Львович М.И. Мировые водные ресурсы и их будущее

Подождите немного. Документ загружается.

* I

•

1000

500

500 ЮОО 150$

Рис. 36. Структурные зональные зависимости

водного баланса Северной Америки

Цифры у кривых соответствуют номерам в

табл. 18

озер и в верхней части бассейна Миссисипи. Структурные зави-

симости этой зоны почти совпадают с кривыми аналогичной

зоны Европейской части СССР, но в Северной Америке эта

зона также больше увлажнена. Если валовое увлажнение в

этой зоне в Восточной Европе колеблется в пределах 400—

700 мм, то в Северной Америке — в пределах 500—900 мм,

но испаряемость (около 700 мм) почти одинакова. Поскольку

в Северной Америке зона смешанных лесов более увлажнена и

испарение ближе к испаряемости, постольку и коэффициенты

питания рек выше — 0,15—0,2 (в Восточной Европе — 0,1—0,15).

Показатели структуры водного баланса прерий и лесостепи, за-

нимающей междуречье Миссисипи и Миссури (кривые III) в

Северной Америке, близки к показателям лесостепи Европейской

части СССР. Кривые для США и Европейской части СССР поч-

ти совпадают, но испаряемость в этой зоне Северной Америки

несколько выше. Осадков выпадает также больше, поэтому и ва-

ловое увлажнение приблизительно на 70—120 мм выше. Не-

сколько более обилен и речной сток, но подземная составляю-

щая стока несколько ниже, чем в СССР. Это объясняется, по-

видимому, тем, что черноземы лесостепи Русской равнины об-

ладают весьма высокими инфильтрационными свойствами и

обильное питание подземных вод происходит после весеннего

снеготаяния в гидрографической сети и в лесу. Черноземы же

североамериканской прерии, во-первых, обладают меньшей ин-

фильтрационной способностью в связи с тем, что они заглеены;

во-вторых, здесь нет такого концентрированного формирования

весеннего стока, как это наблюдается во время снеготаяния в

лесостепной зоне Европейской части СССР. Это происходит

вследствие того, что в североамериканской прерии преобладает

Таб

Система зональных структурных законо

Индексы

по рис.

Пояса

Зоны

Осадки

(Р).

мм

Субарктический

Тундра

370

II Умеренный

Тайга

700

III

Смешанные леса 750

IV-a

Лесостепь, прерии

650

V-a

Степь

500

IV-б Субтропический Восточные приокеанические ши-

1 300

и тропический

роколиственные влажные леса

1 300

V-a

Саванна опустыненная

300

V-б

Саванна сухая

1 000

V-в

Саванна влажная

1 860

Приокеанические муссонные

1 600

влажные леса

1 600

VII

Экваториальный Постоянно влажные вечно-

зеленые леса (гилеи)

2 000

VIII

Горный

Горные приокеанические

2 200

муссонные влажные леса

2 200

питание рек за счет дождевых вод, для которых характерны

более 'низкие коэффициенты стока, чем для весеннего снегового

стока Русской равнины.

Степи, занимающие большую часть бассейна Миссури, от-

носятся к двум подтипам: умеренно континентальным и сухим

континентальным. Аналогом первых являются степи Европей-

ской части СССР, а вторых — сухие степи Западной Сибири

и Северного Казахстана (кривые V-a и V-б на рис. 31). Для

степной умеренной зоны Северной Америки они объединяются

парой кривых (IV) на рис. 36. Указанные кривые для двух

континентов весьма близки. Но структура водного баланса се-

вероамериканской степи отличается от восточноевропейской и

западносибирской большим диапазоном валового увлажнения

территории, верхний предел которого на 100—150 мм выше, бо-

лее высокой испаряемостью (приблизительно на 400 мм) и,

наконец, меньшей долей снеговых осадков. Коэффициенты пи-

тания рек подземными водами весьма близки.

