CC BY
28
УДК 556.552 ББК 26.221
Ю.В. карпечко, М.Б. Зобков, М.С. Потахин, д.А. Субетто
динамика волного баланса онежского озера в различные климатические периоды голоцена*
Предложены методы расчетов элементов водного баланса озера для различных геологических периодов. Определения морфометрических характеристик озера выполнены на основе цифровой модели рельефа, характеристики водосбора Онежского озера определялись с использованием модели Ice6G разработки В.Р. Пелтиера, построенной на основе современных наблюдений за поднятиями земной коры. Показана роль в водном балансе озерности и климатических характеристик. В рассматриваемых условиях наибольшее влияние на водный баланс оказывают климатические характеристики. Наименьшей сток из озера получен для пребореального периода голоцена (10 000 лет назад) при самых низких значениях температуры и осадков и наибольшей для рассматриваемых периодов величине бассейна (сумма водосбора и зеркала озера). Самый высокий сток из озера получен при оптимальных соотношениях температуры и осадков в атлантический период (7000 лет назад).
Ключевые слова:
водный баланс, водосборный бассейн, голоцен, испарение, испаряемость, Онежское озеро, сток.
Карпечко Ю.В., Зобков М.Б., Потахин М.С., Субетто Д.А. Динамика водного баланса Онежского озера в различные климатические периоды голоцена // Общество. Среда. Развитие. - 2019, № 4. - С. 91-96.
© Карпечко Юрий Васильевич - доктор географических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, Институт водных проблем
Севера Карельского научного центра РАН; e-mail: [email protected] © Зобков Михаил Борисович - кандидат технических наук, заведующий лабораторией, Институт водных проблем Севера Карельского научного центра РАН; e-mail: [email protected] © Потахин Максим Сергеевич - кандидат географических наук, доцент, старший научный сотрудник, Институт водных проблем
Севера Карельского научного центра РАН, Петрозаводск; e-mail: [email protected] © Субетто Дмитрий Александрович - доктор географических наук, декан факультета географии, Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена, Санкт-Петербург; e-mail: [email protected]
Влагооборот участков суши и водных объектов является неотъемлемой и важной частью функционирования природных комплексов. Количественные показатели элементов влагооборота свидетельствуют об интенсивности протекающих эрозионных процессов, поэтому рассмотрение водного баланса водосбора Онежского озера в различные геологические периоды, характеризуемые различными климатическими показателями и соответствующей им растительностью [13], позволяет лучше понять некоторые особенности формирования изучаемого региона и Онежского озера в прошлом. К сожалению, как для современных условий, так и тем более для прошедших времен оценка элементов водного баланса представляет собой большую сложность, а получаемые величины в большинстве своем не отличаются высокой точностью [7; 18]. В этой связи целью данной работы является только ориентировочная оценка элементов водного баланса в различные периоды голоцена.
Материалы и методы исследования
1. Определение морфометрических характеристик бассейна Онежского озера в различные климатические периоды голоцена
Для определения водного баланса озера необходимо знать основные морфомет-рические характеристики бассейна озера: площадь зеркала озера и площадь его водосбора. Работы по определению площади зеркала озера были проведены ранее на основе цифровой модели рельефа (ЦМР) [19; 20] и данных натурных наблюдений о положении береговых образований древнего водоема, полученным по материалам предыдущих исследований [2-5]. Однако, в отличие от моделирования непосредственно Онежского озера, работа с его водосбором совмещена с рядом сложностей. Основная из них - это существенно большая площадь, охватываемая расчетами, которые должны быть обеспечены достаточным количеством натурных измерений. Имеющиеся данные об изостазии и уровнях Онежского озера зачастую относятся непосредственно к его
* Статья подготовлена при финансовой поддержке Президиума РАН (Программа фундаментальных исследований президиума РАН № 8. Подпрограмма «Фундаментальные проблемы геолого-геофизического изучения литосферных процессов»).
