Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Возможные изменения гидрологического режима Черного моря под влиянием хозяйственной деятельности в его бассейне

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Возможные изменения гидрологического режима Черного моря под влиянием хозяйственной деятельности в его бассейне"

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ИНСТИТУТ ВОДНЫХ ПРОБЛЕМ

На правах рукописи Нихолеяко Андрея Викторович

В03М02НЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА ЧЕРНОГО ЫОРЯ ПОД ВЛИЯНИЕМ ХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В ЕГО БАССЕЙНЕ

Специальность 11.00.07 - гидрология суши, водные рооурсы,

гидрохимия

- Автореферат диссертации яа соискание ученой степени кандидата географических наук '

Москва 1991

Работа выполнялась в Институте водных проблем.АН СССР

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Д.Я.Раткович

Научные консультант - кандидат физ.-мат. наук В.0.Эфронысон

Официальные оппоненты: доктор технических наук А.Е.¿серии, доктор физ.-мат. наук, профессор В.И.Калацкий

Ведущая организация - гидрометцентр СССР

Защита состоится 40. 9-С 4 Ючт. на заседании Специализированного совета Д 003.37.01 ИВП АН СССР

-{оз. <у , - ¿/■е/>мог/,41ас4/3/3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИВП АН СССР Автореферат разослан ОЦ, 0 / •

Ученый секретарь . Специализированного совета Л 003.37.01

И.К.Морковкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Хозяйственная деятельность оказывает все более существенное влияние на природные условия в бассейнах внутренних и окраинных морей, что определяет необходимость разработки долгосрочных программ по рациональному использованию их природных ресурсов. При атом важно оценить изменения в гидрологическом режиме этих водоемов, к которым могут привести те или иные хозяйственные мероприятия, и соответствующие экологические последствия. По отно-лению к Черному морю ата проблема особенно актуальна в связи о антропогенным воздействием на пресную составляющую водного баланса.

Эволюционно сложившийся водный баланс моря являотся одним из эсновных факторов, определяющих особенности его гидролого-гидрохимического режима и, превде всего, вертикальной структура зод. Пресные воды, попадающие в море в основном с речным, стоком и эсадквми, распространяются течениями и турбулентным перемешиванием з поверхностных слоях. Воды Мраморного моря» проникающие в Черное лоре через пролив Босфор, вследствие их высокой солености (в следо-зательно, плотности) попадают в глубинные слои. В результате в вертикальной термохалинной структура вод моря выделяются верхний гонкий опресненный и значительно более мощный нижний ослоненный злой, разделенные постоянным галоклином. Значительный перепад соле-юсть между верхним и нижним слоями (до 4 ) определяет высокую степень вертикальной плотностной устойчивости водной толщи и, как следствие, - относительную динамическую изолированность вод этих :лоев друг от друга. Это, в.свою очередь, является причиной того, 1Т0 воды нижнего слоя насыщены сероводородом.

В то же время, пресная составляющая водного баланса моря уже ¡айчас испытывает'существенное антропогенное воздействие, основным

фактором которого является безвозвратное водопотребление. На современном этапе оно составляв* 40-60 км3/год (примерно четверть от многолетней нормы результирующей баланса пресных вод), а и 2000 г, по некоторым оценкам может превысить 100 км3/год. КроМе\ того 6 перспективе на пресноводный баланс моря значительное влияние Могут оказать антропогенсые измейения климата.

По мнению некоторых специалистов антропогенное сокращение речного стока у*!© в настоящее время привело к компенсационному ■увеличению, притока через Босфор, что явилось причиной неблагоприятной тенденции - подъема верхней границы сероводородной зоны 6 глубоководной части моря к поверхности.

Априори можно полаг'ать, что сокращение пресного притока к Морю должно привести к осолзнению поверхностных слоев и соответствующему ослаблению вертикальной гидростатической устойчивости водной толщи. В пределе соленостная стратификация может ослабеть настолько,- Что произойдет потеря устойчивости и "опрокидывание* гидрологической структуры. Такой исход, связанный с быстрым вовлечением сероводо-родсодержащих вод глубинйых слоев в деятельный' слой,- может иметь самые серьезные последствия для экологии моря. •

Сокращение результирующей пресноводного баланса моря вызывает •опасения не только в связи с динамикой сероводородной зоны. В ряду неблагоприятных последствий можно выделить также увеличение солености вод биопродуктивных районов моря (например, северо-западноГо шельфа) или, прилегающих водных систем (например, Азовского Моря), где соленость является важнейшим фактором среды' обитания живых организмов.