Пятая (V) пара зависимостей на рис. 36 относится к при-

океаническим влажным лесам юго-востока США. Осадков здесь

выпадает 1000—1600 мм, из которых 300—500 мм расходуется

на речной сток, в том числе 100—200 мм подземного происхож-

дения. В сравнении с аналогичной зоной Восточной Азии (юго-

восток КНР) эта зона в Северной Америке менее увлажнена

лица 19

мерностей водного баланса мира

ПОЛНЫЙ

(Ю,

мм

'ечиой с

подзем-

ный

(U),

мм

ток

поверх-

ностный

(S),

мм

Валовое

увлаж-

нение

терри-

тории

(Г),

мм

Испаре-

ние (Е),

мм

Коэф-

фициент

питания

рек под-

земными

водами

(Ки),

мм

Испа-

ряемость

(Е ),

max '

мм

Парам

анали

ского

жени

висимс

етры

тиче-

ыра-

я за-

)стей

Годовой

прирост

фитомассы,

т/га

110 40 70

300 260

0,13

400 300

575

1—2

300 140 160

540

400

0,26 500

360

940

10—15

250 100

150

600

500 0,17 700

400 1 160

10—15

120 30

560

530

0,05

900

600 1 480

8—12

10 40

460

450

0,02 1 300

900 1 770

4—8

420

120 300

1 000

880

0,12

1 000

600 1 480

10-15

282

280 0,007 1 300

900

1 770

2—6

130

30 100

900

870 0,03 1 300

900

1 770

6—12

600

240

360

1 500

1 260 0,16 1 300

900

1 770

10—20

820

320

500

1 100

780 0,30 900

530 1 680

15—30

1 200

600

1 400

800

0,43 800

460

1 620

30—50

1 700

700 1 000

1 200

500

0,58

600

750

1 750 15—30

по всем показателям баланса. Испаряемость здесь приблизи-

тельно на 300 мм больше, чем в аналогичной зоне Азии, осадки

на 200—300 мм ниже, сток меньше в 2 раза. Одна из основных

причин таких различий, вероятно, связана с более сложной оро-

графией соответствующего района в Восточной Азии, что соз-

дает более благоприятные условия для образования осадков

орографического происхождения.

Глобальные закономерности. При характеристике структурных

зональных закономерностей отмечались особенности данной зо-

ны для каждого из континентов. Но эти особенности носят более

или менее частный характер. Существуют общие черты для каж-

дой из зон, которые при некоторой генерализации можно распро-

странить на весь земной шар. Такая попытка сделана на рис. 37

и в табл. 19.

Эта схема освещает далеко не все зоны суши и рассматри-

вается как шаг к познанию общих зональных гидрологических

закономерностей земного шара. Исключая полярный пояс, где

водный баланс в условиях покровных ледников обладает свои-

ми, только им присущими, свойствами, о структуре водного ба-

ланса самой суровой зоны можно приближенно судить по суб-

арктической тундре. Главная особенность этой зоны заключа-

ется в распространении многолетней мерзлоты и, следователь-

но, в малом подземном стоке, хотя климатические потенциаль-

я б"

"а"б~Т

•

/ в^

/ /

/у

/ /

— —

/ / /

£ £

г-// / ,

£ £

/ /

XjT

/ /

Z/' / /

/ /

^а

/ /

XjT

/ /

Z/' / /

/ /

Рис. 37. Мировая система зональных структурных

зависимостей водного баланса

Номера кривых — в табл. 19. 1 — эмпирические части кривых,

2 — теоретические части кривых

ные условия питания подземных вод (низкая испаряемость)

здесь весьма благоприятны.

