Львович М.И. Мировые водные ресурсы и их будущее

Подождите немного. Документ загружается.

перерыв, и новая карта для этой страны появилась лишь почти

через 40 лет (Low Dams, 1938).

Что же в это время происходило в других странах? Судя по

общим, не претендующим на полноту впечатлениям, сложившим-

ся на основании систематического ознакомления с иностранной

литературой, карт речного стока по более или менее значитель-

ным территориям почти не появлялось. И это находит свое объ-

яснение именно в том, что во многих странах в указанное время

существовала довольно густая сеть гидрологических станций, по-

зволившая решать практические задачи непосредственно по дан-

ным наблюдений, не прибегая к интерполяционным приемам.

В необходимых случаях применялись другие приемы интерполя-

ции, но особой нужды в гидрологических картах не было. Такой

подход в какой-то мере был оправдан практическими задачами,

но ограничивал возможности исследования генезиса и изучения

географических закономерностей гидрологических явлений, ко-

торые наряду с вкладом в развитие теории науки, несомненно,

открывали новые перспективы и для углубления практических

решений. Вероятно, по этим причинам после 50-х годов появи-

лись карты по многим странам, в том числе и по странам, рас-

полагавшим хорошей сетью гидрологических станций, но прежде

не прибегавших к такому методу обобщения гидрологических

материалов. Приведу несколько примеров: карты стока Болга-

рии (Маринов и др., 1959; Русев, 1961), Румынии (Ujvari, 1959;

«Monografia Geografica...», 1960), США (Low Daws, 1938; «Na-

tional Atlas...», 1970), Индии (Khosla, 1960), Австралии («Surfa-

ce water...», 1967), Канады («Hydrological Atlas...», 1969) и неко-

торых других стран.

Продолжало развиваться и гидрологическое картографирова-

ние в СССР. Была опубликована сравнительно крупного масшта-

ба (1 :5000 000) карта стока СССР (Воскресенский, 1962), хотя

и без больших подробностей. Затем в Институте географии АН

СССР в процессе подготовки серии изданий по географии от-

дельных районов СССР («Природные условия... СССР», 1963—

1972) под руководством автора почти для всех районов СССР

составлялись карты речного стока и других элементов водного

баланса с использованием всех имевшихся исходных материалов

и с применением различных интерполяционных методов, позво-

лявших уточнить и детализировать карты на основании различ-

ных физико-географических признаков. Эта большая работа бы-

ла обобщена для всего Советского Союза (Дрейер, 1969). Еще

раньше были составлены едва ли не наиболее сложные в мето-

дическом отношении карты стока горных районов Кавказа (Зай-

ков, 1946-6; Владимиров, 1962, 1970; Владимиров и др., 1964;

Кашкай, 1966, 1973; Рустамов и др., 1969) и Средней Азии

(Шульц, 1964, 1965). Следует также упомянуть обобщенные све-

дения об особенностях водного баланса горных районов

М. И. Львовича (Урал), Н. Н. Дрейер (Кавказ), Е. И. Куприя-

новой (Алтай) и И. Д. Цигельной (Средняя Азия) (см. «Водный

баланс СССР...», 1969), о которых упоминалось в предыдущем

разделе. Здесь можно ограничиться перечисленными примерами,

а желающих подробнее ознакомиться с развитием представле-

ний о речном стоке горных районов отсылаем к книге, специаль-

но посвященной этой проблеме (Владимиров, 1960).

Итак, методу картографирования принадлежит существенная

роль в гидрологии. Он способствовал развитию гидрологической

науки, несомненно, в более широких рамках, чем здесь осве-

щается, так как за пределы настоящей главы выходит картогра-

фирование других гидрологических явлений и элементов режи-

ма. Так, этот метод применялся для гидрографического карто-

графирования, например, густоты речной сети, типологических

особенностей водного и ледового режима, гидрохимии речных

вод, твердого стока и др. Некоторые из этих вопросов будут ос-

вещены в гл. VI.

Теперь нам остается кратко охарактеризовать основные тре-

бования, предъявляемые к картографированию в гидрологии.

Прежде всего остановимся на выборе масштаба карты, который

не может приниматься произвольно, а зависит от нескольких ус-

ловий. Основное из них — соответствие выбранного масштаба

карты сущности явления, подлежащего картографированию.

