Львович М.И. Мировые водные ресурсы и их будущее

Подождите немного. Документ загружается.

41 IGOO(l 140) 100000(910)

65000( 560)

7500(234)

периферийная замкнутая

часть суши часть суши

Рис. 1. Схема круговорота воды. Числа на

рисунке — значения соответствующих элементов

мирового водного баланса: без скобок — в км

в скобках — в мм

1 — осадки, 2 — речной сток, 3 — испарение

произведенных П. Перо (1674), а затем Бельграном (Belgrand,

1861) во Франции; с талантливых работ по гидрологии А.И.Во-

ейкова (1882, 1894-а, 1894-6), В. В. Докучаева (1876, 1892),

Э. А. Брикнера (1905), Е. А. Гейнца (1898, 1903), Э. Ольдекопа

(1911) в России; А. Пенка (Penk, 1896) в Австрии; X. Келлера

(Н. Keller, 1906) в Германии; Ф. Ньюэля (F. Н. Newell, 1892—

1893) в США и др. В задачи настоящего труда не вхо-

дит подробный обзор развития представлений о круговороте

воды.

Чрезвычайно важное свойство круговорота воды заключает-

ся в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и

биосферой, связывает воедино все части гидросферы: океан, ре-

ки, почвенную влагу, подземные воды, атмосферную воду (рис. 1).

Благодаря круговороту воды утрачивается дискретный харак-

тер гидросферы. Все воды Земли едины не только по их про-

исхождению, но и в результате постоянно действующего их кру-

говорота.

Механизм круговорота воды действует повсеместно и непре-

рывно. Движущие силы круговорота воды — тепловая энергия

и сила тяжести. Под влиянием тепла происходят испарение,

конденсация водяных паров и другие процессы, а под влиянием

силы тяжести — падение капель дождя, течение рек, движение

почвенных и подземных вод. Часто эти две причины действуют

совместно: например, на атмосферную циркуляцию влияют как

тепловые процессы, так if сила тяжести.

В круговороте воды выделяются следующие основные зве-

нья: атмосферное, океаническое, материковое, включающее ли-

тогенное, почвенное, речное, озерное, ледниковое, биологическое

и хозяйственное. Каждое из этих звеньев играет в круговороте

свою особую роль.

Ни одно из перечисленных звеньев круговорота воды не пред-

ставляет собой замкнутой системы. Замкнутая, но, учитывая

процессы диссоциации молекул воды и диссипации атомов во-

дорода в космос, не вполне строго, система круговорота воды

относится лишь к земному шару в целом. Вместе с тем в прак-

тической работе принимается условно замкнутым водный баланс

(как количественная характеристика круговорота воды), напри-

мер, для отдельных речных бассейнов или озер. Это бывает

вполне оправданным, если не принимать во внимание всей це-

пи в системе круговорота, например наиболее трудно поддаю-

щийся учету баланс атмосферной влаги, связанный с ее пере-

носом. Заменяя это звено цепи осадками, можно получить

вполне достоверные представления о речном звене круговоро-

та воды.

АТМОСФЕРНОЕ ЗВЕНО

Атмосферное звено круговорота характеризуется переносом

влаги в процессе циркуляции воздуха и, как уже было сказано,

образованием атмосферных осадков. Общая циркуляция ат-

мосферы обладает замечательным свойством — сравнительной

устойчивостью из года в год, но при существенной сезонной из-

менчивости.

В последние годы обнаружено, что данные наблюдений над

осадками недостаточно точны и нуждаются в исправлении. Со-

временные осадкомеры искажают показания, особенно для сне-

говых осадков, во время ветра. В Главной геофизической обсер-

ватории разработали способ введения поправок на количество

осадков в зависимости от скорости ветра. Другая неточность в

учете осадков связана со смачиванием сосуда осадкомера. Уста-

новлено, что при каждом опорожнении осадкомера на его стен-

ках'остается немного воды, соответствующее слою осадков 0,2 мм.

