Львович М.И. Мировые водные ресурсы и их будущее

Подождите немного. Документ загружается.

горы, как известно, состоят из нескольких параллельных хреб-

тов, из которых наиболее увлажнены вытянутые вдоль Тихо-

океанского побережья и близко расположенные к нему,— Бере-

говой хребет, отчасти Невада, где полный речной сток местами

превышает 1000 и даже 1500 мм. Но уже на второй гряде гор,

в том числе и на наиболее высокой из них—Передовом хребте,

исключая его северную часть, где полный сток также превыша-

ет 1000 мм, увлажненность резко уменьшается. Так, в южной

части Передового хребта, где берет начало р. Колорадо и ее

крупный приток Грин-Ривер, атмосферные осадки в делом для

верхних горных частей бассейнов этих рек не превышают 350—

450 мм при полном речном стоке до 100—200 мм. Правда, юж-

ные части Передового хребта возвышаются среди полупустыни,

где сток менее 10 мм, а на значительных пространствах отсут-

ствует. Что касается подземного стока в реки, то, как это обыч-

но бывает в горах, его доля в полном речном стоке в Скалис-

тых горах в зависимости от геологического строения и геомор-

фологии колеблется в значительных пределах —от 30 до 60%

в северной увлажненной части этого горного сооружения до

30—40% на юге Передового хребта. Подземному стоку, следо-

вательно, в Скалистых горах принадлежит большая доля.

Гидрологическая роль Анд чрезвычайно велика. Особенно

это ощущается в тех частях, которые на востоке примыкают к

засушливым областям, например в Патагонии. Об этом сказано

в разделе «Речной сток и его подземная составляющая», когда

речь шла об особенностях водного баланса южной части Южной

Америки. Южные, отчасти северные Анды чрезвычайно увлаж-

нены, особенно на западном склоне. Но средняя часть этой си-

стемы горных хребтов в районе Южного тропика представляет

собой одно из наиболее сухих мест на земном шаре — пустыню

Атакама, в наиболее засушливых частях которой, примыкаю-

щих к Тихоокеанскому побережью, по нескольку лет подряд не

выпадают осадки. Интересно, что один из истоков Амазонки —

р. Укаяли берет начало на севере Анд в довольно сухой их

части. Андийская горная система увлажнена весьма неравномер-

но. Наиболее сухая ее часть лежит около Южного тропика.

Чрезвычайно характерна для этой части Анд стекающая в

Тихий океан р. Лоа. Для всего бассейна этой реки осадки оце-

ниваются в 175 мм, а сток ничтожно мал. Часть его расхо-

дуется на орошение, но и без этого он крайне невелик. Так,

в верхнем течении сток этой реки составляет 20 мм, причем

преобладает сток подземного происхождения, что связано с рас-

пространением в бассейне этой реки вулканических пород и

коллювиальных отложений. Высокогорный приток Лоа — р, Са-

ладо характеризуется еще меньшими осадками (122 мм), а пол-

ный сток составляет 27 мм, подземный — приблизительно 22 мм,

что объясняется теми же причинами. Большая высота этого

бассейна и связанные с этим низкие температуры, несмотря на

низкую влажность воздуха, приводят к тому, что испарение не

достигает 100 мм. В какой-то мере столь малое испарение свя-

зано с тем, что большую часть года почва и обнажающиеся

горные породы здесь настолько сухи, что испаряться нечему.

В бассейне р. Лоа распространены вулканические породы и

мощные гравелистые и песчаные отложения, в которых аккуму-

лируются осадки и вода, стекающая с горных склонов. Вслед-

ствие этого расход воды на испарение относительно мал, и река,

как это видно из баланса, получает устойчивое питание за счет

подземных вод. Расход воды по длине реки изменяется не толь-

ко под влиянием перемены условий питания реки и водозабора

на орошение, а также из-за перехода части руслового стока в

подрусловый и обратно. Это видно из данных табл. 12, поме-

щенной в моей работе (Львович, 1945), составленной по ма-

териалам У. Е. Рудольфа (Rudolph, 1927).

К югу от р. Лоа на протяжении нескольких сот километров

в Тихий океан в пределах Атакамы не впадает ни одна река,

так как засушливая зона распространяется и на высокогорные

области Анд и реки с постоянным стоком здесь отсутствуют.

