Водный баланс Азовского моря

Водный баланс является важнейшим режимообразующим комплексным фактором Азовского моря. Наряду с климатическими факторами он определяет основные особенности гидрологического и гидрохимического режима моря.

Водным балансом Азовского моря занимались многие исследователи: Н. М. Книпович, Д. Л. Соколовский, В. С. Самойленко, Н. Н. Зубов, А. А. Аксенов, Г. В. Матушевский, А. И. Симонов, Н. П. Гоптарев, Э. Н. Альтман, А. М. Бронфман и другие.

Достоверность расчетов водного баланса определялась точностью определения отдельных его составляющих.

В настоящей работе приводится расчет водного баланса Азовского моря за период 1923-1985 гг. Этот период выбран из тех соображений, что для него имеются данные по всем составляющим водного баланса.

Уравнение водного баланса Азовского моря выглядит следующим образом:

Vр + Vос + VЧ + Vc - Vиc - VА - V'A=?B,

где Vp - сток рек, Voc - осадки, выпадающие на поверхность моря, VЧ - приток воды из Черного моря, Vс, - приток воды из залива Сиваш, Vиc - испарение с поверхности моря, VА - сток азовской воды в Черное море, V'A - сток азовской воды в Сиваш, ?B - разность между приходной и расходной частями баланса.

Подземный сток, составляющий в среднем, по данным Ростовского государственного университета, 0,059 км3/год, вследствие незначительности в уравнение не включен.

Ниже подробно рассматриваются составляющие водного баланса, их многолетний и внутригодовой ход, а также воздействие антропогенных факторов на их изменение.

Речной сток. Речной сток является одной из основных составляющих водного баланса. Водосборная площадь Азовского моря составляет около 570 тыс. км2, причем основной объем стока поставляют реки Дон и Кубань, на долю которых приходится около 85 % всей водосборной площади. Остальные реки Приазовья представляют собой небольшие маловодные водотоки.

Для многолетних колебаний годового суммарного стока рек Дона и Кубани с 1949 по 1976 г. включительно характерна тенденция его сокращения (табл. 3.31), что связано с ухудшением климатических условий формирования стока, особенно для равнинной части бассейна Азовского моря, и увеличением безвозвратного водопотребления. В 1936-1940 гг. оно составляло 2 км3, в 1961-1965 гг. - 4,8 км3, в 1971-1975 гг. - 9,7 км3, в последние годы достигло 11-12 км3.

Тенденция сокращения весеннего притока, так же как и годового, прослеживается с 1949 г. Однако вследствие регулирующего влияния Цимлянского водохранилища (1952 г.) она выражена более четко. И наоборот, осенний сток с 1955 г. значительно увеличился (в 1,5 раза) по сравнению с предшествующим периодом. Изменения же летнего и зимнего стока менее существенны. В многолетних колебаниях притока с июня по август можно выделить четыре маловодных периода (1911-1925; 1933-1940; 1943-1951; 1969-1976 гг.) и столько же многоводных (1926-1932; 1941-1942; 1952-1968; 1977-1981 гг.). Для зимнего стока характерно наличие лишь двух более или менее длительных и четко выраженных периодов с повышенной (1954-1968 гг.) и пониженной (1926-1953 гг.) водностью рек Дона и Кубани. В многолетних колебаниях годового стока рассматриваемых рек прослеживается пять многоводных (1915-1920; 1926-1932; 1940-1942; 1963-1964; 1978-1981 гг.) и четыре маловодных (1921-1925; 1933-1939; 1949-1962; 1965-1977 гг.) периодов различной продолжительности. Исключительно низкий приток (22-27 км3) донских и кубанских вод с максимумом летом отмечен в 1972-1976 гг. По естественной водности этот период почти идентичен исключительно маловодной фазе, наблюдавшейся в 1933-1939 гг., когда сток Дона и Кубани был на уровне, близком к 70-75 %-ной обеспеченности. По фактическому же стоку период 1972-1976 гг. не имеет аналога, являясь самым маловодным для периода наблюдений (1911-1985 гг.). Средний сток за этот период составляет 23,72 км3.

Иные, более благоприятные для формирования стока климатические условия, особенно в равнинной части бассейна Азовского моря, сложились в 1977-1981 гг. Несмотря на значительные безвозвратные изъятия, средний годовой приток увеличился до 38,27 км3, т. е. почти до средних значений, наблюдавшихся в незарегулированных условиях (около 40 км3). По естественной водности этот период соответствует 25 %-ной обеспеченности и близок к стоку, наблюдавшемуся в 1926-1929 гг. Тем не менее, даже при такой водности достаточно высокий весенний сток был лишь в исключительно многоводные 1979 и 1981 гг., которые по естественной водности соответствуют 10 %-ной и 15 %-ной обеспеченности. После зарегулирования стока Дона подобный приток в море наблюдался лишь четыре раза: в 1963, 1964, 1968 и 1970 гг. Однако даже в эти годы весенний сток (апрель-май) был ниже характерного для периода до зарегулирования Цимлянского водохранилища.

