РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ РЕЖИМА

РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ РЕЖИМА
МОЖАЙСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ СЦЕНАРИЯ А2
ГЛОБАЛЬНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ
Гречушникова М.Г.*, Пуклаков В.В.*
*Географический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова, Москва, Российская Федерация
e-mail: [email protected], [email protected]
В ситуации изменения климатических характеристик представляется актуальным
проанализировать возможные сценарии изменения режима Можайского водохранилища,
входящего в систему водоснабжения г.Москвы. Для воспроизведения внутригодового хода
температуры и электропроводности воды использована модель ТМО (тепло-массообмена
водохранилища) [1], которая хорошо воспроизводит внутрисезонный ход гидрологических
характеристик в этом водоеме.
Для задания исходных метеорологических данных использованы результаты климатической
модели INM RAS, воспроизводящей сценарий А2. Для экспериментальных расчетов выбран
период с марта 1983 г по март 1985 г., когда на водоеме производились учащенные
гидрологические съемки. Данный период многократно использовался для отладки модели и
ее новых блоков. Результаты модельных расчетов показали хорошее воспроизведение
фактического изменения гидрологических характеристик. Для прогноза предполагаемого
изменения стока воды использованы материалы исследований М.В.Сидоровой [3]. Для
центра Европейской равнины к середине 21 века ожидается сокращение слоя стока
половодья, модульный коэффициент слоя стока за половодье возможно составит 0,4-0,9
(верхний и нижний предел 90% доверительного интервала). Для центра Европейкой части
изменение годового слоя стока не имеет однозначной направленности, и, согласно картам
стока Сидоровой М.В. в виде изолиний модульного коэффициента, пределы 90%
доверительного интервала могут составлять от 0,7 до 1,3.
Для прогноза в данной работе решено было выбрать наиболее неблагоприятное сочетание
уменьшения слоя годового стока и слоя стока за половодье, а именно модульные
коэффициенты 0,7 и 0,4. На основании выбранных модульных коэффициентов рассчитаны
предполагаемые значения расходов воды притоков водохранилища по данным фактически
наблюденных расходов воды.
Предварительные тестовые расчеты показали, что в случае наибольшего сокращения притока
воды (годового и за период половодья) при тех же объемах сброса водохранилище к
середине лета опорожняется до уровня мертвого объема (УМО), что делает невозможным
дальнейшее использование водоема для водоснабжения. Для того, чтобы водоем оставался
пригодным для функционирования в системе водоснабжения, при сокращении притока воды
необходимо также сократить сбросы воды в нижний бьеф. Многочисленные тестовые
расчеты показали, что для того, чтобы уровень воды не снижался до УМО, необходимо
полностью отказаться от сбросов воды через водослив и сократить объем сбрасываемой
воды, пропуская ее через одну турбину (рис. 1).
1
70
183
60
50
179
40
30
177
Уровень, м абс
Расход ГЭС, м3/c
181
20
175
10
173
Март
Апрель
Май
Июнь
Июль
Август
Сентябрь
Октябрь
Ноябрь
Декабрь
Январь
Февраль
Март
Апрель
Май
Июнь
Июль
Август
Сентябрь
Октябрь
Ноябрь
Декабрь
Январь
Февраль
Март
0
III IV V VI VII VIII IX X XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII I II III
1
2
3
4
Рис. 1 Расходы ГЭС (измеренные (1); экспериментальный расчет (2)); изменение уровня
воды (измеренные (3); экспериментальный расчет (4)).
Подобный режим работы сократит амплитуду колебаний уровня воды с 6,5 до 4,5 м. В связи
с прогнозируемым сокращением притока возникает проблема сокращения водоснабжения
столицы из Москворецкой системы водоснабжения (поскольку аналогичные изменения
режима воды последуют и в других водохранилищах, которые в нее входят); сократится и
выработка гидроэлектроэнергии. Однако следует иметь в виду, что за периоды половодья и
паводков часть стока сбрасывается через водослив и не участвует в формировании запасов
воды для водоснабжения и выработки электроэнергии. Существенным может оказаться
сокращение сбросов за зимний период, в противном случае водохранилище не наполнится
даже до отметки 180 м абс. В летний период сработка и так минимальна, поэтому, скорее
всего останется без изменений.
Режим предполагаемого притока воды должен быть увязан с синоптическими циклами
(периоды формирования паводков должны соответствовать периодам выпадения осадков),
поэтому для задания предполагаемого изменения погодных условий использована
следующая методика: данные климатической модели INM RAS (в распоряжении автора
имелся ряд с 1945 по 1975 гг.) были осреднены за 30 лет. По данным наблюдений выделены
периоды ледостава и открытой воды. Для этих периодов определены средние значения
характеристик для наблюдавшегося и осредненного климатического модельного ряда и
рассчитаны переходные коэффициенты для введения поправки к фактическим данным.