В наиболее широкой части Андийской системы, севернее

Атакамы, распространены внутренние горные плоскогорья и пла-

то, носящие общее название пунас. На юге Перу обширные

высокогорные плато не дают стока в океан. В его пределах на-

ходятся большое высокогорное (3812 м над у. м.) оз. Титикака.

Гидрологических данных по этой части пуны мало, но в целом

это весьма засушливая область с маловодными реками. Так,

полный сток р. Лаука, берущей начало на восточном склоне

Западной Кордильеры (высоты до 6780 м) и впадающей в

высокогорное оз. Койпасо, к которому на юге примыкает обшир-

ный солар (солончак) того же названия, составляет 68 мм при

осадках порядка 130 мм. Подземный сток этой реки равен

приблизительно

/з полного (22 мм) при весьма низком ва-

ловом увлажнении (86 мм) и испарении (64 мм). Зима здесь

суровая и сухая, осадки и основная масса стока прихо-

дятся на лето.

Севернее Атакамы в экваториальном поясе наибольшие осад-

ки и речной сток приурочены к западному и восточному скло-

нам Анд, а вершины хребтов менее увлажнены. По этой причине

здесь чрезвычайно слабо распространено оледенение. Максимум

его приходится на Кордильеру Бланко между 8 и 11° ю. ш.

В бассейне р. Санта, в пределах правой части бассейна кото-

рой сосредоточено максимальное оледенение северной части

Анд, осадков выпадает 850—900 мм, сток составляет 400 мм,

причем приблизительно 40% (160 мм) его — подземный. Зна-

чительно меньше сток рек левобережной части бассейна р. Сан-

та, стекающих с восточного склона Кордильеры Негра (R —

70—80 мм, U—10—15 мм), но на западном склоне этого хреб-

та увлажненность увеличивается и сток возрастает до 300—

400 мм (подземный— 130—150 мм). Этот пример свидетельст-

вует о чрезвычайной сложности распределения элементов вод-

ного баланса в Андах.

Южная часть Анд в пределах умеренного пояса чрезвычай-

но увлажнена. Осадки в Патагонской Кордильере на более или

менее значительных пространствах превышают 5000 мм, а сток

достигает, вероятно, 4000 и даже 5000 мм, так как расход воды

на испарение в горных условиях должен быть небольшим.

Сток огромной Андийской горной системы, протянувшейся

приблизительно на 10000 км, колеблется в пределах от несколь-

ких миллиметров до нескольких тысяч миллиметров. Здесь ска-

зывается влияние зональных факторов. Большую роль играет

экранирование, следствием чего является различная увлажнен-

ность противоположных склонов и различные условия формиро-

вания водного баланса. Другой фактор — высотная поясность,

которая в разных зональных условиях в зависимости от экра-

нирующего эффёкта проявляется самым различным образом.

Наконец, существенное значение имеет геологическое строение

и геоморфология Анд, большое распространение хорошо прони-

цаемых вулканических пород, коллювиальных отложений и ал-

лювия, вынесенного в предгорья. Все это способствует обиль-

ному питанию рек подземными водами. Действительно, подзем-

ный сток в реки Венесуэлы, Эквадора и Чили нередко достигает

40—60% полного стока, в абсолютных значениях — 600—800 мм,

а в отдельных случаях в Патагонской Кордильере—1000 мм и

даже почти 1700 мм. Следует, однако, подчеркнуть, что столь

высокий подземный сток нельзя относить только за счет геоло-

гического строения и геоморфологии. Большое значение имеют

зональные и высотные поясные факторы.

Береговое расположение Анд и значительная водоносность

рек на севере и юге в условиях высокого подземного стока мо-

жет служить основанием для предположения о том, что часть

этого стока попадает в океан подземным путем, минуя реки.

Именно в этой береговой зоне возможна субмаринная разгруз-

ка подземных вод в океан.

Благодаря упомянутым выше гидрологическим исследовани-

ям, проведенным в 1956—1966 гг. польскими учеными Т. Виль-

гатом и К. Войцеховским в Южной Америке, р. Аконкагуа, ко-

торой посвящена специальная монография (Wilgat, Wojce-

howski, 1971), принадлежит к числу наиболее изученных на этом

континенте.