/. ..Цели и задачи работы. Основной целью данной работы' явилось •изучение долгопериодных изменений в геофизической системе "водный баланс - гидрологический резким Черного моря" под влиянием антропо-

генных воздействий на водный баланс Азовско-Черноморского бассейна. В соответствии с этой целью были поставлены и решались следующие задвчц :

- изучение механизма реакции моря на однонаправленные возмущения элементов его водного баланса;

- анализ современного состояния систему "пресноводный баланс -гидролого-гидрохимичаский режим моря";

- анализ возможных изменений системы в будущем;

- изучение влияния Черного моря не режим прилегающих водных систем (на примере Азовского моря);

- оценка предельно допустимых объемов безвозвратного водопот-рабления в бассейне моря.

Методика исследований. При решении поставленных задач применялись методы динамико-стохастического моделирования. Для моря была принята интегральная модель ("кввзизамороженного пикноклина" в постановка Мадерича-Эфроимсона). Были использованы ряды элементов пресного баланса моря (1921-1986 гг.), опубликованные-данные натурных наблюдений за гидролого-гидрохимичаским режимом моря.

Научная новизна и практическая ценность:

.- получены аналитические выражения для основных статистических параметров многолетней изменчивости солености верхнего квазиоднородного слоя (ВКС) Черного моря и притока через Босфор, -генерируемой (..ежгодовыми вариациями элементов пресного баланса моря <в стационарных условиях);

- выявлены многолетние тенденции солености ВКС и притока через Зосфор за период 1921-1986 гг.; оценено влияние существующего антропогенного сокращения речного стока на режим моря;

- исследована связь многолетних тенденций изменения глубины зерхней границы анаэробной зоны Черного моря и межгодовых колебаний

увлажнения в бассейне;

- проанализированы возможные изменения гидрологического режима Черного.моря при различных сценариях развития безвозвратного водо-потребления в бассейне;

- предложены простые соотношения для экспресс-оценок изменения солености (ВКС) Черного моря и годового притока через Босфор при антропогенном сокращении пресного притока;

- исследовала задача о влиянии Черного моря на режим гранича-■щих, с ним систем в условиях антропогенной нагрузки на реки бассейна (нв примере Азовского моря);

- рассмотрены методологические аспекты определения предельно допустимых изъятий воды из рек бассейна Черного моря.

Использование результатов работы. Результаты исследований составили три раздела промежуточного отчете о научно-исследовательских работах ИБП АН СССР по теме 11(2) "Разработка метода прогноза возможных изменений гидрофизических характеристик Черного моря в условиях антропогенного воздействия".

' Апробация работы. Основные результаты диссертации обсуждались на семинарах лаборатории гидродинамики и лабораторий поверхностных вод ИВП АН СССР, семинаре лаборатории гидрологических проблем СО ГОШ, третьей-всесоюзной конференции ""Динамика и термика рек, водохранилищ и окраинных морей" (МоскваД988), международном совещании "Вода и люди в бассейне Черного моря" по проекту МЕД Венского центра (Суздаль,1989), XI Международном симпозиуме "Комплексный глобальный мониторинг Мирового океана" (Ленинград, 1991).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа содержит 152 страницы текста,. 15 рисунков, 18 таблиц. Список использованной литературы включает 122 работы советских и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, излажены цели и задачи исследования,

В первой (вводной) главе, построенной на анализе литературных " ценных, рассматриваются оснойные особенности Черноморского бассейна <ак геофизической, системы. .

Во второй главе излагается модель "квазизампрожеиного пикно-шша", рассматриваются вопросы. не получившие освещения у авторов ¿одели (зависимость свойств модели от параметров, "настройка" модели на климатические вертикальные профили и др.)..

Эта модель, развивающая идеи Крвуса-Тернэра, известна. В соответствии о ней вертикальное распределение температуры, солености и тлотности аппроксимируется системой квазиоднородных слоев переман-гой толщины, число которых в общем случае неогракичено. Все рассматриваемые величины полагаются осреднениями по площади моря, верхний слой взаимодействует с атмосферой , в него поступает речной зток и осадки. С его поверхности происходит испарение. В нюйшй-злой поступает вода нижнебосфорского течения с заданными температурой и соленостью. Объем морн считается постоянным.

Выделяется два режима эволюции вертикальной структуры: режим 'вовлечения", при котором происходит увеличение толщины ВКС вслед-зтвив турбулентного вовлечения нижележащих слоев , и режима- "дево-злечения", при котором на фоне существующего формируется новый ВКС меньшей толщины. Какой из режимов реализуется в данный момент определяется знаком скорости вовлечения, для которой принята формула Э.Д.Реснянского.

В эту модель составной частью входит модель пролива Босфор, тозволяющая в явном.виде получить выражение для расхода нижнебос-

форского течения.

