Прогнозирование водопользования

Содержание.

Стр.

Введение. 3

Глава 1. Теоретико-методологическое обоснование прогнозного исследования уровня Каспийского моря. 7

1.1. Основные  характеристики Каспийского моря. 7

1.2. Проблема  изменений уровня Каспийского  моря. 12

1.3. Основные  методы исследования проблемы  изменений уровня Каспийского  моря. 16

Глава 2. Практическое исследование изменений уровня Каспийского  моря. 18

2.1. Построение  базовой (реальной) модели прогноза  уровня Каспийского моря. 18

2.2. Поисковая  модель прогноза уровня Каспийского  моря. 21

2.3. Нормативная  модель прогноза уровня Каспийского  моря. 27

Заключение. 32

Список использованной литературы. 34

Глава 1. Теоретико-методологическое обоснование прогнозного исследования уровня Каспийского моря.

1.1. Основные характеристики Каспийского моря.

Полностью изолированное  и на тысячи километров удаленное  от Мирового океана, Каспийское море расположено  во внутренних районах Евразии между 47°07 и 36°33 с. ш., 46°43 и 54°50 в. д. и лежит  на 28 м ниже уровня океана. С севера и востока море окружено низменной  равнинной полупустыней и возвышенной  пустыней. С юга его окаймляет  узкая прибрежная низменность, за которой  параллельно берегу тянется хребет Эльбурс, а с запада к морю подступают хребты Большого Кавказа, южнее Апшеронского полуострова их сменяют Куринская  и Ленкоранская низменности. По своему географическому положению, замкнутости  и своеобразию вод Каспийское море относится к типу «море-озеро».

Каспий обрамлен различными геоморфологическими типами берегов, которые хорошо согласуются с  рельефом дна моря. Главная характерная  особенность рельефа дна моря — обширное мелководье на севере и  глубокие разделенные подводным  порогом впадины в центре и  на юге.

Каспийское море пересекает несколько климатических поясов: континентальный — на севере, умеренно теплый — на западе, субтропический влажный — на юго-западе, пустынный — на востоке. Все это проявляется в сезонных особенностях развития синоптических процессов, погоды, величинах метеорологических элементов. Зимой наблюдаются не только сильные ветры, но и довольно низкая температура воздуха. Ее средние величины в январе—феврале достигают +8°С—10°С в северной, +3°—5°С в средней и +8°—10°С и даже +12°С в южной части моря [12].

Холодная и бурная зима с морозами в северной части моря и сравнительно высокими положительными значениями температуры воздуха  на юге моря, жаркое сухое и спокойное  лето с небольшими различиями температуры воздуха по всему морю — основные климатические черты Каспийского моря. Определенные показатели характеризуют материковый сток в Каспий, куда впадает свыше 130 рек. По среднемноголетним данным (1940—1970 гг.) они приносят 286,4 км³ воды в год. В многоводные годы суммарный сток может увеличиваться до 372,5 км³/год, а в маловодные уменьшаться до 243 км³/год [1].

Наибольшее количество речной воды поступает в море весной и  в начале лета, когда проходит весенний паводок. В последние десятилетия  значительно увеличилось изъятие  речной воды в бассейне Каспийского  моря на хозяйственные нужды, введены  в строй крупные волжские ГЭС  и водохранилища. Это существенно  отразилось на величинах материкового стока и его внутригодовом  распределении. Сток Волги и других рек заметно уменьшился вообще, в  частности сократились величины паводочного стока, но несколько увеличился приток речных вод в межень, в основном в зимние месяцы. Следовательно, на естественную изменчивость материкового стока (многоводные и маловодные годы) заметный отпечаток накладывает антропогенная деятельность в обширном бассейне Каспийского моря.

Речная сеть и соответственно поступление стока в море весьма неравномерно распределены на побережье. В северную часть впадают только Волга, Урал, Терек, суммарный годовой сток которых дает более 90% общего материкового стока. С запада в море несут свои воды Сулак, Самур, Кура и более мелкие реки, в сумме дающие около 9% стока. На долю рек Иранского побережья приходится примерно 1% берегового стока. На восточном побережье нет ни одного постоянного водотока в море. Хорошо выраженные пространственные различия поступления речных вод в Каспий — важная географическая особенность этого водоема.

Среднегодовые величины температуры  воды повышаются в общем с севера на юг в среднем, на 0,8° на каждый градус широты, за исключением летних месяцев, когда у восточных берегов наблюдается ее некоторое понижение. Внутригодовое распределение температуры воды в море имеет свои характерные черты, наиболее заметные зимой и летом.