Река Аконкагуа берет начало у высочайшей вершины Анд

того же названия (7035 м), расположенной на границе очень

влажных Южных Анд и сухой Атакамы. По этой причине река

не очень многоводна. В наиболее высоких частях бассейна, в

которые входят значительные площади оледенения, полный реч-

ной сток достигает 700—800 мм, а на высоте около 2300 м —

200 мм. Об этом можно судить по зависимости полного стока от

средней высоты водосборов, заимствованной из указанной моно-

графии и с некоторыми дополнениями помещенной на рис. 30.

28% суши поднято над уровнем моря более чем на 1000 м.

Но и при высотах менее 1000 м в той или иной мере проявля-

ются закономерности высотной поясности, что не может не по-

влиять на особенности водного баланса. В умеренном поясе

(например, в Европейской части СССР) влияние рельефа на

речной сток заметно на Валдайской и Средне-Русской возвы-

шенностях, где высоты не превышают 300 м над у. м., а над

окружающей равниной они подняты не более чем на 150—200 м.

Однако такие проявления высотной поясности в общем незна-

чительны, и их роль в глобальном масштабе сравнительно не-

велика, поскольку они укладываются в пределы точности гидро-

логического анализа, необходимого для столь больших обобще-

ний. Это обусловлено исходными материалами, чаще всего не-

достаточными для выявления детальных влияний рельефа на

водный баланс, и связано также со степенью генерализации,

которая обусловлена не только неоднородностью исходных дан-

ных, но и задачами исследования водного баланса всей суши.

Но в данном исследовании необходимо учитывать влияние

рельефа на водный баланс по крайней мере на

/з всей суши,

не считая влияния гор на водный баланс прилегающих к ним

низменностей. Те влияния географической зональности, которые

происходят на протяжении тысяч километров по горизонтали,

в горах, как мы видели, проявляются при изменении высот в

сотни или тысячи метров. Не будет преувеличением утвержде-

ние, что влияние высотной поясности на распределение водного

баланса по территории на два—четыре порядка интенсивнее, чем

в равнинных условиях под влиянием широтной зональности.

Особенности водного баланса горных районов влияют не

только на количественные показатели его элементов, но рас-

пространяются и на его

качественные закономер-

ности. Это выражается в

структуре водного балан-

са. В горах появляется

свойственный только им

источник питания рек —

сток ледникового и высо-

когорного снегового про-

исхождения. В целом ес-

ли представить водный

0 200 400 600 800

баданс суцш без т0

Рис. 30. Зависимость стока рек бассейна МОЖНО было бы предпо-

Аконкагуа (R) от средней высоты лагать гораздо более рав-

водосборов (Н) номерное и плавное рас-

пределение его элементов по территории, чем в действительности.

Для характеристики особенностей водного баланса горных

районов, для сравнительного анализа необходимо располагать

воднобалансовыми высотными зависимостями. Но их удалось

установить пока еще не для всех горных сооружений. По этой

причине глубина анализа этих особенностей неодинакова для

разных горных систем. В этом направлении сделан еще один

шаг, но для дальнейшего развития представлений о формирова-

нии водного баланса и водных ресурсов в горных условиях

необходимо еще приложить немало усилий.

СТРУКТУРНЫЕ ЗОНАЛЬНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ

ВОДНОГО БАЛАНСА

Одна из важных составных частей разработанного мною

метода предвычисления преобразования подземного стока в ре-

ки (Львович, 1950-а) — структурные зависимости водного балан-

са (см. рис. 8 на стр. 94). Их теоретическая сущность изло-

жена в разделе «Структурные и высотные интерполяционные

зависимости» в гл. IV. Уже в начале 50-х годов, применяя эти

зависимости для оценки преобразований водного баланса реч-

ных бассейнов и речного стока в результате развития приемов

земледелия и агролесомелиорации, я заметил, что их характер

(наклон линий связей) и предельные значения испарения и

подземного стока меняются для разных зональных условий.

Это послужило основанием для анализа зональных законо-

мерностей водного баланса на основе структурных зависи-

мостей, отражающих совокупное влияние на структуру водного

баланса комплекса природных условий.

