Многолетние изменения элементов водного баланса реки Альдегонда (остров западный шпицберген)

DOI: 10.25702/KSC.2307-5228.2018.10.3.163-169 УДК 551.324

МНОГОЛЕТНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ВОДНОГО БАЛАНСА РЕКИ АЛЬДЕГОНДА

М. В. Третьяков, В. А. Бирюкова

ФГБУ Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, г. Санкт-Петербург

Аннотация

Рассматриваются многолетние изменения элементов водного баланса реки Альдегонда. На основе модельных расчетов восстановлены гидрографы стока для реки Альдегонда за весь период гидрологического цикла от начала таяния снега до полного осеннего перемерзания реки с 2005 по 2016 гг. Анализ рядов показывает, что сток реки Альдегонда хорошо реагирует на многолетние климатические перемены, происходящие в последнее десятилетие на арх. Шпицберген. Ключевые слова:

снеготаяние, ледник, расчетные методы, восстановление рядов, анализ изменений, высотные зоны.

LONG-TERM CHANGES OF WATER BALANCE ELEMENTS OF ALDEGONDA RIVER

Mikhail V. Tretiakov, Valentina. A. Biryukova

Arctic and Antarctic Research Institute, St. Petersburg

Abstract

Long-term changes of elements of water balance of Aldegonda river are considered. Flow hydrographs for Aldegonda river were restored for the entire period of the hydrological cycle from the beginning of snow melting to the full autumn freezing of the river from 2005 to 2016, on the basis of model calculations. An analysis was carried out on the rows, which showed that the flow of Aldegonda river responds well to the long-term climatic changes occurring in Spitsbergen in the last decade.

Keywords:

snowmelt, glacier, calculation methods, recovery of long-term series, analisys of changes, high-altitude areas.

Введение

Глобальные климатические изменения, которые связаны с океанической циркуляцией, в первую очередь проявляются на арх. Шпицберген вследствие его географического положения. По этой причине изучение поведения системы «атмосфера — криосфера — гидросфера — биосфера» на архипелаге представляет особый интерес.

В последние десятилетия на архипелаге наблюдается деградация ледников, что говорит об изменениях, происходящих в этой системе. Пресные воды, образующиеся в результате таяния ледниковых поверхностей, поступают на водосборы рек, впадающих в фьорды. Увеличение притока пресных и холодных вод, несущих значительное количество взвешенных частиц, приводит к значительному изменению свойств верхнего слоя фьордов. Исследования климатических изменений, оледенения и прибрежных районов моря требуют оценки водного баланса ледниковых бассейнов арх. Шпицберген.

Если сведения о метеорологических, гляциологических, океанографических характеристиках могут быть получены методами прямых наблюдений или дистанционного зондирования (спутниковая информация) практически в течение всего года, то получение гидрологических характеристик, которые позволяют исследовать изменчивость составляющих водного баланса архипелага в течение всего года, особенно в переходные периоды, в силу многих причин затруднено. Среди последних можно назвать значительную удаленность региона, затрудняющую регулярные наблюдения, сложности с доставкой оборудования и его установкой на исследуемых объектах.

Пока не будут решены методические вопросы организации и проведения наблюдений за гидрологическими характеристиками на водосборах в весенний переходный период, для получения этих характеристик необходимо привлекать расчетные методы.

На противоположной стороне от пос. Баренцбург во внутренней части залива Грёнфьорд расположен бассейн р. Альдегонда (рис. 1), который делится на две части — моренную и ледниковую. Ледник ориентирован с запада на восток, длиной около 3,0 км и шириной 2-2,5 км в самой широкой части, относится к типу горно-долинных, а также является политермическим. В последние несколько десятилетий он быстро деградирует, при этом язык ледника отступил на расстояние порядка 1,5 км. В настоящее время язык ледника расположен на высоте выше 100 м над ур. м. Вся ледниковая поверхность расположена в зоне интенсивной абляции.

Рис. 1. Водосбор реки Альдегонда, 1 — замыкающий створ Fig. 1. The catchment of Aldegonda river, 1 — the outlet

Сток реки образован следующими составляющими: таяние снежного покрова, таяние поверхности ледника, внутриледниковый сток в виде источников, разгружающихся непосредственно в реку, моренный сток и осадки в виде дождя. Изменения этих источников питания и их соотношения формирует характерный для рек Шпицбергена режим стока. Как правило, в зимний период сток отсутствует. На р. Альдегонда сток обычно начинается в конце мая и продолжается до середины ноября.

