ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПОТЕПЛЕНИЯ КЛИМАТА НА ЭЛЕМЕНТЫ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА РЕКИ СУХОНА

Оценка влияния потепления климата

на элементы гидрологического режима реки Сухона

Кобозев Даниил Дмитриевич

ассистент кафедры информационных технологий в АПК, Института мелиорации, водного хозяйства и строительства имени А.Н. Костякова, РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, kobozev.daniil@yandex.ru.

Снежко Вера Леонидовна

доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой информационных технологий в АПК, в РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, vl_snejko@mail.ru.

Потепление климата особенно сильно проявляется в высоких широтах, к которым относятся территории Европейского Севера Российской Федерации. Проанализирована динамика и структура опасных гидрологических явлений в бассейне реки Северная Двина, повлекших за собой зафиксированный материальный ущерб. Увеличение среднегодовой температуры и внутригодовое перераспределение осадков неизменно должно сказаться на гидрологическом режиме северных рек. Анализ динамики отдельных гидравлических характеристик на многолетнем периоде выполнен для р.Сухона, принадлежащей к бассейну реки Северная Двина. Исходные данные приняты по сведениям гидрологического поста у д. Каликино. Построены тренды изменения таких гидрологических характеристик как максимальные расходы теплого периода и даты их наступления, минимальные расходы холодного периода и максимальная толщина льда. Проверена однородность указанных гидрологических характеристик и сделаны выводы о наличии статистически значимых трендов на уровне значимости 5% или 1%. Ключевые слова: потепление климата, бассейн реки Северная Двина, река Сухона, гидрология, гидрологические характеристики

Ведение. В связи с изменением климатических условий в Российской Федерации в 2011 году была принята «Климатическая доктрина», в которой изменение климата обозначена как глобальная проблема будущего века [1]. Последствия глобального потепления описываются в оценочных докладах Межправительственной группы экспертов по изменению климата [2, 3]. К последствиям глобальных изменений климата относятся: рост температуры в высоких широтах, в частности, на территории Арктического Севера Российской Федерации и связанные с этим учащение лесных пожаров, инфекционных заболеваний; рост количества осадков и паводковой опасности на речных водосборах, высокие уровни затопления и подтопления территорий, снижение глубины снежного покрова, усиление водной эрозии. По данным Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды начиная с 1976 года в нашей стране тренд повышения температуры имеет рост 0,400С каждые 10 лет, в Арктической зоне этот показатель выше почти в два раза.

Опасное природное явление - гидрометеорологическое или гелиогеофизическое явление, которое по интенсивности развития, продолжительности или моменту возникновения может представлять угрозу жизни или здоровью граждан, а также может наносить значительный материальный ущерб (Федеральный закон от 19 июля 1998 года № 113-Фз «О гидрометеорологической службе»). В бассейне реки Северная Двина на территории Архангельской и Вологодской областей за период 1991-2019 год произошло 19 опасных гидрологических явлений с материальным ущербом, в том числе: 2 зажора, 5 заторов, 5 паводков и 7 половодий (рис. 1).

Рисунок 1 - Структура опасных гидрологических явлений за 1991-2019 гг. с материальным ущербом на территории бассейна р. Северная Двина

X X О го А С.

X

го т

о

Заторное наводнение в 1998 году в г. Великий Устюг на р. Сухона привело к экономическому ущербу более 200 млн. рублей из-за затопления значительной площади вблизи русла и поймы. По данным многолетних наблюдений гидрологического поста у г. Великий Устюг с 1877 по 2016 гг. в городе произошли 22 разрушительных наводнения, уровень воды при которых превышал отметку 8 и 9 метров [4]. Половодье 2016 года в Великом

м о м о

о

CS

о

CS

о ш m

X

<

m О X X

Устюге было наиболее катастрофическим за последние 20 лет, был введен режим чрезвычайной ситуации, материальный ущерб составил более чем полмиллиарда рублей. В районе Великого Устюга образовалось 14 километров ледяных заторов. Уровень воды поднимался до 897 (критическая отметка 960) сантиметров. [5].

Отслеживание динамики влияния потепления климата на гидрологию рек Арктического Севера России является актуальной задачей, так как способствует своевременному принятию мер для контроля выброса парниковых газов, снижения социальных, экологических и экономических рисков.

