Ресурсы поверхностных вод Санкт-Петербурга в условиях современных климатических изменений

С.А. Журавлев, О.В. Задонская, М.Л. Марков, Е.В. Гуревич, Государственный гидрологический институт, г. Санкт-Петербург

Современные климатические изменения наиболее ярко проявляются на речном стоке и элементах водного режима рек, озер и водохранилищ. Гидрологические последствия климатических изменений определяются тенденциями многолетней динамики температуры воздуха и атмосферных осадков, а также особенностями межсезонных различий.

Факт потепления подтверждается объективными данными наблюдений, которые осуществляет Росгидромет и его подведомственные учреждения. Так, средняя годовая температура воздуха в Санкт-Петербурге за 2010–2019 годы (6,8 °С) сравнима по величине со значениями, наблюдавшимися в базовый климатический период 1961–1990 годов в таких городах, как Минск (5,9 °С), Гродно (6,5 °С) и Калининград (7,1 °С). Особенно интенсивно теплеет зимой.

Отличительной особенностью Северо-Западного региона, и в частности Санкт-Петербурга, в последние годы является неустойчивый температурный режим в зимний период (рис. 1). Статистические значимые изменения зафиксированы для таких важных с гидрологической точки зрения показателей, как количество оттепелей, суммы отрицательных температур, распределение атмосферных осадков по их видам (твердые и жидкие), высота и запасы воды в снежном покрове.

Потепление не могло не отразиться на водном режиме рек и озер. Повышение температуры приводит к уменьшению глубины промерзания почв, снижению высоты снежного покрова и запасов воды в нем и, как следствие, перераспределению поверхностного, почвенного и подземного стока, изменениям характеристик весеннего половодья и иных фаз водного режима.

На стоке р. Невы климатические изменения отражаются слабо вследствие высокой зарегулированности Ладожским озером. Уровни последнего в течение последних лет находятся в пределах диапазона естественной изменчивости (рис. 2).

Значимые тренды в многолетних изменениях характерных уровней Ладожского озера, а также среднего годового, максимального и минимального стока р. Невы отсутствуют. Однако в пределах бассейна р. Невы значимые изменения гидрологического режима фиксируются на малых и средних реках, сток которых в теплое время года в значительной степени связан с осадками, а в холодное – с наличием положительных температур, ледовыми явлениями и жидкими осадками.

Яркий пример аномальных погодных условий, приведших к образованию мощного дождевого паводка в зимнее время (18–21 февраля 2020 года), можно наблюдать на примере р. Сестры, расположенной в Курортном районе Санкт-Петербурга. Зима 2019/2020 в Санкт-Петербурге была очень теплой и дождливой. Среднемесячные температуры воздуха с декабря по февраль были выше климатической нормы на 6,4– 9,3 градуса и были выше нуля. По данным Северо-Западного управления Гидрометслужбы, январь 2020 года был самым теплым за всю историю наблюдений (с 1881 года). При этом за месяц осадков выпадало на 36–63% больше нормы, преимущественно в виде дождя.

Еще в середине декабря 2019 года в Комитет Санкт-Петербурга по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности поступали жалобы от населения пос. Белоостров и садоводств о повышении уровня воды в р. Сестре и затоплении отдельных участков. В феврале также наблюдался подъем уровня воды. Многочисленные дожди привели к тому, что грунтовые воды поднялись очень высоко к поверхности и впитывающая способность почвогрунтов снизилась. В результате после обильных для зимнего времени дождей (за период 16–20 февраля 2020 года, по данным ст. Ламмин-Суо, суммарно выпало 69 мм осадков) образовался дождевой паводок, и вода в р. Сестре поднялась более чем на 1,5 м по сравнению с обычным зимним меженным уровнем. Были затоплены несколько участков в садоводствах и пос. Белоостров, более 10 домов было подтоплено.

Зимние подъемы уровней воды на р. Сестре не являются редкостью и обычно имеют смешанное происхождение, т. к. подъемы уровней воды в реке могут происходить как в результате поступления талых вод при оттепелях и дождевых вод при выпадении осадков, так и из-за наличия в русле реки ледовых явлений (шугоход, ледостав и др.). Однако ранее, в период 1947–1997 годов, на р. Сестре у пос. Белоостров не отмечались экстремально высокие подъемы уровней воды в зимний период, как это произошло в феврале 2020 года.

Значительная часть централизованного питьевого водоснабжения юго-западной части Санкт-Петербурга обеспечивается подземными водами Ижорской возвышенности. Воды этого месторождения участвуют в формировании стока рек. Доля их в речном стоке может достигать 50% и более. Поэтому многолетняя динамика характеристик речного стока характеризует и изменение ресурсного потенциала подземных вод, связанное с изменением климата.