Если задача заключается в обобщении гидрологических явлений

зонального плана, о чем идет речь в этой книге, то предпочтение

отдается мелким масштабам карт. Вместе с тем для картогра-

фирования гидрологических явлений внутризонального плана

карты мелкого масштаба, как правило, непригодны.

Иллюстрируем это на примере элементов водного баланса,

например речного стока. Характеризуя внутризональные особен-

ности стока, приходится учитывать его скачкообразные измене-

ния на границах угодий. При переходе, например, от Поля к ле-

су сток резко уменьшается. Для того чтобы карта отражала эту

закономерность, ее масштаб должен быть крупным, приблизи-

тельно порядка 1:10 000— 1:500 000, иногда и крупнее. Для

этих целей, правда, могут служить и мелкомасштабные карты,

каждая из которых характеризует одну из внутризональных

гидрологических особенностей. Но для речного стока зонально-

го плана, т. е. по данным о речном стоке с водосборов площадью

сотни и тысячи квадратных километров, в пределах которых

сток формируется на разных угодьях, в различных почвенных

условиях, наконец, в условиях различных антропогенных воз-

действий на почву и растительность, подход к картографирова-

нию должен сообразоваться с тем фактом, что сток, измеряемый

в замыкающем створе, представляет собой интегральную

характеристику совокупности условий всего речного бас-

сейна. Для таких элементов гидрологического режима круп-

номасштабное картографирование в пределах указанных мас-

штабов лишено смысла, поэтому предпочтение отдается относи-

тельно мелким масштабам, во всяком случае менее 1 :

000 000.

Но и при картографировании элементов водного баланса зональ-

ного плана может потребоваться относительно более крупно-

масштабная карта. Это, например, относится к горным районам,

где условия высотной поясности подвергаются контрастным из-

менениям по территории. Наоборот, для равнинных условий

можно ограничиться более мелким масштабом, поскольку изме-

нения по территории чаще всего происходят плавно и расстояние

между изолиниями получается достаточным для чтения и мелко-

масштабной карты.

Далее, выбор масштаба карты зависит также от насыщен-

ности ее исходными данными. Например, упомянутая первая

карта речного стока Европейской части СССР была составлена

Д. И. Кочериным по 34 точкам в масштабе около 1 :25 000 000,

но через десять лет Б. Д. Зайков и С. Ю. Белинков располагали

уже для этой же территории данными о речном стоке по

550 створам и поэтому в качестве основы приняли карту в мас-

штабе 1:5000000. Такой порядок масштаба воднобалансовых

карт возможен, конечно, для отдельных стран, но для земного

шара в целом, сообразуясь с крайне неравномерной гидрологи-

ческой изученностью, поневоле приходится ориентироваться на

карты значительно более мелкого масштаба.

Варианты карт элементов водного баланса, представленные

автором для данной монографии, составлялись по отдельным

материкам на основах, масштабы которых колебались в преде-

лах 1 : 15 000 000—

:20 000 000. Эти карты сводились (с соответ-

ствующей генерализацией) в рабочем варианте на карту мира мас-

штаба 1 : 40 000 000, с тем чтобы издать в масштабе 1 : 75 000 000.

К сказанному нужно еще добавить, что при картографирова-

нии элементов водного баланса по речным бассейнам их вели-

чины относят к геометрическому центру водосбора. Если река

велика и условия формирования водного баланса в пределах ее

бассейна разнообразны (например, часть бассейна занята гора-

ми), отнесение величины к центру водосбора становится неправо-

мерным. В таких случаях теоретически правильнее эти величины

привязывать к точке среднего взвешенного стока, но практически

это сделать невозможно, так как потребовало бы знания распре-

деления речного стока по территории еще до составления карты.

