные колебания стока в будущем, и в силу этого стоковые характеристики этих периодов могут служить аналогом распределения будущих водных ресурсов. Ряды этих периодов могут быть использованы в водохозяйственных расчётах для обоснования адаптационных мероприятий, направленных на предотвращение или снижение негативных последствий. В условиях повышенной водности в бассейне р. Волги сюда следует отнести мероприятия по предотвращению затопления и подтопления населённых пунктов, промышленных и сельскохозяйственных объектов. Здесь, прежде всего, следует рассмотреть варианты управления режимом эксплуатации водохранилищ Волжско-Камского каскада, направленные, в первую очередь, на срезку высоких половодий и паводков путем максимального использования их полезной ёмкости. Расчётов по разным водохозяйственным моделям позволят специалистам оценить возможности работы каскада водохранилищ и способность каскада адаптироваться к изменяющимся природно-климатическим условиям нового тысячелетия.

Вывод. Используя гидрологические ряды естественного режима, можно выбирать периоды, которые служили бы аналогами определенных различных количественных сочетаний водных и температурных характеристик режимов и осадков, чтобы рассматривать их как базу для последующих водохозяйственных расчетов, а также для экологических и социально-экономических оценок принимаемых решений. Дальнейшие исследования будут продолжены в направлении совместного анализа гидрологических данных по стоку, осадкам и температуры приземного слоя воздуха для других водосборов, расположенных в разных физико-географических зонах, с целью возможного выявления общих периодов одинаковых сочетаний рассматриваемых природных элементов для больших территорий.

Список литературы

1.Водные ресурсы и их использование. Под ред. Шикломанова А.И., 2008,597с.

2. Георгиевский В.Ю., Ежов А.В., Шалыгин А.Л. Оценка изменений стока рек под влиянием хозяйственной деятельности и глобального потепления климата. //Гидрология и метеорология,1996, №1,С.89-99.

3. Сперанская Н.А. Статистический анализ реакции годового стока рек на колебания климата: автореферат диссертации Л. 1987, 31с.