Гидрометеорологические исследования и прогнозы. 2024. № 4 (394). С. 128-145

128

DOI: https://doi.org/10.37162/2618-9631-2024-4-128-145

УДК 556.06+556.5.072+556.56(470.2)

Оценка изменений гидрологического режима

верхового болота с учетом

ожидаемых изменений климата в период до 2060 года

(на примере болота Ламмин-Суо)

А.Д. Журавлева, Л.С. Курочкина, Т.В. Скороспехова

Государственный гидрологический институт, г. Санкт-Петербург, Россия

a.d.zhuravleva@gmail.com

Проведена оценка ожидаемых изменений гидрологического режима типичного

верхового болота Северо-Запада России с учетом различных климатических сцена-

риев. Объектом исследования является верховое болото Ламмин-Суо (Ленинград-

ская область), на котором с 1950 года ведутся регулярные метеорологические и гид-

рологические наблюдения. В рамках исследования процесса формирования стока с

болота использовалась концептуальная гидрологическая модель HBV. Учет возмож-

ных изменений климата в рассматриваемом регионе проводился по данным клима-

тического моделирования проекта CMIP6. Результаты работы представлены в виде

расчетов по двум сценариям социально-экономического развития: SSP2-4.5 и

SSP5-8.5. На основе смоделированных данных об объемах стока с верхового болота

произведена оценка его уровенного режима до 2060 года, а также дан прогноз свя-

занных с ним изменений болотных микроландшафтов.

Ключевые слова: верховые болота, моделирование стока, климатический про-

гноз, изменение климата, болотные микроландшафты

Assessment of changes in the hydrological regime

of a raised bog under conditions

of expected climate change during the period until 2060:

A case study for the Lammin-Suo bog

A.D. Zhuravleva, L.S. Kurochkina, T.V. Skorospekhova

State Hydrological Institute, Saint-Petersburg, Russia

a.d.zhuravleva@gmail.com

The paper assesses expected changes in the hydrological regime of a typical raised bog

in Northwestern Russia, taking into account various climatic scenarios. The object of the

study is the Lammin-Suo raised bog (the Leningrad region), where routine meteorological

and hydrological observations have been carried out since 1950. The HBV conceptual hy-

drological model was used in studying the process of formation of runoff from the bog. For

taking into account expected climate change in the region, an analysis based on the results

of the CMIP6 climate modeling project was carried out. Calculations are presented for two

scenarios of socioeconomic development: SSP2-4.5 and SSP5-8.5. Based on simulated data

on the volume of runoff from the raised bog, its level regime was assessed until 2060, and

a forecast of related changes in bog microlandscapes was given.

Keywords: aised bog, runoff modeling, climate forecast, climate change, bog micro-

landscapes

Журавлева А.Д, Курочкина Л.С., Скороспехова Т.В.

129

Введение

В результате климатических изменений болотные экосистемы претерпе-

вают активную трансформацию [22]. Главным образом эти изменения отража-

ются на уровне и стоке болотных вод, что в дальнейшем влияет на состав рас-

тительности на болоте [21]. Особенно заметны изменения в растительном

покрове верховых болот Северной Европы, где все чаще фиксируется увеличе-

ние доли древесных видов [17]. Изменения климата и естественные процессы

трансформации ландшафтов влияют на торфяные болота, вызывая нестабиль-

ность в их гидрологическом режиме. Одной из ключевых задач является опре-

деление моментов резких изменений в рядах гидрометеорологических данных,

т. н. «точек перелома», где состояние процесса меняется [2]. Для этого необхо-

димы ряды данных, продолжительность которых достаточна для того, чтобы

оценить изменчивость гидрологического режима в условиях изменяющегося

климата.

В представленном исследовании использовались данные гидрометеоро-

логических наблюдений на болотном массиве Ламмин-Суо за период с 1950 по

2021 год. Эти данные позволяют провести надежное сравнение тенденций

осадков, температуры и стока [26]. Моделирование климатических и гидроло-

гических процессов позволяет оценить изменчивость гидрологического

режима болот и оценить их реакцию на изменения климата в перспективе.

Для прогнозирования ожидаемых изменений были использованы сценарии

SSP2-4.5 и SSP5-8.5 проекта CMIP6. Эти сценарии описывают различные пути

развития мировой экономики, социальных структур и потребления энергии.

SSP2-4.5 представляет перспективу с умеренным экономическим ростом и

снижением выбросов парниковых газов, в то время как SSP5-8.5 описывает

быстрый экономический рост и значительные выбросы парниковых газов, ос-

нованные на использовании ископаемого топлива [19].

Целью данного исследования является оценка гидрологического режима

верхового болота в условиях меняющегося климата и прогноз ландшафтных

изменений на основе анализа взаимосвязи уровня болотных вод и расхода

воды.

1. Материалы и методы

1.1. Объект исследования

Болото Ламмин-Суо расположено на Северо-Западе России, на Карель-

ском перешейке, в 8 км от г. Зеленогорск (60.243541º с. ш, 29.815533º в. д.). Это

олиготрофное (верховое) болото, типичное для Карельского перешейка, забо-

лоченность рассматриваемого района составляет 23 % [3]. Болото Ламмин-Суо

относится к резковыпуклым болотным массивам [4], которые являются наибо-

лее распространенными на Северо-Западе России [11].

Болото Ламмин-Суо сформировалось в межкамовой котловине более

7 тысяч лет назад. Длина болотного массива составляет 2 км, ширина – около

130

Гидрометеорологические прогнозы, математическое моделирование

1 км, общая площадь равна 2 км². Купол болота возвышается над его окрай-

ками на 2,5–3 метра. Растительность меняется от центра болота к его краям в

соответствии с направлением стока воды (рис. 1).

Основным источником влаги на болоте являются атмосферные осадки.

Помимо этого, вода поступает на болото за счет склонового стока с камово-

озовой гряды, находящейся на северо-западной окрайке болота. Сток воды с

болота происходит через четыре постоянных и два временных ручья.

С 1950 года на болоте Ламмин-Суо работает экспериментальная болотная

станция Государственного гидрологического института, основной задачей ко-

торой является изучение водного режим верхового болота. Для этого на болоте

и прилегающем суходоле проводятся непрерывные наблюдения за метеороло-

гическими параметрами, а также за элементами водного баланса (испарение,

уровень болотных вод, сток болотных ручьев) [1].

