Сила воды: как изучают водные ресурсы в России

Принято считать, что самые ценные природные ресурсы для человечества — это нефть, уголь, газ, золото, древесина и редкоземельные металлы. Но не всегда в таких списках упоминается еще один, пожалуй, куда более важный ресурс — вода. Без нее невозможно представить наше существование. В то же время водная стихия таит немало угроз. Наиболее тесно человечество связано с пресными поверхностными водными ресурсами: реками, озерами, болотами, искусственно созданными водохранилищами, каналами и другими водохозяйственными системами. Какие вызовы стоят в этой сфере? Для чего исследуют реки, озера, болота и другие водные источники? Как на водные ресурсы и гидрологический режим водоемов влияет изменение климата? Разбираемся вместе с главным научным сотрудником Государственного гидрологического института (ГГИ), доктором географических наук, профессором Валерием Вуглинским.

Круговорот воды в природе

Нехватка пресной воды считается одной из главных угроз человечеству. Об этом говорится в докладе «Итоги Восточного экономического форума — 2024» о глобальных рисках. В числе причин: урбанизация, загрязнение окружающей среды, изменение климата. В то же время по объему возобновляемых водных ресурсов Россия занимает второе место в мире (после Бразилии). Значит ли это, что нам не о чем беспокоиться? Попробуем разобраться.

Дело в том, что запасы пресной воды сосредоточены во многих природных объектах — не только в реках, озерах и болотах, но и в подземных горизонтах, ледниках, снежниках (скоплениях снега в местах, защищенных от ветра и солнца), многолетнемерзлых породах. Использование таких запасов чаще всего ограничено. В том числе из-за их труднодоступности и нехватки необходимых технологий, например, для добычи воды из ледников.

Но главная проблема кроется в том, что большая часть запасов пресных вод относится к так называемым статическим водным ресурсам: воды озер, болот, ледников, мерзлых грунтов, почвенные и подземные воды. Время их возобновления занимает от десятков до сотен, а то и тысяч лет. Эти ресурсы нельзя применять в хозяйственной деятельности, поскольку их изъятие приведет к невосполнимым потерям.

Поэтому использовать пресную воду мы можем только из ежегодно возобновляемых водных источников. В первую очередь, к ним относятся реки, вода в которых ежегодно возобновляется благодаря круговороту воды в природе (так называемому гидрологическому циклу): на нашей планете происходят постоянные процессы испарения воды, переноса паров воздушными течениями, их конденсации, выпадения в виде осадков и стекания последних по речным системам. Так выглядит планетарный круговорот, или, точнее, влагооборот, поддерживающий ежегодное возобновление пресных водных ресурсов.

«Правильнее сказать, что Россия занимает второе место в мире по запасам возобновляемых пресных водных ресурсов. Это важный показатель, характеризующий объем пресных вод. Он ежегодно формируется в стране», — рассказывает главный научный сотрудник ГГИ, доктор географических наук, профессор Валерий Вуглинский.

Сегодня в речных системах Бразилии ежегодно формируется около 8 200 км³ воды в год. Это самая высокая водообеспеченность страны в мире. Наши водные ресурсы составляют примерно 4 500 км³ воды в год. Далее идут США, Канада, Индонезия и Китай.

Сберечь водные ресурсы

Другая проблема связана с тем, что водные ресурсы, пригодные для хозяйственной сферы, распределены по территории страны крайне неравномерно. Наиболее водообеспеченный в этом плане регион — Сибирь. Здесь расположены крупнейшие водные артерии: Енисей, Лена, Обь. В европейской части России самой крупной рекой является Волга. Ее водные ресурсы активно используются в хозяйственной деятельности.

К рекам с наиболее напряженным водохозяйственным балансом относятся Кубань, Дон, Терек и Сулак, протекающие в южных районах европейской части России. Эти территории нуждаются в особом внимании, поскольку они ограничены в водных ресурсах. При сравнительно небольших ресурсах рек (от 10 до 25 км³ в год), их значительную часть используют на хозяйственные нужды.

«В нашей стране наиболее интенсивное водопотребление для промышленности, коммунальных нужд, орошения и других отраслей экономики пришлось на 1970-е годы: около 100 км³ воды в год. В настоящее время водопотребление на хозяйственные нужды в стране не превышает 50 м³ в год. Сказались экономический кризис 1990-х и сокращение водоемких отраслей. Эти цифры не такие значительные. Указанные объемы водопотребления составляют примерно 1-2% от общего объема возобновляемых водных ресурсов в стране», — объясняет Валерий Вуглинский. Но если мы посмотрим на дефицитные по воде районы, то увидим иную картину. Например, потребление воды на хозяйственные нужды в бассейнах рек Дон, Кубань и Терек в последние годы достигало 30-40% их годового стока и более.

Вот почему необходимо обращать внимание не на общий объем водных ресурсов в стране, а на регионы с ограниченным водными ресурсами, где возникает их дефицит из-за интенсивного использования, отмечает эксперт. К таким регионам относятся Ростовская, Волгоградская, Курганская, Астраханская и Оренбургская области, а также Калмыкия, Краснодарский и Ставропольский края.