Остается еще сказать о выборе сечения для изолиний. Более

или менее общепринятым принципом в этом вопросе является

сопоставление степени наличия гидрологических данных для тер-

ритории со степенью заданной генерализации карты. При со-

ставлении карт, приведенных в следующей главе, мы стремились

показать главнейшие черты распределения элементов водного

баланса территории в пределах материков. Что касается карты

полного речного стока, то по сравнению с прежними моими кар-

тами для более полной характеристики районов с минимальным

стоком к изолинии 50 мм добавлены изолинии 20 и 10 мм. Для

характеристики же районов максимального стока изолиния

1500 мм оставлена без изменений по следующим соображениям: в

равнинных районах, где сток более 1500 мм (например, в бас-

сейне Амазонки), исходных данных недостаточно, чтобы выде-

лить изолинии более высоких значений. В горных же районах, а

в ряде случаев и в равнинных помимо недостаточности исходных

данных необходимо учитывать, что районы со стоком более

.2000 — 3000 мм охватывают сравнительно небольшие площади и

выделить их в принятых масштабах практически невозможно.

Сказанное здесь о приемах, примененных при составлении

карт, помещенных в настоящей книге, необходимо для разъясне-

лия картографических принципов, положенных в основу. Кроме

того, изложенное может служить и материалом для выработки

общих методических приемов гидрологического картографиро-

вания.

ПУТИ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ВОДНОГО БАЛАНСА СУШИ

В заключение главы уместно кратко осветить уровень предло-

женного мною метода изучения водного баланса суши в сравне-

нии с другими и высказать соображения о путях дальнейшего

его развития.

Конечно, взаимосвязь шести элементов водного баланса, хотя

еще пока определяемых приближенно, представляет большие

преимущества в сравнении с прежним методом, устанавливаю-

щим взаимосвязь только трех элементов. Но прежний метод, ос-

нованный на уравнении P = R+E

еще широко используется, во

всяком случае пока еще больше, чем предложенный мною метод.

Вместе с тем некоторые авторы, когда речь идет о глобальных

исследованиях речного стока, выражают недоверие выводам, ос-

нованным на обобщении имеющихся материалов гидрометриче-

ских наблюдений на реках, и ищут другие пути расчетов мирово-

го речного стока. Примером может служить исследование изве-

стного американского гидролога Р. Л. Нейса (Nace, 1971), пред-

ложившего оригинальный и интересный прием расчетов мирово-

то речного стока, но, несомненно, по точности уступающий обоб-

щению непосредственных данных по стоку, даже несмотря на

большие пробелы в гидрологической изученности. Эти пробелы,

как было подчеркнуто, восполняются с помощью интерполяцион-

ных кривых и методов картографирования. Но прием Р. Л. Ней-

са, основанный на интегрировании расходов воды рек различных

порядков, устанавливаемых по убывающим степеням расходов,

не только не совсем точен (суммарный расход воды всех рек су-

ши оценен в 924 тыс. м

/сек, что преуменьшено на 7з)> но и не по-

зволяет оценить другие важные для теории науки и практики

компоненты водного баланса, как подземный сток в реки или ре-

сурсы почвенной влаги, а также не дает возможности охаракте-

ризозать и распределение полного речного стока по территории..

В этом отношении прием, примененный Р. Фрицше (Fritzsche,,

1906), а затем И. Марчинеком (Marcinek, 1964, 1966), заключаю-

щийся в обобщении имеющихся данных по речному стоку по 10-

и 5-градусным широтным поясам, обладает известными преиму-

ществами в сравнении с указанным приемом. Хотя, повторяю,

нельзя не отдать должного его новизне и оригинальности.

Теперь несколько слов о будущем развитии исследований и

обобщений водного баланса суши и его отдельных частей: от ее

наиболее крупных единиц — материков и частей света до отдель-

ных речных бассейнов и стран. Именно не только речных бассей-

нов, что наиболее правильно исходя из основ теории гидрологи-

ческой науки, но и для стран, границы которых чаще всего не

совпадают с границами речных бассейнов, но такие расчеты

вполне оправданны по соображениям ресурсным и экономиче-

ским. И для условий будущего основой для оценки водных ре-

сурсов, несомненно, будет служить балансовый метод, а средст-

вом обобщения гидрологических данных — картографирование..