О
о
береговой линии, в результате чего верховья водосбора не обеспечиваются данными и проводить интерполяцию по имеющимся данным нецелесообразно, поскольку она не обеспечит даже ориентировочных оценок. В этом случае единственным выходом является применение геофизических моделей изостазии Земли, возникшей в результате воздействия последнего покровного оледенения. Одной из таких моделей является модель Ice6G В.Р. Пелтиера [17], построенная на основе современных наблюдений за поднятиями земной коры и её геологическим строением [14]. Данная модель является глобальной, т.е. построена для всей поверхности Земли и является последней версией, реализующей геофизический подход В.Р. Пелтиера и моделирующая прилед-никовый литосферный вал (ПЛВ). Последний фактор является существенным при моделировании Онежского палеоводоема, а особенно его водосбора, поскольку он находился на юго-восточной окраине ледника и мог быть подвержен влиянию ПЛВ. Свидетельством этого является постепенное опускание южной части озера, отмеченное ранее некоторыми исследователями [10].
2. Уравнения водного баланса для озера и его водосбора
При расчете водного баланса в различные периоды использовались современные и прогнозные данные элементов уравнения и климатических характеристик. Уравнение водного баланса для озера удобнее выражать в единицах объема воды и его можно за многолетний период представить в следующем виде:
Р, + У - Е, - У = 0 , (1)
ь т ь г ' '
где Рь - атмосферные осадки на поверхность озера, км3; У - приток в озеро с водосбора, км3; Еь - испарение с водной поверхности, км3; Уг - сток из озера, км3.
Сток из озера определяется, согласно (1), по следующему уравнению:
У= Рь + Уп - Еь. (2)
Осадки и испарение, как правило, определяются в мм слоя воды. Для пересчета их в объемные единицы следует воспользоваться следующими выражениями.
Для перехода к определению осадков в км3:
Рь= Рь ^/ 1 000 000, (3)
где РЬ 5 - осадки на поверхность озера, в мм
слоя воды; - площадь зеркала озера, км2.
Для перехода к определению испарения в км3:
Е, = Е Л / 1 000 000,
ь Ь 5 ■} ак '
(4)
где ЕЬ 5 - испарение с поверхности озера, в мм слоя воды.
Приток в озеро определяется по уравнению водного баланса, он равен стоку с водосбора и представляется в следующем виде:
У„_5= - (5)
где У.п - приток в озеро с водосбора, в мм слоя воды; РЬп - осадки, выпадающие на водосбор, мм; ЕЬп - испарение с водосбора, мм.
Перевод полученной величины в объемные единицы измерения производится по следующему выражению:
У = У Г / 1 000 000, (6)
т т_5 с ' ^ '
где fc - площадь водосбора озера, км2.
Для определения осадков можно воспользоваться опубликованными работами по палеоклиматологии, в частности, исследованиями Л.В. Филимоновой и В.А. Кли-манова [11].
Большую сложность представляет определение испарения. Эту величину можно определять через тесно связанную с ней испаряемость, которая характеризует возможную при конкретном поступлении солнечной энергии величину испарения. Существуют различные представления об испаряемости. Наиболее обоснованный подход определения испаряемости, основанный на радиационном балансе исследуемой местности, с нашей точки зрения, был предложен М.И. Будыко [1]. Практической реализацией предложений М.И. Будыко занималась Л.И. Зубенок [6]. Доведенный до практического использования метод представлен в рекомендациях [9]. Однако его использование для реконструкции динамики испаряемости в различные геологические периоды затруднено из-за отсутствия необходимых для расчета данных. Для решения этой задачи более подходящим является метод Л. Тюрка [7, с. 223], широко используемый при водно-балансовых и мелиоративных расчетах. Основным параметром в этой формуле является среднегодовая температура, которая восстанавливается при палеоклиматических исследованиях, представленных в работе Л. В. Филимоновой и В. А. Климанова [11].
Расчетная формула Л. Тюрка для расчета испаряемости имеет вид:
К = 300+25 Т2 + 0,05 Т3, (7)
0_Тюрк 7 7 у '
где Е0 - испаряемость, мм; Т - среднегодовая температура, С 0.