Восстановление естественного стока Дона и Кубани и на их основе естественного притока в Азовское море получено в ГТИ путем введения в наблюденный сток поправок, отражающих влияние хозяйственной деятельности на сток). По характеру воздействия на водный режим рек факторы хозяйственной деятельности разделены на две группы:

1) факторы, действующие в русле реки и перераспределяющие сток во времени и по территории (создание и эксплуатация водохранилищ, крупные водозаборы, переброски стока и т. д.);

2) факторы, изменяющие соотношение между элементами водного баланса на водосборе (агротехнические и лесомелиоративные мероприятия, урбанизация, осушение заболоченных земель и т. д.).

Из сопоставления средних значений стока, наблюденного и естественного (см. табл. 3.28, 3.29), Дона и Кубани за периоды до зарегулирования (до 1952 г.) и после видно, что последний период 1953-1981 гг. является несколько более маловодным. Снижение стока происходит главным образом за счет снижения притока из бассейна Дона. Дон берет начало на восточных склонах Среднерусской возвышенности у г. Новомосковска (Тульской области, РСФСР), впадает в Таганрогский залив. Местами его глубина достигает 20 м. Ниже г. Ростова-на-Дону начинается дельта р. Дона (площадь 340 км2). Приток в море с бассейна Дона обычно принимается равным стоку у станицы Раздорской, расположенной на расстоянии 151 км от устья. Створ Дона у Раздорской замыкает 378 тыс. км2 водосбора. Водпост находится за пределами влияния сгонно-нагонных явлений, вносящих значительные искажения в режим уровня и расходов воды в нижнем течении реки. Наблюдения ведутся с 1881 г., однако наиболее надежные данные имеются только с 1923 г.

За период естественного режима средний сток у станицы Раздорской составлял 26,4 км3. В современных условиях сток Дона зарегулирован Цимлянским водохранилищем (1952 г.), осуществляющим многолетнее регулирование стока. Непрерывно увеличивающееся с этого времени водопотребление уменьшило средний сток до 22 км3. По ряду наблюдений с 1923 по 1981 г. наибольший объем стока приходится на 1942 г. (49,9 км3), наименьший - на 1972 г. (9 км3). Период 1977-1981 гг. характеризуется повышенным стоком - 27,4 км3, этот период сменился периодом с очень низким стоком - 11,41 км3 (1972-1976 гг.). Статистические параметры наблюденного стока Дона приведены в табл. 3.33. Кубань образуется слиянием рек Уллукам и Учкулан, берущих начало на склонах Эльбруса, у края ледника Уллукам, впадает в Темрюкский залив, имеет обширную устьевую область (площадь 4300 км2). Наиболее длительные и надежные данные наблюдений за стоком Кубани имеются для станции г. Краснодара (с 1912 г.). Для реки характерны растянутое летнее половодье, дождевые паводки; зимой - паводки от оттепелей и дождей.

На гидрологический режим Кубани в нижнем течении оказывают влияния заборы воды в Невинномысский канал (с 1948 г.) и Большой Ставропольский канал (с 1973 г.), Краснодарское водохранилище, осуществляющие сезонное регулирование стока. В связи с тем, что изменение стока в придельтовой и дельтовой зонах в отдельные годы колеблется в значительных пределах - от 2,33 до 2,74 км3, - приток Кубани рассчитывается как алгебраическая сумма стока у г. Краснодара и изменения стока на участке Краснодар-устье.

Наибольший объем стока приходится на 1940 г. (18,9 км3), наименьший - на 1960 г. (5,1 км3). Норма стока до зарегулирования (до 1948 г.) составляла 12,8 км3, после зарегулирования - 11,42 км3. Статистические параметры наблюденного стока Кубани приведены в табл. 3.33.

Сток малых рек. Характеристика стока малых рек получена как сумма стока рек, протекающих на территории каждой из трех, выделенных зон. Суммарная доля стока малых рек в общем объеме поверхностного притока к морю составляет в среднем 5 %.