Цель исследований: на примере реки Сухона (бассейн реки Северная Двина, Вологодская область) определить статистическую достоверность изменения отдельных гидрологических характеристик по данным многолетних наблюдений.

Материал и методы. Исходными данными для анализа стали данные многолетних наблюдений гидрологических характеристик реки Сухона, принадлежащей бассейну реки Северная Двина: с 1965 по 1977 год приводимые в гидрологических ежегодниках, с 1978 по 2018 год опубликованные в Государственном водном кадастре (ежегодные данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши). Данные соответствуют сведениям гидрологического поста у д. Каликино (индекс 70098, координаты: широта 62°05', долгота 45°07').

Площадь водосбора р. Сухона в створе гидропоста у д. Каликино составляет 49,2 тыс. км2. Для территории бассейна характерно короткое холодное лето и холодная длинная зима. Январь - самый холодный месяц со средними значениями температуры от -110С до -200С. количество среднегодовых осадков в пределах бассейна варьируется от 800 до 550 мм. Октябрь - последний месяц с положительными температурами воздуха [6]. В мае средняя температура, как правило, выше нуля, но может периодически снижаться до -40С. Бассейн р. Сухона отличает широтное расположение, благодаря этому вскрытие и замерзание происходит практически одновременно, кроме того, в верховьях бассейна р. Сухона на ледовый режим оказывает влияние Кубенское озеро.

Методами исследований стали апробированные положения теории вероятностей и математической статистики, используемые в инженерной гидрологии и гидравлике [7], а также действующие нормативные рекомендации Государственного гидрологического института [8]. Расчеты выполнены в сертифицированных пакетах прикладных программ STATISTICA и пакете «Анализ данных» Microsoft Excel.

Результаты и обсуждение.

Согласно прогнозам при потеплении климата на водосборах рек Европейского севера России должно наблюдаться увеличение зимних и весенних расходов воды [10]. Внутригодовое перераспределение стока повлечет за собой наступление весеннего половодья в более ранние сроки, и, следовательно, сдвижку сроков вскрытия рек в сторону более ранних дат. Толщина льда в период ледостава должна снижаться.

Многолетний ряд наблюдений за максимальными расходами воды теплого периода р. Сухона у д. Кали-кино был исследован на однородность. Оценка значимости тренда выполнена согласно рекомендациям [8].

Вычислялся коэффициент корреляции линейного уравнения регрессии г, его значение сопоставлялось со значением случайной среднеквадратической ошибки: аг =

где г - коэффициент корреляции; п - число лет наблюдений. Тренд считался значимым на уровне значимости а=0,05 при г/а >2, и значимым на уровне

а=0,01 при 7<гг >3. "

Максимальный расход теплого периода имел разнонаправленные тренды на интервале 1965-1990 и 19912018 гг. (рис.2).

Рисунок 2 - Тренды максимальных расходов теплого периода р. Сухона у д.Каликино

Первый тренд к росту максимальных расходов теплого периода р.Сухона на интервале 1965-1990 гг. статистически не значим. Тренд к снижению максимальных расходов теплого периода на интервале 1991-2018 гг. статистически значим как на 5% и на 1% уровне. Это означает, что ежегодно максимальный расход теплого периода снижается в среднем со скоростью 67м3/с.

Даты наступления максимальных расходов теплого периода на Сухоне приходятся на апрель-май месяц. Тренды дат максимального расхода приведены на рис. 3. Оба тренда статистически не значимы, но, также как и на Северной Двине на первом периоде даты более сильно смещаются в сторону ранних сроков, на втором периоде этот рост практически останавливается.

Рисунок 3 - Тренды дат наступления максимальных расходов теплого периода р. Сухона у д. Каликино

Минимальные расходы холодного периода (с ноября по март) для реки Сухона по данным гидропоста у д. Каликино проанализированы на интервале 1969-1990 и 1991-2018 гг. Тренды показателя приведены на рис. 4.

wo

120

lOO

из/с ао

20

*

# У = -0.3726* + 32,105

♦ ♦ •  й; = 0,023

s

♦ * у = 2,61* + 43,735 1  I

• R= = C 2559

10

20

30

40

го

Год пофпдначиная с 1969

Рисунок 4 - Тренды дат минимальных расходов холодного периода р. Сухона у д.Каликино

Тренд минимальных расходов холодного периода в 1965-1990 гг. для реки Сухоны возрастающий и статистически значимый как на 5% так и на 1% уровне. С 1991 по 2018 год тренд меняется на убывающий, то есть минимальный расход холодного периода принимает более низкие значения, но тренд статистически не значим.. Тренды реки Сухона в целом имеют такое же направление, как и тренды Северной Двины на рассматриваемых интервалах времени.

