Энерговектор
О насНовостиНаука и технологииСтратегияАрхив

Вода - большая и малая

26.10.2017
Почему и как меняется гидрологический режим рек

Весеннее половодье 2017 г. в европейской части России оказалось более многоводным, чем в предыдущие годы. Обильные зимние осадки (так, по данным Федерального агентства водных ресурсов, в бассейне Волги запасы снега оказались самыми большими за последние двадцать лет) и весенние дожди способствовали тому, что вокруг многих рек начались подтопления и наводнения. А ведь только в позапрошлом году мы писали о череде лет катастрофического маловодья в бассейнах Волги и Дона (см. «Энерговектор», № 8/2015, с. 11), которое привело к экологическим проблемам и экономическим потерям для судоходства и энергетики. Так откуда вдруг пришла «большая вода» и можно ли было предсказать её заранее?

Природные процессы цикличны, и речной сток - не исключение: половодье естественно сменяется меженью, а многоводные периоды - маловодными. Речной сток зависит от множества факторов (природных и антропогенных), которые можно использовать для его предсказания.

 

Древние аналитики

Первые известные нам гидрологические наблюдения отмечены около 6000 лет назад в Древнем Египте, на заре документированной истории. Египтяне исключительно серьёзно следили за уровнем воды в Ниле, от которого напрямую зависели плодородие полей и урожай в долине священной реки. Если во время половодья уровень поднимался на 12 локтей (мера длины, примерно равная 0,45 м) - ожидали голод, 16 локтей - хороший урожай, 19 локтей - наводнение. Ответственность за предсказание времени и силы разлива Нила лежала на жрецах, которые определяли благоприятное время для посева и сбора урожая. При составлении прогнозов жрецы пользовались храмовыми библиотеками, в которых фиксировались подробные наблюдения за астрономическими и гидрологическими явлениями прошлых лет. И, несмотря на фантастические представления о природе половодья в то время, прогнозы жрецов были довольно точными.

В Египте на Нижнем Ниле была создана целая сеть (около 30) гидрологических постов, так называемых ниломеров (см. фото). Они представляли собой красивейшие сооружения: мраморные колодцы в русле реки с изящно отделанной каменной колонной в центре, на которой отмечали высоту подъёма уровня воды в реке во время половодья.

Ниломер на острове Рода в Каире
Фото: Berthold Werner

Благодаря обнаружению ниломеров современные гидрологи имеют возможность изучать данные наблюдений за колебаниями уровня священной египетской реки примерно с 621 г. - в их распоряжении один из самых длинных на Земле рядов систематических измерений (см. график). Кстати, благодаря этим данным учёным удалось обнаружить и подтвердить прямую связь между колебаниями уровней воды в Ниле и таким явлением, как Эль-Ниньо - аномально повышенным (на 5-9 °С) нагревом поверхностного слоя воды Тихого океана в районе экватора. Эль-Ниньо влияет на климат Южной и Северной Америки, Африки и Австралии. Сила и продолжительность Эль-Ниньо разнятся, однако в среднем это явление возникает раз в 3-8 лет и синхронно с ним подъёмы уровня воды в Ниле сменяются спадами.

 

Климатические циклы

В процессе многолетних наблюдений за климатом и уровнями рек и бессточных водоёмов по всему земному шару гидрологи и климатологи накопили огромное количество информации. Анализируя её, ещё в конце XIX века русские учёные Э. А. Брикнер и А. И. Воейков выдвинули гипотезу о циклических изменениях климата - чередовании прохладно-влажных и тёпло-сухих периодов с интервалом 35-45 лет. Развивая эту теорию, советский физик-географ А. В. Шнитников в середине 1950-х сформулировал концепцию многовековой и внутривековой изменчивости климата, согласно которой по окончании последнего ледникового периода на фоне общего отступления ледников чётко прослеживаются шесть гидротермических циклов продолжительностью 1500-2100 лет.

Эти циклы состоят из трёх фаз: прохладно-влажной (300-500 лет), тёпло-сухой (600-800 лет) и переходной между первой и второй (700-800 лет). На фоне многовековых вариаций климата развиваются 60-90-летние (вековые) и 30-45-летние (внутривековые) колебания. В пределах последних прослеживаются циклы с продолжительностью в 7-11 лет и 3-4 года. Согласно этой концепции, со второй половины ХIХ века и до настоящего времени климат Земли находится в тёпло-сухой фазе.

 

Со всеми вытекающими

Гидрологи же, в свою очередь, выделили определённые закономерности для водного режима рек, тесно связанные с вариациями климата.