Для характеристики многолетних колебаний водных ресурсов использованы данные о стоке рек с наиболее длительными периодами наблюдений и стекающих с разных склонов Ижорской возвышенности (рек Систы, Вруды, Оредеж, Ящеры, Хревицы).

Динамика многолетних колебаний среднего годового стока рек показывает повторяемость периодов маловодных и многоводных лет с цикличностью около 30 лет (рис. 3а). При этом годовые расходы в последнюю маловодную фазу несколько выше, чем в 1960–1979-е годы, что связано с ростом осадков. За имеющийся период наблюдений годовой сток рек повысился в среднем на 0,5–1 м3/с (по линейному тренду). В 1964-м и 1972–1973 годах на реках наблюдались самые низкие величины годового стока, ниже которых в поздний период расходы воды не опускались.

В основном изменения годового стока рек находятся в пределах амплитуды колебаний ранних лет – максимума 1962 года и указанных выше минимумов. Исключение составили р. Ящера, на которой в 1987 году было отмечено обновление максимального значения расхода воды, и р. Вруда с историческим максимумом среднего годового стока за 2002 год.

В последнее десятилетие наиболее маловодным был 2014 год, низкая водность которого связана с малоснежными зимами и недостаточным для восполнения количеством осадков в летне-осенние периоды 2013 и 2014 годов.

Во внутригодовом распределении стока рек основные изменения в последние 40 лет связаны со снижением расходов воды в период апрель–август и их ростом в другие месяцы (рис. 3б). Существенно увеличилась частота случаев прохождения пониженных расходов воды в
мае, которые снизились в среднем на 20%, и повышенных расходов воды в феврале и марте, которые выросли на 40% и 60% соответственно.

В отличие от годового стока рек, многолетние изменения минимального 30-суточного стока рек в последние 30 лет характеризуются как превышением зимних максимумов над ранее наблюденными (1990 год), так и новыми историческими зимними минимумами (2006 год) – рис. 3в. В большинстве случаев колебания минимального 30-суточного стока находятся в пределах экстремумов ранее периода до 1980 года.
Чрезвычайно высокая изменчивость минимального стока рек, наблюдаемая в последние годы, показывает на уменьшение регулирующий роли подземных водоносных горизонтов в питании рек. Это указывает на снижение водно-ресурсного потенциала месторождения
подземных вод Ижорской возвышенности. Водохозяйственный комплекс Санкт-Петербурга разрабатывался и функционирует а оценках водных ресурсов 80-х годов прошлого столетия. Из-за происходящих изменений целесообразно выполнить их переоценку для адаптации объектов водопользования к изменениям климата.

В результате происходящего потепления климата, особенно ярко выраженного в зимний период, происходит изменение сложившегося ранее водообмена между поверхностными и подземными водами. В результате увеличения зимней температуры воздуха, с одной стороны,
происходит увеличение питания подземных вод за счет роста инфильтрации атмосферных осадков, а с другой – улучшение условий дренирования водоносных горизонтов гидрографической сетью.

Ключевым фактором современного состояния зоны активного водообмена является соотношение питания этой зоны (то есть части осадков, проникающих в зону аэрации и насыщенную зону) и разгрузки из нее. Как показывают исследования, в верхних звеньях гидрографической сети в настоящее время преобладает разгрузка подземных вод, а в нижних – приходная составляющая водного баланса. В результате могут одновременно наблюдаться снижение обводненности в приводораздельных зонах и переувлажнение территорий в нижних звеньях гидрографической сети. Это может привести, например, к усыханию деревьев на повышениях рельефа в садах и парках и к активизации заболачивания пониженных участков. Так как уровни грунтовых вод в Санкт-Петербурге расположены близко к поверхности, то их повышение может привести к различным негативным последствиям для инженерной инфраструктуры и капитальных сооружений.

Ввиду необходимости учитывать происходящие изменения водного режима в планировании мероприятий по адаптации хозяйства города к изменениям климата целесообразно развивать городскую сеть комплексного мониторинга поверхностных и подземных вод. В первую очередь, следует обеспечить автоматизированный гидрологический мониторинг для определения изменений уровня воды на малых реках города, которые влияют на затопление жилых территорий (р. Сестра), а также связаны с водоснабжением важных в историческом и культурном контексте водных систем (фонтаны Петродворца, водная система парков Пушкина, Павловска, Гатчины), пруды исторических парков Санкт-Петербурга.