Если за год осадкомер опорожняется 100 раз, то недоучитыва-

ется 20 мм осадков, что при годовой сумме в 500—600 мм со-

ставляет 3—4%. Суммарные поправки в зависимости от коли-

чества твердых осадков, скорости ветра, степени защищенно-

сти прибора от ветра и в зависимости от числа дождей чаще

всего колеблются в пределах от 5 до 20%. В районах, где вы-

падает много ливневых осадков, относительное значение поправ-

ки уменьшается. Разумеется, эти уточнения не вносят сущест-

венных изменений в представление о количестве осадков, вы-

падающих на крупных частях суши. Но в приморских районах

севера Европы и Азии, где выпадает много осадков в виде сне-

га, поправки достигают 20—25%- В районах, особенно гор-

2-4897 33

ных, где сведения об осадках недостаточны, но имеются дан-

ные о речном стоке, эти данные служат для контроля выпа-

дающего количества осадков. Этот прием особенно важен для

горных районов, где данных о речном стоке гораздо больше,

чем об осадках. Речные бассейны в данном случае уподобля-

ются (с поправками на испарение) гигантским дождемерам.

Расчеты показывают, что средний слой осадков составляет

на суше 765 мм, в океане—1140 мм, а в целом для всего зем-

ного шара— 1030 мм, т. е. немногим более 1 м. В объеме со-

ответствующие величины равны: для суши — 113,5 тыс. км

(22%), для океана — 411,6 тыс. км

(78%), для всего земного

шара — 525,1 тыс. км

Эти объемы воды количественно характеризуют интеграль-

ный результат круговорота воды на Земле, но они слагаются

из большого числа других процессов, участвующих в кругово-

роте.

Непосредственная роль циркуляции воздуха в круговороте

воды заключается в перераспределении атмосферной влаги по

земному шару. На материках осадков выпадает больше, чем

атмосфера получает влаги за счет испарения с суши. Разни-

ца, приблизительно достигающая 40—43 тыс. км

в год, вос-

полняется за счет переноса влаги атмосферы с океана на сушу.

Этот процесс имеет большое значение, так как он увеличивает

водные ресурсы материков. Без такой прибыли влаги водные

ресурсы, используемые человеком на суше, были бы значитель-

но беднее. Нужно иметь в виду, что указанная разница явля-

ется балансовой величиной. Это значит, что на сушу с океана

переносится воздухом гораздо больше влаги, но одновременно

много влаги переносится и с суши на океан, значительно боль-

ше разницы в 40—43 тыс. км

. В итоге такого многократного

обмена суша получает часть влаги за счет океана.

Сказанное не относится к перераспределению «стационар-

ных» запасов частей гидросферы между сушей и океаном в

историческом аспекте времени. Регрессии и трансгрессии океа-

на, достигавшие больших размеров, происходили сравнитель-

но медленно. Во всяком случае их интенсивность, например, в

течение года, к которому относятся показатели водного балан-

са Земли, значительно уступает активности круговорота воды.

Обусловленная этим разница между переносом воздушной вла-

ги с океана на сушу и обратно в итоге соответствует расходу

речных и подземных вод с суши в океан. Но интенсивность ис-

торических колебаний объемов воды на суше и в океане вряд

ли существенно влияет на эти балансовые характеристики.

Такая закономерность дает основание для изучения круго-

ворота воды независимо от исторических колебаний объемов

частей гидросферы, хотя оба эти процесса, конечно, взаимосвя-

заны в природе.

ОКЕАНИЧЕСКОЕ ЗВЕНО

Для океанического звена круговорота наиболее характерно

испарение воды, в процессе которого непрерывно восстанавли-

вается содержание водяного пара в атмосфере. Достаточно ска-

зать, что более 86% влаги поступает в атмосферу за счет ис-

парения с поверхности океана и менее 14%—за счет испаре-

ния с суши.