Величины и распределение  температуры и солености в  море обусловливают особенности поля плотности. Поскольку соленое в Каспийском море довольно однообразна, а температура изменчива, плотность определяется главным образом температурой. Изменения плотностной структуры вод в открытых глубоких районах Каспийского моря охватывают верхний 100 метровый слой летом, а зимой они прослеживаются и в более глубоких горизонтах. Основные черты вертикального распределения океанологических характеристик в Каспийском море во многом определяются влиянием перемешивания вод.

Ветровое перемешивание протекает во все сезоны на обширных свободных ото льда пространствах моря под воздействием интенсивных ветров, не затухающих даже летом. Оно выравнивает температуру, соленость и плотность в верхнем (0—10 м, местами 0—20, 0—30 м) слое воды. На нижней границе однородного слоя создаются резкие вертикальные градиенты характеристик. Они препятствуют дальнейшему проникновению ветрового перемешивания вглубь и создают устойчивую структуру вод.

Общая циркуляция вод Каспийского моря формируется под воздействием ветра, пространственной неравномерности поля плотности, силы Кориолиса, конфигурации берегов и рельефа дна. В северной части моря, кроме того, имеют значение речной сток и колебания уровня. Совокупность этих факторов обусловливает сложную картину течений, которые образуют, в общем, циклоническую циркуляцию вод. Она соответствует среднемноголетним гидрометеорологическим условиям над морем, может заметно изменяться под влиянием конкретной гидрометеорологической обстановки и осложняется под влиянием местных факторов.

Каспийское море преимущественно  неспокойное. Частые ветры развивают  волны, которые довольно быстро затухают после прекращения ветра. Преобладают неправильные волны, часто переходящие в толчею. Относительно спокойным море бывает с мая по июль, наиболее бурным — с ноября по март. В это время часто наблюдается волнение более 6 баллов. Штормовые ветры вызывают крупные волны.

В осенне-зимнее время в  Северном Каспии наблюдаются припай и дрейфующие льды. Однако на протяжении этого сезона льды неустойчивы. При  вторжениях теплого воздуха дрейфующий лед может частично таять, а в  промежутке времени между датами первого появления льда и устойчивого  льдообразования исчезать полностью. При затоках холодного воздуха  идет усиленное льдообразование.

Средняя многолетняя толщина  льдов в Северном Каспии изменяется от 25—30 до 60 см, в суровые зимы в  отдельных районах может достигать 130 см, а наслоенных льдов — 2—3 м. При среднемноголетних гидрометеорологических условиях со второй половины февраля  начинается разрушение льда, в первую очередь у западных берегов Среднего Каспия. Далее освобождаются ото  льда открытые районы Северного Каспия и, наконец, его северо-восток. В конце  марта — начале апреля море окончательно освобождается ото льда.

Несмотря на довольно короткое время существования льдов и  Каспийском море, они существенно  влияют на его гидрологические условия. Кромка льдов служит определенной фронтальной  зоной, для которой характерна резкая горизонтальная изменчивость гидрометеорологических характеристик. Кроме того, в прикромочной зоне, расположенной обычно в районе свала глубин, происходит опускание охлажденных поверхностных вод, которые далее сползают по склонам в глубокие слои, усиливая зимнюю вертикальную циркуляцию.

Природные особенности Каспийского  моря во многом предопределяют его  широкое хозяйственное использование. На Каспии высоко развито рыбное хозяйство, причем не только рыболовство, но и рыбоводство, за счет которого увеличивается выход товарной продукции наиболее ценных видов рыбы — осетровых.

За последнее десятилетие  Каспийское море стало одним из наиболее изученных морей России, но вместе с тем оно имеет еще немало нерешенных проблем. Они входят в  крупные комплексные народнохозяйственные проблемы, например, стабилизация уровня моря, частичная переброска стока  северных рек на юг, рациональное использование  водохозяйственных ресурсов рек  Каспийского бассейна и т. п.[13].

Вместе с тем имеются  серьезные проблемы собственно Каспийского  моря. К важнейшим из них следует  отнести исследование мелкомасштабной  структуры вод с помощью новейшей аппаратуры. Изучение изменчивости океанологических характеристик разных масштабов, уточнение количественных показателей и механизма водообмена между различными частями моря на основе инструментальных измерений течений, более детальное выяснение роли фронтальной зоны у кромки льдов в гидрометеорологических процессах в море и в атмосфере над ним, рассмотрение особенностей гидрологических условий у южных берегов моря и в других малоизученных районах. Углубленное изучение гидрометеорологических особенностей отдельных районов важно для развития марикультуры в море, что в свою очередь стало актуальной научной проблемой современности.

1.2. Проблема изменений уровня Каспийского моря.