Формула получена Л. Тюрком с использованием большого количества данных, однако, определенные с ее применением значения испаряемости в ряде случаев не соответствуют ресурсам энергии. Это относится к холодным районам и к регионам с достаточно высокими среднегодовыми температурами. Анализ связи испаряемостей, полученных по методам Будыко и Тюрка, был выполнен
для европейской части России по данным 20 метеостанций. Станции выбирались таким образом, чтобы амплитуда ряда измеряемых на них температур превышала амплитуду средних для каждого периода температур. Было получено, что испаряемость по Будыко значительно ниже для регионов с высокими температурами и несколько выше для холодных регионов. Вместе с тем, между полученными этими методами значениями существует тесная линейная связь. Изменчивость испаряемости, полученной по связи, на 77% определяется вариацией испаряемости, рассчитанной по уравнению Тюрка. Полученная по методу Будыко эта величина в большей степени соответствует энергетическим ресурсам исследуемого региона и современным представлениям об этом элементе, поэтому определение испаряемости выполнялось по следующей формуле:
Е0Вд = 368 + 0,21 Е0Тр, (8)
0_Вуд 7 0_Тюрк у '
где Е0 — испаряемость по Будыко, мм; Е0 Тюрк " испаряемость, полученная по уравнению (7).
При наличии данных по испаряемости и осадкам испарение с суши можно определять по хорошо зарекомендовавшему себя методу Шрайбера [7, с. 220]:
Е^ = (1 - ехР (-Ео_вУд/ Р^_)). О)
Большую сложность представляет собой определение для различных геологических периодов испарения с зеркала озера. Наиболее рациональным для данных условий, с нашей точки зрения, представляется подход, основанный на использовании отношения между испарением с озера и испаряемости. Такой подход основывается на синхронности изменения этих величин во времени. Так, например, с увеличением среднегодовой температуры воздуха в конкретном периоде должно возрастать испарение с водной поверхности, а также и испаряемость. При снижении температуры уменьшаются испарение и испаряемость. Следовательно, расчет испарения для конкретного периода можно выполнять по соотношению:
Е^ = кЕ ^ (10)
где кЕ — коэффициент для перехода в каждом из периодов от испаряемости к испарению с озера.
Коэффициент кЕ определяется как полученное для современных условий отношение испарения с озера к средней для водосбора величины испаряемости:
кЕ= Е, / Е0Вд, (11)
Е Ь_зт 0_Вуд7 у !
где Е т — среднее за многолетний период испарение с озера, полученное по литературным источникам [12, с. 41], мм; Е0 - испаряемость, определенная по методу Будыко по данным метеостанций на водосборе [9].
Результаты расчетов и обсуждение
Изучаемый район простирается на 1100 км с юга на север (от 55°00' до 65°00' с.ш.) и на 1150 км с запада на восток (от 30°00' до 48°00' в.д.).
ПЛВ формируется на периферии ледника в результате смещения магмы под действием давления ледника. В результате изгиб поверхности приобретает сложную форму. Пример изгиба поверхности для периода 14,5 тыс. л.н. приведен на рис. 1. Данная модель показывает поднятие земной коры на северо-востоке и её опускание в зоне ПЛМ. Это вызывает изменение направления течений многих рек. Величина перекоса земной поверхности взята по модели Ice6G [14].
Отметки поднятия, восстановленные моделью (шаг 1 градус) для нашего района были извлечены из первичных данных с сайта автора модели В.Р. Пелтиера (http:// www.atmosp.physics.utoronto.ca/~peltier/ data.php). Из первичных данных, представляющих высоту твердой поверхности, был убран слой ледника, в результате чего получена величина перекоса земной поверхности в виде изобаз с шагом 1 градус. Эти данные были проецированы и интерполированы трехмерным полиномом пятой степени c шагом сетки 90 м.
Для построения цифровой модели в качестве основного рабочего инструмента использовалось программное обеспечение фирмы ESRI (ArcGIS for Desktop 10.2 с пакетами Spatial Analysis и Geostatistical Analysis).
