ИСТИНА

Сидорчук А.Ю.1), Борисова О.К.2), Панин А.В.1), Чернов А.В.1) 1) Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 2) Институт географии РАН Изменение водных ресурсов на равнинах Северной Евразии за последние 20 тысяч лет и сценарии водных ресурсов 21 столетия Введение Инструментальные данные о климатических изменениях конца 20 - начала 21 столетий показали с большой степенью достоверности, что человеческое общество стало глобальной геологической силой. Антропогенные изменения климата, обусловленные выбросом парниковых газов, привели к перестройке атмосферной циркуляции и распределения тепла и влаги на поверхности земного шара. На равнинах Северной Евразии зафиксированы существенные тренды в водоносности основных рек. Существующие сценарии водных ресурсов 21 века на этой территории, основанные на численном моделировании циркуляции атмосферы, указывают на значительные риски для водопользования в будущем. Водоносность рек земного шара испытывает колебания, обусловленные естественными климатическими квазипериодические изменениями различной амплитуды и продолжительности. Наиболее существенные эпизоды таких изменений зафиксированы в рельефе речных долин и в геологических отложениях. Реконструкция колебаний характеристик климата и речного стока в прошлом дает возможность поиска аналогий и разработки сценариев изменения водных ресурсов в будущем. Методы реконструкции гидро-климатических характеристик прошлого Для оценки расходов воды на реках прошлого наиболее эффективно применение связей ширины русла с расходом воды с региональными коэффициентами, полученными для региона-аналога. Обработка современных гидрометрических данных для 457 створов путем минимизации разности квадратов вычисленных и измеренных значений показала, что среднегодовой расход воды Qm. связан со средней шириной при уровне наполнения русла Wm. зависимостью с величиной достоверности аппроксимации R2=0.85 Qm=0.0012y0.73Wm1.36 . (1). Здесь y - внутригодовая изменчивость стока, которая рассчитывается как отношение среднегодового Qm и среднемаксимального Qmax расхода воды: y = 100 (Qm/ Qmax) (2). Внутригодовая изменчивость стока связана с размером водосбора реки F, км2, эмпирической редукционной зависимостью y = aFn . (3) Коэффициенты a и n зависят от ландшафтных условий на водосборе и поддаются географическому районированию. Это создает основу для применения в палеогидрологии принципа палеогеографической аналогии: характеристики стока для древних речных бассейнов близки характеристикам стока современных бассейнов с физико-географическими условиями, сходными с палеогеографическими. Для реконструкции стока подбирается современная область, которая по комплексу ландшафтно-климатических признаков является аналогом бассейна древней реки. Основным методом выбора аналога является палеофлористический анализ палинологических данных. Предполагается, что современный гидрологический режим рек в пределах области-аналога близок к гидрологическому режиму древних рек. Для современных рек региона-аналога определяются значения коэффициентов а и n, которые затем используются для расчетов параметра y по формуле (3). Среднегодовой расход воды тогда определяется по зависимости (1), а среднемаксимальный расход воды по формуле (2). Основные этапы формирования речных русел и изменения стока рек на равнинах Северной Евразии Полевые исследования, а также анализ карт, аэрофотоснимков и космических изображений показывают, что в эволюции русел меандрирующих рек на равнинах Северной Евразии отчетливо выделяются два главных этапа. На первом этапе формировались речные русла очень больших размеров, ширина русел, шаг и амплитуда излучин этих рек превосходили соответствующие размеры для современных рек до 13-15 раз. Имеющиеся датировки показывают, что образование больших рек равнин Северной Евразии относится к периоду 13–16 тыс. лет назад, когда существовали ландшафты перигляциальной гиперзоны, совпадающей в общих чертах с областью максимального распространения вечной мерзлоты. Все гидро-климатические районы-аналоги для рек Русской равнины располагаются в горах и межгорных котловинах Алтае-Саянской области. Это совершенно закономерно, так как на современных равнинах Северной Евразии аналога