Атмосферные осадки. Количество осадков, как известно, инструментально измеряется только на прибрежных пунктах. В открытом море на экспедиционных и попутных судах отмечается лишь время и продолжительность осадков, и их характер. Поэтому количество осадков определяется косвенным путем - либо, исходя из теоретических предположений, что в сторону открытого моря количество осадков уменьшается, либо путем приближенного перехода от данных судовых наблюдений к данным прибрежных пунктов через продолжительность и характеристики интенсивности осадков. Таким приближенным путем можно определить многолетние "нормы" количества осадков на береговых станциях и по районам открытого моря, а затем, исходя из предположения, что относительные отклонения от нормы за конкретные годы на береговых станциях соответствуют отклонениям по районам открытого моря, рассчитывать количество осадков, выпавших за конкретные годы на поверхность моря в целом.

Для расчетов были использованы данные гидрометстанций Таганрог, Мариуполь, Ейск для Таганрогского залива и Бердянск, Геническ, Мысовое и Темрюк для собственно Азовского моря. Пропорция по площади между заливом и морем принята 0,14 : 0,86.

В распределении осадков над морем прослеживаются региональные особенности: с апреля по октябрь наименьшее количество осадков выпадает в центральных районах моря, с ноября по март - в западном и юго-западном.

Наибольшее количество осадков, выпадающее на поверхность всего моря, за период 1923-1985гг. составило 20,9 км3 (1939 г.), наименьшее - 10,8 км3 (1954 г.). Среднеквадратическое отклонение - 2,97 км3, коэффициент вариации - 0,174.

Сопоставляя полученные нами данные с полученными ранее в ГОИН и других организациях, мы установили, что, несмотря на сходный многолетний ход в целом, в отдельные годы между ними имеются заметные расхождения. Поскольку наши данные, как и другие, носят по известным причинам приближенный характер, мы сочли возможным осреднить их и использовать для расчетов водного баланса. При этом среднее многолетнее количество осадков, полученное первоначально нами, и осредненное практически совпали (около 15,5 км3). Экстремальные значения несколько изменились.

Водообмен через Керченский пролив. Исследования динамики вод в Керченском проливе имеют почти вековую историю. Однако значительная сложность самого объекта исследования и связанные с этим трудности в постановке наблюдений привели к тому, что до настоящего времени нет возможности получить достаточно надежные данные о расходах воды через Керченский пролив.

В связи с указанным обстоятельством исследования водообмена между Черным и Азовским морем выполнялись в основном с помощью косвенных расчетов, основанных либо на водно-балансовых методах, либо на решениях гидродинамических уравнений движения. В результате выполненных исследований к настоящему времени разработаны гидродинамические и эмпирические методы расчета водообмена через Керченский пролив, учитывающие перепады уровня на концах пролива, тангенциальное напряжение ветра, влияние речного стока и пресного баланса Азовского моря на водообмен.

Выполненные расчеты водообмена позволили получить средние многолетние значения стока азовских вод и притока черноморских вод, которые, однако, весьма приближенно отражают действительный водообмен через пролив и недостаточно точно увязываются с результатами расчетов водного и солевого балансов Азовского моря. Об этом свидетельствует широкий разброс крайних значений (максимальных и минимальных) азовского и черноморского потоков, приводимых в различных источниках. Так, ежегодный максимум азовского потока, по разным источникам, оценивается округленно в 77-67 км3, черноморского - в 51-38 км3. Минимальный поток из Азовского моря в Черное отмечается в пределах 32-43 км3, а черноморских - 22-28 км3 в год.

Эмпирические уравнения связи потоков с речным стоком или с пресной составляющей водного баланса представляются то линейными, то показательными или степенными уравнениями. Более того, даже однотипные по структуре уравнения иногда заметно отличаются числовыми коэффициентами в зависимости от того, какие данные были использованы при их получении. В принципе же зависимость между речным стоком или с пресной составляющей водного баланса не может быть линейной. Из анализа значений результирующих потоков через Керченский пролив мы получили, что их связь с пресной составляющей водного баланса может быть приближенно представлена полукубической параболой вида В0 = -0,2077/Г|'5, где В0 - результирующий водообмен (обычно отрицательный для Азовского моря), км3; F - пресная составляющая водного баланса, км3/год.

Однако это не означает, что в некоторых ограниченных пределах изменения пресного баланса и S0 эмпирическая связь не может быть представлена линейным уравнением.

Водообмен между Азовским и Черным морями зависит от режима течений в проливе и колебаний уровенной поверхности моря, вызывающей изменения площади живого сечения.

На длиннопериодные (фоновые) колебания уровня, обусловленные пресным балансом моря (главным образом, речным стоком), накладываются высокочастотные колебания, вызванные ветром. При этом ветровая составляющая может значительно превосходить стоковую.

