Прогнозирование водопользования

Уровенный режим Каспийского  моря находится в сильной зависимости  от питающих его рек, атмосферных  осадков и испарения, состояние  и режим которых претерпевают изменения в условиях меняющегося  климата.

Уровень Каспийского моря в ближайшие 10-12 лет будет колебаться в пределах абсолютных отметок -27,08 - -27,58 м (от 92 до 42 см в относительных  отметках), с тенденцией к понижению (со средней скоростью около 4 см/год). К 2016 г., уровень моря может понизиться в среднем на 50 см, достигнув абсолютной отметки -27, 5 м [1].

Несмотря на то, что в  ближайшие годы не ожидается аномальных изменений уровня моря, риски затопления и подтопления побережья, особенно при ветровых нагонах, сохраняются. В результате затопления и подтопления  территорий может заметно ухудшаться экологическая, санитарно-эпидемиологическая и медико-биологическая обстановка в прибрежной зоне Каспия: повышается вероятность загрязнения поверхностных и грунтовых вод токсичными веществами и нефтепродуктами в результате аварий, прогрессирует засоление почв и гидроморфизация растительности, ухудшаются условия питьевого водоснабжения и т.д. В наибольшей мере эти процессы могут проявиться непосредственно в Астраханской области, в Республиках Калмыкия в Дагестан.

В зоне влияния долгопериодных колебаний уровня моря находятся  г. Каспийский (Республика Калмыкия), Астраханский заповедник в приморской части дельты Волги (Астраханская область), города Махачкала, Каспийск, Дербент и пос. Сулак (Республика Дагестан), а также объекты инфраструктуры: канализационные и водопроводные  сети, железная дорога Кизляр-Астрахань, оросительные системы, объекты рыбного  хозяйства, десятки объектов связи  и энергетики, нефтепромыслы и  другие сооружения.

Негативное воздействие  изменений уровня моря может отразиться на рациональном использовании природно-ресурсного потенциала, и, в первую очередь, на использовании земельных, рыбных и  рекреационных ресурсов, а также  ресурсов нефти и газа; на жизнеобеспечении населения; на сохранении жилищного  фонда и социальной инфраструктуры.

Подъем уровня воды в Каспии приносит существенные убытки народному  хозяйству. Затапливаются промышленные объекты, пастбища. Выводятся из строя  орошаемые массивы. В свою очередь, объекты нефтегазового комплекса  становятся источником загрязнения  прибрежной зоны, что несет в себе потенциальную опасность биологическим  ресурсам моря. Повышение уровня воды в Каспии вызывает подъем уровня грунтовых  вод. Следствием этого является заболачивание  территорий, подтопление фундаментов  жилых и промышленных объектов, линий  электропередач, трубопроводов. 

1.3. Основные методы исследования проблемы изменений уровня Каспийского моря.

Метод исследования состоит в изучении статистических свойств наблюдаемой межгодовой изменчивости уровня Каспийского моря и количественных показателей атмосферной циркуляции и установления между ними значимых корреляционных связей при различных временных сдвигах.

Для более достоверной  оценки и прогнозирования влияния  возможного повышения фонового уровня воды в Каспии, а также нагонных явлений на подземные воды в дальнейшем представляется целесообразным создание детальных моделей-врезок отдельных  участков прибрежной территории, имеющих  важное народно-хозяйственное значение.

Прогнозная модель представляет собой модель прогнозирования уровня Каспийского моря, исследование которой  позволяет получить информацию о  возможных состояниях объекта в  будущем или путях и сроках их осуществления. Прогнозная  модель строится методами системного анализа и по форме представляет собой совокупность показателей, отражающих свойства, связи и отношения изменений уровня Каспийского моря.

С учетом всех показателей  и тенденций изменения уровня моря можно построить исходную модель прогноза, используя временные ряды и пиковые оценки уровня моря в  определенный период времени.

Необходимо отметить, что  данные прогнозного фона выражаются такими же показателями, что и характеристики исследуемого объекта. Их изучение осуществляется методами системного анализа, в результате которого разрабатывается документ того же объема и характера, что и  в процессе построения исходной модели объекта прогнозирования.

На основе анализа показателей  прогнозного фона можно построить  поисковую модель прогнозирования  изменений уровня Каспийского моря на ближайшие девятилетия. Поисковых моделей необходимо построить несколько: с учетом максимальных и минимальных показателей исходной модели и прогнозного фона, а также на основе вероятностных данных, чтобы определить основные проблемы.

Нормативный прогноз изменений  уровня Каспийского моря строится по тем же динамическим рядам, что и  поисковый, учитывая цель прогноза.

Необходимо построить  идеальную модель объекта – без  учета показателей прогнозного  фона, и оптимальную модель объекта  – с учетом оптимальных показателей  прогнозного фона. Выявить альтернативные пути решения проблемы, которая наметилась в поисковом прогнозе как отсутствие управленческого решения по созданию мониторинга за состоянием Каспийского  моря и факторов, влияющих на изменения  его уровня.

При известных данных идеального прогноза анализируются экспертные оценки относительно этого прогноза. На основе экспертных оценок идеального состояния уровня Каспийского моря строится оптимальный прогноз с учетом наиболее оптимальных показателей прогнозного фона.