Начиная с известного исследования географической зональ-

ности В. В. Докучаева (1899), в основу которого был положен

почвенный принцип (почвы чрезвычайно хорошо отражают

комплекс физико-географических условий), успешно развива-

ется учение о зональных закономерностях природы. В. В. Доку-

чаев положил начало учению о географической зональности и

высотной поясности в горах, и его вклад в развитие географи-

ческой науки приобрел методологическое значение. С тех пор

проблему географической зональности и высотной поясности

весьма успешно разрабатывали Л. С. Берг, М. И. Будыко,

И. П. Герасимов, А. А. Григорьев, С. В. Калесник, А. М. Ряб-

чиков и др. Для нас особый интерес представляет идея А. А. Гри-

горьева о том, что в основе географической зональности лежит

соотношение тепла и влаги. Таким образом, были сделаны пер-

вые шаги гидрометеорологического обоснования факторов гео-

графической зональности (Григорьев, 1954, 1959, 1970, первое

издание 1938—1942 гг.). Впоследствии Н. Н. Иванов (1948)

предложил для характеристики зон коэффициент увлажнения,

определяемый по эмпирической формуле отношения осадков

к испаряемости. Еще раньше Г. Н. Высоцкий (1905, последняя

публикация 1960) применил это соотношение для анализа зо-

нальных условий формирования различных типов почв и рас-

тительности. М. А. Алпатьев (1954) и М. И. Будыко (1956) по-

казали, что коэффициенты, примененные Н. Н. Ивановым, а

следовательно, и Г. Н. Высоцким, по своей сущности не отлича-

ются от известной формулы Э. М. Ольдекопа (1911), в которой

испаряемость определяется по дефициту влажности, а также

от коэффициента А. Мейера — NS, представляющего собой от-

ношение осадков к дефициту влажности.

Теоретически более обоснован индекс сухости, предложенный

М. И. Будыко (1956), под которым понимается отношение годо-

вого радиационного баланса R к сумме тепла, необходимого для

испарения годовых атмосферных осадков Lr. Впоследствии

А. А. Григорьев и М. И. Будыко (1956) выступили с интерес-

ной совместной работой о периодическом законе географичес-

кой зональности, в которой дается обоснование соотношения

тепла и влаги как показателя, характеризующего закономер-

ности зональности в природе. При всех преимуществах индекса

сухости по сравнению с тем, что принималось до М. И. Будыко

в качестве показателя зональности, он не является универсаль-

ным, в связи с тем что не учитывает гидрологических свойств

почвы — ее инфильтрационной и водоудерживающей способнос-

ти, которым принадлежит весьма большая роль в формирова-

нии гидрологического процесса и ландшафта в целом. Поэтому

в график географической зональности, предложенный А. А. Гри-

горьевым и М. И. Будыко (1956), А. М. Рябчиков (Александров-

ская и др., 1963) ввел третью переменную — речной сток, кото-

рый в какой-то мере учитывает роль почвенного фактора в фор-

мировании ландшафта.

Практическое применение в агрометеорологии нашел гидро-

термический коэффициент, введенный Г. Г. Селяниновым (1937)

в 1928 г. Большое число исследований посвящено этой теме и

за рубежом. Достаточно вспомнить о работе А. Пенка, разра-

ботавшего классификацию климатов, основанную на климати-

ческих индексах.

Поскольку формирование водного баланса непосредственно

связано с почвой, представляет существенный интерес типиза-

ция водного баланса почв, предложенная А. А. Роде (1956,

1965). Хотя эта типизация основывается на свойствах водного

режима почв, она носит явные черты географической зональ-

ности, но не в ее классическом виде, а с отклонениями, свойст-

венными взаимодействию данного компонента природы с водой.

Крупным шагом в развитии количественных представлений

о географической зональности явились результаты исследования

И. П. Герасимова (1960), установившего зависимость генети-

ческих типов почв от радиационного индекса сухости и темпе-

ратуры деятельной поверхности в течение теплого периода. Эта

зависимость дает вполне обоснованную систему зональных ти-

пов почв, полученную на довольно строгих количественных по-

казателях. Нужно еще упомянуть о результатах последних ис-

следований А. М. Рябчикова (1972), определившего соотноше-

ние тепла и влаги для различных зон на основании зависимос-

ти валового увлажнения территории от радиационного баланса.