Расход воды на испарение распределяется неравномерно по

акватории океана. Это можно хорошо видеть по разности меж-

ду испарением и осадками. В экваториальной зоне расход во-

ды на испарение из-за большой облачности меньше годовой

суммы осадков. В умеренных широтах испаряется воды также

меньше, чем выпадает осадков, но основная причина здесь дру-

гая— недостаток тепла. В тропической и субтропической зонах

с поверхности океана испаряется влаги больше, чем выпада-

ет. Происходит это потому, что в зоне пассатов облачность бы-

вает реже, тепла здесь много, а осадков выпадает относитель-

но меньше.

Важная черта океанического звена круговорота воды — пе-

ренос огромных масс морских вод. В. Г. Корт (1962) рассчи-

тал количество воды, ежегодно переносимой течениями четы-

рех океанов. На основании этих данных составлена табл. 3.

Эти данные характеризуют интенсивность внутреннего океа-

нического водообмена под влиянием течений. Вычисленные мною

цифры последней графы говорят о том, сколько лет в среднем

необходимо, чтобы все воды данного океана и Мирового океана

в целом перемешались или сменились. Для Мирового океана на

это требуется примерно 60 лет; наименее интенсивен водообмен

Тихого океана (более 100 лет), для Атлантического океана тре-

Таблица 3

Объем водных масс, переносимых течениями в океанах,

и интенсивность их водообмена

Океан

Площадь,

млн. км

Объем,

млн. км

Годовой рас-

ход перено-

симых водных

масс, млн. км

(по В. Г. Кор-

ту)

Интенсив-

ность водооб-

мена — отно-

шение объема

океана к го-

довому рас-

ходу (число

лет)

Тихий

180 725 6,56

110

Атлантический

93 338 7,30

Индийский

75 290

7,40

Северный Ледовитый. 13

17 0,44

Мировой океан . . .

363 1 370 21,70

буется около 50 лет, для смешения вод Индийского — 40 лет,

столько же лет в среднем требуется и для полного перемешива-

ния вод Северного Ледовитого океана.

Согласно прежним представлениям, интенсивность переме- •

щения океанических вод под влиянием течений была гораздо

меньше. Это связано с тем, что о течениях было мало сведе-

ний: их скорость и тем более расход, т. е. количество переноси-

мой воды, были изучены еще слабо.

В последние годы советскими научно-исследовательски-

ми судами «Витязь», «Михаил Ломоносов», американским «Ар-

го» и другими обнаружены и измерены мощные пассатные и

экваториальные противотечения, движущиеся в направлении,

обратном пассатным течениям. Эти течения проходят на глу-

бине до нескольких сот метров, ширина каждого из них дости-

гает 300 км.

По расчетам Н. К. Ханайченко (1966), секундный расход

противотечений составляет 110—120 млн. км

, а годовой рас-

ход— 3,5 млн. км

. Нужно учесть, что противотечения изучены

еще недостаточно и, по всей вероятности, количество переноси-

мых ими водных масс преуменьшено.

Океаническим течениям принадлежит большая климатооб-

разующая роль, поэтому их влияние на круговорот воды в ос-

новном сказывается через климат. Морские течения переносят

воды на три порядка больше, чем все реки мира, а обусловлен-

ный ими водообмен в 50 раз интенсивнее водообмена, вы-

званного атмосферными осадками, выпадающими на поверхность

океана, и испарением. По этой причине внутренний океанический

водообмен гораздо интенсивнее внешнего, обусловленного кру-

говоротом пресной воды.

К этим цифрам мы еще вернемся, когда будем рассмат-

ривать интенсивность водообмена отдельных частей гидросферы.

ЛИТОГЕННОЕ ЗВЕНО

Литогенное звено круговорота воды, другими словами, уча-

стие подземных вод в круговороте воды, весьма разнообразно.