Температура воздуха я. скорость ветра задавались синусоидами- в годовым периодом, что позволяло имитировать сезонный ход-параметров вертикальной структуры. Для пресного баланса внутригодовой юд не> учитывался. - •

Азотов море рассматривалось, как черноморский' лиман.. Эта модель отвечает основным требованиям-, предъявляемым« к; интегральным моделям, и удовлетворительно описывает основные особенности вертикальной термохалинной- структуры- вод .глубоководной« части Черного моря.

В третьей главе рассматривается механизм реакции моря на однонаправленные изменения элементов его водного баланса.

Общую схему реакции моря на уменьшение.пресного притока можно, представить следующим образом. Сокращение пресного притока (ослабление распресняющего источника) приводит к увеличению солености-, верхнего слоя и соответствующему ослаблению вертикальной плотност-ной устойчивости. При этом .возрастает эрозия , основного пикноклина. за счет усиления зимней конвекции, что вызывает дополнительный-рост солености ВКС. При уменьшении пресного притока также, возрастает-Компенсационный приток через Босфор., Это приводит к увеличению солености нижнего слоя (а, следовательно, к увэдичению.вертикальных градиентов плотности) и возрастанию средней-по акватории вертикальной скорости поднятия характерных слоев гидрологической структуры. Подъём основного пикноклина в зону более активного турбулентного -<;омена_ тпкже способствует его эрозии и о.солонению верхнего слоя.,

В настоящее время нет единой точки зрения на роль- отдельных процессов в этой схеме. В частности, это касается количественной; характеристики увеличения солености нижнего слоя при уменьшении-пресного притока, , а также вопроса о роли изменений- притока через.

босфор в перестройке вертикальной термохвлишой структуры вод моря.

Реакция моря изучалась по поведению храктерйстик гидрологического режима (соленость верхнего и нижнего слоя, глубина проникновения зимней конве'кции, расход никнебосфорского . течения) на выходе

системы, когда на ее входе задавались возмущения в составляющих

1

водного баланса моря простой форма -("ступенька", прямоугольный импульс, линейное изменение).

Результаты расчетов подтвердили описанную выше схему. Количественная оценка отдельных факторов в этой схеме показала, 'что основную роль в осолоненйи поверхностных слоев и в эрозии основного пикноклина играют ослабление распресняющего источника и усиление 'зимней конвекции. Роль увеличения средней го морю скорости поднятия пикноклина к ■ поверхности несущественна-, что подтверждает вывод Э.Н.Альтмана с соавторами. Увеличение солености нижнего слоя практически не влияет на вертикальную нлотностную' устойчивость вод моря.

В соответствий с описанной схемой »ре реагирует и на сокращение нижнебосфорского течения. А именно, при уменьшении притока через Босфор происходит распреснение как нижнего слоя (за счет уменьшения притока восокосоленых вод из Мраморного моря), так и верхних слоев моря (в результате уменьшения скорости поднятия основного пикноклина в более активную в турбулентном отношении зону). Этот результат не соответствует полученным ранее С.Г.Богуславским и С.И.Хлопушиной, а также Н.П.Булгаковым с соавторами, но представляется более логичным с точки зрения приведенной выше схемы.

Количественные оценки показывают, что эти изменения при временных масштабах порядка столетия очень незначительны. Так, даже полное перекрытие нижнебосфорского течения не компенсирует осолоне-ние верхнего слбя и уменьшение вертикальной плотностной устойчивое-

•ги вод моря при сокращении пресного притока на 50 км3'/год.

Далее рассматриваются временные характеристши системы. Анализ процессов на выходе приводит к выводу, что в отношения солености ВКО и годового объема нижнебосфорского течения- система реагирует квазилинейно на возмущения в пресном притоке (во всяком случае до 'наступления критических режимов, например, глубинной конвекции)» Это позволяет выразить реакцию системы в вйде свертки:

t

St = as R f q^ e-Kít-X)dx- (I).

o

t

«t = * S d<z (2)

o

Здесь S. - максимальная в годовом цикле (зимняя)' соленость модель*> „ •

ного ВКС, Qt - годовой приток через Босфор, qt - результирующая: пресноводного баланса моря (эти характеристики входят в соотношения в отклонениях от значений в стационарных условиях); К - декремент затухания системы ; параметры ав, aQ характеризуют предельные приращения рассматриваемых характеристик при переходе системы в новое' стационарное состояние при ступенчатом,возмущении, пресного притока. Числовые значения парметров (К 0,04 год-1, aQ ^ -0,4,, ад " -0,018 X. /(км3/год) ) определены из численных экспериментов.. Анализ исходной системы уравнений модели "квазизамороженного пикно-клина" показал, что параметр К в.первом приближении можно трактовать как проточность.ВКС в стационарных условиях.