Климат и вода

Еще один вызов касается климатических изменений. За последние сто лет среднегодовая температура воздуха в Северном полушарии выросла на полтора градуса Цельсия. За этот же период на территории России она выросла на 2,5 градуса Цельсия. То есть, потепление в нашей стране происходит интенсивнее.

Как это влияет на водные ресурсы? По оценкам ученых Государственного гидрологического института, в первую очередь, меняется внутригодовое распределение речного стока. Зимой водность рек увеличивается за счет уменьшения сроков ледостава (образования неподвижного льда на поверхности реки или водоема) и увеличения подземного питания. Растет сток рек, протекающих в районах многолетней мерзлоты, которая активно тает последние несколько десятилетий. Такая ситуация характерна для рек, впадающих в Северный Ледовитый океан. Если в будущем потепление климата продолжится, эти процессы могут усилиться.

Кроме того, из-за глобального потепления повышается риск таких опасных гидрологических явлений, как высокие и катастрофические половодья (весенние подъемы уровня воды в реках в результате таяния снега) и паводки (резкие и порой продолжительные подъемы уровня воды, возникающие во время выпадения обильных осадков).

«Причем половодья чаще происходят на территории европейской части страны и в Сибири. А вот на Дальнем Востоке реки имеют паводочный режим. Виной тому частые циклоны, приходящие с Охотского и Японского морей, и приносящие большое количество осадков в течение сравнительно короткого периода времени», — делится эксперт.

Будут ли подобные явления с каждым следующим годом происходить чаще? Пока исследования это не подтверждают. Тем не менее, начиная с 1980-х годов, общая тенденция, связанная с активностью опасных гидрологических явлений, сохраняется, что представляет угрозу для населения и экономики.

Эти процессы активно исследуют ученые. Влиянию климатических изменений на водные ресурсы посвящено множество научных работ. Например, красноярские специалисты установили, как глобальное потепление отражается на состоянии водных ресурсов Сибири. Они изучили динамику годового стока девяти рек в лесотундре, северной и средней тайге, а также изменения среднемесячных и среднегодовых температур воздуха и количества осадков за последние 50 лет. Оказалось, что, несмотря на снижение общего количества осадков, годовой сток рек увеличился. С одной стороны, повышение температуры воздуха приводит к таянию мерзлых грунтов и повышению водности северных рек, а с другой — увеличивает суммарное испарение с речного бассейна, тем самым уменьшая количество почвенной влаги, дренируемой рекой.

В ходе другого проекта сотрудники ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» совместно с зарубежными коллегами выяснили, что ускоренное таяние многолетней мерзлоты может помочь деревьям Севера адаптироваться к изменяющимся климатическими условиям, в частности к появлению засух. Специалисты изучили ширину годичных колец и состав стабильных изотопов углерода и кислорода в деревьях лиственницы Гмелина в северной тайге Центральной Сибири. Результаты исследования показали, что более глубокое оттаивание почвы стимулирует радиальный рост деревьев. При этом деревья справляются с дефицитом влаги в условиях засушливого лета, получая воду из оттаивающего мерзлого слоя почвы.

Масштабный мониторинг

В России наблюдения за водными ресурсами и их гидрологическим режимом проводят в рамках Государственного мониторинга водных объектов (ГМВО). Это федеральная система, объединяющая мониторинги поверхностных водных объектов, а также подземных вод, состояния дна и берегов, водохозяйственных комплексов.

Анализом поверхностных водных объектов (в том числе морей, рек, озер и болот) занимается Росгидромет. Государственный гидрологический институт, входящий в его структуру, разрабатывает технологии сбора, анализа, обработки гидрологической информации, отвечает за подготовку информационных продуктов. Сами наблюдения на водных объектах проводят региональные Управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (УГМС).

Главным источником информации о поверхностных водных объектах служит гидрологическая сеть. Это система пунктов наблюдений, расположенных на реках, каналах, озерах и водохранилищах. Для более глубокого изучения элементов водного баланса и их формирования используют экспериментальные полигоны и болотные станции. Крупнейшей такой площадкой считается Валдайский филиал ГГИ в городе Валдай Новгородской области.

На болотных станциях исследуют, как формируется водно-тепловой режим болот, как влияют на эти водоемы климатические изменения. Подобные работы позволяют решать задачи, связанные со строительством хозяйственных объектов на болотах и освоением заболоченных территорий.

«На речных постах ведут наблюдения за уровнем, расходом и температурой воды, наносами и ледовыми явлениями. Особую ценность представляют реперные посты с наблюдениями более 80 лет. Благодаря им можно отследить, как менялся гидрологический режим рек на протяжении длительного времени, как на него влияют хозяйственная деятельность человека и изменения климата», — говорит Валерий Вуглинский.

Всего в стране насчитывается порядка 2600 гидрологических постов на реках (в том числе 1200 реперных) и примерно 350 пунктов наблюдений на озерах и водохранилищах. Чтобы развивать гидрологическую сеть и расширять состав наблюдений, необходима финансовая поддержка УГМС и привлечение квалифицированных кадров, отмечает специалист.

