Отправить сообщение, заявку, вопрос

Отправить заявку на посещение мероприятия

Отправить заявку на участие как экспонент

Запросить консультацию специалистов по данному техническому решению

Рубрикатор материалов

Сейчас в информационной базе:
рубрик - 75 , авторов - 236 ,
всего информационных продуктов - 2206 , из них
статей журнала - 480 , статей базы знаний - 53 , новостей - 1614 , конференций - 3 ,
блогов - 7 , постов и видео - 44 , технических решений - 4

Copyright © 2016-2018 ГеоИнфо
Все права защищены

Разработка и сопровождение: InfoDesigner.ru
15 ноября 2018 года

Негативное влияние потепления зим на расходы рек и уровни дренируемых ими грунтовых вод

В статье показано, каким образом потепление зим на севере и в средней полосе европейской части России, а также на Дальнем Востоке приводит к существенному понижению уровней грунтовых вод в приводораздельных зонах речных бассейнов и, наоборот, к подтоплению территорий рядом с крупными реками. Отмечаются негативные последствия этих процессов для экологии и хозяйственной деятельности. Подчеркивается необходимость их учета при планировании и проведении научных исследований и инженерных изысканий для строительства, а также при разработке мер по уменьшению соответствующих рисков для природы и человека.

Марков Михаил ЛеонидовичРуководитель лаборатории экспериментальных гидрологических исследований и математического моделирования, заместитель директора по научной работе Государственного гидрологического института, кандидат географических наук, доцент, г. Санкт-Петербург
Гуревич Елена ВитальевнаНаучный сотрудник лаборатории экспериментальных гидрологических исследований и математического моделирования, кандидат географических наук, доцент, г. Санкт-Петербург

Введение

Такой вид инженерных изысканий, как инженерно-гидрологические изыскания, проводится в целях изучения подземных и поверхностных вод на площадке будущего строительства и на примыкающих к ней участках [11, 12]. В отчетах помимо результатов исследований указываются меры предосторожности, которые необходимо предпринимать для упреждения негативных последствий планируемых работ.

Инженерно-гидрологические изыскания для строительства нужны прежде всего для правильной разработки разделов проекта по защите зданий и сооружений от негативного воздействия вод. Если не провести изыскания и построить объект без соответствующих охранных мер, это может серьезно отразиться на его долговечности и на экологии района.

Основные этапы полевых работ при инженерно-гидрологических изысканиях для строительства в том числе включают обустройство наблюдательных постов, изучение гидрологического режима водного объекта с определением скорости и направления течения, глубины, толщины льда, уровня воды во время половодья и пр. Результаты измерений и расчетов по ним, необходимые и достаточные в качественном и количественном отношении, необходимы для выдачи заключения и прогнозирования дальнейшей ситуации на исследуемом участке.

В отчет, составленный по результатам инженерно-гидрологических изысканий, прежде всего входят:

  • описание климатических особенностей района;
  • результаты измерений, расчетов и прогнозов по площади затопления в периоды паводков, по уровням ледохода, скоростям течения на разной глубине и в разных местах гидрологического объекта, по годовому и максимальному стоку воды и т.д.;
  • описание деформаций русла реки и границ его изменений с геодезической плановой фиксацией;
  • прогноз опасных природных гидрологических явлений.

Определение таких характеристик, как годовой сток, максимальный сток, дренирующая способность гидрографической сети, важно для понимания особенностей круговорота воды в районе будущего строительства. Сток оказывает влияние на рельеф местности, участвует в естественном орошении земель и эрозии почв. Инженерно-гидрологические изыскания позволяют смоделировать будущее взаимодействие строительного объекта и гидрологических объектов в изучаемом регионе [4].

Дренирующая способность гидрографической сети зависит от ее густоты и от скорости стекание воды, которая определяется параметрами русла и поймы (площадью живого сечения, уклонами, шероховатостью). Гидравлические характеристики водотоков в руслах могут изменяться как в связи с естественными процессами (изменением водности, зарастанием русла, ледовыми явлениями, русловыми деформациями), так и из-за хозяйственной деятельности человека (углубления дна, рытья карьеров, гидротехнического строительства и т.д.).