В гл. I мы уже касались этого вопроса. Глубинные подземные

воды, главным образом рассолы, крайне слабо связаны с верх-

ними слоями подземных вод и с другими звеньями круговоро-

та воды. Накопление глубинных подземных вод в некоторых

областях происходило в течение многих миллионов лет. Весьма

медленно просачиваясь вглубь и пополняясь за счет дегазации

мантии, на глубинах (чаще всего более 1—2 км) образовались

огромные скопления воды. Но их участие в круговороте воды

выражено весьма слабо. Глубинные подземные воды, если срав-

нивать с круговоротом воды — явлением природы весьма дина-

мичным, практически стабильны. Их объем весьма незначитель-

о меняется в течение коротких периодов времени. Они обычно

сильно минерализованы, вплоть до крепких рассолов, что и слу-

жит главным признаком слабого обмена.

Пресные подземные воды залегают преимущественно в зо-

не активного водообмена, в верхней части земной коры, дрени-

руемой речными долинами, озерами и морями. Именно благо-

даря интенсивному водообмену, относительно частым перехо-

дам через фазу конденсации атмосферной влаги эти воды слабо

минерализованы, практически пресны.

Явлению естественного дренажа подземных вод принадле-

жит исключительно важная роль в круговороте. Благодаря ему

одно из звеньев круговорота приобретает регулирующие свой-

ства—реки получают устойчивое питание. Без этого источника

водный режим рек был бы еще более изменчив — вода в реках

появлялась бы лишь во время дождей или при снеготаянии, а

в остальное время реки пересыхали бы. Реки с таким режимом

распространены в зоне сухой степи и в пустыне. Примером мо-

гут служить реки Южного Заволжья и равнинной части Ка-

захстана. Здесь подземные воды получают очень слабое пита-

ние, быстро иссякают и их участие в питании рек весьма не-

значительно. Поэтому такие сравнительно большие реки, как

Малый и Большой Узень в Заволжье или Hyp а в Северном

Казахстане, текут лишь непродолжительное время весной. По

этой же причине вади Сахары, омурамбо пустыни Калахари и

крики Австралии в течение нескольких лет бывают сухими и

превращаются в стремительные потоки во время редко выпада-

ющих здесь интенсивных ливней. Использование водных ресур-

сов таких рек возможно лишь путем создания водохранилищ

большой емкости, собирающих паводочные воды и в какой-то

мере заменяющих подземные воды, обладающие, как правило,

высокой естественной регулирующей способностью.

Возобновимые запасы подземных вод, т. е. та их часть, ко-

торая ежегодно возобновляется в процессе круговорота воды,

может быть определена на основании расчетов водного балан-

са. Ее пока не удалось оценить на основании гидрогеологиче-

ских исследований. Буровые скважины, вскрывающие пласты

подземных вод, определение их дебита и скорости движения не

дают ответа на вопрос о количестве подземных вод, участвую-

щих в круговороте воды. Для отдельных артезианских бассей-

нов возобновимые запасы удается оценить в результате много-

летней эксплуатации. Учитывая количество воды, отбираемой

из подземных пластов, и следя за состоянием уровня подзем-

ных вод, можно оценить возобновимые запасы отдельных водо-

носных пластов. Если в процессе многолетней эксплуатации во-

доносного горизонта уровень воды держится стабильно, то это

свидетельствует о том, что количество забираемой воды не пре-

вышает возобновимых запасов. Если же уровень эксплуатируе-

мых подземных вод из года в год систематически снижается,

то это служит показателем того, что количество добываемой

воды превышает возобновимые запасы.