Потепление климата должно сказаться и на такой характеристике зимнего режима рек Европейского севера России как максимальной толщине льда. Согласно требованиям [9] толщина льда измеряется на тех участках реки, глубина на которых находится в пределах 1,5...2,0 метра. На широких реках (200 метров и более в поперечном сечении) замеры производят не ближе, чем на 100 м от берега. При толщине льда менее 30 см и в период таяния измерения производятся 5, 10, 15, 20, 25-го числа и в последний день месяца, а при толщине льда более 30 см - 10, 20-го и в последний день месяца. При этом используют различного типа ледовые буры и ледо-мерные рейки.

Максимальная толщина льда анализировалась по данным за 1990-2018 годы (рис. 5).

100 90

80 70

60

50

40

30

20 10

♦

< >

Vе -0,S396>r + >8,883

♦ ♦ • •

* * * •

* •

•

10

15

20

25

Год подряд с 1990

Рисунок 5- Тренды максимальной толщины льда на р. Сухона у д.Каликино

Тренд оказался значимым на уровне а=0,05, но не значимым на уровне а=0,01. Следовательно, статистически достоверно максимальная толщина льда на р.Сухона у д. Каликино имеет тренд к снижению, значимый

на уровне 5%. В среднем толщина льда ежегодно снижается со скоростью 0,8 мм.

Заключение

В случае влияния потепления климата на гидрологический режим рек Европейского севера России ключевые гидрологические характеристики должны иметь разнонаправленные либо усиливающие статистически значимые тренды на характерных временных интервалах. Согласно рекомендациям Всемирной метеорологической организации (ВМО) для сравнения современного климата с предшествующими периодами используется период в 30 лет. Сегодня это сравнение данных показателей за 1960-1990 годы с данными последующих лет. Под «нормой» понимают среднее значение климатической характеристики за этот интервал времени. Отклонение от среднего значения является климатической аномалией.

Выполнена проверка статистической значимости трендов гидрологических характеристик реки Сухона по данным гидропоста у д. Каликино. На интервале 19912018 годы:

- Выявлен статистически значимый на уровнях 5% и 1% тренд снижения максимальных расходов теплого периода со средней скоростью 67 м3/с в год,

- Выявлен статистически значимый на уровне 5% тренд снижения максимальной толщины льда со средней скоростью 0,8 мм/в год.

Выполненная проверка однородности многолетних рядов наблюдений за гидрологическими характеристиками реки Сухона у д. Каликино позволила сделать вывод о статистически об их значимых изменениях.

Литература

1. Об утверждении комплексного плана реализации Климатической доктрины Российской Федерации на период до 2020 года (с изменениями на 31 января 2017 года). Распоряжение Правительства Российской Федерации от 25 апреля 2011 года N 730-р. [Об утверждении комплексного плана реализации Климатической доктрины Российской Федерации на период до 2020 года] (с изменениями на 31 января 2017 года). Электр. ресурс. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/902275850

2. IPCC, 2014: Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Eds: O. Edenhofer, R. Pichs-Madruga, Y. Sokona et al. / Cambridge-New York: Cambridge University. Press, 2014. 1246 p.

3. The Intergovernmental Panel on Climate Change: AR6 Synthesis Report: Climate Change 2022 Электр. ресурс. Режим доступа: https://www.ipcc.ch/reports/

4. Ильков А.В., Белоусов Р.Л. Системный анализ факторов заторообразования на реках Севера Европейской части России. Научные и образовательные проблемы гражданской защиты, 2015. № 3. С. 64-65.

5. Першин А.Е. Борьба с ледовыми заторами в районе города Великий Устюг // Вестник науки и образования № 10(64). 2019. Ч. 3.

6. Ресурсы поверхностных вод СССР: Гидрологическая изученность. Т. 3. Северный край / под ред. Н. М. Жила. - Л.: Гидрометеоиздат, 1965. 612 с.