В качестве третьей переменной принят гидротермический коэф-

фициент (ГТК), полученный отношением валового увлажнения

к радиационному балансу. Интересно, что по этой схеме к ГТК

в пределах 10—13 относится очень широкий диапазон ланд-

шафтов от полярных пустынь до муссонных лесов, но если для

первого ландшафта радиационный баланс не превышает

10 ккал/см

в год и валовое увлажнение 250 мм, то для второго

эти показатели увеличиваются соответственно до 60—80 ккал/см

и 600—1200 мм.

Я не ставлю задачей рассмотреть все работы, относящиеся

к характеристике географических зон, а упоминаю о наиболее

интересных из них, в которых в качестве основных показате-

лей географической зональности принимаются различные соот-

ношения тепла и влаги.

Придавая большое значение почве как гидрологическому

фактору (Львович, 1950-а, 1952, 1960-6, 1963, 1965, 1968-в и др.),

я счел необходимым ввести характеристику комплексного почвен-

но-климатического и гидрологического показателя ландшафта.

Такой показатель — валовое увлажнение территории W, опреде-

ляемое по разности между осадками и поверхностным стоком.

Это понятие является элементом водного баланса, а формула,

которая служит для его вычисления, входит в систему диффе-

ренцированных уровней водного баланса (гл. IV, стр. 76).

Основной климатический показатель водного баланса — атмо-

сферные осадки, т. е. приходная часть водного баланса терри-

тории и суши в целом. Что же касается поверхностного стока,

то он с точки зрения продуктивности биомассы представляет

собой потерю воды и лишь отчасти участвует в формировании

ландшафта, главным образом в качестве основной причины

эрозии, и притом в большой мере антропогенного происхожде-

ния. Поверхностный сток при данной интенсивности осадков

(снеготаяния) — продукт инфильтрационной способности почвы.

Таким образом, вполне очевидно, что валовое увлажнение тер-

ритории представляет собой почвенно-климатический или комп-

лексный гидрологический показатель. Двум его составляющим

принадлежит большая роль в формировании ландшафтов: ис-

парение в значительной части является непродуктивным, а

транспирация — хороший показатель продуктивности фитомас-

сы. Другая часть валового увлажнения — питание подземных

вод (подземный сток в реки) служит важным процессом. С ним

также отчасти связана продуктивность биомассы. Подземный

сток, как это вполне очевидно, имеет и важное гидрологичес-

кое и водохозяйственное значение, так как он способствует устой-

чивости речного стока, такому режиму рек, который является

идеальным с точки зрения состояния водного компонента среды,

а также наиболее выгодным для хозяйственных целей.

Сущность структурных зональных воднобалансовых зави-

симостей охарактеризована в IV главе.

Практически структурные зональные зависимости устанавли-

ваются на основании данных о водном балансе, которые груп-

пируются по отдельным зонам. Впервые этот метод был при-

менен для СССР (Львович, 1962). Тогда были использованы

данные о W, Е и U по 400 створам (речным водосборам), при-

чем испаряемость определялась по карте, опубликованной

впоследствии (Будыко, 1963). Это исследование получило даль-

нейшее развитие в том, что в дополнение к структурным

зональным зависимостям для географических зон СССР уда-

лось установить типологические характеристики структуры

водного баланса некоторых зон тропического и экваториального

поясов (Львович, 1964-6). Более подробная характеристика

структуры водного баланса географических зон СССР, которая

отличается от предыдущих исследований введением поправок

в осадки на показания дождемеров, была мною дана в кол-

лективной монографии «Водный баланс СССР и его преобра-

зования» (1969). Аналогичную работу Г. Я. Карасик провела

для Африки (1970), затем для Южной Америки (1974),

Н. Н. Дрейер — для Северной Америки (1972), Г. М. Николае-

ва— для Юго-Восточной Азии (1974). Теперь мы располагаем

структурными зависимостями для основных географических зон

Земли. Предстоит, конечно, дальнейшая детализация их и поиски

дополнительных гидрологических данных для части зон, кото-

рые пока еще не удалось обосновать структурными зависи-

мостями.