Рис. 1. Расположение пунктов наблюдения на болоте Ламмин-Суо.

Fig. 1. Location of observation points in the Lammin-Suo mire.

1.2. Климатическая модель

Оценка будущих изменений климата для исследуемой территории была

выполнена на основе данных климатического моделирования проекта CMIP6

(CoupledModelIntercomparisonProjectPhase 6) [19]. Расчеты проводились по

двум сценариям социоэкономического развития SSP2-4.5 и SSP5-8.5.

Сценарий SSP2-4.5 (SharedSocioeconomicPathway 2-4.5) представляет со-

бой умеренный сценарий, в котором мировое общество предпринимает меры

Журавлева А.Д, Курочкина Л.С., Скороспехова Т.В.

131

по смягчению изменения климата. По данному сценарию уровень концентра-

ции парниковых газов к 2100 году будет соответствовать 450 мг/л. Сценарий

SSP5-8.5 (SharedSocioeconomicPathway 5-8.5), напротив, представляет собой

экстремальный сценарий, где отсутствуют стратегии ограничения выбросов

парниковых газов, что в итоге приводит к уровню концентрации парниковых

газов 1260 мг/л к 2100 году.

Для оценки изменений климата были использованы средние значения

ежемесячных температур воздуха и количества осадков. Во избежание систе-

матических ошибок, возникающих в связи с использованием нескольких кли-

матических моделей, вместо абсолютных значений оценивались относитель-

ные отклонения климатических характеристик от базового исторического

периода 1995–2014 гг. Исходные метеорологические данные за исторический

период были скорректированы с использованием метода «deltachange» [24] на

величины полученных значений отклонений метеопараметров за каждый ме-

сяц. Метод «deltachange» позволяет избежать ошибок, присущих климатиче-

ским моделям, он предполагает перенос временной динамики исторического

периода на будущее и, таким образом, не учитывает потенциальные будущие

изменения в динамике климата, например, количество сухих и влажных дней

[18].

Для получения месячных отклонений климатических характеристик

использовались данные ансамбля из 33 глобальных климатических моделей.

Месячные отклонения рассчитаны от базового исторического периода 1995–

2014 гг. для двух будущих периодов: 2021–2040 и 2041–2060 гг. [20]. Для обоб-

щения результатов по ансамблю моделей применялась медиана.

1.2. Методы определения точек перелома в рядах данных

Для определения отклонения гидрометеорологических временных рядов

от однородности были выбраны три метода: тест Петтитта (PT) [23], стандарт-

ный тест на нормальную однородность (SNHT) [14], тест на диапазон Буй-

шанда (BR) [16]. Эти три теста могут определить год, в котором однородность

набора данных была нарушена. В то время как тест SNHT выявляет разрывы в

начале и конце временного ряда, два других теста более чувствительны к обна-

ружению разрывов в середине временного ряда. Тесты SNHT и BR предпола-

гают, что данные имеют нормальное распределение. PT не требует этого допу-

щения, поскольку является непараметрическим ранговым тестом и подвержен

меньшему влиянию к выбросам [25]. Все три теста предполагают в соответ-

ствии с нулевой гипотезой, что годовые значения Yi тестируемой переменной

Y независимы и одинаково распределены. В соответствии с альтернативной

гипотезой, тесты SNHT, Буйшанда и Петтитта предполагают, что имеет место

постепенное изменение среднего значения (перелом). Эти три теста позволяют

определить год, в котором вероятен перелом.

При определении точек изменения в рядах гидрометеорологических ха-

рактеристик был принят следующий метод [5, 25]:

132

Гидрометеорологические прогнозы, математическое моделирование

1. Точка изменения не обнаружена: серия гидрометеорологических дан-

ных может рассматриваться как однородная, когда один или не один из тестов

отвергает нулевую гипотезу на значимом уровне 5 %.

2. Точка изменения обнаружена: ряды гидрометеорологических данных

могут иметь сдвиг (точку изменения) или быть неоднородными, когда два или

три теста отклоняют нулевое значение на значимом уровне 5 %.

3. Сомнительный ряд: при значимом уровне 5 % ряд гидрометеорологиче-

ских данных считается сомнительным, когда три теста показывают разные ре-

зультаты.

1.3. Гидрологическая модель

Оценка стока воды с верхового болота Ламмин-Суо была выполнена с ис-

пользованием водно-балансовой концептуальной модели HBV, реализованной

в программе HBV-light 4.0.0.16 [15]. Модель HBV воспроизводит сток воды с

водосбора посредством расчетов накопления и таяния снега, влажности почвы,

подземных вод и времени добегания [15]. Параметры модели назначаются

вручную или с помощью встроенных алгоритмов, исходя из лучших показате-

лей качества (коэффициент Нэша – Саттклифа, критерий Клинга – Гупты,

коэффициент детерминации) [6].

Для расчетов использовались ежедневные данные о температуре воздуха

и осадках, а также значения потенциальной эвапотранспирации, полученные

на основе измерений на болотной станции. Проверочные данные включали

ежедневные расходы воды в замыкающих створах на четырех болотных ру-

чьях (ручьи Южный, Северный, Западный 1 и 2). Калибровка и верификация

модели HBV для болота Ламмин-Суо проводились за последний квазистацио-

нарный период, выделенный на основе анализа однородности гидрометеоро-

логических рядов. Оценка ожидаемых изменений стока с болота за период

с 2021 по 2060 год выполнялась на основе установленных значений параметров

модели за квазистационарный период и данных климатического моделирова-

ния.

1.4. Оценка уровенного режима

Анализ уровенного режима болотных вод основывался на существующей

связи между болотными микроландшафтами и средним годовым положением

болотных вод относительно поверхности. Для верховых болот Северо-

Западного региона России эта связь была обнаружена и подробно изучена

Е.А. Романовой [10] и К.Е. Ивановым [8] во второй половине ХХ века. Со-

гласно установленным взаимосвязям водного режима и болотной растительно-

сти, наименее увлажненные участки, как правило, занимают микроландшафты

лесной группы, а на наиболее влажных участках располагаются мохово-травя-

ные и травяные группы.