Соотношения (1)-(2)' могут быть использованы для экспресс-оценок изменения.рассматриваемых характеристик при антропогенном-сокр^ении пресного притока. Кроме- того они позволяют сделать неко--торке важные вывода-о свойствах' системы. В частности, выражение (I.) .'с учетом полученной оценки декремента затухания системы-свидетель-

\

ствует о большой инерционности солености ВКО ко отношению к внешним возмущениям. Например, влияние серии маловодных (многоводных) лет мокв^ прослеживаться на поведении этой характеристики в течение нескольких десятилетий- Приток через Босфор, напротив, практически безинарционен по отношению к изменениям пресноводного баланса моря при малых временных масштабах: из выражения (2) видно, что изменения расхода нижнебосфорского.течения при малых временных -масштабах практически линейно зависят от возмущений в пресном притоке; влияние изменения солености ВКС (перепада плотности на концах пролива) влияет на эту характеристику при длительных (порядка десятилетий) направленных изменениях пресного притока.

Полученные количественные характеристики рейкции моря на сокращение пресного притока показали удовлетворительное соответствие результатам исследований профессора Станева, который, используя модель Брайена, рассчитал эволюцию вертикальной термохалинной структуры вод Черного моря при полном "отключении" речного стока. Это, в определенной степени, является показателем надежности оценок, полученных в настоящей работе.

Четвертая глава посвящена изучению причинно-следственных связей в системе "пресноводный баланс - гидрология моря" и, в частности, исследованию влияния существующего безвозвратного водопотребле-ния в бассейне на гидрологический реким моря.

Существенным препятствием для решения этих задач является ограниченность информационной базы по глубоководной части Черного моря. Сравнительно небольшая длительность рядов натурных данных (не более 20-30 лет) при их пространственной и временной неоднородности делает оценки статистических параметров изучаемых процессов малодостоверными. Именно ограниченность данных натурных наблюдений по Черному морю является причиной неоднозначности в оценках не только

величин, но и знаков тенденций многих гидрологических характеристик, анализируемых в литературе . Примером могут служить халинные характеристики ВКС и верхней части постоянного галоклина, глубины залегания характерных слоев и изоповерхностей (в частности, верхней границы анаэробной зоны) и др.

Таким образом, представляется логичным при решении этих задач привлечь аппарат численного моделирования для более надежной интерпретаций существующих результатов измерений природных процессов.

Поставленная задача решается в несколько этапов.

1. Изучение многолетней изменчивости элементов пресного баланса моря и роли в этом процессе антропогенного сокращения речного стока. Это исследование, имеющее самостоятельный интерес, проводилось по более длительным (1921-1986 гг.) и детальным по сравнению с использовавшимися- ранее рядам годовых величин, построенных В.И.Решетниковым (МГРИ). В результате получены оценки статистических параметров многолетней изменчивости составляющих пресноводного баланса моря для фактических и восстановленных естественных условий речного стока (табл.1).

Показано также, что в период с середины 40-х до начала 80-х годов рост безвозвратных изъятий воды из рек совпал с естественным увеличением увлажнения в бассейне. Скорость первого процесса была примерно в 4 раза меньше скорости второго.

Как видно из таблицы, антропогенное влияние на речной сток незначительно сказалось на выборочных оценках статистических параметров (в пределах их выборочной изменчивости):

2. Последний результат позволяет считать/ что. режим стока в настоящее время близок к стационарному. Поэтому анализ 'причинно-следственных связей в системе естественно начать о изучения .реакции моря на межгодовые вариации пресного баланса .в стационарных у'*•/■.•? и-.

Таблица I.

Выборочные оценки статистических характеристик составляющих пресноводного баланса Черного моря1

N Составляющая я. о, С,> Корреляционная матрица

км3/год км3/год I 2 3 4 5

I Сток рек СЗЧ 260 270 49,9 51,5 0,19 0,19 I 0,38 0;37 0,48 0,53 0,41 0,43 0,00 0,00

2 Сток рек Грузии .44,5 44,5 5,9 5,9 0,13 0,13 I 0,53 0,56 0,35 0,35 -0,10 -0,10

3 Сток рек Турции 36,0 37,7 5,9 5.7 0,16 0,15 I 0,32 0,34 0,04 0,00

4 Осадки . 224 27,5 0,12 I -0,04 -0,04

5 Испарение 395 35,0 0,09 I

Результирующая 178 190 81,5 63,5 0,46 0,44

ях. Эта задача решалась методом Монте-Карло. Пресный баланс моделировался как п- мерный случайный процесс (п = 5 ) в соответствии с предложенной нами схемой, которая развивает метод моделирования

Верхняя строка относится к фактическим, ¡нижняя - к восстановленным естественным условиям. Результирующая пресного баланса включает сток рек - Краснодарского края и болгарского побережья (д = 8 км3/(год, о •= 1,4 км3/год).

взаимозависимых гидрологических рядов, изложенный' в монографии СМузылев, Привальский, Раткович, 19823.