Следует отметить, что подбор необходимых воднобалансо-

вых данных для отдельных зон, не считая исключительно тру-

доемкой работы по подбору исходных материалов и их соответ-

ствующей обработки, представляет собой сложную, кропотливую

работу. Задача подбора заключается в том, чтобы бассейн реки

находился в пределах одной зоны, чтобы влияние рельефа не

было настолько значительным, чтобы могло нарушить законо-

мерности широтной зональности. Если учесть, что для большой

части суши ощущается существенный недостаток в данных для

расчетов водного баланса по моему методу и, кроме того, рас-

четы усложнены орографией, то становится ясным, насколько

сложна задача подбора воднобалансовых данных, необходимых

для структурных зональных кривых. Это особенно относится к

Южной Америке и зарубежной Азии. Несколько проще решение

задачи для Африки. Трудность заключается в недостатке исход-

ных данных, но относительно более однообразный рельеф этой

части света позволяет использовать значительный объем имею-

щихся исходных данных. На западе Северной Америки из-за

сложности рельефа выбор репрезентативных материалов по вод-

ному балансу затруднен, но обилие исходных данных для США

и юга Канады несколько облегчает решение этой задачи. Однако

в ряде случаев приходилось пользоваться воднобалансовыми

материалами, которые не в полной мере, а лишь преимуществен-

но относятся к данной зоне. Все эти обстоятельства влияют на

точность полученных зависимостей. Их вероятная погрешность

несколько меньше, чем для аналогичных интерполяционных кри-

вых, перечень которых дан в табл. 13 (см. стр. 100). Класси-

фикация и границы географических зон приняты по «Физико-

географическому атласу мира» (1964).

Структурные зональные кривые для СССР получены на ос-

новании воднобалансовых данных для 400 створов (речных бас-

сейнов). В своем большинстве выбранные речные бассейны

располагаются в пределах одного из природных районов или

зон. Однако во внимание принимались также речные бассейны,

охватывающие два или более района или зоны. Отчасти это де-

лалось для характеристики граничных условий различных при-

родных комплексов, отчасти же из-за недостатка фактических

данных. Наиболее подробный фактический материал имеется

для Европейской части СССР, менее полный — для севера За-

падной Сибири, части Восточной Сибири и Дальнего Востока,

в связи с чем и детальность районирования неравнозначна. Ис-

ключены из рассмотрения высокогорные области, о которых го-

ворилось в предыдущем разделе, а также пустыни и полупус-

тыни, где речной сток практически отсутствует.

Все данные в одной системе координат дают на графике,

разумеется, сплошное поле точек. В результате отбора групп

точек, наиболее близких друг к другу, выделено пять зональных

типов водного баланса: I — тундровый и лесотундровый, II —

таежный (две группы кривых), III — смешанных лесов, IV —

лесостепной, V — степной. Эти зональные типы выделены для

Европейской части СССР, Западной Сибири и Восточной Си-

бири и Дальнего Востока. Анализ зональных типов водного

баланса позволил выделить на территории СССР 17 подтипов

(табл. 17, рис. 31).

Зональные закономерности структуры водного баланса ярко

характеризуют коэффициенты питания рек подземными водами

Ки• Если в тундре и лесотундре они составляют в среднем 0,20

(с уменьшением для многолетнемерзлотных районов до 0,04),

то в таежной зоне — 0,15 (с уменьшением в районах вечной

мерзлоты до 0,02), в зоне смешанных лесов — 0,10, в лесостеп-

ной— 0,04, в степной — 0,01.

Для того чтобы охарактеризовать экологическую роль воды

в формировании ландшафта, в табл. 17 для каждой из водно-

балансовых зон приводятся данные о ежегодном приросте био-

массы (фитомассы), определенные по карте Н. И. Базилевич и

Рис. 31. Структурные зональные закономерности водного баланса СССР

Зависимость испарения (Е) и питания рек подземными водами (U) от

валового увлажнения территории (W).

А — Европейская часть СССР. Б — Западная Сибирь, В — Восточная

Сибирь и Дальний Восток. Цифры у кривых соответствуют номерам

.районов в табл. 17 и на рис. 32