В умеренном поясе обобщенно выделяются тайга, смешан-

ные леса, лесостепь и североамериканские прерии, а также сте-

пи. Каждая пара структурных кривых для этих зон располага-

ется в определенной последовательности: с уменьшением увлаж-

ненности и ростом испаряемости увеличивается площадь, огра-

ниченная каждой из пар кривых. Это относится к кривым от

зоны тундры (кривые I) до зоны степей (кривые V). Но послед-

няя пара кривых относится также и к саванне субтропического

и тропического поясов, причем степь и опустыненная саванна

укладываются в пределы одного отрезка зависимостей (V-a),

а сухая и влажная саванны характеризуются двумя последую-

щими отрезками—V-б и V-в. Оба типа саванн отличают-

ся более высоким уровнем увлажнения, причем влажная саван-

на соответствует условиям, когда испарение приближается к

испаряемости. Далее, зона восточных широколиственных при-

океанических влажных лесов относится к более высокому уров-

ню (IV-б) той же пары кривых, что и лесостепь и прерии

(IV-a), и для нее характерно приближение испарения к ис-

паряемости. Так, если для лесостепи и прерий валовое увлаж-

нение территории ограничивается пределами 400—900 мм, то

зоне приокеанических влажных лесов субтропиков соответст-

вует этот элемент баланса в пределах 900—1500 мм. Структуру

водного баланса приокеанических муссонных влажных лесов ха-

рактеризует отдельная пара кривых — VI, а экваториальных

постоянно влажных вечнозеленых лесов (гилей) — кривые VII.

Для субтропиков, тропиков и экваториального пояса обнаружи-

вается закономерность размещения структурных кривых, обрат-

ная зонам умеренного пояса: каждая пара кривых по мере уве-

личения общей увлажненности и снижения испаряемости огра-

ничивает все меньшую площадь. Другая особенность заключа-

ется в том, что структурные зависимости зон VI (муссонные

влажные вечнозеленые леса) и VII (экваториальные постоянно

влажные вечнозеленые леса) подобно зонам IV-б и V-в отве-

чают верхним участкам кривых в пределах, близких к испаряе-

мости.. В этих условиях почти вся почвенная влага, не израсхо-

дованная на испарение, идет на питание подземных вод, дру-

гими словами, приращению валового увлажнения сверх испаря-

емости соответствует коэффициент питания рек подземными

водами, равный единице. Таким образом, становится очевид-

ным, что те части структурных зависимостей, которые для

умеренного пояса (например, для СССР) считались теорети-

ческими (в пределах верхних частей, приближающихся к испа-

ряемости), в субтропическом, тропическом и экваториальном

соответствуют фактическому положению и подкрепляются эмпи-

рическими данными.

В табл. 19 и на рис. 37 приведена еще одна пара структур-

ных зависимостей (VIII), относящихся к горным условиям. Та-

ких кривых, характеризующих структуру водного баланса в

условиях высотной поясности, в принципе должно быть мно-

жество. Но здесь приведен пример, соответствующий горному

варианту зоны VI. И хотя в районах, которые относятся к этой

зоне, высоких гор нет, конфигурация кривых VIII и их пара-

метры служат хорошими показателями глубоких изменений,

вносимых горными сооружениями в структуру водного баланса

географических зон. В данном случае испаряемость меньше на

400 мм, причем испарение почти достигает испаряемости, а под-

земный сток превышает расход воды на испарение, что в усло-

виях низменностей— явление редкое и бывает лишь в тех слу-

чаях, когда отмечаются аномальные условия, резко отличающие-

ся от обычного состояния (например, при распространении от-

крытого карста или водопроницаемых вулканических отложений).

Структурные зависимости U = f(W), приведенные на рис. 37,

соответствуют аналитическому выражению

= ^-Tff) при\Г<а

U=W—~^(2bW—W

—a

) при

U=W~E

maX

при W>b,

где а и b — параметры, значения которых приведены в табл. ,j8.