перигляциальной флоры центра Русской равнины не существует. Горные районы-аналоги невозможно использовать для реконструкции гидрологического режима равнинных палеорек. Необходимо найти такие равнинные территории, где основные климатические характеристики близки к установленным для районов-аналогов, развита многолетняя мерзлота и растительные ассоциации если не по флоре, то по экологии близки к растительным ассоциациям позднего Валдая. Такими территориями являются Большеземельская тундра и полуостров Ямал (аналог для относительно теплых периодов позднеледниковья) и северная часть Приленского плато (аналог для относительно холодных периодов позднеледниковья). Коэффициент a и показатель степени n в формуле (3) для рек Большеземельской тундры и севера Западной Сибири равны 1.83 и 0.184, а для рек центральной Якутии – 1.06 и 0.189 соответственно. В перигляциальных условиях при общей сухости климата основная часть осадков выпадала зимой в виде снега. Интенсивный метелевый перенос приводил к накоплению снега в понижениях эрозионной и долинной сети, а междуречные пространства были почти лишены снежного покрова и глубоко промерзали. Южная граница распространения вечномерзлых пород проходила по линии 47–49° северной широты. В позднеледниковье в Северном полушарии был больше (чем в настоящее время) приход солнечной радиации в теплое время года, это увеличивало вероятность формирования дружной весны. Краткость периода снеготаяния и минимальная водопроницаемость мерзлых грунтов были причиной малых потерь стока (коэффициенты стока около 0.8–0.9). Гидрологический режим рек характеризовался коротким высоким половодьем. В таких условиях формировались большие речные русла, размеры которых соответствовали максимальным расходам воды периода половодья. Наличие многолетнемерзлых пород приводило к практическому отсутствию грунтового питания рек. Большую часть года, во время межени, широкие русла были почти лишены воды, песок на обширных песчаных отмелях переносился ветром, и формировался эоловый рельеф. По формулам (1)–(3) были рассчитаны средние расходы и слой стока воды для ~200 створов больших перигляциальных рек Русской равнины и Западной Сибири, для которых имеются фрагменты хорошо сохранившихся палеорусел. Эти оценки позволили составить карту годового слоя поверхностного стока поздневалдайского времени и оценить годовые объемы стока в основных речных бассейнах (табл. 1). На северном мегасклоне Русской равнины сток воды составлял около 380 км3 в год, что в полтора раза больше современного с той же водосборной площади. Основное увеличение стока произошло в бассейнах Мезени и Печоры (более чем в 1.5 раза). В бассейне Волги годовой сток составлял около 500 км3, несмотря на существенно меньшую площадь водосбора верхней Волги. В бассейнах Дона и Днепра поздневалдайский сток превышал современный в 3–4 раза. В бассейне Оби сток был в 2 раза больше современного, в бассейне Иртыша – в 3 раза больше. Следует подчеркнуть, что в этом стоке ледниковое питание не участвовало, он формировался метеорными осадками. Климатические изменения позднеледникового времени уже к началу голоцена привели к полному изменению гидрологического режима больших перигляциальных рек. Это было связано с повышением среднегодовой (особенной зимней) температуры воздуха и деградацией вечной мерзлоты на большей части равнин Северной Евразии (на Русской равнине южная граница вечной мерзлоты сместилась с 49° с.ш. на полярный круг, в Западной Сибири – на 62° с.ш.). Увеличились общие потери стока на испарение и инфильтрацию, появился грунтовый сток и устойчивые расходы воды межени. Это привело к общему уменьшению объема стока и его внутригодовому перераспределению: уровни половодья стали существенно ниже, а межени – выше. В Западной Сибири этому процессу способствовало образование многочисленных озер, а затем (уже в голоцене) – болот. В результате на месте больших позднеледниковых рек сформировались реки существенно меньших размеров: в 1.5-2 раза меньших размеров, чем современные, но с более крутыми излучинами. Иногда пояс меандрирования русел этого этапа занимает лишь небольшую часть пойменного массива, созданного большими руслами предшествующего этапа. Имеющиеся датировки