Но для этого потребуется не только больший объем исходных ги-

дрологических данных, восполняющих современные «белые пят-

на», но также и более совершенные приемы интерполяции. Необ-

ходимость в последних, как можно полагать, сохранится, в связи

с тем что при самой подробной гидрологической изученности

нельзя преодолеть излишнюю репрезентативность гидрологиче-

ских наблюдений, отражающих интегральные условия какой-

либо площади — речного бассейна. В связи с укрупнением мас-

штабов карт гидрологические данные потребуется картографиро-

вать с большей детализацией и с учетом большего количества

факторов, влияющих на водный баланс. Другими словами, при

большем объеме исходных данных повысятся требования к их

точности и потребуется большая дифференциация их в зависи-

мости от комплекса влияющих факторов. Это говорит о том, что

интерполяционные методы не отомрут, необходимость в них со-

хранится. Но метод, несомненно, будет более совершенным. По-

пытаемся представить основные направления его усовершенство-

вания.

Нельзя не учитывать, что современные даже наиболее совер-

шенные приемы интерполяции основаны на более или менее слу-

чайно подобранных данных и еще недостаточно дифференциро-

ваны на основании признаков влияющих факторов. Для иссле-

дований такого характера, исходящих из массовых данных, учи-

тывающих большой диапазон факторов, уже нельзя будет обой-

тись без применения электронно-вычислительной техники. Но для

этого требуется дальнейшее повышение теоретического уровня

гидрологической науки. В данном случае речь идет о теории ге-

нетических взаимосвязей между элементами водного баланса, с

одной стороны, и обусловливающими их факторами — с другой.

Необходимость постановки такой задачи вполне очевидна, так

как результаты применения электронно-вычислительной техники

зависят от уровня теории. В качестве реальной основы для реше-

ния этой задачи может послужить система уравнений водного ба-

ланса, предложенная мною (см. стр. 76—77), которая по мере

развития знаний о процессах водообмена в речных бассейнах мо-

жет быть развита путем введения дополнительных факторов, на-

пример учета зависимости устойчивого речного стока не только от

подземного стока в реки, как это решается и в настоящее время,

но также и от руслового регулирования. Дальнейшее уточнение

может быть также достигнуто в результате учета межбассейно-

вой циркуляции подземных вод и их субмаринной разгрузки.

К этому нужно добавить широкий диапазон влияющих факторов.

Если сейчас ряд факторов поддается учету лишь в скрытом ви-

де— в ряду комплекса зональных условий, то в дальнейшем не-

обходимо стремиться к выявлению их в явном виде — в зависи-

мости от инфильтрационных свойств почвы, растительности, гео-

логических особенностей, антропогенных факторов и тому подоб-

ных условий. Наконец, возможно расширение системы уравне-

ний за счет взаимосвязи речного и атмосферного звеньев круго-

ворота воды, что вполне реально в связи с упомянутыми выше

исследованиями О. А. Дроздова и Г. П. Калинина.

Решение системы уравнений при таком значительном числе

переменных с учетом местных условий, несомненно, явится зада-

чей, достойной применения электронно-вычислительной техники.

Отдельные попытки в этом направлении уже сделаны. Мето-

дический интерес, несомненно, представляет исследование С. Ма-

набе и Л. Холловея (Manabe and Holloway, 1971), поставивших

задачу построить с помощью ЭВМ карты осадков мира, почвен-

ной влажности, при которой начинается сток, а также стока.

Картографирование двух последних элементов, интересующих

нас в этой работе, производилось не непосредственно на основа-

нии стокообразующих факторов или факторов испарения, а на-

чиная с более отдаленных факторов, по существу с климатооб-

разующей мировой системы циркуляции атмосферы. Прежде чем

подойти к совместному решению водного и теплового баланса

поверхности суши, авторы этого интересного исследования про-

следили весь ход циркуляции атмосферы, а также переноса па-

ра и радиации, которые позволили им получить вычисленные по

модели несколько вариантов карт осадков мира. Их сходство с

действительным распределением осадков на земном шаре весьма

обнадеживающе, но далеко еще от той точности, которая требу-

ется для расчетов элементов водного баланса суши.