Уравнение при a^W^b—парабола, относящаяся в основном

к эмпирическим данным. Что касается выражения при W<a, то

оно относится к малым значениям валового увлажнения почвы

W, для которых соответствующие участки кривых приведены

приближенно исходя из теоретических соображений, а при W>b

относятся к предельным значениям валового увлажнения, когда

скорость приращения подземного стока -, т. е. Ки прираще-

ний подземного стока, равна единице, что наблюдается при

предельных значениях испарения (Е = Е

таХ

Параметры а и b имеют физический смысл. Они соответст-

вуют определенным значениям валового увлажнения W. Первый

из них (а) характеризует наибольшее валовое увлажнение, при

котором подземный сток, как и испарение, не зависит от преды-

дущего увлажнения, т. е. когда аккумуляция влаги в почве

практически не влияет на водный баланс. Параболические же

части зависимостей относятся к таким условиям формирования

водного баланса, когда подземный сток и испарение зависят от

степени насыщенности почвы влагой, т. е.— к неустановившемуся

режиму.

Второй параметер (b) характеризует валовое увлажнение,

при котором уже возможна испаряемость, что также соответст-

вует значению валового увлажнения, при котором стано-

вится равным единице.

Следует отметить, что оба параметра (а и Ь) находятся в

довольно четкой зависимости от Е

тах

, причем зависимость

'b = f (Е

таХ

) выражается семейством кривых, каждая из которых,

по-видимому, соответствует различным географическим поясам.

Система структурных зональных воднобалансовых зависимо-

стей мира лишний раз подтверждает идею А. А. Григорьева о

.соотношении тепла и влаги как основной причине формирования

географических зон. Вместе с тем эта, казалось бы, простая и в

принципе ясная закономерность не может быть ограничена ка-

ким-либо одним относительным показателем. Поэтому коэффи-

циенты питания рек подземными водами, как и другие относи-

тельные показатели соотношения тепла и влаги, не являются

универсальными. В умеренном поясе Северного полушария они

уменьшаются с севера на юг, в тропическом и экваториальном

увеличиваются к экватору, но это не раскрывает всей сущности

водного баланса географических зон. Эти относительные показа-

тели приобретают более полный смысл в сочетании с оценками

абсолютных уровней формирования водного баланса, особенно с

оценками положения фактического испарения относительно ис-

паряемости. Близкие значения этих двух элементов свидетельст-

вуют о том, что водный баланс формируется в условиях избытка

влаги и структура водного баланса в основном зависит от этого

важного фактора при недостатке тепла. Наоборот, большой раз-

рыв между фактическим испарением и испаряемостью говорит о

недостатке влаги относительно тепла. В этом случае, следова-

тельно, водный баланс формируется в условиях избытка тепла.

Чрезвычайно хорошим показателем процессов, которые про-

исходят в каждой из зон, служит продуктивность фитомассы.

Приближенные данные о ней приведены в последних столбцах

табл. 17, 18 и 19. Они показывают, что в пределах каждого из

географических поясов существует связь между продуктивно-

стью фитомассы и коэффициентами питания рек подземными

водами.

ВОДНЫЙ БАЛАНС МАТЕРИКОВ

Рассмотрев распределение по территории элементов водного

баланса, проанализировав особенности их формирования в горах

и структурные зональные закономерности, мы подошли к син-

тезу— обобщению полученных результатов для материков. В его

основе лежат карты элементов водного баланса, приведенные в

первых разделах настоящей главы (рис. 22—26), планиметри-

рование которых позволило получить данные, помещенные в

табл. 20. В табл. 20 приведены и обобщенные данные по СССР.

Как уже отмечалось, карты, послужившие для выводов о

водном балансе частей света, носят генерализованный характер.

Для составления существенно более подробных карт сейчас нет

оснований, поскольку значительные районы суши eftie слабо

изучены в гидрологическом отношении. Охарактеризовать с

•большей подробностью один материк, что возможно, например,

для Европы, и схематично—такие в общем слабо освещенные

в гидрологическом отношении континенты, как Южная Америка,

Африка, зарубежная часть Азии, вряд ли было бы правомерно.

Поэтому генерализация карт принята более или менее однород-

ной для всех частей света. Различия заключаются лишь в том,

что для более изученных стран карты характеризуют элементы

водного баланса более точно, для малоизученных — менее на-

дежно.