Уравнение для средней по сечению пролива скорости течения (?) найдено в виде:

где Т - тангенциальное напряжение ветра, ? - плотность воды, r - коэффициент горизонтального трения, - глубина, , ? - коэффициент вертикального трения, - ускорение свободного падения, - превышение уровня над невозмущенной поверхностью. Расчеты для конкретных периодов выполняются с помощью номограмм или на ЭВМ. Входными данными являются среднесуточная разность уровней Мысовое-Феодосия и проекция ветра на ось пролива по данным пунктов Мысовое, Темрюк, Феодосия, Анапа.

По средней скорости течения, определенной по уравнению (3.10), и среднесуточному уровню в Опасном определяются среднесуточные расходы через пролив (северную узкость). Для перехода от расходов к фактическому водообмену учитываются объемы вод, не выходящие из пролива при смене знака расхода.

Для расчетов характеристик водообмена в многолетнем плане исследовались зависимости водообмена от "пресной" составляющей (речной сток + осадки - испарение) водного баланса, принятые в следующем виде:

а) для мало трансформированного режима (до 1951 г.)

;

б) для зарегулированного режима

,

где VA - азовский поток, VЧ - черноморский поток, F - пресная составляющая баланса.

Различие зависимостей для периода близкого к естественному режиму стока (до 1951 г.) и для периода зарегулированного стока (после 1952 г.) вызвано, по всей видимости, внутригодовым перераспределением стока, что повлекло за собой изменение значений и характера взаимодействия вынуждающих сил в Керченском проливе. В частности, активная ветровая деятельность, которая весной ранее (до зарегулирования) накладывалась на начало пика паводка, ныне взаимодействует со сглаженным притоком к морю. Аналогичная картина наблюдается и в другие сезоны.

Это привело к изменению абсолютных величин водообмена Азовского моря с Черным - приток черноморских вод увеличился на 4,3 %, а сток из Азовского моря уменьшился на 3,5%, вследствие чего изменилось и соотношение азовских и черноморских вод, участвующих в водообмене.

Отношение притока соленых черноморских вод к стоку азовских вод при мало трансформированном режиме речного стока в среднем составляло 0,65. В современный период это отношение составляет 0,71.

В среднем за период 1923-1985 гг. в различные отрезки времени годовой приток черноморских вод округленно составил 36-38 км3, а сток азовских вод 53-55 км3.

По данным наших расчетов, крайние значения азовского и черноморского потоков оказались внутри интервалов, полученных по другим источникам. Наибольшие значения округленно оказались равными 74 и 48 км3, наименьшие - 41 и 25 км3 соответственно.

Водообмен между Азовским морем и заливом Сиваш через пролив Тонкий играет незначительную роль в водном балансе Азовского моря. По данным многочисленных измерений расходов воды в проливе и наблюдений за уровнем и ветром в Геническе Ю. Г. Слатинский построил график связи расхода воды в проливе с определяющими факторами. В среднем ежегодный сток азовской воды в залив оказался около 1,5 км3, приток сивашских вод в море - около 0,4 км3. Следует отметить, что после строительства Северо-Крымского канала и увеличения сброса вод с орошаемых земель в Сиваш указанное соотношение изменилось в сторону увеличения притока сивашских вод в море (0,5 км3) и уменьшения стока азовских вод в Сиваш (1,3 км3).

Испарение. Испарение является одной из основных расходных составляющих водного баланса моря. Непосредственные инструментальные наблюдения за испарением с морской поверхности не производятся в связи с известными техническими трудностями постановки таких наблюдений и отсутствием соответствующей аппаратуры. Поэтому испарение обычно определяется либо как остаточный член уравнения водного или теплового баланса в случае, когда составляющие баланса могут быть достаточно определены, либо вычисляется по полуэмпирическим формулам по данным наблюдений за скоростью ветра, температурой и влажностью воздуха и температурой поверхностного слоя моря. Для Азовского моря, сообщающегося с Черным морем через Керченский пролив, балансовые методы определения испарения являются неприемлемыми.

При расчетах испарения с поверхности моря чаще всего используются формулы, которые не учитывают влияние температурной стратификации приводного слоя атмосферы на температурный обмен (например, формулы Свердрупа, В. С. Самойленко и др.).