Для выходных процессов (зимняя соленость ВКС и годовой приток через Босфор) рассчитывались выборочные оценки корреляционных функций и параметрические оценки спектральных характеристик.

Результаты оцечивания статистических параметров свидетельствуют о том, что межгодовая изменчивость рассматриваемых выходных прцессов являетс'й результатом квазилинейного преобразования системой вынуждамдвго процесса - результирующей годового, пресноводного баланса моря (значения функций когерентности входного и каадого из выходных процессов не ниже 0,95-0,97 во всем диапазоне частот). Этот факт позволяет для интерпретации полученных результатов вернуться к соотношениям (I)-(2).

Эти выражения в дискретной форме имеют вид (для нижнебосфорского течения в стационарных условиях можно в первом приближении пренебречь вторым слагаемым в (2)):

St = e"kitSt_1 + а3П - e-kAt;qt (3)

Qt - aQ qt (4)

Здесь величина ht равна I году.

Положим, что межгодовая изменчивость результирующей пресноводного баланса моря описывается моделью авторегрессии первого порядка. Тог можно получить аналитические выражения статистических характеристик" процессов на выходе фильтров (3) и (4). Значения статистических параметров, рассчитанные по соотношениям (3). и (4) и полученные по искусственным реализациям пресноводного бюджета моря и рассматриваемых выходных процессов , показали неплохое соответствие .

Таким образом, проведенный анализ показывает, что по отношению

к пресному притоку в стационарных условиях система ведет себя квазилинейно и может рассматриваться

- для солености как фильтр низких частот (время корреляции 26 лет),

- для нижнебосфорского потока как система с постоянной частотной характеристикой.

Исследование зависимости параметров межгодовой изменчивости солености ВКС и притока через Босфор от параметров составляющих пресноводного баланса моря (при постоянном среднем 'значении результирующей пресноводного баланса) показало следующее.

1) При моделировании мекгодовой изменчивости средних по площади характеристик гидрологического режима Черного моря для результирующей баланса пресных вод может быть принята модель авторегрессии первого порядка.

2) Из параметров вынуждающего процесса на статистические характеристики солености наиболее заметное влияние оказывает его дисперсия; влияние коэффициента автокорреляции менее значительно; функция распределения солености практически не зависит от распределения притока и может считаться нормальной.

3) Статистические характеристики низкнебосфорского течения с точностью до постоянного множителя соответствуют параметрам вынуждающего процесса.

• 3. Третий этап имел цельй рассмотреть современные тенденции в гидролого-гидрохимическом режиме моря, оценить роль антропогенного фактора на основе модельного ретроспективного (I92I-I986 гг.) воспроизведения хода характеристик гидрологического режима моря по заданному ряду результирующей пресного баланса Черного моря.

Описанный к, nie характер связи входного и выходных ^ процессов хорошо иллюстрируется результатами этого воспроизведения: колебания

нижнебосфорского потока практически зеркально-симметричны изменениям результирующей пресного баланса моря, а кривая хода солености -' раэностно-интегральной кривой последней. Периодам пониженной водности (сток ниже среднего) соответствует повышение солености. И, наоборот, с повышенной водностью в бассейне связано понижение солености.

. Модельные кривые солености и притока через Босфор показывают неплохое соответствие наблюденным (во всяком случае по долгопериодным тенденциям) и позволяют уточнить направленность их долгопериодных изменений. В частности, за расчетный период можно выделить следующие характерные отрезки колебаний солености ВКС. Два продолжительных временных отрезка, когда соленость изменялась однонаправ-лено: с начала 40-х до начала 60-х годов (маловодный период) она увеличивалась (примерно на 0,7 ), с середины 70-х до начала 80-х годов (период повышенной водности) она уменьшалась (примерно на 0,4 /С ). Временные отрезки между этими периодами характеризовались отсутствием явных тенденций в изменчивости солености и относительно стабильными ее значениями. . ,

Результаты проведенных экспериментов позволяют проанализировать возможные причины долгопериодных изменений некоторых наиболее важных характеристик гидролого-гидрохимического режима Черного моря и оценить роль антропогенного фактора в этих изменениях.

, I). Изменения положения верхной границы анаэробной зоны. Эта проблема в настоящее» время далеко от окончательного решения. Дискуссионным является не только вопрос о причинах долгопериодных направленных изменений верхней границы.#а5-зоны, но и само наличие . атих изменений . Для анализа этого процесса мы использовали опубликованные в книге (Рябинин, Кравец, 1!<у&1 дннные о сродной по морю концентрации сероводорода на горизонте 1Ь0 и. -

Сопоставление модельного хода солености ВКС и концентрации сероводорода показывает в общем неплохое соответствие долгопериодных тенденций этих характеристик. Так, увеличение концентрации в 60-х годах соответствовало некоторому понижению солености. Затем до середины 70-х годов наблюдалось снижение концентрации сероводорода, в то же время соленость ВКС увеличивалась. Наконец, общая тенденция повышения концентрации Н^ с середины 70-х до начала 80-х гг. совпала с периодом уменьшения солености верхнего слоя. Параметрическая . оценка функции когерентности между модельной соленостью ВКС и концентрацией сероводорода дает значимые результаты для низкочастотной области (для периодов более 10 лет).