Материалы и методы

Для восстановления стока воды р. Альдегонда в периоды, не освещенные прямыми гидрологическими наблюдениями, была разработана модель его формирования, основанная на теплобалансовом методе расчета снеготаяния П. П. Кузьмина [1], распространенного также на ледниковую поверхность, методе расчета водоотдачи из снега Г. П. Ковзеля [2] и методе трансформации стока Г. П. Калинина и П. И. Милюкова.

Метод П. П. Кузьмина позволяет рассчитывать интенсивность снеготаяния за любые интервалы, т. е. дает возможность получить ее внутрисуточный ход. При условии использования репрезентативных метеорологических данных метод дает хорошие результаты [1]. Кроме того, расчет водоотдачи из снега базируется на теплобалансовом методе расчета интенсивности снеготаяния П. П. Кузьмина. В основу схемы расчета положен графоаналитический способ учета регулирования талых вод снежным покровом в условиях неравномерного распределения запасов воды в снеге по площади [2].

К данному региону была проведена адаптация метода П. П. Кузьмина путем деления водосбора на высотные зоны. Водосбор реки Альдегонда состоит из ледника и морены. Морена находится на высоте порядка 80 м над ур. м. Самая высокая точка ледника находится на высоте 600 м над ур. м. Такая методика применима для горных регионов, так как присутствует существенная разница температур. В среднем значение температуры понижается каждые 100 м примерно на 0,6 °C. В табл. 1 приведено деление водосбора на высотные зоны, что позволяет произвести расчет снеготаяния и водоотдачи отдельно для каждой зоны.

Таблица 1 Table 1

Характеристики высотных зон водосбора р. Альдегонда Characteristics of high-altitude zones of Aldegonda river catchment

Параметр Indicator Морена Moraine Зона 1 Zone 1 Зона 2 Zone 2 Зона 3 Zone 3 Зона 4 Zone 4

Абсолютная высота местности Набс, м Absolute terrain altitude, Набс, m 0-80 80-200 200-300 300-400 400-600

Площадь, км2 Area, km2 3,50 1,41 1,60 1,90 0,62

Для проведения расчетов необходимы характеристики водозапасов. На водосборе проводятся ежегодные регулярные наблюдения в рамках проведения высокоширотных арктических экспедиций на арх. Шпицберген: в летний период с июля по август, в зимний — с апреля по начало мая. Снегозапасы распределены неравномерно, что обусловлено множеством причин, таких как местоположение и высота местности, характер подстилающей поверхности, действие ветра, лавины, экспозиция склонов, оттепели.

За период экспедиционных наблюдений ААНИИ на водосборе р. Альдегонда было выявлено, что наибольшая высота снега, как правило, наблюдается на бортах ледника, что, видимо, связано с метелевым переносом снега вблизи крутых склонов и действием лавин. Средняя высота снега на леднике Альдегонда за период с 2002-2017 гг. составила 160 см. Плотность снега на водосборе р. Альдегонда к моменту его максимального накопления, по данным наблюдений с 2002 по 2017 гг., в среднем составляет 0,4 г/см3. Максимальное значение средней плотности по водосбору наблюдалось в 2004 г. — 0,52 г/см3, минимальное в 2016 г. — 0,29 г/см3.

Многолетние наблюдения позволили выявить, что пространственное распределение плотности снежного покрова на поверхности ледника Альдегонда имеет четкую зависимость от абсолютной высоты местности. Связи между высотой снега и его плотностью не прослеживается как на ледниковой, так и на неледниковой части водосбора.

Запас воды в снеге (водный эквивалент) Qc для этого водосбора за период наблюдений изменяется от 364 (2016 г.) до 801 мм (2012 г.), в среднем составляя 661 мм. Значимой многолетней тенденции в водозапасах на этом водосборе не прослеживается (рис. 2).