Впрочем, и этот показатель не всегда надежен для обшир-

ных артезианских бассейнов, эксплуатируемых на отдельных

участках. Снижение напора или понижение уровня подземных

вод на таких сравнительно ограниченных участках иногда про-

исходит в результате образования депрессионных воронок. Их

происхождение связано с тем, что объем воды, откачиваемой

из бурового колодца, не успевает возместиться за счет подтока

воды из окружающего скважину водоносного горизонта. Если

прекратить откачку воды из колодца, то в таких случаях де-

прессионная воронка постепенно заполняется водой. По интен-

сивности заполнения судят о скорости движения подземных

вод, о дебите колодцев. Но ответа на вопрос о количестве под-

земных вод, участвующих в круговороте воды и ежегодно возоб-

новляемых, этот метод все же не дает.

Первое общее количественное представление об этом явле-

нии удалось получить путем изучения естественного дренажа

подземных вод реками.

Я уже упоминал о том, что подземный сток составляет наи-

более устойчивую часть речного стока. Для оценки подземной

составляющей речного стока существует специальный метод, о

котором будет сказано ниже. Этот метод основан на анализе

результатов систематических наблюдений над речным стоком.

Он еще не очень точен, но дает вполне надежные данные о

количестве подземных вод, дренируемых реками.

Следует признать, что эти данные в первом приближении

характеризуют запасы подземных вод, регулярно возобновляе-

мых в процессе круговорота воды. Такое допущение близко

к действительности, если расходование подземных вод другими

путями незначительно. Рассмотрим, какие еще существуют пу-

ти расходования.

Прежде всего возникает вопрос об объеме подземных вод,

движущихся ниже уровня речного дренажа или стекающих с

междуречных участков и выливающихся непосредственно в оке-

ан. Эта часть подземного звена круговорота воды изучена еще

очень слабо, но имеются основания предполагать, что количе-

ство подземных вод, попадающих с суши непосредственно в мо-

ре, минуя реки, невелико в сравнении с объемом подземных

вод, дренируемых реками. Об этом мы можем судить, напри-

мер, по режиму подземных вод морских побережий.

На побережье Северного моря в Голландии пресные под-

земные воды приурочены к местам распространения прибреж-

ных дюн. Однако они подперты солеными подземными водами,

проникшими в материк со стороны моря. Усиление эксплуата-

ции пресных подземных вод приводит к подтоку к колодцам

соленой воды морского происхождения. Использование срав-

нительно небольшого количества подземных вод материкового

происхождения для водоноснабжения прекращает их попада-

ие в море и замещается профильтровавшейся в сторону су-

щи морской водой. Аналогичное явление произошло в юго-во-

сточной части Нью-Йорка, расположенной на острове Лонг-

Айленд. Использование подземных вод для водоснабжения при-

вело к их истощению. Пресные подземные воды постепенно

были замещены соленой морской водой, для вытеснения которой

сейчас под землю закачивается ливневый сток (Кунин, 1972).

Другим примером может служить Каспийское море. Суммарный

приток воды в Каспий составляет в среднем около 300 км

. Из

этого количества только 5 км

, или менее 2%, по приблизитель-

ной оценке, приходится на подземные воды, попадающие в море,

минуя реки. По другим данным (Зекцер и др., 1967), приток

подземных вод непосредственно в Каспий составляет только

1,4 км

в год, или 0,5% общего притока речных вод. Однако

общий объем подземных вод после их дренажа реками, впа-

дающими в Каспийское море, составляет около 120 км

в год,

или 40% общего притока воды в море. Остальные 58% прихо-

дятся на поверхностные (паводочные) воды. Примерно такая

же картина наблюдается на нидерландском побережье Север-

ного моря: подземными путями непосредственно в море попа-

дает сравнительно мало воды, но Рейн и другие реки, впадаю-

щие в него, несут большое количество подземных вод, дрени-

рованных на всем пути их течения, включая и дренаж подзем-

ных вод разветвленной сетью их притоков.