В водном режиме рек чётко выделяются годовые циклы, отражающие сезонные изменения погоды и неравномерность поступления воды в разные месяцы, а также вариации от года к году, обусловленные многолетними колебаниями стока. Внутри годового цикла выделяют несколько характерных периодов, называемых фазами водного режима. У разных рек они различные и зависят от климатических условий и соотношения источников питания: дождевого, снегового, подземного и ледникового.

В умеренно-континентальном климате у рек (Волги, Дона, Оби и др.) выделяются четыре фазы: весеннее половодье, летняя межень, осенний подъём воды и зимняя межень. А вот для дальневосточных рек (Амура, Зеи, Буреи, Тунгуски и др.) характерны мощные летние паводки, вызываемые муссонными дождями.

Нужно отметить, что, в отличие от ежегодно повторяющегося в одно и то же время половодья, паводок - это кратковременное явление, которое может произойти в любое время года. Паводочный подъём уровня воды бывает вызван сильными или продолжительными дождями, таянием снега во время оттепели или же нагоном воды из морей (как, например, на Неве). К паводку подготовиться намного сложнее: он может развиться в считанные дни, за которые река способна выйти из берегов и затопить прибрежные территории, как было в 2013 г. на Дальнем Востоке. По паводку важно иметь точные и своевременные прогнозы.

 

Акваспектр

Как и климат, многолетние колебания речного стока и уровней наполнения бессточных водоёмов проявляют цикличность. В стоках крупных рек России, несмотря на весьма нечёткий характер проявления, улавливаются сменяющиеся многоводные и маловодные периоды. Около 7 лет водоносность реки превышает средние значения, половодье и межень высокие, а далее примерно 7 лет водоносность реки оказывается меньше среднегодовых значений, расходы воды во все фазы водного режима малы. Вероятно, в европейской части России сейчас и наблюдается переход рек к многоводной фазе.

Кроме того, прослеживаются как более короткие 3-4-летние циклы, так и длинные 35-45- и 70-90-летние циклы, которые, накладываясь друг на друга, создают весьма причудливую общую картину.

 

«Худые» и «тучные» годы

Со времён библейского Иосифа, который, согласно легенде, помог Египту благополучно пережить череду неурожайных лет, известно, что прогнозирование водного режима представляет большой интерес для экономики. Например, если бы можно было достоверно предсказать, что в каком-то регионе ближайшие 10-15 лет будут многоводными, а затем 7-10 лет - маловодными, то можно было бы скорректировать планы по выработке гидроэнергии, количеству и водоизмещению судов, проходящих по рекам. Кроме того, прогнозирование необходимо для изучения таких аспектов гидрологического режима, как движение наносов, интенсивность переформирования русла, температуры и ледовые явления, а также концентрации растворённых веществ.

Вообще, все гидрологические прогнозы делятся на краткосрочные (в пределах 15 суток), среднесрочные (до 1 месяца) и долгосрочные. Наиболее точны и достоверны краткосрочные прогнозы, для которых применяют гидрометрические методы, вытекающие из закономерностей движения воды в руслах, т. е. непосредственный замер уровней и объёмов стока на гидрологических постах выше по течению реки и её притоков.

Для составления долгосрочного прогноза водности реки в рамках года обычно используют год-аналог, т. е. ретроспективный год, в котором наблюдались схожие гидрометеорологические условия формирования стока (количество осадков, температура воздуха, время наступления отрицательных и положительных температур и т. д.) Этот способ неявно, но всё же учитывает природную цикличность процессов.

Многолетние же прогнозы остаются важной, но до сих пор не решённой фундаментальной и практической проблемой. Такие прогнозы составляются на основе знаний о внутривековой изменчивости климата и по данным многолетних наблюдений. К сожалению, они зачастую бывают неточны. Дело в том, что даже в многоводном периоде может быть несколько маловодных лет и наоборот. Поэтому у нас нет полной уверенности, наступил ли в 2017 г. очередной многоводный период или же текущий год - это просто аномалия в череде маловодных лет.



 

Редакция

Главный редактор: Иван Рогожкин
Консультант: Людмила Зимина
Корректор: Анатолий Печейкин
Дизайнер: Мария Хомутская
Руководитель проекта:
Максим Родионов

Контакты

Россия, 101000,
г. Москва, а/я 230.
Тел.: +7 (916) 422-95-19
Web-site: www.enegrovector.com
E-mail: oilru.com
facebook.com/energovector


©2011-2017. Ежемесячная газета «Энерговектор». Все права защищены.