год

Рис. 2. Межгодовая изменчивость запасов воды в снеге (водного эквивалента) на водосборе р. Альдегонда в период максимального снегонакопления

Fig. 2. Interannual variability of snow water resources (water equivalent) on the catchment area of Aldegonda river during the maximum snow accumulation

Для расчета процессов снеготаяния и водоотдачи необходимы метеоданные, а именно такие, как средняя скорость ветра, средняя температура, нижняя и общая облачность, средние осадки. Метеорологические наблюдения проводит зональная гидрометеорологическая обсерватория (ЗГМО) «Баренцбург». За расчетный период (с 1 апреля по 15 ноября) среднегодовые значения температур составляли 0,5 °С. Наиболее теплым был 2016 г. (2,6 °С), холодным — 2008 г. (-0,7 °С).

Кроме того, потребуются и результаты изменения альбедо снежного покрова. Величина альбедо меняется в зависимости от таяния снега. Для свежевыпавшего снега величина стремится к 1,00, к концу периода таяния доходит до 0. Для упрощения модели расчетов значение альбедо принято постоянным (0,1) за весь период таяния.

Результаты

Наибольший вклад в расчет притока тепла оказывает турбулентный теплообмен и суммарная солнечная радиация. Турбулентный теплообмен — это процесс переноса тепла из одной среды в другую, возникающий при различии температур верхнего слоя воды и приводного слоя воздуха. Пики интенсивности турбулентного теплообмена приходятся на июль — период, когда происходит интенсивная водоотдача, в отличие от суммарной солнечной радиации, высокие значения которой приходятся на конец первой декады мая.

За дату начала снеготаяния принимаются первые сутки, в которые интенсивность снеготаяния составляет не менее 3 мм/сут. В среднем это конец апреля — начало мая. Снеготаяние начинается примерно в одно и то же время, что объясняется небольшим различием в высотах между мореной и ледниковыми зонами. Водоотдача из снежного покрова на морене начинается примерно в первых числах мая. Пик водоотдачи приходится на середину мая. К концу первой декады июня снег практически полностью стаивает с поверхности водосбора. Расчет водоотдачи

заканчивается при нулевых значениях. На леднике водоотдача из снега начинается в среднем в середине мая и прекращается к началу июля. Дальнейшее формирование стока р. Альдегонда происходит за счет таяния ледника и выпадения жидких атмосферных осадков.

Интенсивность таяния ледника варьируется в зависимости от высотных зон (табл. 2). Самая низкая из которых в зоне 4. Чем ближе зона к морене, тем интенсивность выше. Можно отметить, что высокие значения абляции (среднее значение по всем зонам 3,73 мм/год) наблюдались в 2016 г., который является также самым теплым за 13 лет.

Таблица 2 Table 2

Многолетняя абляция ледника Альдегонда по высотным зонам Perennial ablation of the Aldegonda glacier by elevation zones

№ п/п Абляция, м/год / Ablation, m  Der year

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

1 3,45 2,98 2,89 2,76 3,13 2,78 3,59 3,04 3,57 3,03 3,59 4,37 3,65

2 3,09 2,59 2,56 2,41 2,84 2,46 3,21 2,65 3,16 2,69 3,22 3,91 3,25

3 2,82 2,24 2,28 2,09 2,54 2,20 2,87 2,29 2,80 2,35 2,90 3,50 2,84

4 2,55 1,93 2,05 1,80 2,28 1,96 2,57 1,96 2,46 2,06 2,60 3,12 2,46

Моделирование стока р. Альдегонда показало удовлетворительное соответствие результатам данных наблюдений за речным стоком в последние годы (2014-2016). Восстановленный сток за 2016 г. (рис. 3) показал соответствие значениям, полученным в результате наблюдения, с критерием качества Нэша — Сэтклифа, равным 0,67, и средней относительной погрешностью около 14 %. За предыдущие годы (2005-2013) модельные расчеты в целом соответствуют отрывочным наблюдениям за расходами воды. В некоторые годы (2005-2007) наблюденный расход воды оказывается меньше рассчитанного по модели, однако следует заметить, что в эти годы для измерения расходов применялся недостаточно проработанный метод ионного паводка.

vi ON <N ЧО © -5t Г-' -5t 00 <N ЧО © ГО Г-' vi

O^HCN^HCN^HCNOCNO^HO^Hcn^HCN^HCN

Дата

Рис. 3. Результаты расчета гидрографа стока р. Альдегонда за 2016 г. и данные наблюдения за стоком Fig. 3. The results of calculation of Aldegonda river runoff hydrograph for 2016 and monitoring data

Месяцем с наибольшей водностью является июль, что демонстрирует рис. 4. За этот месяц проходит 29 % стока. В соотношении источников питания реки по многолетним данным можно заключить, что в приходной части водного баланса на долю снегового питания приходится в среднем 26 %, дождевая составляющая незначительна — около 10 %, основная составляющая приходной части формируется за счет таяния ледника — 64 %.