Таким способом получены ряды осадков, скорости ветра, температуры и влажности воздуха,
давления. Для расчета возможного изменения поступления длинноволнового излучения
атмосферы в качестве исходного ряда использованы расчетные значения модели ТМО при
фактически заданных погодных условиях. В итоге полученная сумма осадков и средние
значения других величин приведены к характерным прогнозным значениям, которые
рассчитаны климатической моделью INM RAS. Применение методики приведения
фактических данных связано с необходимостью сохранить в прогнозных рядах
синоптические циклы, имеющие важное значение для формирования гидрологической
структуры водоема, а также связанное с ними изменение притока воды с водосбора. Именно
2
поэтому нельзя было ограничиться 30-летним осреднением прогнозных значений
метеорологических характеристик.
Для анализа используется период 84/85 гг. от начала половодья до конца зимней межени,
поскольку за предыдущий период формируется гидрологическая структура, отличная от
характерной для современных условий. За рассматриваемый период ожидается сокращение
проточности водохранилища, особенно сильно в весенний период, что связано с
потребностью в сокращении сбросов из-за уменьшения притока воды. За период летнеосенней межени изменение проточности минимально, причины этого рассмотрены выше. В
среднем проточность водохранилища может сократиться в 1,4 раза (с 1,78 до 1,26 год-1).
Изменения погодных условий, притока и проточности отразятся на характеристиках воды в
водоеме. Ожидается изменение продольного градиента температуры поверхности воды (изза более раннего стаивания льда, меньшей доли относительно более теплых вод половодья
при интенсивном нагревании акватории, за счет более быстрого охлаждения мелководных
верховий при относительно низком уровне); ожидается сокращение периода с
максимальными продольными различиями температуры воды и более раннее его
наступление. Из-за меньшей толщины льда, формирующейся в зимний период возможно
более равномерное его стаивание, но из-за большего накопления тепла за период открытой
воды увеличится период между формированием ледяного покрова в верховьях и у плотины с
10 до 30 дней при запаздывании ледообразования в верховьях на неделю, а у плотины почти
на месяц.
Ожидается изменение условий формирования, выраженности и продолжительности
стратификации водной толщи. Многочисленность определяющих факторов делает
затруднительным формулировку однозначных выводов. Однако основные закономерности
таковы: фактор увеличения скорости ветра в случае климатических изменений сокращает
продолжительность периода стратификации и уменьшает разность поверхностной и
придонной температуры воды, причем влияние этого фактора усиливается при понижении
уровня воды. Интенсивное весеннее прогревание при более ранних сроках схода льда
обусловливает более раннее термическое расслоение. Экспериментальные расчеты показали,
что наиболее ярко выраженное термическое расслоение будет наблюдаться в среднем на
месяц раньше, т.е. не в июне, а в мае. При снижении проточности стратификация в
водохранилище будет более выражена в период ее зарождения и формирования. При
определенном сочетании погодных условий (при вероятном усилении скорости ветра в
летний период), а также при меньшей наполняемости водохранилища, разность
поверхностной и придонной температуры может быть меньше, чем по результатам расчетов
по фактическим данным за период летней стратификации.
Средняя температура поверхности воды наиболее заметно увеличится за период весеннего
наполнения в приплотинном районе (на 3,6оС). В верховьях увеличение будет
незначительным (на 0,2оС). За период весеннее-летней стабилизации, летней стратификации
и осенней конвекции (согласно периодизации, приведенной в [2]) увеличение температуры
поверхностного слоя составит 2,0; 2,6 и 2,6 оС в верховьях и 3,1; 2,3 и 1,4оС у плотины.
Одновременно можно отметить сокращение разницы температуры воды в поверхностном и
придонном слое: в приплотинном отсеке за период весеннего наполнения оно составит 0,4
о
С, за период весенне-летней стабилизации 1,8 оС, а за период летней стратификации – 2,4 оС.
Модель позволяет выполнить расчет расходов различных видов течений и, тем самым,
оценить изменение внутреннего водообмена (табл. 1) между зоной выклинивания подпора и
3
верхним районом (створ I), верхним и средним районами (створ II), средним и нижним
районами (створ III) водохранилища.
В период весеннего наполнения стоковое течение наблюдается ежедневно, но в
экспериментальном варианте расчета его расход почти в два раза меньше, поскольку для
наполнения водохранилища в условиях сокращения притока по неблагоприятному сценарию
при климатических изменениях холостые сбросы минимальны, сброс ведется только через
турбины ГЭС. Объем притока в половодье, согласно наиболее неблагоприятному сценарию,
будет на 60 % меньше. Из-за существенного сокращения проточности и процессов
смешения, ядро маломинерализованной водной массы в периоды весенне-летней
стабилизации и летней стратификации будет находиться в пределах не приплотинного, а
центрального района, определяя тем самым развитие плотностных течений, направленных
как от плотины вверх по водохранилищу, так и в сторону плотины из верхнего района, куда
поступают более минерализованная речная вода летней межени.
Таблица 1. Результаты расчета расходов течений за период 03.03.84-02.03.85 (А) и для
экспериментального расчета в случае климатических изменений (Б).