7. Снежко В.Л., Бенин Д.М. К вопросу определения потерь напора в трубопроводах // Перспективы науки. 2011. № 2 (17). С. 75 - 79.

X X

о го А с.

X

го m

о

м о м о

8. Методические рекомендации по оценке однородности гидрологических характеристик и определению их расчетных значений по неоднородным данным. С.-Пб.: Нестор-История, 2010. - 162 с.

9. Материалы к стратегическому прогнозу изменений климата Российской Федерации на период до 2010-2015 гг. и их влияния на отрасли экономики России. М.: Росгидромет, 2005. 90 с.

10. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Выпуск 6. Часть I. Гидрологические наблюдения и работы на больших и средних реках (3-е издание, переработанное и дополненное). Электронный ресурс. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200095306.

Assessment of the influence of climate warming on the

elements of the hydrological regime of the Sukhona river Kobozev D.D., Snezhko V.L.

Russian State Agricultural University named after K.A. Timiryazev Climate warming is especially pronounced in high latitudes, which include the territories of the European North of the Russian Federation. The dynamics and structure of hazardous hydrological phenomena in the basin of the Northern Dvina River, which resulted in the recorded material damage, are analyzed. An increase in the average annual temperature and intra-annual redistribution of precipitation must invariably affect the hydrological regime of the northern rivers. The analysis of the dynamics of individual hydraulic characteristics over a long-term period was carried out for the Sukhona River, which belongs to the Northern Dvina river basin. The initial data were taken according to the data of the hydrological station near the village of Kalikino. Trends of changes in such hydrological characteristics as the maximum flow rates of the warm period and the dates of their onset, the minimum flow rates of the cold period and the maximum ice thickness were constructed. The homogeneity of these hydrological characteristics was checked and conclusions were drawn about the presence of statistically significant trends at the 5% or 1 % significance level. Key words: climate warming, the Northern Dvina river basin, the Sukhona river, hydrology, hydrological characteristics

References

1. On approval of a comprehensive plan for the implementation of

the Climate Doctrine of the Russian Federation for the period up to 2020 (with amendments as of January 31, 2017). Order of the Government of the Russian Federation of April 25, 2011 N 730-r. [On approval of a comprehensive plan for the implementation of the Climate Doctrine of the Russian Federation for the period up to 2020] (as amended on January 31, 2017). Electr. resource. Access mode: http://docs.cntd.ru/document/902275850

2. IPCC, 2014: Climate Change 2014: Mitigation of Climate Change.

Contribution of Working Group III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Eds:

0. Edenhofer, R. Pichs-Madruga, Y. Sokona et al. / Cambridge - New York: Cambridge University. Press, 2014.1246 p.

3. The Intergovernmental Panel on Climate Change: AR6 Synthesis

Report: Climate Change 2022 Electr. resource. Access mode: https://www.ipcc.ch/reports/

4. Ilkov A.V., Belousov R.L. A systematic analysis of the factors of

jamming in the rivers of the North of the European part of Russia. Scientific and educational problems of civil protection, 2015. No. 3. P. 64-65.

5. Pershin A.E. Fighting ice jams in the area of the city of Veliky

Ustyug // Bulletin of Science and Education No. 10 (64). 2019.Part 3.

6. Resources of surface waters of the USSR: Hydrological study. T.

3. Northern Territory / ed. N. M. Zhila.  L .: Gidrometeoizdat, 1965.612 p.

7. Snezhko V.L., Benin D.M. On the question of determining the

pressure loss in pipelines // Prospects for science. 2011. No. 2 (17). S. 75  79.

8. Guidelines for assessing the homogeneity of hydrological characteristics and determining their calculated values from heterogeneous data. S.-Pb .: Nestor-History, 2010.  162 p.

9. Materials for the strategic forecast of climate change in the

Russian Federation for the period up to 2010-2015. and their impact on the sectors of the Russian economy. M .: Roshydromet, 2005.90 p.

10. Manual for hydrometeorological stations and posts. Issue 6. Part

1. Hydrological observations and work on large and medium-sized rivers (3rd edition, revised and enlarged). Electronic resource. Access mode: http://docs.cntd.ru/document/1200095306.

о

СЧ

о

сч

О Ш

m

X

<

m О X X