Q, м3/с 3

2,5

2

1,5

1

0,5 п

« л

I

л

а

ю

I

(D О

I I

л

а

ю

I

о

л а

ю «

о и

Рис. 4. Среднемноголетний гидрограф стока р. Альдегонда Fig. 4. Average annual Aldegonda river runoff hydrograph

В многолетнем разрезе соотношение источников питания реки меняется несущественно. Можно отметить в последние годы уменьшение доли снегового питания и увеличение доли питания за счет абляции ледника.

Выводы

Расчет элементов водного баланса р. Альдегонда показал, что процесс таяния снега развивается под действием турбулентных потоков тепла, имеющих большую изменчивость, на фоне положительного и слабо изменяющегося потока тепла за счет солнечной радиации, при этом турбулентный поток тепла равен влиянию потока тепла за счет солнечной радиации. Незадолго до начала водоотдачи из снега начинается его таяние. Водоотдача из снега начинается дружно для всего водосбора, несмотря на то, что на нем можно выделить различные высотные зоны. Максимальное снеготаяние происходит в начале июня, а к первой декаде июля снег успевает стаять со всей территории водосборного бассейна, не создавая условий для положительного баланса массы ледника, что подтверждается гляциологическими наблюдениями на леднике Альдегонда, который в последние десятилетия активно деградирует.

На основе модельных расчетов восстановлены гидрографы стока для р. Альдегонда за весь период гидрологического цикла от начала таяния снега до полного осеннего перемерзания реки с 2005 по 2016 гг. По рядам проведен анализ, который показал, что сток р. Альдегонда хорошо реагирует на многолетние климатические изменения, происходящие в последнее десятилетие на арх. Шпицберген.

Необходимы наблюдения за внутренней дренажной системой ледника, так как была выдвинута гипотеза о перехвате талых ледниковых вод подледниковыми полостями и выводе их в другие водосборные бассейны. Возможно, следует расширить наблюдения и включить в них информацию о подморенном таянии ледника Альдегонда, поскольку на него не оказывают воздействия (механического и теплового) жидкие осадки и потоки талой воды по поверхности ледника.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кузьмин П. П. Процесс таяния снежного покрова. Л.: Гидрометеоиздат, 1961. С. 345. 2. Ковзель А. Г. Упрощенная схема водоотдачи из снега // Труды ГГИ. 1962. Вып. 99. С. 141-176.

Сведения об авторах

Третьяков Михаил Вячеславович — кандидат географических наук, зав. отделом гидрологии устьев рек и водных ресурсов Арктического и антарктического научно-исследовательского института E-mail:tmv@aari.ru

Бирюкова Валентина Андреевна — магистр, инженер I категории отдела гидрологии устьев рек и водных ресурсов Арктического и антарктического научно-исследовательского института E-mail: welga994@mail.ru

Author Affiliation

Mikhail V. Tretiakov — PhD (Geography), Head of Department of Hydrology of River Mouths and Water Resources, Arctic and Antarctic Research Institute I E-mail: tmv@aari.ru

Valentina A. Biryukova — Master First Category Engineer of Department of Hydrology of River Mouths and Water Resources, Arctic and Antarctic Research Institute E-mail: welga994@mail.ru

Библиографическое описание статьи

Третьяков, М. В. Многолетние изменения элементов водного баланса реки Альдегонда (остров Западный Шпицберген) /М. В. Третьяков, В. А. Бирюкова // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2018. — № 3 (10). С. 163-169.

Reference

Tretiakov Mikhail V., Biryukova Valentina A. Long-Term Changes of Water Balance Elements of Aldegonda River (West Spitsbergen). Herald of the Kola Science Centre of the RAS, 2018, vol. 3 (10), pp. 163-169 (In Russ.).