Наличие продолжительного ряда наблюдений (1950–2021 гг.) за уровнями

болотных вод и периодически проводившихся геоботанических описаний

Журавлева А.Д, Курочкина Л.С., Скороспехова Т.В.

133

растительности на болоте Ламмин-Суо позволили определить характерные

средние уровни болотных вод для пяти групп микроландшафтов олиготроф-

ных болот. Помимо этого, на тех скважинах, где произошла смена микроланд-

шафта, был произведен дополнительный анализ критических отметок уровней,

при которых происходит смена растительности.

Анализ средних многолетних уровней болотных вод (УБВ) на пяти груп-

пах микроландшафтов показал, что они могут быть разделены на три катего-

рии: 1) с высоким уровнем болотных вод (УБВ от 13 до 14 см ниже поверхно-

сти болота) представлены грядово-мочажинным комплексом и мохово-

травяной группой; 2) со средним уровнем болотных вод (УБВ составляет 22 см

ниже поверхности) – мохово-лесная и моховая группа; 3) с низким уровнем бо-

лотных вод (УБВ 39 см ниже поверхности) – лесная группа.

Средние многолетние УБВ, наблюдавшиеся на разных микроландшаф-

тах болота Ламмин-Суо были сопоставлены с характерными уровнями оли-

готрофных болот Северо-Запада России. Сравнение показало, что средние

уровни болотных вод на болоте Ламмин-Суо и уровни, приведенные в [8–10,

13], имели схожие значения для мохово-лесной, моховой, мохово-травяной и

грядово-мочажинной групп (табл. 1).

Таблица 1. Среднегодовые уровни болотных вод (см) на разных типах микро-

ландшафтов по данным наблюдений на болоте Ламмин-Суо (1950-2021 гг.) и ли-

тературных источников

Table 1. Average annual peatland water levels (cm) on different types of micro-

landscapes according to observations in the Lammin-Suopeatland (1950-2021)

and literary sources

Болото

Ламмин-Суо

Методические

указания

Микро-

ландшафт

средне-

годовые

вегетац.

период*

1971 [13] 2011 [9]

Лесной

-45

-28

-23 ÷ -64 -18 ÷ -59 -30 ÷ -37 -30 ÷ -45 -40 ÷ -46

Мохово-

лесной

−

-33 – -34

−

-17 ÷ -46 -13 ÷ -40

-24 ÷ -33 -20 ÷ -28 -23 ÷ -30 -15 ÷ -30

-13 ÷ -25 -8 ÷ -20 -10 ÷ -16 -5 ÷ -15

-30 ÷ -45

Моховой

-22 ÷ -24

-19

Мохово-

травяной

Грядово-

мочажинный

комплекс

-15 ÷ -20 -11 ÷ -15 -9 ÷ -20

-5 ÷ -30

-24 ÷ -32 -21 ÷ -29

Примечание. *Так как из литературных данных не всегда можно понять, за ка-

кой период проведено осреднение (год и вегетационный период), для болота

Ламмин-Суо средние значения уровней болотных вод были рассчитаны для двух

периодов.

134

Гидрометеорологические прогнозы, математическое моделирование

Для лесной группы амплитуда колебания уровней болотных вод на бо-

лоте Ламмин-Суо была значительно выше, измеренные уровни опускались на

18–27 см ниже литературных данных. Такое расхождение может быть объяс-

нено тем, что данные литературных источников основаны на коротких рядах

наблюдений стационарного климатического периода (1951–1971 гг.), тогда как

наблюдения на болоте Ламмин-Суо охватывают более продолжительный про-

межуток времени, включая период климатических изменений.

Анализ многолетней и внутригодовой изменчивости уровней болотных

вод был выполнен на основе выделенных для каждой их скважин точек пере-

лома, определяющих квазистационарные периоды. Далее полученные пери-

оды сравнивались между собой по среднегодовому и среднемесячным значе-

ниям УБВ.

2. Результаты

2.1. Точки перелома в рядах данных

Анализ однородности и определение точек перелома были выполнены для

среднегодовых значений температуры воздуха, осадков, стока ручьев и уров-

ней болотных вод за период с 1950 по 2021 год. Учитывая длительность наблю-

дений (более 70 лет), была выдвинута гипотеза о существовании более одной

точки перелома в рядах гидрометеорологических характеристик на болоте

Ламмин-Суо. Таким образом, сначала проводился анализ однородности для

временных рядов за полный период наблюдений (с 1950 по 2021 год), а затем,

при обнаружении точки перелома, ряд анализировался с года, в котором было

зафиксировано нарушение однородности до 2021 г. [5]. Тесты на однородность

показали наличие точек перелома во всех гидрометеорологических рядах в

1970–1980-е годы (рис. 2).

В рядах данных годовых сумм атмосферных осадков, стока с болотного

массива, а также уровней болотных вод в центральной части болотного мас-

сива Ламмин-Суо (скв. 103. 104) точка перелома обнаружена в 1978 году. Нару-

шение однородности в ряде данных среднегодовой температуры воздуха было

зафиксировано несколько позже в 1986 г., также в 1986–1989 гг. были отме-

чены точки перелома в уровнях болотных вод скважин, расположенных ближе

к окрайкам болота (скв. 108, 109, 210, 313, 316). Вторая точка перелома была

обнаружена для большинства анализируемых рядов данных (среднегодовая

температура воздуха, сток воды, уровни болотных вод), исключение составили

ряды годовых сумм осадков и уровней болотных вод на центральных скважи-

нах.

Определение точек перелома в рядах гидрометеорологических харак-

теристик болотного массива Ламмин-Суо позволило выявить несколько

квазистационарных периодов за время наблюдений. Анализ рядов осадков,

стока и уровней болотных вод показал первый квазистационарный период

с 1950 по 1978 г. Выделение второго и третьего периода оказалось более

сложным, так как точки перелома появлялись в разных годах с 1993

Журавлева А.Д, Курочкина Л.С., Скороспехова Т.В.

135

по 2017 г. Однако чаще всего эти точки фиксировались в 2005 г., что опре-

делило второй квазистационарный период с 1979 по 2005 г. и третий пе-

риод с 2006 по 2021 год.