Такое соответствие изменений солености ВКС и положения верхней границы Яг5-зоны можно объяснить с помощью механизма, Нашедшего подтверждение в численных экспериментах Н.П.Булгакова с соавторами [19901. При увеличении пресного притока к морю глубина залегания верхней границы анаэробной зоны уменьшается. Это происходит из-за распреснения верхнего слоя, увеличения градиентов плотности и ослабления вертикального турбулентного обмена в пикноклине. В результате сокращается поток кислорода из верхних слоев через пикноклин. При уменьшении пресного притока - картина обратная.

Таким образом, можно заключить, что

- на долгопериодные изменения верхней границы анаэробной зоны существенное влияние оказывают колебания солености ВКС, которые являются куммулятивными по отношению к пресному притоку;

- в многолетних колебаниях общего увлажнения в бассейне Черного моря за последние десятилетия отсутствовали тенденции, которые могли бы вызвать постоянные направленные, изменения положения верхней границы Н-^З-зот; . .

,антропогенное сокращение речного стока в период повышенной

водности в 70-е - 80-а годы могло оказать стабилизирующее влияние на положение этой границы.

2). Принципиальным является вопрос: повлияло или не повлияло сущаствутоее безвозвратное водопотреблеща в бассейне на гидролого-гидрохимический режим глубоководной части моря. Согласно часто высказываемому предположению, антропогенное сокращение речного стока вызвало увеличение притока мраморноыорских вод, что привело к подъему характерных слоев вертикальной термохалинной структуры вод моря. Однако наши расчеты показали, что антропогенное сокращение стока на привело к увеличению притока через Босфор.

В то же время, сравнение хода солености ВКС, полученного по фактическому и восстановленному естественному ряду пресного притока показывает, что антропогенное сокращение речного стока оказало значительное влияние на долгопериодные изменения солености ВКС за последние десятилетия. Тенденция к понижению солености ВКС сместилась о середины 60-х на десятилетие вперед, почти вдвое уменьшился размах этой тенденции. Следствием этого, вероятно, явилась стабилизация долгопериодных изменений некоторых других характеристик гидролого-гидрохимического режима моря в период 60-х - 80-х годов. Это касается, в частности, положения верхней границы анаэробной зоны.

В пятой главе рассматривался задачи, связанные, с возможными изменениями гидрологического режима Черного моря в будущем.

Оценки возможных изменений режима в будущем в общем случае должны опираться на определенные гипотезы развития водопотребления в бассейна, а также на сценарии антропогенного измененения климата в регионе. Оценки безвозвратного водопотребления ограничены 20002010 г. Такая заблаговременность явно недостаточна, поскольку наиболее существенных изменений режима моря, вследствие его инерционности по отношению к внешним воздействиям, следует ожидать далеко

за этими пределами. Антропогенные изменения климатических параметров Черноморского бассейна в целом, по-видимому, до сих пор вообще, не рассматривались. Таким образом, - и существующие прогнозные оценки изменений режима моря следует рассматривать скорее как' модельные • примеры, не опирающиеся на конкретные гипотезы развития водохозяйственных комплексов и изменения климатических условий в бассейне .

Наибольший интерес представляют некоторые предельные варианты развития водопотреблешя. Всего было рассмотрено 4 сценария.

Первые три отражают максимально возможный рост изъятий воды в бассейне. Эти варианты, разработанные по литературным данным, предполагают сохранение темпов роста, водопотребления в промышленности и коммунальном хозяйстве на современном уровне и различаются принятыми темпами роста площадей орошаемых земель (с учетом ирригационного фонда--отдельных стран). Они учитывают величины предельно допустимых объемов безвозвратного водопотребления по отдельным рекам -бассейна (с учетом технических., санитарных и экологических требований к источнику)-. Четвертый сценарий предполагает сохранение изъятий'на-современном'уровне. Расчетный период ограничен 2050 годом.