Опубликованные работы по гидрологии в основном касаются влияния зарастания русла и ледовых явлений на сток рек и изменений гидродинамики потоков при русловых деформациях (искусственных и природных). Но до сих пор очень мало изучено влияние толщины ледового покрова рек на их водный режим и дренирующую способность, хотя такие оценки очень важны для составления прогнозов для площадок будущего строительства и окружающих их районов в инженерно-гидрологическом и инженерно-экологическом отношении. Ответ на этот вопрос является актуальным для большей части территории России, где зима длится до 4–6 месяцев и более, а толщина льда на реках иногда достигает 1–2 м.

Цели настоящей статьи состоят в оценке влияния толщины льда на формирование стока рек и на интенсивность дренирования ими грунтовых вод, а также в рассмотрении негативных последствий уменьшения мощности ледового покрова для природы и хозяйственной деятельности человека. Исследования были выполнены на основе данных гидрологических наблюдений на постах Росгидромета, расположенных в бассейнах рек Северная Двина, Нева и Алдан (рис. 1–4).

 

Рис. 1. Карта-cхема бассейна Северной Двины (желтый фон). Север европейской части России [10] Рис. 1. Карта-cхема бассейна Северной Двины (желтый фон). Север европейской части России [10]

 

Рис. 2. а Река Нева и ее крупные притоки на картах-схемах. Северо-запад России [8, 15] Рис. 2. а Река Нева и ее крупные притоки на картах-схемах. Северо-запад России [8, 15] Рис. 2. б Река Нева и ее крупные притоки на картах-схемах. Северо-запад России [8, 15] Рис. 2. б Река Нева и ее крупные притоки на картах-схемах. Северо-запад России [8, 15]

 

Рис. 3. Бассейн Невы в широком смысле (желтый фон). Северо-запад России [7] Рис. 3. Бассейн Невы в широком смысле (желтый фон). Северо-запад России [7]

 

Рис. 4. Карта-схема бассейна Алдана (желтый фон). Дальний Восток России [1] Рис. 4. Карта-схема бассейна Алдана (желтый фон). Дальний Восток России [1]

 

Толщина льда и речной сток

Известно, что большая часть годового стока рек в речных бассейнах, расположенных от лесной зоны до зоны тундр, формируется очень малыми реками (короче 10 км), длина которых в сумме обычно составляет 70–80% от общей протяженности всей гидрографической сети. При толщине льда 0,3–0,5 м живое сечение таких речек существенно уменьшается либо они могут даже полностью перемерзнуть.

В северных районах РФ малые реки промерзают зимой до дна, а средние реки могут пересохнуть, если нет питания грунтовыми водами. Если зимнее уменьшение подземного питания и речного стока происходит с меньшей интенсивностью, чем снижение пропускной способности русла с интенсивным ледообразованием, то на малых реках (где лед жестко скреплен с берегами) может возникнуть напорный режим потока подо льдом. Это может привести либо к разрушению льда и выходу воды на его поверхность с формированием наледей, либо к снижению притока в реку грунтовых вод. На широких же реках напор компенсируется за счет свободного поднятия или пригибания ледового покрова [2, 5].

Так как ледовый покров может оказывать заметное влияние на пропускную способность только малых рек, исследование изменений стока при ледоставе выполнялось раздельно для разных звеньев гидрографических сетей. Расчет ординат гидрографов стока проводился по методике, изложенной в более ранней работе одного из авторов [6].

По многолетним данным было установлено, что в более холодные зимы при значительной мощности льда снижается суммарный расход воды в малых реках речных бассейнов. Так, при увеличении максимальной зимней толщины льда с 45 до 70 см суммарный вклад верхних звеньев гидрогафической сети (малых рек) в зимний сток такого крупного притока Северной Двины, как Вага, уменьшается в несколько раз (рис. 5).