показывают, что минимальные размеры русел рек равнин Северной Евразии приходятся на период 4–6 тыс. лет назад, к времени климатического оптимума голоцена. Для восстановления отношения древнего среднегодового расхода воды и современного расхода для периода формирования малых рек на территории Северной Евразии использовано значение . Выявился широкий пояс относительно пониженного стока рек в оптимум голоцена, расположенный в основном в лесной зоне, с минимумами относительных расходов в бассейнах Вятки (40-50% от современного) и среднего Иртыша. К северу значение этого отношения увеличивается, и в зоне тундры изменений в морфологии речных русел (и изменений водоносности рек) не наблюдается. Аналогичная ситуация характерна для Восточной Сибири – здесь также изменения в морфологии речных русел минимальны. В первую очередь это связано с большой устойчивостью русел врезанных рек, однако и размеры широкопойменных русел (например, в бассейне Вилюя) менялись мало. В середине голоцена здесь в первую очередь уменьшалась неравномерность стока. В результате на северном мегасклоне Русской равнины сток воды составлял около 180 км3 в год, что на 30% меньше современного с той же водосборной площади (табл. 1). В бассейне Волги годовой сток составлял около 135 км3, что почти в два раза меньше современного. Здесь выделяется бассейн Вятки, где сток был на 60% меньше современного. Такой сток Волги вполне объясняет глубокую Мангышлакскую регрессию послехвалынского Каспия, когда уровень моря опускался до отметки -50 м абс. В бассейнах Дона и Днепра сток в оптимум голоцена был на 40% меньше современного. В бассейне Оби и Иртыша сток был на 30% меньше современного. Заключение Климатические и гидрологические сценарии будущего возможны на основе расширенного понимания метода актуализма, когда события прошлого рассматриваются как аналоги событий будущего. События двух главных этапов в формировании русел рек равнин Северной Евразии в позднеледниковье и голоцене дают возможность для построения таких сценариев. Так, значительная часть территории России находится в области распространения сплошной и очаговой вечной мерзлоты. Современный гидрологический режим рек этих областей близок к гидрологическому режиму больших позднеледниковых рек Русской равнины и Западной Сибири. В условиях глобального антропогенного потепления ландшафты этих областей будут подвержены наиболее быстрым и кардинальным изменениям. Вполне вероятно, что изменения гидрологического режима рек и морфологии речных русел будут следовать сценарию трансформации больших позднеледниковых рек. Уменьшится годовой объем стока за счет увеличения общих потерь на испарение, увеличится равномерность стока внутри года за счет существенного уменьшения стока половодья и роста расходов воды во время межени. Размеры русел рек средней Сибири, Якутии и северо-востока России существенно уменьшатся, крупные разветвленные на рукава реки могут стать однорукавными. Аналогичные возможности дают события в атлантическом периоде голоцена. По мнению исследователей палеоклиматов, оптимум голоцена является климатическим аналогом глобального антропогенного потепления при увеличении средней температуры на 1°C. Если принять эту гипотезу, то согласно результатам, показанных в таблице 1, уменьшение количества водных ресурсов произойдет в обширных регионах. Изменение размеров русла, ширины пояса меандрирования и положения зон размыва берегов русла скажется на всех отраслях хозяйства, связанных с использованием русел рек и прирусловой области речных берегов. Можно ожидать изменений условий судоходства, работы гидротехнических и инженерных сооружений, увеличения угрозы разрушения построек на речных берегах. Изменится режим уровней и солености Каспийского и Черного морей вплоть до полного осушения современной акватории Северного Каспия. Таблица 1. Годовой объем стока Vд древних рек равнин Северной Евразии Речной бассейн Современные характеристики Поздний валдай (реконструкция) оптимум голоцена (реконструкция) площадь водосбора, тыс. км2 сток Vс, км3/год Vд, км3/год Vд, км3/год Сев. Двина+ Мезень+ Печора 757 264 380 180 Волга 1360 254 500 135 Дон 422 29 110 20 Днепр 504 54 165 35 Обь (с Иртышом) 2990 400 810 285 Иртыш 1643 89 270 65