Изменение характеристик гидрологического режима по этим сценариям- оценивалось методом статистических испытаний.- Результаты показали,. что даже при умеренном увеличении безвозвратного водопотребления в Азовско-Черноморсяом бассейне, которое ограничивается сценариями 3 и 4, можно ожидать довольно существенных изменений вертикальной термохалинной'структуры вод, обусловленных ростом солености ВКС на 1-2" X. • Если реализуется первый или второй сценарий, то -изменения, естественно, будут еще значительней - вплоть до увеличения солености верхнего слоя на 2-3 X. • При этом перепад плотности между верхним и нижнем слоем уменьшится в 2 - 3,5 раза. ■"

Т:«ие изменения вертикальной структуры вод могут привести к

коренным изменениям гилролого-пидрохимического режима -моря в целом. Для определения таких изменений, очевидно, -следует использовать ••более детальные пространственные модели моря. Однако и на основа одномерных модельных построений можно попытаться оценить возможные изменения гидрологического режима отдельных относительно обособленных частей моря или граничащих с ним водных систем.

Эта задача рассматривалась применительно к Азовскому морю и была сформулирована следующим образом; как изменится норма средней солености Азова при различных постоянных во времени объемах безвозвратных изъятий е бассейнах Черного и Азовского морей.

Для Азовского моря была принята солебалансовая модель , которая подключалась к модели Черного моря. Водообмен в проливе параметризовался двумя способами, использующимися в подобных задачах. В 'соответствии с первым способом приток вод через Керченский пролив принимался постоянным. В соответствии со вторым приток черноморских вод зависел от пресного притока к Азовскому морю. Последняя зависимость параметризовалась известными регрессионными соотношениями. На входе моделей задавались возмущения ступенчатой формы при разных сочетаниях их объемов. На выходе рассматривалась средняя соленосЧЬ Азова в новом стационарном режиме. Обе модели, несмотря на различие параметризации водообмена в проливе, дали близкие результаты *

Было получено, что безвозвратные изъятия объемом I км3/год в бассейне Азовского моря по влиянию на его среднюю соленость эквивалентны изъятиям 25-30 км3/год в бассейне Черного моря (при современном уровне изъятий в Азовском бассейне). Т.к. в перспектива безвозвратные изъятия в Черноморском бассейне могут на порядок превысить изъятия в бассейне Азова, основной вывод очевиден: задачи,-связанные с режимом солености Азовского моря должны, решаться ' с учетом возможных изменений солености ВКС Черного моря.

Этот вывод иллюстрируется задачей об определении предельно-допустимых значений антропогенного сокращения стока рек бассейна Азовского моря. Показано, что ее решение будет существенно зависеть от принимаемого в расчетах объема безвозвратных изъятий в бассейне Черного моря.. Например, если последние возрастут до 100 км3/год, то для вывода средней солености Азова на значение 11,5 £ (это значение соответствует верхней границе интервала оптимальной солености моря) потребовалось бы сокращение объемов безвозвратного водопотреблвШШ' в* бассейне Азовского моря практически до нуля.

Возможные в перспективе коренные изменения гидролого-гидрохимического режима Черного моря с соответствующими последствиями. для экологии моря определяют необходимость оценить- предельно допустимые объемы безвозвратного водопотребления. При решении этой1 задачи следует исходить из конкретных критериев, определяющих грань между, допустимым, и недопустимым антропогенным вмешательством в речной' сток- с точки зрения экологических или других требований', предъявляемых человеком к водной системе. До сих пор, пожалуй'* единственным.таким критерием выступала возможность нарушения вертикальной плотностной устойчивости вод моря и развития глубокой- конвекции,. связанной с быстрым вовлечением вод, зараженных сероводородом, в деятельный слой. Исходя из этого критерия, В.О.Эфроимсон С19875 оценил предел безвозвратных изъятий в 120 км3/год. Этот результат, полученный на интегральной двуслойной модели моря, сам-автор считает очень приближенным и требующим уточнения.. В предлагаемом исследовании рассматриваются также не затрагиваемые ранее аспекты.этой задачи.

Численные эксперименты показали, что при отсутствии изменений климата в регионе безвозвратное водопотребдение в обозримом'будущем se. приведет к "опрокидыванию" вертикальной структуры моря. Анализ

литературных данных позволяет заключить, что к середине следующего столетия антропогенные изменения климата могут привести к сокращв-• нию пресноводного бюджета моря на величину, сопоставшую с предельно возможным безвозвратным водопотреблением в бассейне. Тогда нарушение вертикальной устойчивости вод может произойти при изъятиях порядка 100 км3/год. Однако при этом, как показали численные эксперименты, увеличение температуры верхних слоев моря может оказать существенное компенсирующее влияние.

Задача может решаться и на основе выбора других критериев, определяющих состояние системы. Приводится пример ее решения, если в качества критерия выбрать состояние экосистемы Азовского моря.

В заключении сформулированы основные результаты проведенных исследований.