Рис. 2. Точки перелома в рядах данных измеренных на болотной метеостан-

ции, сток воды с болота и уровень болотных вод в скважине 109.

Fig. 2. The change points in the data series measured at the peatland weather

station, the runoff from the peatland and the peatland water level in the well 109.

2.2. Климатический прогноз

Ожидается повышение температуры воздуха для всех климатических сце-

нариев, причем наибольший прирост температуры отмечается зимой (до 3,1 °С

по сценарию SSP5-8.5 и 2,7 °С по сценарию SSP2-4.5 к 2041–2060 гг.). Для

осени и лета характерны более низкие отклонения температуры воздуха, со-

ставляющие около 1,8 и 2,5 °С, соответственно, к середине века по сценариям

SSP2-4.5 и SSP5-8.5 (рис. 3).

Наибольшее увеличение осадков зафиксировано в зимний период

(до 10 % по сценарию SSP2-4.5 и 13 % для SSP5-8.5 к 2060 году). Весна и осень

также характеризуются увеличением количества осадков по обоим сценариям.

Оценка отклонений атмосферных осадков летнего периода с использованием

двух радиационных сценариев сопровождается значительной степенью не-

определенности.

136

Гидрометеорологические прогнозы, математическое моделирование

Рис. 3. Отклонения температуры воздуха (ΔT) и количества осадков (ΔP) по

сезонам относительно исторического периода для двух сценариев радиаци-

онного воздействия SSP2-4.5 (оранжевый) и SSP5-8.5 (красный).

Fig. 3. Deviations of seasonal air temperature (ΔT) and precipitation (ΔP) from the

historical period for two scenarios of radiation exposure SSP2-4.5 (orange) and

SSP5-8.5 (red).

Полученные значения отклонений метеопараметров за каждый месяц

были добавлены к первоначальным метеорологическим данным за период

с 1995 по 2014 г., которые затем использовались для моделирования стока с бо-

лота Ламмин-Суо до 2060 года.

3. Гидрологический прогноз

Калибровка и верификация модели HBV для болота Ламмин-Суо про-

водились за период 2006–2021 гг., выделенный как последний квазистаци-

онарный период в процессе анализа однородности рядов данных [2].

Оценка будущего стока с болота Ламмин-Суо за период с 2021 по 2060 г.

проводилась на основе определенных значений параметров модели за ква-

зистационарный период и данных климатического моделирования.

На начальном этапе моделирования стока с болота Ламмин-Суо была про-

ведена калибровка параметров модели за период с 2006 по 2016 г. Полученные

параметры модели использовались в процессе верификации за период с 2017

по 2021 г. Точность расчетов речного стока оценивалась с помощью критериев

NSE, KGE, R². Средние значения этих критериев за период калибровки/вери-

фикации составили: NSE – 0,75/0,63, KGE – 0,77/0,65, R²– 0,76/0,66. Лучшие

результаты были достигнуты для ручья Западного, где критерий NSE превы-

шал 0,8 в течение 10 из 17 расчетных лет, достигая максимального значения

0,89, в то время как минимальное значение составляло 0,41. Максимальное зна-

чение критерия NSE для ручья Южного составило 0,84, а минимальное – 0,33.

При моделировании стока ручья Северного в одном году из 17 расчетных зна-

чение критерия NSE было отрицательным (-0,55), но среднее значение за весь

период расчета составило 0,59, а максимальное значение – 0,88. Таким

Журавлева А.Д, Курочкина Л.С., Скороспехова Т.В.

137

образом, полученные результаты моделирования могут считаться удовлетво-

рительными для всех исследуемых болотных водосборов. Минимальные зна-

чения критериев качества моделирования были зафиксированы в годы с высо-

ким уровнем половодья. Модель HBV для расчета таяния снега использует

коэффициент стаивания, который иногда приводит к ошибкам в расчетах, так

как скорость таяния снега зависит от температуры воздуха нелинейным обра-

зом. Точность расчетов зависит от особенностей погоды в весеннем сезоне, что

не принималось во внимание в данной модели. Более точные результаты

можно получить с использованием моделей, включающих уравнения тепло-

вого баланса снежного покрова в свои алгоритмы [7].

Параметры модели за квазистационарный период (2006–2021) использо-

вались для прогнозирования стока болотных ручьев до 2060 г. Среднегодовые

расходы воды на ручьях Южном и Северном показали положительную дина-

мику в периоды 2021–2040 и 2041–2060 гг. по сравнению с расходами за ква-

зистационарный период (рис. 4). Однако на ручье Западном наблюдается сни-

жение среднегодовых расходов воды в период 2021–2040 гг., после чего

следует небольшое увеличение в период 2041–2060 гг. (табл. 2).

Рис. 4. Рассчитанные (красный) и наблюденные (синий) гидрографы стока

(мм) для ручья Южного (болотный массив Ламмин-Суо) за 2007–2060 гг.

Fig. 4. Calculated (red) and observed (blue) flow hydrographs (mm) for Yuzhnystream

(Lammin-Suomire) for 2007-2060.

138

Гидрометеорологические прогнозы, математическое моделирование

Таблица 2. Среднегодовые расходы воды по ручьям болотного массива

Ламмин-Суо за квазистационарный период наблюдений (2006–2021) и за пери-

оды климатических проекций по сценариям SSP2-4.5 и SSP5-8.5

Table 2. The average annual water runoff by streams of the Lammin-Suo mire for the

quasi-stationary observation period (2006–2020) and for the periods of climatic pro-

jections under scenarios SSP2-4.5 and SSP5-8.5

Qср.