Оценить качество воды

Помимо количественных показателей, сотрудники УГМС Росгидромета ведут наблюдения за качеством воды в реках, озерах и водохранилищах. Делают это с помощью специально оборудованных створов. Как правило, такие устройства находятся вблизи населенных пунктов или в местах наиболее вероятных загрязнений от промышленных и сельскохозяйственных источников.

«Например, если в пределах города протекает река, то створы на ней располагаются один до города, выше по течению, и другой за городом, ниже по течению. Таким образом можно отследить, как меняется качество воды под влиянием населенного пункта. Ежегодно на территории России отбор проб воды на химический анализ осуществляется в 2500 створах», — комментирует ученый.

Качество воды оценивают максимально по 116 показателям, в том числе гидрологическим и гидрохимическим. Специалисты изучают главные ионы (ионы, которые содержатся в природных водах в наибольшей концентрации), биогенные элементы, основные загрязняющие вещества, тяжелые металлы и пестициды. Основной организацией, отвечающей за анализ качества природных вод в реках, озерах и водохранилищах, является Гидрохимический институт. Качество морских вод по гидрохимическим показателям изучают в Государственном океанографическом институте имени Н. Н. Зубова.

В свою очередь, в Институте глобального климата и экологии имени академика Ю. А. Израэля анализируют фито- и зоопланктон в водных объектах, зообентос (совокупность животных, обитающих на дне морей и пресноводных материковых водоемов), органические вещества, состояние водных растений — макрофитов и другие показатели.

От наблюдательных постов до мобильных лабораторий

С исследованиями в институтах теперь понятно. Какие технологии используют гидрологи? По словам эксперта, ключевую роль в развитии наблюдательно-технологического комплекса для гидрологической сети сыграл проект «Модернизация и техническое перевооружение учреждений и организаций Росгидромета», стартовавший в 2007 году и реализованный в два этапа. А также Федеральная целевая программа «Развитие водохозяйственного комплекса Российской Федерации в 2012–2020 годах».

Эти проекты позволили массово внедрить в гидрологическую сеть автоматизированные гидрологические комплексы (АГК). Это измерительные системы, оснащенные датчиками. Они способны собирать и дистанционно передавать информацию об уровне и температуре воды, количестве выпавших осадков и другие данные. С их помощью удалось повысить качество прогнозов высоких паводков.

Для наблюдений в труднодоступных и малонаселенных районах используют мобильные гидрологические лаборатории (МГЛ) — оборудованные автомобили с различными приборами и средствами для измерительных работ на тех гидрологических постах, где нет наблюдателей. На таких автомобилях разъездные бригады УГМС регулярно объезжают наблюдательные пункты и выполняют необходимый комплекс наблюдений.

Чтобы измерить расход воды в реках, применяют профилографы — оборудование с акустическими доплеровскими измерителями течений. Такие приборы устанавливают на специальном плавательном средстве (либо радиоуправляемой лодке), которое пересекает реку, а входящий в комплект компьютер в это время автоматически производит расчеты.

Задачи науки

Все эти исследования позволяют оценить как общее состояние водных ресурсов страны, так и гидрологический режим в конкретных речных бассейнах. Обладая этой информацией, специалисты могут разрабатывать рекомендации для снижения негативного влияния деятельности человека на водные ресурсы, и составлять гидрологические прогнозы, в том числе опасных гидрологических явлений. По мнению доктора географических наук Валерия Вуглинского, одно из наиболее актуальных направлений науки — это разработка нормативных документов в области гидрологических расчетов и прогнозов.

«В 2003 году наш институт подготовил документ „Свод правил по проектированию и строительству. Определение основных расчетных гидрологических характеристик“. Он устанавливает общие положения и требования к организации и порядку проведения инженерных гидрологических расчетов при проектировании, строительстве и эксплуатации сооружений на водных объектах», — говорит эксперт. Подобные стандарты, по его мнению, позволяют избежать, например, риска затопления при проектировании портов и других инженерных сооружений на берегах рек, снизить угрозу затопления коммунальных и промышленных объектов в береговой зоне.

Самые крупные ущербы от водной стихии связаны, в основном, с затоплением территорий во время половодий и паводков. Эти процессы невозможно контролировать. Поэтому на первый план выходит качество их прогнозов.

«Для многих рек и озер в населенных пунктах установлены отметки критических уровней воды. Они означают неблагоприятное гидрологическое явление (НЯ) или опасное гидрологическое явление (ОЯ). В первом случае затопление не приводит к значимому материальному ущербу. Во втором возможны серьезные экономические потери. Чтобы предупредить о возможных опасных затоплениях, составляют заблаговременные прогнозы максимальных уровней воды», — рассказывает Валерий Вуглинский.

Особенно важны инициативы, касающиеся запрета строительства жилых и инженерных объектов в опасных зонах затопления, а также с перемещением их на территории с безопасными высотными отметками, подчеркивает эксперт. Такие меры уже принимаются на государственном уровне. Чтобы помочь ускорить реализацию этих инициатив, ученые-гидрологи готовы применить свои знания и опыт.