1. Исследованы механизмы реакции Черного моря на однонаправленные возмущения составляющих его водного баланса. Показано, что

- при сокращении пресного притока основную роль в осолонении поверхностных слоев и в эрозии основного пикноклина играют ослабление распресняющего источника и усиление зимней конвекции; роль увеличения средней по морю скорости поднятия пикноклина к поверхности несущественна; увеличение солености нижнего слоя практически не влияет на вертикальную плотностную устойчивость вод моря;

- при сокращении притока через Босфор распреснение верхних слоев моря и усиление вертикальной плотностной устойчивости. вод существенно меньше противоположно направленных изменений, происходящих при сокращении пресного притока.

2. Показано, что в отношении солености ВКС и годового объема нихнебосфорского течения система реагирует квазилинейно яз.-возмущения в пресном притоке (во всяком случае до наступления критических

режимов, например, глубинной конвекции). Это позволило предложить простые соотношения для экспресс-оценок изменения этих характеристик при антропогенном сокращении пресного притока.

3. На основе модельных расчетов показано, что по отношению к пресному притоку в стационарных условиях система "пресноводный баланс - гидрологический режим Черного моря" может рассматриваться

- для солености как фильтр низких частот (время корреляции 25 лет),

- для нижнебосфорского потока как система с постоянной частотной характеристикой.

4.Получены аналитические выражения для основных статистических параметров многолетней изменчивости солености ВКС и притока через Босфор, генерируемой межгодовыми вариациями элементов пресного баланса моря (в стационарных условиях).

5.На основе модельного ретроспективного воспроизведения хода характеристик гидрологического режима

- выявлены многолетние тенденции в изменении солености ВКС и притока через Босфор за период 1921-1986 гг;

- показано, что антропогенное сокращение стока оказало на соленость ВКС значительное влияние: тенденция к понижению солености ВКС сместилась с середины 60-х на десятилетие вперед, почти . вдвое уменьшился размах этой тенденции.

- показано, что долгопериодные изменения положения верхней • границы анаэробной зоны согласуются с колебаниями солености ВКС и, следовательноя> существенно зависят от пресноводного баланса моря.

6. Проанализированы возможные изменения гидрологического режи-. ма Черного моря при различных сценариях развития безвозвратного водопотребления в бассейне. Показано, что при некоторых сценариях соленость верхнего слоя моря может увеличиться на 2-3 за ближайшие 50 лет.

7.Обосновано положение о том, что при решении задач, основан-над: на климатических прогнозах режима солености Азовского моря, ' необходимо учитывать изменение солености ВКС Черного моря.

■8. Рассмотрен« методологические аспекты определения предельно допустимых объемов изъятия на река* бассейна Черного.моря. Получены следующие результаты:

1) При отсутствии изменений климата в регионе безвозвратное водопотребление в обозримом будущем не приведет к "опрокидыванию" вертикальной структур« моря.

2) К середина следующего столетия антропогенные изменения климата могут привести к сокращению пресноводного бюджета моря на величину, сопоставимую с предельно возможным безвозвратным водопот-ребдением в бассейна. Тогда нарушение вертикальной устойчивости вод может произойти при изъятиях порядка 100 км3/год. Однако при этом увеличение температуры верхних слоев моря может-оказать существенное компенсирующее влияние.

Полученные резульаты позволяют выделить приоритетные направления дальнейших исследований:

1) разработка моделей моря, допускающих расчет долгопериодной эволюции полей основных характеристик гидролого-гидрохимического режима моря по ансамблю реализаций процессов на границе;

2) разработка системы критериев, определяющих грань между допустимым и недопустимым сокращением пресноводного баланса моря с учетом состояния Черноморской системы в целом (в том числе прилегающих водоемов);

3) прогноз параметров климатической системы Азовско-Черноморского бассейна по существующим сценариям антропогенного изменения газового состава атмосферы.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Efrolmaon v., NIKolenko к. Present-day tendencies in - the changes lH certain hydrological characteristics of the Black .Sea under the effect of human activltl in its basin. // "f ekti et ie3 hommes dans lea pays de la Medlterrahee et do la Mer Moire". SUzdal,198?. - Vienna centre, 1989.- P.15-16.

2. ЙНсоленко А.В., Эфроимсой В.О. О возможных изменениях Вертикальной Термохалинной структуры черноморских вод йрй изменений Пресного баланса моря // Третья всесоюзная Конференций "Динамика й Тершка рек, водохранилищ И окраинных Морей*1. Тйзйсы докладов, Т.II.- М.( 1989.- С.166-167.

3. Йжоленко А.&., ЭфройМсоН В.О. Об иНтеГра-йьйыХ Моделях вертикальной структуры морл // Водные ресурсы.- 1989.- N4.- С.39-48.

4. Нйколейко А.В* t Решетников" В.Я. Исследование многолетней изменчивости баланса пресных вод Черного мор/f // ВодНыб рвсурсы.-IS9I.- Й I.- С.20-28.

Зек. I* 461 noon, к печати U3.07.91 r„ г »р. 100 »«oi. Ротапринт НИИ ГТлПЗ АМН СССР