Что же касается сравнительной точности отдельных элемен-

тов водного баланса, то ее анализ приводит к выводам, что в

целом наиболее надежны данные о полном речном стоке. Это

объясняется тем, что опубликованных материалов по этому

элементу водного баланса гораздо больше, чем по ежедневным

расходам воды, которые необходимы для оценки подземного и

поверхностного стока. Достаточно сказать, что по стоку в пре-

делах зарубежных стран мы располагаем данными для несколь-

ких тысяч створов. Кроме того, по ряду стран имеются доволь-

но подробные карты речного стока, при построении которых

использована вся сумма имеющихся национальных данных. Так,

карта речного стока СССР составлена с использованием данных

почти по 6000 пунктам (створам). Не менее подробные карты

получены для социалистических стран Европы и для некоторых

стран Западной Европы. Детально обоснованные карты речного

•стока имеются также по США, Венесуэле, бассейну Ла Платы,

Австралии и по некоторым другим странам и районам.

Таблица 20

Водный баланс и ресурсы пресных вод континентов, СССР и суши в целом

Элементы

Европа

Азия Африка

Северная

Америка *

Южная

Америка

Австра-

лия **

Вся

суша ***

В том числе

СССР-

Площадь млн. км

. . .

9,8

45,0

30,3

1 20,7

17,8

8,7

132,3 22,4

Осадки (Р)

734

В мм

726 | 686 I 670 | 1648

736

834 500

'о « [полный (R)

* ° {подземный (U)

° (поверхностный (5) . . . .

Валовое увлажнение территории (W)

Испарение (£) ...

319

293

139

287

583 226

294 198

109

48 84 210

90 46

210

217

203

378

172 204 152

524

509

595 467 1 275

564

630

348

415

433

547

383

1 065

510

540 300

Осадки (Р) . . ...

°§ is [полный (R) . . . . ...'.'

® н | подземный {V) . . . . . .

° (поверхностный (S) . . . . .

Валовое увлажнение территории (№)

Испарение (Е) .

Подземный сток в % от полного (U%)

Коэффициент питания рек подземными во-

дами (Ки)

Коэффициент стока (А^) ......

В км

Относительные величины

7 165

32 690 20 780

13910

29 355 6 405

110 305

10 960

3 110

13 190

4 225

5 960 10 380

1 965

38 830

4350****

1 065 3 410

1 465

1 740

3 740

465

11 885

1 020

2 045

9 780

2 760

4 220

6 640 1 500

26 945 3 330

5 120

22 910

020

9 690

22715

4 905

83 360 7 630

4 055

500

16 555

7 950

975

4 440

71 475

6610

34 26 35

24 31

0,21

0,15

0,08

0,18

0,16

0,10

0,14

0,43 0,40

0,23

0,31

0,35

0,31

0,36

0,13

0,40

* Исключая Канадский архипелаг и включая Центральную Америку.

** Включая Тасманию, Новую Гвинею и Новую Зеландию; только на

W=400 мм,

£-393

мм.