Одной из волнующих умы  ученых особенностей Каспийского моря является изменение его уровня с  резкими падениями и подъемами  различной продолжительности. Причины  колебаний до сих пор точно  не установлены, хотя предполагается, что это может быть связано  с колебанием стока рек, деформацией  дна, с поступлением вод из-под  земли, изменениями климата. Геологические  и палеогеографические исследования позволяют заглянуть в отдаленное прошлое региона. За последние десять тысяч лет уровень Каспия, расположенного ниже уровня мирового океана, менялся в пределах от минус 20 до минус 40 метров. Достаточно отметить, что уровень моря в IV-II веках до н.э. стоял на отметке не выше минус 36 м, в VI веке стоял на абсолютной отметке минус 34 м, в X веке - минус 29 м, в начале XIV века - минус 19 м, а сейчас - около минус 27 м.

Систематические наблюдения над уровнем воды в Каспийском море были начаты в 1837 году. Как показали измерения, за первое столетие (до 1930 года) уровень моря почти не менялся, колеблясь  между отметками минус 25 и минус 26 метров. В период с 1929 по 1941 год  произошло резкое понижение почти  на два метра (от минус 25,88 до минус 27,84 м). В дальнейшем за следующие тридцать семь лет море, то возрастая, то понижаясь в своем уровне, медленно падало, достигнув наименьшей за время измерений отметки в 1977 году - минус 29,01 м. В связи с отступлением моря в эти годы был расширен Бакинский набережный бульвар и обустроена нижняя терраса. Затем море начало быстро повышаться и, поднявшись к 1995 году на 2,35 м, достигло отметки минус 26,66 м. Если бы вода из впадающих в Каспий рек не разбиралась в объеме около сорока кубических километров в год на хозяйственные нужды и орошение (это соответствует десяти сантиметрам в уровне моря), то этот уровень был бы на полтора метра выше, приближаясь к рекордно высоким за сто шестьдесят лет отметкам прошлого века. В последующие годы средний уровень моря снизился почти на 50 см, достигнув отметки минус 27,17 м в 2001 году. С 2001 года и по настоящее время уровень вновь стал повышаться: в 2002 году на 2 см, в 2005 году на 4 см, в 2008 году на 8 см, в 2010 году 12 см. В данный момент уровень Каспия достиг -27,6 м. Результаты изучения атмосферных процессов и глобальные климатические изменения дают возможность предполагать, что к 2015 году уровень моря повыситься на 0,5 м от нынешней абсолютной отметки [12].

Столь значительные изменения  положения уровня моря объясняются  разными причинами. По современным  представлениям главная из них —  изменение крупномасштабных атмосферных  процессов, протекающих над Евразией. Смещение путей циклонов к северу в связи с потеплением Арктики  вызвало преобладание антициклональной погоды в холодную половину года в  средних широтах и, в частности, почти во всем водосборном бассейне Каспийского моря. В связи с  этим здесь уменьшилось количество зимних осадков, соответственно сократился сток Волги, что вызвало резкое падение  уровня Каспия.

К естественному снижению стока добавилось его частичное  изъятие для хозяйственных нужд, что еще несколько уменьшило  приток речной воды в море и тем  самым способствовало понижению  уровня. Сезонные изменения уровня Каспия характеризуются максимумом в июне—августе, минимумом —  в декабре—феврале. Они вызваны  сезонными различиями составляющих водного баланса, главным образом  речного стока. Время наступления  и продолжительность весеннего  пика половодья Волги в основном определяют наиболее высокое положение  уровня в году. Осенне-зимняя межень обусловливает самое низкое стояние  уровня за год.

В бесприливном Каспийском море хорошо выражены сгонно-нагонные колебания уровня. Они наиболее значительны и часто повторяются в северной части моря в ноябре—декабре. Под воздействием сильных продолжительных ветров нагонное повышение уровня в это время здесь может достигать 2—3 м, а сгонное понижение 1,5—2,0 м. В апреле, июле—августе сгонно-нагонные явления наиболее редки. В Среднем и Южном Каспии в 70—80% случаев наблюдаются нагоны 11—30 см, а сгоны — 6—25 см. Она также приурочены преимущественно к осенне-зимнему сезону [10].

В Каспийском море отмечаются и сейшеобразные колебания уровня, высота которых достигает 35 см, а  период может изменяться от 8—10 мин  до нескольких часов. Эти колебания  уровня несущественны. Главное место  в природе Каспия принадлежит  вековым и многолетним изменениям уровня [6].

Экстремальное падение, как  и экстремальный подъем уровня Каспийского  моря, оказывают одинаково отрицательные  воздействия на различные отрасли  экономики этого региона, каждый раз заставляя вкладывать огромные материальные средства в меры по стабилизации ситуации в прибрежных районах моря.

Резкие понижения и  подъемы уровня моря особенно негативно  проявляются в северной мелководной  части Каспия, в особенности в  дельтах рек Волга, Терек, Сулак, где сосредоточены ценные сельскохозяйственные угодья, рыбопромысловые районы и  крупные промышленные центры.