 

Рис. 5. Вклад разных звеньев гидрографической сети в формирование зимнего стока реки Вага в зависимости от средней толщины льда Рис. 5. Вклад разных звеньев гидрографической сети в формирование зимнего стока реки Вага в зависимости от средней толщины льда

 

Влияние зимней температуры воздуха и, соответственно, толщины льда на гидрографы стока малых рек продемонстрировано на рис. 6 и 7. Чем ниже температура воздуха и больше мощность ледового покрова, тем меньше расходы небольших водотоков. Так, увеличение мощности льда в малых реках бассейна Северной Двины всего на 10 см приводит к снижению стока в них к концу зимы почти в два раза по сравнению с теплыми зимами. А в бассейне Алдана отклонение средней зимней температуры воздуха от средней многолетней на 23 градуса приводит к изменению среднего зимнего стока малых рек на 2030% от среднего многолетнего.

 

Рис. 6. Гидрографы стока малых рек бассейна Северной Двины для разной средней зимней температуры воздуха (Тср.зим.) и соответствующей февральской толщины льда (Нлед.фев.) за ноябрь – февраль (Qмес., QXI – средний расход воды в реке в текущем месяце и в ноябре соответственно) Рис. 6. Гидрографы стока малых рек бассейна Северной Двины для разной средней зимней температуры воздуха (Тср.зим.) и соответствующей февральской толщины льда (Нлед.фев.) за ноябрь – февраль (Qмес., QXI – средний расход воды в реке в текущем месяце и в ноябре соответственно)

 

Рис. 7. Связь между отклонениями зимнего расхода малых рек бассейна Алдана от среднего многолетнего и средней зимней температурой воздуха (точки – результаты расчетов по данным наблюдений, штриховая линия – регрессионная прямая по результатам корреляционно-регрессионного анализа) Рис. 7. Связь между отклонениями зимнего расхода малых рек бассейна Алдана от среднего многолетнего и средней зимней температурой воздуха (точки – результаты расчетов по данным наблюдений, штриховая линия – регрессионная прямая по результатам корреляционно-регрессионного анализа)

 

Толщина льда и условия дренирования реками грунтовых вод

Из рисунка 8 видно, что чем больше сток нижних звеньев гидрографических сетей в зимнюю межень, тем выше базис дренирования ими грунтовых вод, особенно для более крупных рек с большими площадями водосборов (рис. 8). То есть в теплые зимы при поступлении увеличенного стока из верхних звеньев гидрографической сети уровни воды в нижних звеньях становятся выше. За счет повышения базисов дренирования уменьшаются уклоны поверхностей потоков грунтовых вод, дренируемых нижними звеньями, и соответственно, там становится меньше вклад грунтовых вод в формирование зимнего речного стока [3]. В холодные же зимы питание рек нижних звеньев происходит преимущественно за счет притока грунтовых вод.

 

Рис. 8. Связь между повышением базисов дренирования грунтовых вод и площадями водосборов равнинных рек при различном увеличении речного стока в зимнюю межень (по сравнению со средним многолетним) Рис. 8. Связь между повышением базисов дренирования грунтовых вод и площадями водосборов равнинных рек при различном увеличении речного стока в зимнюю межень (по сравнению со средним многолетним)

 

Таким образом, ледовый покров рек при его толщине, соизмеримой с глубиной водотоков, регулирует водообмен гидрографической сети с подземными водоносными горизонтами. Одним из следствий этого регулирования является снижение вариаций зимнего стока в нижних звеньях речной сети. Так, для больших рек коэффициенты вариации минимального зимнего 30-суточного стока составляют всего лишь 0,10,2 даже при больших изменениях метеорологических условий и толщины льда в разные годы, в то время как для малых рек эти коэффициенты превышают 0,5.

 

Последствия потепления зим

Итак, зимние изменения пропускной способности русел малых рек приводят к изменениям условий дренирования и, соответственно, режимов уровней грунтовых вод в разных частях водосборов.

Поскольку в последние два-три десятилетия на территории РФ установились более теплые зимы с уменьшением толщины льда, то происходит существенное увеличение зимнего стока малых рек (в лесной и лесостепной зонах  на 30% и более [14]). В результате интенсивность дренирования грунтовых вод в зимнюю межень малыми реками увеличивается, а большими  наоборот, уменьшается.