Моделирование водосборной территории проводилось на основе цифровой модели рельефа поверхности Земли с Интернет-ресурса "View finder Panoramas" [15; 16] с пространственным разрешением в 3 угловые минуты (около 90 м). Эта ЦМР разработана Джонатаном Де Ферранти и основана на данных Shuttle Radar Topography Mission (SRTM 3") для широт ниже 60°20'N и топографических данных с общедоступных карт и планов для более высоких широт. Данная ЦМР была дополнена детальными цифровыми моделями котловин крупных озер и водохранилищ Северо-Запада, разработанных авторами на основе навигационных карт: оз. Онежского и р. Свирь, Рыбинского вдхр., оз. Выгозера, а также разработанных карт с применением данных эхолотирования c геопозиционированием для озер Сегозера, Пальего, Селец-кого, Сонго, Маслозера, Остер, Сундозера, Вендюрского и Урозера. Рельеф дна еще 15 крупных озер (Сандал, Шотозеро, Сямозе-ро, Лижмозеро и др.) был получен путем оцифровки векторных картосхем из справочника [8]. Депрессии 99 малых озер были интерполированы с помощью ГИС, исходя
о
о
Рис. 1. Перекос поверхности Земли по модели Peltier Ice6G 14.5 тыс. л.н.: минимум (красный, поднятие) -377 м, максимум (сиреневый, зона ПЛВ, опускание) +100 м; русла крупных рек (синие линии), положение порога поверхностного стока в Ладожское озеро (синий треугольник) по долине современных рек Ошта-Тукша-Оять и береговой линии озера
из информации об их максимальной глубине [8] и форме берегового рельефа. Другие локальные депрессии, заполненные водой малых водоемов, болот и четвертичными образованиями были учтены путем интерполяции изолинии рельефа без заполнения локальных понижений местности.
Расчет площади бассейна выполнялся с применением инструментов из раздела «Гидрология» пакета Spatial Analysis ArcGIS for Desktop 10.2. Для ускорения процесса расчета основных характеристик была построена пользовательская модель обработки данных, позволяющая по входным растровым данным ЦМР, величине перекоса поверхности, положениям края ледника (при необходимости) и некоторым граничным условиям (положение центра озера и количество ячеек для формирования гидросети) получать следующие элементы палеорельефа: водосбор озера, гидрологическую сеть, точки истока и
устьев рек, частные водосборы рек, зеркало озера без островов, растры суммарного стока и направления стока и уровень уреза воды озера относительно современного уровня моря. Следует отметить, что положение уреза воды и соответствующая площадь зеркала рассчитывается для мертвого объема озера, т.е. как максимальный уровень при отсутствии поверхностного стока.
Расчет элементов баланса выполнялся для площадей зеркала и водосбора озера, полученных для каждого из периодов с использованием цифровой модели рельефа и модели поднятия земной коры. Результаты моделирования приведены в табл. 1.
Отношение площади зеркала озера к площади бассейна (озерность) меняется не столь существенно - от 0,15 до 0,18. Этот показатель может влиять на водный баланс озера. При превышении испарения с воды над испарением с водосбора увели-
чение озерности должно сопровождаться снижением стока из озера. При обратном соотношении испарения синхронно меняется и тренд стока.
Таблица 1
Морфометрические характеристики
Онежского озера и его водосбора в различные геологические периоды
Период Лет назад Площадь зеркала П) Площадь водосбора П) Площадь бассейна (ПЪ) Средняя глубина Пг/АЪ
лет км2 км2 км2 м
SA 1000 9500 51700 61200 30 0,16
SA 2000 9700 51500 61200 30 0,16
SA 2500 10400 50800 61200 31 0,17
SB 3000 11000 50200 61200 31 0,18
SB 4000 11400 64800 76200 32 0,15
SB 4500 11500 66100 77600 32 0,15
АТ 5000 11600 64600 76200 33 0,15
АТ 6000 11700 64500 76200 33 0,15
АТ 7000 12200 68500 80700 34 0,15
ВО 8000 13000 67800 80800 34 0,16
ВО 9000 14400 66500 80900 35 0,18
РВ 10000 15300 71100 86400 38 0,18
Период Лет назад Дt г ДР Р
лет °с °с мм мм
SA 1000 2,0 4,8 50 671
SA 2000 0,5 3,3 50 671
SA 2500 -1,5 1,3 -50 571
SB 3000 1,5 4,3 25 646
SB 4000 1,0 3,8 50 671
SB 4500 -1,0 1,8 -50 571
AT 5000 1,0 3,8 0 621
AT 6000 2,5 5,3 50 671
AT 7000 1,5 4,3 50 671
ВО 8000 0,0 2,8 0 621
ВО 9000 -3,0 -0,2 -100 521
РВ 10000 -4,0 -1,2 -150 471
Величины испаряемости, испарения с водосбора и с озера, рассчитанные для каждого рассматриваемого периода по (8), (9) и (10) представлены в табл. 3.