(2006–2021),

см³/с

Qср. (2021–2040), см³/с

Qср. (2041–2060), см³/с

Ручей

SSP2-4.5

18228

5807

SSP5-8.5

18627

5911

SSP2-4.5

19435

6139

SSP5-8.5

19995

6306

Южный

15250

3952

5111

Северный

Западный

4920

5028

5220

5371

4. Анализ и прогноз уровенного режима и ландшафтных

изменений

В зависимости от характера изменений положения уровня болотных вод

относительно поверхности болота скважины можно разделить на пять основ-

ных групп: 1) скважины, на которых отмечался рост УБВ в течении всего года

(скв. 103, 104); 2) скважины, где происходило снижение УБВ в течении всего

года (скв. 109, 210, 313, 316); 3) скважины, на которых рост уровня происходил

в летний период (июнь-сентябрь), а в зимний и весенний периоды(ноябрь-май)

наблюдалось снижение УБВ (скв. 107б); 4) скважины, для которых было выде-

лено три квазистационарных периода, во второй из которых УБВ возрастал в

течении всего года, а в третий период – снижался (скв. 101, 102а); 5) обратный

случай, когда во втором квазистационарном периоде УБВ понизился, а в тре-

тий вырос (скв. 108). На скважине 106 точка перелома не обнаружена, а следо-

вательно, анализ по периодам не производился. Было отмечено, что скважины

в выделенных группах объединяет их месторасположение: группа 1 (скв. 103,

104) – генетический центр или его окрестности; группа 2 (скв. 109, 210, 313,

316) – окрайки болота; группа 3 (скв. 107б) – грядово-мочажинный комплекс;

группа 4 (скв. 101, 102а) – окрайка болота рядом со склоном камовой гряды;

группа 5 (скв. 108) – склоновая часть болота.

Далее рассмотрим наиболее значимые изменения уровенного режима.

Наибольшие изменения произошли на окрайке болота (скв. 210, 313, 316),

здесь падение УБВ наблюдалось в течении всего года. Среднегодовое значение

УБВ понизилось на 10 см (скв. 210), 9 см (скв. 313) и 8 см (скв. 316). На сква-

жинах 210 и313 по значениям УБВ было обнаружено по одной точке перелома,

что означает, что ряд наблюдений для каждой из скважин был разделен на два

квазистационарных периода: 1950–1989, 1990–2021 гг. для скважины 210 и

1950–1986, 1987–2021 гг. для скважины 313. Обе скважины располагаются на

мохово-травяном микроландшафте. Анализ внутригодовой динамики показал,

что в течении года наименьшее понижение УБВ на скважинах 210, 313

Журавлева А.Д, Курочкина Л.С., Скороспехова Т.В.

139

происходило в июле-августе и составляло от 4 до 7 см. Для скважины 316, рас-

положенной в мохово-лесном микроландшафте, было обнаружено три квази-

стационарных периода, в течении которых картина внутригодовой динамики

уровней была не так однозначна. По сравнению со среднемесячными значени-

ями первого периода (1950–1997) во второй период (1998–2011) наибольшее

снижение УБВ, наблюдалось в мае (11 см) и с сентября по декабрь (9-10 см). В

третий период (2012–2021) наибольшее снижение уровня болотных вод,

напротив, отмечалось в весенне-летний период с апреля по июль и изменялось

от 10 до 14 см.

Обратная ситуация наблюдалась в центральной части болота с преоблада-

нием мохового микроландшафта (скв. 104). Здесь в период 1978–2021 гг.

наблюдался рост УБВ. Среднегодовое значение УБВ выросло на 7 см по срав-

нению с более ранним периодом 1950–1978 гг. Наибольшие изменения проис-

ходили с февраля по март, когда среднемесячный рост уровня составил 11 и

14 см соответственно.

Для скважин, на которых за период наблюдений произошла смена микро-

ландшафта, были определены УБВ в период перехода микроландшафта из од-

ной группы в другую и сопоставлены с характерными средними уровнями. Та-

ких скважин было три, две из которых (скв. 101 и 106) оказались не

репрезентативными. На скважине 101 произошла смена микроландшафта от

мохового (1950–1974) к мохово-лесному (1975–2004) и далее к лесному (2005–

2021). Скважина расположена на окрайке болота под склоном камово-озовой

гряды. Склоновый сток оказывает сильное воздействие на водный режим в

данной части болота и делает участок уникальным и не характеризующим про-

цесс смены микроландшафта в других частях болота Ламмин-Суо. В районе

скважины 106 грядово-мочажинный микроландшафт (1950–1969) сменился на

мохово-лесной (1970–2021) за счет постепенной деградации гряд. Среднегодо-

вой УБВ при этом изменился незначительно, понизившись с -15 до -17 см. Это

может означать, что в случае грядово-мочажинного комплекса существенным

фактором смены микроландшафта является не столько положение болотных

вод относительно поверхности, сколько изменение уклона поверхности, опре-

деляющего условия стекания воды.

В районе скважины 109 произошла смена микроландшафта из мохово-

лесной (1950–2004) в лесную группу (2005–2021). Анализ среднегодовых УБВ

показал, что критической отметкой стало значение 50 см ниже поверхности бо-

лота, при условии нескольких последовательно повторяющихся лет с низкими

уровнями.

Среднегодовые уровни болотных вод являются одной из важнейших

характеристик гидрологического режима верховых болот и напрямую свя-

заны с величиной стока с болот. В связи с этим прогноз уровенного режима

болота Ламмин-Суо за 2021–2060 гг. был выполнен на основе результатов

моделирования стока по ручьям, вытекающим с болота за аналогичный

период. Для этого была рассчитана связь годового стока ручьев, вытекаю-

щих с болота, и среднегодовых значений уровней болотных вод за период

140

Гидрометеорологические прогнозы, математическое моделирование

2006–2021 гг. При значении коэффициента корреляции между уровнем бо-

лотных вод и стоком от 0,6 и выше статистическая связь определялась как

надежная с возможностью применения уравнений регрессии. Значимая

связь была определена для 4 из 11 скважин и составила 0,6 – скв. 101, 0,76

– скв. 102а, 0,74 – скв. 103, 0,69 – скв. 104. Все четыре скважины располо-

жены на водосборе ручья Западного (скв. 101, 102а, 103, 104). Для уравне-

ния линейной регрессии каждой из выбранных скважин была рассчитана

погрешность по величине средней ошибки аппроксимации. Погрешность

составила 12 % (скв. 101), 9 % (скв. 102а), 10 % (скв. 103) и 14 % (скв. 104),

и так как ни в одном из случаев она не превышала 15 %, регрессионные

модели были оценены как адекватные. Рассчитанные значения среднего,

максимального и минимального уровней болотных вод за период 2021–

2060 гг. приведены в табл. 3.