Поскольку эти эффекты медленно накапливаются, в приводораздельных зонах речных бассейнов происходит постепенное снижение уровней грунтовых вод. В теплое время года, особенно при недостатке атмосферных осадков, это может приводить к пересыханию родников и малых водотоков, обмелению озер, высыханию болот, возникновению «почвенной засухи», гибели лесов, увеличению пожароопасности, снижению урожаев сельскохозяйственных культур, ухудшению питания подземных источников водоснабжения населенных пунктов и т.д. Например, в Архангельской и Вологодской областях наблюдается высыхание лесов в достаточно больших масштабах. Плачевные результаты этой «подсушки» фиксируются спутниковыми системами уже с 2012 года [9, 13].

А рядом с большими реками из-за более теплых зим, наоборот, происходит медленное повышение средних годовых уровней грунтовых вод и подтопление прибрежных территорий со всеми вытекающими из этого последствиями.

 

Заключение

Рассмотренные в статье негативные процессы протекают постепенно  в течение десятилетий. При сохранении современной тенденции к потеплению зим они будут продолжать развиваться и последствия их могут оказаться весьма неблагоприятными для экологии, сельского хозяйства, водоснабжения, строительства и эксплуатации объектов водохозяйственных систем, зданий и сооружений на берегах, а также для многих других видов человеческой деятельности. Поэтому следует всерьез об этом задуматься и учитывать подобные прогнозы при планировании и проведении научных исследований, инженерных изысканий для строительства и при разработке мер по уменьшению соответствующих рисков для природы и человека.


Список литературы

  1. Алдан (река) // Wikipedia. Дата последнего обращения: 30.10.2018. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Алдан_(река).
  2. Алексеев В.Р. Наледи. Новосибирск: Наука, 1987. 158 с.
  3. Влияние суровости зимы на неравномерность формирования зимнего стока в речном бассейне. М.: Метеорология и гидрология. 2012. № 7. С. 9299.
  4. Инженерно-гидрологические изыскания // Nominus Geo. Дата последнего обращения: 30.10.2018. URL: http://nominus.ru/page/ingenerno_gidrologicheskie_iziskaniya.html.
  5. Кравченко В.В. Роль наледей в формировании зимнего речного стока и ледяного покрова рек западной части зоны БАМа // Труды ГГИ. 1986. Вып. 312. С. 3484.
  6. Марков М.Л. Пространственно-временная динамика взаимосвязи поверхностных и подземных вод // Сборник работ по гидрологии. 2003. № 25. С. 90104.
  7. Нева // Wikipedia. Дата последнего обращения: 30.10.2018. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Нева.
  8. Река Нева в России // Сезоны года. Дата последнего обращения: 30.10.2018. URL: https://сезоны-года.рф/река%20Нева.html.
  9. Савин И.Ю., Овечкин С.В., Исаев В.А., Марков М.Л. Тренд общей обводненности европейской части России, выявленной по спутниковым данным GRACE // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2016. Вып. 82. С. 2840.
  10. Северная Двина // Wikipedia. Дата последнего обращения: 30.10.2018. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Северная_Двина.
  11. СНиП 11-02-96. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. М.: Минстрой России, 1996.
  12. СП 11-103-97. Инженерно-гидрометеорологические изыскания для строительства. М.: Госстрой России, 1997.
  13. Фролова Н.Л., Григорьев В.Ю, Зотов Л.В., Киреева М.Б., Магрицкий Д.В. Оценка составляющих водного баланса речных бассейнов России на основе современных наземных и дистанционных данных // Труды Всероссийской конференции к 70-летию Л.Н. Карлина «Гидрометеорология и экология: научные и образовательные достижения и перспективы развития». СПб., 2017. С. 266269.
  14. Шикломанов И.А., Георгиевский В.Ю. Влияние антропогенных изменений климата на гидрологический режим и водные ресурсы // Изменения климата и их последствия. СПб.: Наука, 2002. С. 152164.
  15. http://vesnat.ru/nuda/1725-gg-i-osnovanie-goroda/main.html.