А
Створ I
Стоковое
Плотностное
Компенсационное
Створ II
Стоковое
Плотностное
Компенсационное
Створ III
Стоковое
Плотностное
Компенсационное
Б
Створ I
Стоковое
Плотностное
Компенсационное
Створ II
Стоковое
Плотностное
Компенсационное
Створ III
Стоковое
Плотностное
Компенсационное
Весеннее
ВесеннеЛетняя
Осенняя
наполнение летняя
стратификация конвекция
стабилизация
Зимняя
сработка
11,6
0,17
0
1,8
0,8
0,3
1,73
5,1
1,2
3,6
0,77
0,05
1,8
0,01
0
10,9
0,49
0,1
4,9
1,6
0,44
6,4
0,47
0,1
5,5
0,04
0
4,5
0,22
0
5,9
0,02
0,11
9,11
3,4
1,2
6,1
0,5
0,35
5,8
0,05
0
7,8
0,11
0
5,0
0,7
0,16
1,3
0,9
0,24
2,6
2,6
0,24
3,6
0,26
0,01
1,3
0,27
0,13
5,4
0,14
0,06
6,0
2,5
0
7,0
1,0
0
4,9
0,06
0
2,8
0,3
0,14
3,23
0,14
0,1
9,3
1,5
0,68
6,9
0,99
0
5,1
0
0
4,55
0,04
0
4
Интенсификация плотностных течений в период весенне-летней стабилизации (а их расход
становится соизмеримым с расходом стокового течения) определяет увеличение расходов
компенсационных течений. Отличие этого периода от базового варианта «А» состоит в
крайне быстром прогревании верховий водохранилища (при более низком уровне) и
большой пространственной дифференциации температуры воды как по глубине, так и по
длине водохранилища.
В период летней стратификации различия вариантов «А» и «Б» невелики, поскольку расходы
притоков и сбросов гидроузла в летнюю межень предположительно почти не изменятся, а изза увеличения частоты паводков даже несколько увеличатся, что найдет отражение только в
пределах верховий в виде увеличения среднего расхода стокового течения и уменьшения
расхода плотностного течения из-за уменьшения градиента минерализации воды.
По [2] период осенней конвекции отличается кратковременными резкими увеличениями
скорости плотностного течения, хорошо выраженными в холодную осень. В данном
варианте расчета исходные условия таковы, что осенний период, наоборот, отличается
теплой погодой, что выражено в относительно небольших расходах плотностного потока,
тем более в варианте «Б». Величина стокового течения в обоих вариантах распределена по
акватории примерно одинаково. Периоды летней стратификации и осенней конвекции для
варианта «Б» существенно длиннее, чем в «А» из-за быстрого прогревания верхних слоев в
конце весны и более позднего ледостава из-за большего количества тепла, накопленного
водной толщей.
Отличие внутреннего водообмена экспериментального расчета от базовых погодных условий
в зимний период состоит в наличии более выраженного плотностного течения в верховьях, а
также компенсационного течения, и отсутствие плотностных и компенсационных течений в
приплотинном отсеке. Эти особенности обусловлены более равномерным распределением
минерализации воды в экспериментальном расчете при небольшом объеме зимней
придонной водной массы. Из-за сокращения объема зимней сработки (в противном случае
при пониженном объеме половодья уровень воды будет крайне низким), расход стокового
течения в варианте «Б» сокращается на величину от 27% в верховьях до 41% у плотины по
сравнению с вариантом «А».
В итоге можно отметить, что наибольшие изменения в перестройке структуры внутреннего
водообмена произойдут в периоды весеннего наполнения и зимней сработки, что выразится в
существенном сокращении расхода стокового течения. В период летней стратификации
возможно увеличение расхода плотностных течений в верховьях из-за увеличения градиента
температуры воды между речной водной массой с грунтовым питанием и более прогретой
водной массой водохранилища. Из-за изменения распределения минерализации воды в
водоеме, когда ее значения в приплотинном отсеке увеличатся из-за уменьшения притока
талых вод в половодье, и сохранится более выраженное ядро весенней водной массы в
центральном районе из-за уменьшения проточности, возможно сохранение плотностной
циркуляции, ранее характерной только для периода весенне-летней стабилизации, когда
плотностное течение направлено вверх по водоему (за исключением верховий).
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 09-05-00029) и
Госконтракта П1394. Авторы благодарят В.М.Евстигнеева, М.В.Сидорову, В.М.Степаненко,
К.К.Эдельштейна за помощь в подборе исходных данных, консультации, предложения и
замечания.
5
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пуклаков В.В. Гидрологическая модель водохранилища. Руководство для пользователей.
М. ГЕОС. 1999. 96 с.
2. Пуклаков В.В., Эдельштейн К.К. Расчеты плотностных течений в Можайском
водохранилище. Метеорология и гидрология. 2001. №5. С.94-104.
3. Cидорова М.В. Оценка возможных изменений речного стока в ХХI веке на территории
Восточно-Европейской равнины. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. геогр. наук. Москва, МГУ.
2010.
6