Таблица 3. Уровни болотных вод на водосборе ручья Западного (измеренные

и прогнозируемые)

Table 3. Peatland water levels in the Western stream watershed (measured and

predicted)

Скважина

болотных

вод

Тип

Средние годовые уровни болотных вод, см

микроландшафта

макс

ср

мин

Измеренные за период 1950–2021 гг.

101

102а

103

лесной

моховой

-12

-11

-8

-18

-21

-20

-23

-34

104

Прогноз на период 2021–2060 гг. по модели SSP2-4.5

101

102а

103

лесной

-15

-17

-12

-10

-19

-21

-16

-15

-22

-25

-20

моховой

мохово-травяной

104

В период 2021–2060 гг. на скважинах 103, 104, относящихся к цен-

тральной, наиболее возвышенной части болота, прогнозируется рост

уровня болотных вод на 4–5 см. Незначительное снижение уровня болот-

ных вод возможно на скважине 101, расположенной на окрайке болота. На

скважине 102а, находящейся вблизи болотного озера, изменений среднего

уровня болотных вод не ожидается. При этом на всех рассмотренных сква-

жинах прогнозируется рост минимальных уровней болотных вод, от 1 см

на окрайке болота (скв. 101), до 14 см в центральной части (скв. 103, 104).

Журавлева А.Д, Курочкина Л.С., Скороспехова Т.В.

141

Для скважин, расположенных на водосборе ручья Южного, ненадеж-

ность полученных статистических связей может быть объяснена недоуче-

том стока с данной части болота. В восточной части водосбора ручья Юж-

ного с болота вытекает временный водоток, сток из которого ранее

наблюдался только в период весеннего половодья. В последнее десятиле-

тие временный водоток выработал русло и превратился в постоянный.

Кроме того, дополнительный водоток сформировался севернее устья ручья

Южного. Образование новых водотоков может быть причиной снижения

уровней болотных вод в данной части болота.

Заключение

В последние 30 лет на болоте Ламмин-Суо наблюдается снижение

уровня болотных вод на всех скважинах, находящихся на окрайках болот-

ного массива. Это вызвано современными гидроклиматическими процес-

сами, характеризующимися ростом температуры воздуха, сокращением

продолжительности зим, частыми оттепелями в зимний период, отсут-

ствием весеннего половодья. В таких условиях для верховых болот Северо-

Запада минимальный уровень болотных вод может рассматриваться как

критический, то есть определяющий переход одной группы микроланд-

шафта в другую.

Анализ результатов климатического и гидрологического моделирова-

ния показывает несущественную разницу между сценариями SSP2-4.5 и

SSP5-8.5. Разница среднегодовых расходов воды по исследуемым болот-

ным ручьям составила 2–2,5 %. Поэтому для оценки уровенного режима

болота до 2060 г. использовались данные моделирования только по сцена-

рию SSP2-4.5.

По данным моделирования на скважинах 101 и 102а, расположенных

вблизи озер, значительных изменений уровенного режима не ожидается.

На скважинах 103 и 104, расположенных вблизи купола болота, средний

годовой уровень болотных вод вырастет на 4–5 см, при этом минимальный

уровень повысится на 14 см. Такие изменения положения болотных вод

могут привести к смене растительности с моховой на мохово-травяную.

Ожидаемый подъем уровня болотных вод на данном участке болота может

неблагоприятно сказаться на древостое и привести к постепенной гибели

растущих здесь сосен. При этом продолжение облесения прогнозируется

для краевых частей болота, особенно на водосборе Южного ручья, где

сформировавшиеся за последние десятилетние водотоки будут увеличи-

вать разгрузку болота и снижать уровень болотных вод.

По результатам проведенного исследования можно сделать выводы.

1. Современные гидроклиматические процессы вызывают понижение

уровней болотных вод на периферии болотного массива и приводят к не-

значительному повышению уровней в центральной части болота.

2. При смене микроландшафтов в качестве определяющего фактора

может рассматриваться средний минимальный уровень болотных вод.

142

Гидрометеорологические прогнозы, математическое моделирование

3. Несмотря на прогнозируемое изменение уровней болотных вод,

болотные микроландшафты останутся достаточно устойчивыми к ожидае-

мым изменениям климата при оценке водного режима на ближайшие

40 лет.

Список литературы

1. Батуев В.И., Новиков С.М. Гидрометеорологический режим и водный баланс вер-

ховых болот Северо-Запада России. СПб.: Свое Издательство, 2019. 448 с.

2. Болгов М.В., Коробкина Е.А., Филиппова И.А. Байесовский прогноз минимального

стока в нестационарных условиях с учетом возможных изменений климата // Метеорология

и гидрология. 2016. № 7. C. 72-81.

3. Боч М.С., Смагин В.А. Флора и растительность болот Северо-Запада России и прин-

ципы их охраны. СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. 223 с.

4. Галкина Е.А. Болотные ландшафты и принципы их классификации // Сборник науч-

ных работ БИН АН СССР (1941–1943). М.; Л., 1946. С. 139-156.

5. Журавлева А.Д., Скороспехова Т.В. Математическое моделирование стока с оли-

готрофных болот в условиях нарушения стационарности временных рядов (на примере бо-

лота Ламмин-Суо) // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Гид-

рометеорология и физика атмосферы: современные достижения и тенденции развития»,

Санкт-Петербург, 21–23 марта 2023 г. С. 203-207.

6. Журавлева А.Д., Скороспехова Т.В., Курочкина Л.С., Грек Е.Н. Моделирование стока

с верхового болота с использованием сценариев изменения климата до 2060 года (на при-

мере болота Ламмин-Суо) // Пятые Виноградовские чтения. Гидрология в эпоху перемен:

Сборник докладов международной научной конференции памяти выдающегося русского

ученого Юрия Борисовича Виноградова, Санкт-Петербург, 05–14 октября 2023 года. СПб.:

Изд-во ВВМ, 2023. С. 181-186.

7. Журавлева А.Д. Оценка климатообусловленных изменений гидрометеорологиче-

ского режима верховых болот на примере болота Ламмин-Суо // Четвертые Виноградовские

чтения. Гидрология от познания к мировоззрению: Сборник докладов международной науч-

ной конференции памяти выдающегося русского ученого Юрия Борисовича Виноградова,

Санкт-Петербург, 23–31 октября 2020 года. СПб.: Изд-во ВВМ, 2020. С. 72-77.