' •

*** Исключая Антарктиду, Гренландию и Канадский архипелаг.

**** fje считая 300 км

транзитного сто

этом континенте: Р =

440

мм, R = мм, .U=7 мм, S= 40 мм,

Основанием для утверждения, что полный речной сток осве-

щен наиболее достоверно, служат также и следующие сообра-

жения. Во-первых, территориальная репрезентативность наблю-

дений над речным стоком значительно выше, чем для осадков,

так как первые относятся к более или менее крупным площадям

водосборов, а вторые — к точкам. Особенно важно это для рай-

онов с пересеченным рельефом, где, как известно, условия

осадкообразования чрезвычайно изменчивы и меняются в зави-

симости от высоты и экспозиции склонов и экранирования осад-

ков. Во-вторых, использованные интерполяционные зависимости

для оценки полного речного стока в районах, где он не изучал-

ся, более надежны, чем для интерполяции подземного и поверх-

ностного стока. В-третьих, точность величин двух последних

элементов водного баланса снижается приближенным характе-

ром расчленения гидрографов. Наименее точными следует счи-

тать данные об испарении и валовом увлажнении территории,

так как при вычислении этих элементов водного баланса могут

быть случаи суммирования ошибок, допущенных при оценке

двух элементов — осадков и полного стока, в первом случае,

осадков и поверхностного стока — во втором. Кроме того, в

данные наблюдений над осадками, особенно там, где выпадает

значительная часть их в виде снега, требуются поправки.

Эти соображения о точности освещения отдельных элементов

водного баланса относятся к картам. Относительно более на-

дежными следует признать обобщенные данные по частям света

и по земному шару в целом.

Наиболее богата водными ресурсами на единицу площади

(по слою стока) Южная Америка. Полный и подземный сток

этого материка почти в 2 раза больше, чем в Европе, занимаю-

щей второе место по богатству водными ресурсами. Затем сле-

дуют Азия, Северная Америка и Африка. Наиболее слабо обес-

печена речным стоком Австралия. Объем полного и подземного

стока зависит от площади данной части света. По этому при-

знаку наиболее богата водными ресурсами Азия. Ей уступает

Южная Америка, затем следуют Северная Америка, Африка,

Европа и Австралия.

Следует напомнить, что для полного представления о водном

балансе суши к данным табл. 20 необходимо добавить осадки

и сток с покровных полярных ледников Гренландии, Канадско-

го архипелага и Антарктиды. Но подходы к изучению водного

баланса этих пространств суши, занимающих значительную ее

часть (более 16 млн. км

, или около 11% площади суши), долж-

ны быть другими. Если в предложенном мною методе в качестве

главных элементов, характеризующих водный баланс и его

структуру, принимаются валовое увлажнение территории, гене-

тические составляющие речного стока, особенно сток подземного

происхождения, то для покровных полярных ледников такой

подход в силу их особенностей лишен смысла.

ГЛАВА VI

ЭЛЕМЕНТЫ РЕЖИМА РЕК

ЗЕМНОГО ШАРА

Водный баланс и балансовая оценка водных ресурсов не

исчерпывают всего многообразия свойств, которыми обладают

водные ресурсы. Кроме свойств, освещенных выше, необходимо

знать колебания водных ресурсов из года в год, сезонные рит-

мы водного режима, ледовый режим, а также качество вод—со-

держание в них механических примесей и растворенных веществ,

транспортируемых реками. Последнее свойство водных ресур-

сов— результат эрозионной работы воды, изучение которой име-

ет большое значение не только для характеристики одной из

особенностей водных ресурсов, но также и для того, чтобы знать

один из главнейших факторов формирования скульптурных

форм рельефа.

Нужно еще иметь в виду, что не только водный баланс и

водные ресурсы, но и водный режим рек — важный элемент

водного компонента природной среды, окружающей людей.

Продолжительность маловодья на реках или даже их пересы-

хание, паводки, изобилие и нередко чрезвычайный избыток во-

ды, когда реки разливаются и служат причиной наводнений,

смыв почвы и транспортирование реками наносов, крайним про-

явлением которого служат селевые паводки, часто наносящие

большой ущерб, питьевые качества воды, наличие рыбы, жи-

вописные места на реке, озере, водохранилище для спорта и от-

дыха— все это далеко не безразлично для людей, непосредст-

венно их интересует, так как вода — один из важных компонен-

тов окружающей их природной среды, где развертывается жиз-

недеятельность человека. Но и для хозяйственной оценки вод-

ных ресурсов, для составления проектов их использования и

охраны все эти вопросы, как и элементы режима, должны при-

ниматься во внимание.

В этой главе освещаются сезонные ритмы водного режима,

которые в сочетании с источниками питания рек служат гене-

тической основой речных водных ресурсов, а также твердый и

ионный сток.