Что касается расчета водного баланса суши, то он произво-

дился приблизительно по схеме М. И. Будыко (1956), но расчет

был усложнен тем, что он учитывал почвенную влажность, при-

мерно соответствующую началу стока. Это, конечно, очень суще-

ственное дополнение; без него нельзя подойти к оценке инфильт-

рации— основного процесса, от которого зависит не только сток

Климат

Растительность

Приход

тепла

Атмос-

ферные

осадки

Почва

Продуктив-

ность биосфе-

оы ^

\ 1 7

Рельеф

Микро-

формы

Макро-

формы

Антропогенные воздействия

Испарение

Тран-

спира-

почвы

ция

/\ъОДУ\

Субмаринная

Подземный

разгрузка

сток в реки

Рис. 21. Блок-схема взаимодействия основных процессов формирования

водного баланса

и питание подземных вод, но частично и испарение. Тем не менее

и при этом условии полученная карта стока вряд ли может быть

признана удачной. Ее положительная сторона заключается в том,

что она в какой-то мере, но более качественно пока-

зывает очаги высокого стока в тропическом поясе, отчасти в Се-

верной Америке, однако для Европы и Юго-Западной Азии не

получено даже приближенного сходства с действительным рас-

пределением стока по территории: он сильно преувеличен. Но

главное отклонение от фактического стока состоит в том, что

приблизительно для

/з суши по этой карте стока нет, в том чис-

ле и для тех районов, где он в действительности значителен и где

формируется немногим менее половины мирового речного стока.

Все же результат нельзя считать разочаровывающим. Заслужи-

вает внимания тот факт, что на основании системы уравнений

гидродинамики и термодинамики получены данные, показываю-

щие в общем удовлетворительное распределение осадков. Такой

результат, несомненно, служит признаком надежности теории

циркуляций атмосферы. Вместе с тем неудовлетворительный ре-

зультат второй части задачи говорит о недостаточности тех пред-

посылок, которые приняты в основу расчетов карты стока по

осадкам. Схематизация в данном случае, по-видимому, чрезмерна.

Это особенно относится к почвенным факторам водного балацса,

которым после климата принадлежит ведущая роль в формиро-

вании элементов водного баланса. Кроме инфильтрационной спо-

собности почвы чрезвычайно важно учитывать ее водбудержи-

вающую способность (см. рис. 2 на стр. 44). Очень важно учи-

тывать геоботанические условия, а также совокупность антро-

погенных воздействий на почву (земледелия, агролесомелиора-

ции, гидромелиорации) и искусственное управление влажностью

почвы. Немалая роль принадлежит и геологическому фактору,

особенно морфологии подземных вод. Подземный сток в реки,

как было сказано, в основном представляет собой зональный

фактор, однако экстремальные геологические условия и морфо-

логия подземных вод могут внести существенные изменения в

ход процессов питания рек подземными водами, хотя, как я пред-

полагаю (см. стр. 40), небольшая, но определенная роль в ба-

лансе вод суши принадлежит разгрузке подземных вод непо-

средственно в океан, минуя реки.

Эти соображения, так же как и все сказанное выше о моей

системе уравнений водного баланса и о процессах, свя-

занных с круговоротом воды, обобщены на схеме основных ком-

понентов модели водного баланса суши (рис. 21). Эта схема, по-

мещенная с дополнениями К. Е. Иванова, наглядно показывает,

что при моделировании водного баланса суши большое место

принадлежит процессам и явлениям, не зависимым или слабо

зависимым от климата, таким, например, как инфильтрационная

способность почвы. Здесь уместно вспомнить о том, что почве

принадлежит роль посредника между климатом и рекой (реч-

ным стоком), климатом и водным балансом суши (Львович,

1963). Почти ни одно гидрологическое явление не происходит,

минуя почву. Почва по существу трансформирует явления метео-

рологические в процессы и явления гидрологические.

Блок-схема на рис. 21 развивает и детализирует схему взаи-

модействия речного стока с четырьмя компонентами природы

(климатом, почвой, растительностью и рельефом), опубликован-

ную мною ранее (Львович, 1963). Прежняя схема исходила из

полного речного стока и не учитывала процессов трансформации

осадков в поверхностный и подземный сток. Если их учесть, то

схема существенно усложняется, но вместе с тем приближает нас

к истине, к процессам формирования водного баланса, происхо-

дящим в природе.