Таблица 3
Испаряемость, испарение с водосбора и испарение с озера
Период Испаряемость Испарение с водосбора Испарение с озера
мм мм км3 мм км3
SA 553 377 19,48 409 3,89
SA 488 347 17,87 362 3,51
SA 440 307 15,58 326 3,38
SB 529 361 18,13 391 4,30
SB 507 356 23,07 375 4,28
SB 448 310 20,52 332 3,81
AT 507 347 22,40 375 4,36
AT 580 388 25,05 429 5,02
AT 529 366 25,07 391 4,77
ВО 472 331 22,43 350 4,54
ВО 431 293 19,50 319 4,59
РВ 438 285 20,29 324 4,97
Усредненные для каждого периода климатические данные, полученные по исследованиям Л.В. Филимоновой и В.А. Кли-манов [11], представлены в табл. 2. Современные значения температуры и осадков были получены нами при осреднении по водосбору их среднемноголетних величин. В дальнейших расчетах величины осадков в мм слоя воды приняты одинаковыми для зеркала озера и для его водосбора.
Таблица 2 Палеоклиматические данные для исследуемых периодов
Нужно отметить, что разница величин испарения с водосбора и с зеркала озера (в мм слоя воды) не очень большая. Она в большинстве случаев (больше 80%) не превышает 10%, что находится в пределах точности расчетов испарения как с поверхности воды, так и с суши [7].
Таблица 4
Элементы водного баланса Онежского озера в различные геологические периоды
Пери- од Лет назад Осадки Приток Испарение Сток
лет км3 км3 км3 км3 м3/сек
SA 1000 6,37 15,21 3,89 17,70 561
SA 2000 6,51 16,68 3,51 19,69 624
SA 2500 5,94 13,42 3,38 15,98 506
SB 3000 7,11 14,30 4,30 17,10 542
SB 4000 7,65 20,41 4,28 23,78 754
SB 4500 6,57 17,22 3,81 19,97 633
AT 5000 7,20 17,72 4,36 20,57 652
AT 6000 7,85 18,23 5,02 21,06 667
AT 7000 8,19 20,90 4,77 24,31 770
ВО 8000 8,07 19,68 4,54 23,20 735
ВО 9000 7,50 15,14 4,59 18,05 572
РВ 10000 7,21 13,20 4,96 15,44 489
Важным элементом водного баланса, характеризующим связь бассейна озера с окружающей территорией, является сток из Онежского озера. Его величина, рассчитанная по формуле (2), вместе с другими элементами водного баланса озера пред-
о О
о
ставлена в табл. 4. Нужно отметить, что логических периодов. Морфометрические
эта величина, полученная как остаточный характеристик озера и водосбора для раз-
член уравнения водного баланса, включа- личных периодов выполнены на основе
ет ошибки определения и других элемен- предложенной ранее цифровой модели
тов баланса, и полученный таким способом рельефа и с использованием модели Ice6G,
сток можно принимать в качестве прибли- построенной на основе современных на-
женного значения. Сток из Онежского озе- блюдений за поднятиями земной коры
ра представлен в объемных единицах и в Выполненные расчеты свидетельс-
виде расхода воды. твуют о влиянии на водный баланс как
Немаловажным обстоятельством, оп- соотношения площадей зеркала озера и
ределяющим важность изучения водного бассейна (площадь водосбора плюс пло-
баланса прошедших времен, является воз- щадь озера), так и климатических харак-
можность рассмотрения ненарушенных теристик.
природных процессов формирования ис- Наименьший сток из озера получен для
парения и стока, что в нынешнее время не периода РВ (10000 л.н.), характеризуемо-
представляется возможным. го самыми низкими значениями температуры и осадков. Самый высокий сток из
Заключение озера получен для периода АТ (7000 л.н.)