8. Иванов К.Е. Основы гидрологии болот лесной зоны. Л.: Гидрометеоиздат, 1957.

500 с.

9. СТО ФГБУ ГГИ 08.30-2011. Методические указания по расчетам стока с неосушен-

ных и осушенных болот. 136 с.

10. Романова Е. А. О связи между растительностью, верхними слоями торфяной

залежи и водным режимом верховых болот Северо-Запада // Труды ГГИ. 1960. Вып. 89.

С. 92-122.

11. Романова Е.А. Геоботанические основы гидрологического изучения верховых бо-

лот. Л.: Гидрометеоиздат, 1961. 214 с.

12. Скороспехова Т.В., Журавлева А.Д., Батуев В.И. Трансформация гидрологического

режима олиготрофного болота Ламмин-Суо при климатических изменениях и смена мик-

роландшафтов как результат естественной эволюции болотного массива // Материалы кон-

ференции «XII Галкинские Чтения – Типы болот регионов России», Санкт-Петербург,

3 февраля 2023 г. СПб: БИН РАН, 2023. С. 98-101.

13. Указания по расчетам стока с неосушенных и осушенных верховых болот. Л.: Гид-

рометеоиздат, 1971. 84 с.

14. Alexandersson H. A homogeneity test applied to precipitation data // Journal of

Сlimatology. 1986. Vol. 6, no. 6. P. 661-675.

15. Bergström S. The HBV model // Computer Models of Watershed Hydrology, edited by

Singh V.P. Water Resources Publications, Highlands Ranch, Colorado, USA, 1995. P. 443-476.

Журавлева А.Д, Курочкина Л.С., Скороспехова Т.В.

143

16. Buishand Т.А. Some methods for testing the homogeneity of rainfall records // Journal

of Hydrology. 1982. Vol. 58, is. 1–2. P. 11-27.

17. Edvardsson, J., Hansson, A. Multiannual hydrological responses in Scots pine radial

growth within raised bogs in southern Sweden // Silva Fennica. 2015. Vol. 49, no. 4. DOI:

10.14214/sf.1354.

18. Graham L.P., Andréasson J., Carlsson B. Assessing climate change impacts on hydrologyfrom

an ensemble of regional climate models, model scales and linking methods–a case study on the Lule River

basin // Climatic Change. 2007. Vol. 81 (S1). P. 293-307. DOI: 10.1007/s10584-006-9215-2.

19. IPCC. Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Summary for Policymakers / Work-

ing Group I Contribution of to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate

Change. IPCC, Geneva, Switzerland, 2021. 39 p.

20. IPCC WGI Interactive Atlas. https://interactive-atlas.ipcc.ch/

21. Joosten H., Sirin A., Couwenberg J., Laine J., Smith P. The role of peatlands in climate

regulation. Peatland Restoration and Ecosystem Services: Science, Policy and Practice // Ecologi-

cal Reviews. Cambridge: Cambridge University Press, 2016. P. 63-76.

22. Nancy B.D. Peatland Response to Global Change // Science. 2009. Vol. 326 (5954).

P. 810-811. DOI: 10.1126/science.1174268

23. Pettit A.N. A Non-Parametric Approach to the Change-Point Problem // Journal of the Royal

Statistical Society. 1979. Series C (Applied Statistics). Vol. 28 (2). P. 126-135. DOI: 10.2307/2346729.

24. Teutschbein C., Seibert J. Bias correction of regional climate model simulations for hydrologi-

cal climate-change impact studies: Review and evaluation of different methods // Journal of Hydrology.

2012. Vol. 456. P. 12-29.

25. Wijngaard J., Tank A., Können G. Homogeneity of 20th Century European Daily

Temperature and Precipitation Series // International Journal of Climatology. 2003. Vol. 23.

P. 679-692.

26. Zhuravleva A.D., Terekhov A.V., Skorospekhova T.V., Batuev V.I., Kurochkina L.S.,

Chepikova S.S., Yahlakov B.V. Long-term hydrometeorological observations (1952–2020) at the

Lammin-Suo Peatland Station, north-west Russia // Mires and Peat. 2024. Sep. 2, 31 pp. DOI:

10.19189/MaP.2023.

References

1. Batuev V.I., Novikov S.M. Gidrometeorologicheskiy rezhim i vodnyy balans verhovyh bo-

lot Severo-Zapada Rossii [Hydrometeorological regime and water balance of the raised bogs of

the North-West of Russia], Saint-Petersburg, Svoe Izdatel'stvo publ., 2019, 448 p. [in Russ]

2. Bolgov M.V., Korobkina E.A., Filippova I.A. Bayesian prediction of minimum river runoff

under nonstationary conditions of future climate change. Russ. Meteorol. Hydrol., 2016, vol. 41,

pp. 497-503. DOI: 10.3103/S1068373916070074.

3. Boch M.S., Smagin V.A. Flora i rastitel'nost' bolot Severo-Zapada Rossii i principy ih

ohrany [Flora and vegetation of peatlands of the North-West of Russia and the principles of their

protection], Saint Petersburg, Gidrometeoizdat publ., 1993, 223 p. [in Russ]

4. Galkina E.A. Bolotnye landshafty i principy ih klassifikacii [Peatlands landscapes and the

principles of their classification]. Sbornik nauchnyh rabot BIN AN SSSR (1941-1943) [Collection

of scientific papers of the BIN of the USSR Academy of Sciences (1941-1943)], Moscow, 1946,

pp. 139-156 [in Russ]

5. Zhuravleva A.D., Skorospekhova T.V. Mathematical modeling of runoff from oligotrophic

peatlandsin conditions of violation of the stationarity of time series (on the example of the Lam-

min-Suomire). Materials of the All-Russian Scientific and Practical Conference "Hydrometeorol-

ogy and atmospheric physics: modern achievements and development trends", St. Petersburg,

March 21-23, 2023. pp. 203-207 [in Russ].