Схема показывает, что почва влияет на поверхностный сток

и на питание подземных вод через процесс инфильтрации и ва-

ловое увлажнение территории. Но аналогичные влияния на ин-

фильтрационную способность почвы, а также на почву непо-

средственно оказывают климат (атмосферные осадки) и расти-

тельность. Под влиянием теплоприходных элементов климата и

увлажненности почвы происходит испарение—транспирация и ис-

парение непосредственно с почвы. По схеме мы прослеживаем

не всегда принимаемое во внимание влияние почвы и раститель-

ности на испарение. Очевидно также происхождение подземного

стока в реки, которое связано не только с иногда переоценивае-

мой морфологией подземных вод, но также и с зональными кли-

матическими и почвенными условиями.

Чрезвычайно важно учитывать, что большая часть главных

компонентов природы влияет на водный баланс и сток, прелом-

ляясь через антропогенные воздействия, играющие весьма суще-

ственную роль в формировании гидрологических процессов и яв-

лений.

Эта теоретическая схема составлена в зональном плане, но,

учитывая значение макроформ рельефа, она может быть приме-

нена и для закономерностей высотной поясности.

Чтобы применить схему для расчетов и картографирования

элементов водного баланса, в том числе и речного стока и его

составляющих — подземного и поверхностного стока, необходимо

математическое моделирование процессов формирования водного

баланса. А для этого требуется усиление внимания теоретиче-

ским и экспериментальным исследованиям этих процессов: ин-

фильтрации, увлажненности почвы, подземного стока в реки, по-

верхностного стока и т. д. Решение этой задачи, несомненно,

осуществимо, но требуется целеустремленная работа в этом на-

правлении. Одним звеном в такой работе могут служить предло-

женные автором теоретические кривые изменений элементов вод-

ного баланса в зависимости от гидрологических свойств почвы.

Но прежде чем будут созданы математические модели указан-

ных процессов, а для этого потребуется некоторое время, мне

представляется, что этим целям могут служить зональные струк-

турные кривые водного баланса. Применение этих эмпирических

кривых, основанных на теории формирования водного баланса в

различных природных (зональных) условиях, весьма упрощает

схему основных компонентов его модели, так как позволяет за-

менить зональными зависимостями, представляющими собой ин-

тегральные характеристики, сложный комплекс явлений и про-

цессов. Это, несомненно, поможет дальнейшему развитию метода

исследований водного баланса суши и вообще водного баланса

территории (в том числе и речных бассейнов).

ГЛАВА V

ВОДНЫЙ БАЛАНС СУШИ

И ЕГО ЗАКОНОМЕРНОСТИ

Задача этой главы — охарактеризовать закономерности рас-

пределения элементов водного баланса суши земного шара.

Следует сказать, что со времени завершения и публикации

моей первой работы по элементам режима рек земного шара,

т. е. за истекшие 30—35 лет, не появилось ни одной другой

работы, посвященной закономерностям распределения по тер-

ритории речного стока для всей суши. Но и у меня возмож-

ность картографирования комплекса элементов водного балан-

са появилась в результате разработки методических приемов

анализа и обобщения, освещенных в IV главе.

При чтении карт на рис. 22—27 следует иметь в виду, что

они характеризуют распределение по территории не только

элементов водного баланса, но и ресурсов пресных вод. В этом

автор видит основу балансовой оценки водных ресурсов. Ба-

ланс характеризует процесс, взаимодействие его элементов и

их распределение по территории, но вместе с тем карты позво-

ляют с той или иной степенью приближенности оценить для

любой точки, для любого района, страны, наконец, материка

все виды ресурсов пресных вод: полный речной сток, подзем-

ный сток в реки, поверхностный (паводочный) сток и в общем

виде — ресурсы почвенной влаги или годовой расход воды на

инфильтрацию. Исключение представляют карты испарения

(рис. 26) и коэффициентов питания рек подземными водами

(рис. 27), которые, разумеется, не являются ресурсными кар-

тами, а характеризуют: первая — элемент баланса, без которо-

го не могут быть оценены и проанализированы другие элемен-

ты и баланс в целом, а вторая — важную обобщенную харак-

теристику структуры водного баланса. Вместе с тем следует

подчеркнуть, что испарение, так же как и инфильтрация, не

является потерей, к которой его часто относят, когда речной

сток признается единственно важным источником водных ре-

сурсов. В этом случае к «потерям» относят также процесс ин-

фильтрации и образуемые в его результате ресурсы почвенной