Для расчета среднего многолетнего годового испарения, когда стратификацию можно считать в среднем близкой к равновесной, такие формулы, как показывают многочисленные расчеты водного баланса замкнутых морских водоемов, дают удовлетворительные результаты. Однако когда возникает необходимость рассчитывать испарение за определенные годы, сезоны и месяцы, использование этих формул может приводить к существенным погрешностям (до 20-30 % при сильно выраженной температурной стратификации). В настоящих расчетах испарения использовалась формула Н. П. Гоптарева, учитывающая влияние температурной стратификации на скорость испарения.

При расчетах месячного испарения с открытых районов моря, когда наблюдения за скоростью ветра, температурой и влажностью воздуха производятся практически на одной высоте, формула имеет вид:

а для расчета испарения по данным береговых станций

где Е - слой испарившейся воды, мм/мес; es - максимальное парциальное давление водяного пара при и ; ;

ez, e2 - парциальное давление водяного пара на горизонте z и 2 м, гПа; z - горизонт измерения скорости ветра, м; Uz - скорость ветра, м/с; z0 - параметр шероховатости;

? - параметр, учитывающий стратификацию атмосферы, , - аналог числа Ричардсона.

По средним многолетним данным были рассчитаны месячные и годовые нормы испарения по 48 квадратам открытой части моря и для девяти прибрежных пунктов (Мариуполь, Таганрог, Приморско-Ахтарск, Темрюк, Геническ, Бердянск, Ейск, Должанское, Мысовое). Нормы испарения для моря и Таганрогского залива определялись планиметрированием площадей между изогиетами.

Ввиду того, что гидрологических данных для расчета испарения за конкретный отрезок времени по открытому морю, как правило, недостаточно, было принято допущение, что изменения испарения в прибрежных районах моря пропорциональны изменениям испарения в открытом море. Далее предполагалось, что средние многолетние соотношения между испарением в прибрежных районах и в открытой части моря остаются неизменными во времени.

Таким образом, по относительным отклонениям от нормы значения испарения для береговых станций (где EI - испарение в конкретном году и ? - норма испарения) можно перейти к испарению с открытой части моря с помощью соотношения:

где Kм и Kз - соответственно отклонение от нормы для береговых станций моря и залива, 4 и 2 - число береговых станций залива и моря; 0,86 и 0,14 - площадные коэффициенты;. ? = KЕм - испарение с открытой части моря за конкретный период.

На основании уточненных данных по распределению температуры, воды, скорости ветра, абсолютной влажности, температуры воздуха для открытой части моря, представленных СО ГОИН, по описанной выше методике был проведен расчет испарения за период 1923-1985 гг. Среднее многолетнее значение испарения с поверхности Азовского моря составляет 34,6 км3. Как показал анализ результатов расчета, изменчивость испарения от года к году относительно невелика (а = 0,06 км3). Наибольшие значения испарения были зафиксированы в 1934, 1953 и 1955 гг. (38,2 км3), наименьшие (25,8 км3) в 1980 г.

Толщина слоя испарения с поверхности Азовского моря имеет отчетливо выраженный годовой ход с максимумом в августе.

Географическое распределение испарения по площади моря имеет свои особенности, связанные с морфометрическими и гидрологическими факторами. Для каждого сезона формируется характерное распределение испарения.

Весной в период начала прогревания воды и воздуха интенсивность испарения в мелководных районах значительно больше, чем в центральных.

Летом отчетливо прослеживается тенденция к уменьшению испарения в направлении с севера на юг, причем в юго-восточных и юго-западных районах имеются зоны пониженного испарения.

Осенью в центральном районе моря формируется зона повышенного испарения, определяющаяся повышенным тепловым фоном и ветровой активностью в этом районе. В районе, прилегающем к Керченскому проливу, наблюдается зона относительно повышенного испарения вследствие проникновения более теплых в это время черноморских вод.

Зимой (в начале) в центральной части моря и в районе, прилегающем к Керченскому проливу, сохраняется область повышенного испарения. Это объясняется тем, что большой теплозапас центральной части моря и поступление относительно теплых черноморских вод определяют более высокую температуру воды. В Таганрогском заливе в это время уже отмечается конденсация.

В целом за год область повышенного испарения охватывает Таганрогский залив и центральную часть моря; в юго-западной и юго-восточной частях моря располагаются области пониженного испарения. Анализ водного баланса Азовского моря за 1923-1985 гг. показывает, что в составляющих баланса в период до зарегулирования речного стока (1951 г.) и после него произошли заметные изменения. Речной сток в море сократился в среднем на 5,7 км3/год, приток черноморских вод увеличился на 1,5 км3, сток азовских вод в Черное море на 1,9 км3, но в целом водный баланс изменился мало. До зарегулирования стока он был слабо положительным, после зарегулирования - слабо отрицательным.