Предложен метод расчета элементов при оптимальном соотношении осадков и
водного баланса озера для различных гео- энергетических ресурсов.
Список литературы:
[1] Будыко М.И. Тепловой баланс земной поверхности. - Л.: Гидрометеоиздат, 1956. - 256 с.
[2] Девятова Э.И. Палеогеография стоянок Шелтозера // Археологические памятники бассейна Онежского озера. - Петрозаводск, 1984. - С. 25-47.
[3] Девятова Э.И. Природная среда и ее изменение в голоцене (побережье севера и центра Онежского озера). - Петрозаводск: Карельский фил. АН СССР, 1986. - 108 с.
[4] Девятова Э.И., Лобанова Н.В., Филатова В.Ф. Палеогеография археологических памятников группы Пиндуш и Муромское // Препринт доклада на заседании Ученого совета Института геологии КарНЦ РАН. - Петрозаводск, 1987. - 60 с.
[5] Демидов И.Н. О максимальной стадии развития Онежского приледникового озера, изменении его уровня и гляциоизостатическом поднятии побережий в позднеледниковье // Геология и полезные ископаемые Карелии. Вып. 9. - Петрозаводск, 2006. - С. 171-182.
[6] Зубенок Л.И. Испарение на континентах. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976. - 264 с.
[7] Методы изучения и расчета водного баланса. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 328 с.
[8] Озера Карелии. Справочник // Под. ред. Н.Н. Филатова, В.И. Кухарева. - Петрозаводск, 2013. - 463 с.
[9] Рекомендации по расчету испарения с поверхности суши. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976. - 96 с.
[10] Савватеев Ю.А. Археологические памятники южного побережья Онежского озера // Археологические памятники бассейна Онежского озера. - Петрозаводск, 1984. - С. 58-97.
[11] Филимонова Л.В., Климанов В.А. Изменение количественных показателей палеоклимата в средне-таежной подзоне Карелии за последние 11000 лет // Биоразнообразие, динамика и ресурсы болотных экосистем восточной Фенноскандии. Труды КарНЦ РАН. Вып. 8. - Петрозаводск, 2005. - С. 112-120.
[12] Швец П.Д. Водный баланс Онежского озера за многолетний период и характерные по водности годы // Сб. работ Ленинградской гидрометеорологической обсерватории. Исследование режима и расчеты водного баланса озер-водохранилищ Карелии. - 1977, вып. 11. - С. 25-53.
[13] Юрковская Т.К., Елина Г.А. Восстановленная растительность Карелии на геоботанической и палео-картах. - Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2009. - 136 с.
[14] Argus D.F., Peltier W.R., Drummond R., Moore A.W. The Antarctica component of postglacial rebound model ICE-6G_C (VM5a) based upon GPS positioning, exposure age dating of ice thicknesses, and relative sea level histories // Geophys. J. Int. - 2014, № 198(1). - P. 537-563. - doi:10.1093/gji/ggu140
[15] Ferranti J. Digital Elevation Data. - Интернет-ресурс. Режим доступа: http://viewfinderpanoramas.org/ dem3.html (15.11.2017)
[16] Kirmse A. de Ferranti J. Calculating the prominence and isolation of every mountain in the world // Prog. Phys. Geogr. - 2017, № 41(6). - P. 788-802.
[17] Peltier W.R. Global glacial isostasy and the surface of the ice-age Earth: the ICE5g (VM2) model and GRACE // Annu. Rev. EarthPlanet. Sci. - 2004, № 32. - P. 111-49.
[18] Winter T.C. Uncertainties in estimating the water balance of lakes // Water resources bulletin. Amerikan water resources association. Vol. 17. - 1981, № 1. - P. 82-115.
[19] Zobkov M., Tarasov A., Subetto D., Potakhin M. GIS-modeling of Lake Onego shoreline in the Holocene and Late Pleistocene // Proceedings of the 11th International Scientific and Practical Conference. - 2017, vol. I. - P. 316-319.
[20] Zobkov M., Potakhin M., Subetto D., Tarasov A. Reconstructing Lake Onego evolution during and after the Late Weichselian glaciations with special reference to water volume and area estimations // Journal of Paleolimnology. - 2019, vol. 62. - P. 53-71.