6. Zhuravleva A.D., Skorospekhova T.V., Kurochkina L.S., Grek E.N. Modelirovanie stoka s

verhovogo bolota s ispol'zovaniem scenariev izmeneniya klimata do 2060 goda (na primere bolota

Lammin-Suo) [Modeling runoff from a raised bog using climate change scenarios up to 2060

144

Гидрометеорологические прогнозы, математическое моделирование

(on the example of the Lammin-Suomire)]. Fifth Vinogradov readings. Hydrology in the era

of change: A collection of reports of the International scientific conference in memory of the

outstanding Russian scientist Yuri BorisovichVinogradov, St. Petersburg, October 05-14, 2023.

St. Petersburg: VVM Publishing House, LLC, 2023, pp. 181-186 [in Russ]

7. Zhuravleva A.D. Ocenka klimatoobuslovlennyh izmeneniy gidrometeorologicheskogo

rezhima verhovyh bolot na primere bolota Lammin-Suo [Assessment of climate-related changes

in the hydrometeorological regime of raised bogs on the example of the Lammin-Suomire]. The

Fourth Vinogradov Readings. Hydrology from cognition to worldview: a collection of reports of

the international scientific conference in memory of the outstanding Russian scientist Yuri Boriso-

vich Vinogradov, St. Petersburg State University, October 23–31, 2020, St. Petersburg: VVM Pub-

lishing House, LLC, 2020, pp. 72-77 [in Russ]

8. Ivanov K.E. Osnovy gidrologii bolot lesnoy zony [Fundamentals of hydrology of the forest

zonepeatlands], Leningrad, Gidrometeoizdat publ., 1957, 500 p. [in Russ]

9. Roshydromet, STO FGBI GGI 08.30-2011. Metodicheskie ukazaniya po raschetam stoka

s neosushennyh i osushennyh bolot [Methodological guidelines for calculating runoff from non-

drained and drained peatlands]. Roshydromet, [Ministry of Natural Resources and Ecology of the

Russian Federation. Federal Service for Hydrometeorology and Environmental Monitoring], 2011,

136 p. [in Russ]

10. Romanova E. A. On the relationship between vegetation, the upper layers of a peat

deposit and the water regime of the raised bogs of the North-West. Trudi GGI, 1960, no. 89, pp. 92-

122 [in Russ]

11. Romanova E.A. Geobotanicheskie osnovy gidrologicheskogo izucheniya verhovyh bolot

[Geobotanical foundations of hydrological study of raised bogs], Leningrad, Gidrometeoizdat

publ., 1961, 214 p. [in Russ]

12. Skorospekhova T. V., Zhuravleva A.D., Batuev V. I. Transformaciya gidrologicheskogo

rezhima oligotrofnogo bolota Lammin-Suo pri klimaticheskih izmeneniyah i smena mikroland-

shaftov kak rezul'tat estestvennoy evolyucii bolotnogo massiva [Transformation of the hydrologi-

cal regime of the oligotrophic mireLammin-Suo under climatic changes and the change of micro-

landscapes as a result of the natural evolution of the peatlandmassif]. Materials of the conference

"XII Galkin Readings – Types of miresof the regions of Russia", St. Petersburg: BIN RAS publ.,

2023, pp. 98-101 [in Russ]

13. Instructions on the calculation of runoff from non-drained and drained raised bogs.

Leningrad, Gidrometeoizdat publ., 1971, 84 p. [in Russ]

14. Alexandersson H. A homogeneity test applied to precipitation data. Journal of

Сlimatology, 1986, vol. 6, no. 6, pp. 661-675.

15. Bergström S. The HBV model. Computer Models of Watershed Hydrology, edited by

Singh V.P. Water Resources Publications, Highlands Ranch, Colorado, USA, 1995, pp. 443-476.

16. Buishand Т.А. Some methods for testing the homogeneity of rainfall records. Journal of

Hydrology, 1982, vol. 58, no. 1-2, pp. 11-27.

17. Edvardsson, J., Hansson, A. Multiannual hydrological responses in Scots pine radial

growth within raised bogs in southern Sweden. Silva Fennica, 2015, vol. 49, no. 4.

DOI: 10.14214/sf.1354.

18. Graham L.P., Andréasson J., Carlsson B. Assessing climate change impacts on hydrologyfrom

an ensemble of regional climate models, model scales and linking methods–a case study on the Lule River

basin. Climatic Change, 2007, vol. 81 (S1), pp. 293-307. DOI: 10.1007/s10584-006-9215-2.

19. IPCC. Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Summary for Policymakers. Work-

ing Group I Contribution of to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate

Change. IPCC, Geneva, Switzerland, 2021. 39 p.

20. IPCC WGI Interactive Atlas. Available at: interactive-atlas.ipcc.ch/

21. Joosten H., Sirin A., Couwenberg J., Laine J., Smith P. The role of peatlands in climate

regulation. Peatland Restoration and Ecosystem Services: Science, Policy and Practice. Ecological

Reviews. Cambridge: Cambridge University Press, 2016, pp. 63-76.

22. Nancy B.D. Peatland Response to Global Change. Science, 2009, vol. 326 (5954),

pp. 810-811. DOI: 10.1126/science.1174268

Журавлева А.Д, Курочкина Л.С., Скороспехова Т.В.

145

23. Pettit A.N. A Non-Parametric Approach to the Change-Point Problem. Journal of the Royal

Statistical Society, 1979, Series C (Applied Statistics), vol. 28 (2), pp. 126-135. DOI: 10.2307/2346729

24. Teutschbein C., Seibert J. Bias correction of regional climate model simulations for hydrologi-

cal climate-change impact studies: Review and evaluation of different methods. Journal of Hydrology,

2012, vol. 456, pp. 12-29.

25. Wijngaard J., Tank A., Können G. Homogeneity of 20th Century European Daily

Temperature and Precipitation Series. International Journal of Climatology, 2003, vol. 23,

pp. 679-692.

26. Zhuravleva A.D., Terekhov A.V., Skorospekhova T.V., Batuev V.I., Kurochkina L.S.,

Chepikova S.S., Yahlakov B.V. Long-term hydrometeorological observations (1952–2020) at the

Lammin-Suo Peatland Station, north-west Russia. Mires and Peat, 2024, Sep. 2, 31 p. DOI:

10.19189/MaP.2023.

Поступила 03.07.2024; одобрена после рецензирования 02.12.2024;

принята в печать 10.12.2024.

Submitted 03.07.2024; approved after reviewing 02.12.2024;

accepted for publication 10.12.2024.