Нормативный прогноз подводит к путям решения наиболее актуальных проблем, выявленных в поисковом  прогнозе [8].

 

Глава 2. Практическое исследование изменений  уровня Каспийского моря.

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

Прогнозная модель представляет собой модель прогнозирования уровня Каспийского моря, исследование которой  позволяет получить информацию о  возможных состояниях объекта в  будущем или путях и сроках их осуществления.

Площадь и объём воды Каспийского  моря значительно изменяется в зависимости  от колебаний уровня воды. При уровне воды – 27,25 м площадь составляет примерно 371 000 км², объём вод – 78 648 км³, что составляет примерно 44 % мировых запасов озёрных вод.

Прогнозная  модель строится методами системного анализа и по форме представляет собой совокупность показателей, отражающих свойства, связи и отношения изменений уровня Каспийского моря.

Совокупность индикаторов исходной модели изменений уровня Каспийского моря строится с помощью информационного анализа текстов, потенциально содержащих искомые индикаторы (Таблица 1) [2].

Таблица 1. Показатели, используемые для построения исходной модели уровня Каспийского моря.

№ п/п	Показатель	Качественная характеристика
1.	Уравнение водного баланса.	dh/dt = v(t)/F(t) – e(t) – могут быть описаны колебания уровня воды h бессточного водоема.
2.	Объем воды.	Объём воды в море рассчитывался  как частичная сумма ряда произведений площади водного зеркала на толщину  слоя.
3.	Площадь водного зеркала.	F = f(Zв/б) – средняя глубина Каспийского моря, рассчитанная по батиграфической кривой, равна 195 м.
4.	Полезный объем балансного резервуара.	V = V1 + V2+ V3 - V должен быть рассчитан на то, чтобы принимать избыточный перелив – воду, вытесненную посетителями V1 и волнами V2, а также промывочную воду V3.
5.	Потери воды в результате оседания льда на берега при зимнем сходе водохранилища.
6.	Высота рельефа (м абс.).	i = h / m.
7.	Циклоническая активность.	Рассчитывается с помощью  метода автоматической индикации центров циклонов по данным давления на уровне моря.
8.	Средняя многолетняя величина испарения за безледоставный период.	Wисп = Wисп 0×S.

В силу того, что объект прогноза является достаточно объемным по исследованию и предоставляемым данным, опросы населения и экспертов не приводились, данная информация подтверждается имеющимся  опытом исследования уровня Каспийского  моря. На управленческом уровне опросы населения за наблюдением изменений  уровня Каспийского моря не принимаются  с помощью методологически установленных  рекомендаций, комплексов и методов  проведения опроса.

Изолированность моря от океана приводит к тому, что при однонаправленных процессах, уровень Каспийского  моря в течение продолжительного времени то медленно понижается, то медленно повышается, достигая экстремальных значений. С учетом всех показателей и тенденций изменения уровня моря можно построить исходную модель прогноза, используя временные ряды и пиковые оценки уровня моря в определенный период времени (Диаграмма 1).

Диаграмма 1. Исходный прогноз уровня воды Каспийского моря в период с 1840 по 2012 гг.

Данные представлены с 1840 года, они являются достаточно динамичными, следовательно и прогноз реальной модели с учетом временных рядов будет иметь особенность перепадов экстремальных и минимальных данных. Для дальнейшего прогноза необходимо исследовать тенденции изменения прогнозных показателей и с помощью их влияния на реальный прогноз построить поисковую модель прогноза уровня Каспийского моря [3].

 

2.2. Поисковая модель прогноза  уровня Каспийского моря.

Процесс прогнозирования  нельзя назвать эффективным, если исследователем не учтены факторы, влияющие на развитие объекта прогноза.

Причины изменения уровня воды Каспийского моря учёные связывают  с климатическими, геологическими и антропогенными факторами:

• колебания уровня Каспия вызваны протекающими как в бассейне моря, так и далеко за его пределами крупномасштабными гидрометеорологическими процессами, влияющими на водный баланс моря [3];
• зависимость уровня моря от объема его воды прямопропорциональная. При понижении уровня воды в море наблюдается тенденция снижения объемов воды, так наиболее благоприятной отметкой для повышения уровня воды является объем 7750 м³, тенденция снижения связана с испарением воды с поверхности моря;
• разница между максимальным и минимальным (размах) годовым поверхностным притоком речных вод в море составила за сто лет 260 км^3. В пересчете на водную поверхность моря такое изменение речного стока соответствует изменению его уровня на 67 см. Иначе говоря, межгодовое изменение уровня Каспийского моря только за счет изменения речного стока может составить более полметра;
• объем атмосферных осадков, выпадающих на поверхность моря, по сравнению с объемом речного стока незначителен, потому их влияние на уровень моря также незначительно. В многолетнем ходе атмосферных осадков с начала текущего столетия, особенно в последние десятилетия, прослеживается тенденция их роста. За последние десятилетия наибольшее количество осадков (около 120 км³) выпало в 1969 году, наименьшее (около 50 км³) - в 1944 году. Таким образом, максимальный размах межгодовых колебаний количества атмосферных осадков в текущем столетии составил 70 км³, что соответствует изменению уровня моря на 18 см.[12];
• в начале столетия с поверхности моря испарялось 390-395 км³ воды, а в последние годы из-за повышения увлажненности климата оно снизилось до 344 км³. Снижению испарения способствовало также уменьшение температуры поверхностного слоя Северного Каспия из-за увеличения поступления холодных волжских вод. Максимальная амплитуда испарения составила в текущем столетии 190 км³, что соответствует изменению уровня моря на 49 см. При сохранении тенденции повышения испарения, объем воды в море уменьшается и существенно ведет к снижению уровня воды;
• рассматривая зависимость уровня моря от площади водного зеркала, можно заметить, что самую значительную часть площади занимают глубины до 100 метров. Глубины > 900 м занимают около 1% площади. Оставшаяся же площадь довольно равномерно распределяется между глубинами 200 – 800 м примерно по 4-5% на 100 м глубины. При уменьшении площади водного зеркала, тенденция к снижению уровня моря нарастает, что в скором времени может привести к критической отметки уровня воды в море;
• зарегулирование рек изменило также параметры твердого стока, заполняющего котловину Каспия. Однако, роль этого фактора весьма незначительна; заполнение котловины моря донными отложениями приводит к повышению уровня слоя воды в среднем со скоростью 0.2-0.5 мм в год. Но, с другой стороны, зарегулирование рек привело к изменению контура береговой линии за счет роста абразионного разрушения;
• к значимому фактору, созданному человеком, следует отнести и покрытие водной поверхности нефтяной пленкой. При толщине всего в один миллиметр нефтяная пленка уменьшает количество испаряемой воды в 70-80 раз. Учитывая высокий уровень загрязнения моря нефтью как за счет выноса речными водами, так и за счет непосредственного розлива морским транспортом и буровыми скважинами во время нефтедобычи, можно сказать, что человек постепенно превращает Каспийское море в "резиновый мешок", в который реки закачивают воду. Если предположить, что нефтяная пленка снижает испарение морских вод на 3  %  , то приращение уровня за последние тридцать лет за счет только этого фактора составит около одного метра. Очевидно также, что роль "нефтяного" фактора в изменении уровня моря будет расти по мере развития нефтедобычи на его акватории;
• ожидается, что температура на планете будет повышаться на 0.3^оС каждые 10 лет и к 2025 году в среднем возрастет на 1 ^оС. По расчетам такое потепление климата вызовет продолжительное повышение уровня Каспия, которое к 2050 году достигнет 1.5 метров по отношению к уровню 2000 года [12].

Необходимо отметить, что  данные прогнозного фона выражаются такими же показателями, что и характеристики исследуемого объекта. Их изучение осуществляется методами системного анализа, в результате которого разрабатывается документ того же объема и характера, что и  в процессе построения исходной модели объекта прогнозирования.

На основе анализа показателей  прогнозного фона можно построить  поисковую модель прогнозирования  изменений уровня Каспийского моря на ближайшие девятилетия. Поисковых  моделей необходимо построить несколько: с учетом максимальных и минимальных  показателей исходной модели и прогнозного  фона, а также на основе вероятностных  данных.

Построение нескольких моделей  поискового прогноза затрудняет недостаток в полном объеме данных, это связано  с тем, что Гидрометцентр России не предоставляет ежегодный мониторинг уровня Каспийского моря и не отслеживает  степень изменения факторов, влияющих на объект прогноза. Проблема должна рассматриваться  на международном и местном уровне властей, однако, отсутствие документа, регламентирующего постоянный мониторинг уровня Каспийского моря и факторов, влияющих на него, указывает на неэффективное  и некомпетентное управление на местах [4].

Долгосрочный прогноз  гидрометеорологических составляющих водного баланса на определенный день при современном уровне научного знания невозможен. Следовательно, не существует и метода долгосрочного  прогноза уровня моря. Возможны лишь вероятностные  прогнозы, например, среднего положения  уровня моря и отклонения от этого  положения заданной вероятности (квантили). В таблице 2 представлены квантили условных распределений вероятности уровня на ближайшие десятилетия. Как следует из этой таблицы, диапазон возможных значений уровня достаточно широк. Отметка -26 м имеет обеспеченность 1%. Также вероятны и низкие стояния уровня моря на отметках - 28, -29 м. Наиболее неблагоприятный прогноз 0.1% обеспеченности на те же периоды –25.48 м, а такой же прогноз 1% обеспеченности –26.02 м [7].

 Таблица 2. Вероятностный прогноз уровня Каспийского моря.

Обеспеченность, %	Заблаговременность прогноза, годы
	5	10	20	30
0,1	-25,87	-25,59	-25,48	-25,48
1,0	-26,20	-26,04	-26,02	-26,06
5,0	-26,50	-26,44	-26,51	-26,58
50,0	-27,22	-27,40	-27,67	-27,83
95,0	-27,93	-28,37	-28,84	-29,07
99,0	-28,23	-28,76	-29,33	-29,59