Больше подземных вод с суши в океан может попадать из

горных районов, расположенных недалеко от морских побере-

жий. К ним относятся Скалистые горы и Кордильеры, протя-

нувшиеся вдоль Тихоокеанского побережья Северной и Южной

Америки. Это относится и к Черноморскому побережью Кав-

каза, где, например в районе Гагры, непосредственно на бере-

гу моря и ниже его уровня выходят довольно мощные подзем-

ные источники. Аналогичные выходы подземных вод наблюда-

ются в приморской части Югославии, отчасти в Италии, где рас-

пространены карстовые воды.

Подобные факты не позволяют утверждать, что приток под-

земных вод в океан, минуя речную сеть, мал относительно вод-

ного баланса материков. Но он, несомненно, намного меньше

количества воды, дренируемой реками из подземных горизонтов.

По оценке Г. П. Калинина и И. С. Зекцера, приток подземных

ВОД в океан, минуя реки, составляет приблизительно 2200 км

год, или около 5% речного стока, включая и сток с поляр-

ных ледников. Более достоверны сведения о подземном стоке

реки мира, которые впервые удалось получить по предложен-

ному мною дифференцированному методу, освещенному в гла-

ве IV. Для всего земного шара он равен 12 000 км

в год

, т. е.

Здесь и далее даются округленные величины.

немного меньше

/з полного речного стока, включающего и по-

верхностный сток. Общий объем подземного стока в реки со-

ставляет 10% от количества осадков, выпадающих на суше.

В СССР, территорий которого занимает почти 15% площади

всей суши, подземный сток в реки равен 1020 км

в год, или

немного менее 9% мирового подземного стока в реки. Следо-

вательно, на территории СССР подземный сток относительно

беднее, чем на суше в целом. Это удобнее сравнить, если пе-

ревести объемы стока в миллиметры слоя. Для всей суши слой

подземного стока составляет 90 мм, а для СССР он в 2 раза

меньше — 46 мм. Эти цифры не дают основания утверждать,

что наша страна наиболее богата водными ресурсами, как это

часто утверждается. Сравнение ресурсов пресных вод СССР с

мировыми более подробно дано в гл. VII.

Распределение подземных вод по территории и интенсив-

ность их возобновления связаны с геологическим строением и

географической зональностью. Оба этих фактора тесно перепле-

таются, и не всегда возможно разделить их влияние. Роль

географической зональности в прошлом недооценивалась и все

явления режима подземных вод связывались главным образом

с геологическим строением. Теперь, однако, установлено, что

комплекс компонентов природы (климат, почвенный покров,

рельеф, растительность) оказывает существенное влияние на

формирование подземного стока. Особенно это относится к под-

земным водам, дренированным реками, свидетельством чего слу-

жат зональные структурные зависимости водного баланса.

Геологическое строение заметно влияет на местный кругово-

рот воды и на водный баланс при существенных его отклоне-

ниях от обычных условий. Большое влияние оказывает карст.

Это хорошо видно из сравнения водного баланса двух речных

бассейнов Северной Италии (близ г. Савоны), которое сдела-

но мною (Львович, 1945) на основании данных, опубликован-

ных в гидрологических ежегодниках Италии. Поверхность од-

ного из этих бассейнов — р. Летимбро занята карстом на 15%,

а другого, р. Сансобия, вся закарстована (табл. 4). В закар-

стованных районах горные породы (обычно известняки или гип-

сы) интенсивно выщелачиваются, в результате чего создаются

пустоты, подземные туннели, пещеры, в которых свободно цир-

кулирует вода, просочившаяся с поверхности.

В условиях полностью закарстованной, легко проницаемой

территории вода быстрее просачивается вглубь, в меньшем объ-

еме задерживается в верхних слоях горных пород и тем самым

лучше сохраняется от испарения. Это способствует повышению

стока в основном за счет устойчивой части подземного проис-

хождения. В моем примере на двух речных бассейнах, схожих

по всем признакам, кроме условий проницаемости и водоудер-

живающей способности горных пород в бассейне р. Сансобии,

сплошь закарстованном, сток на 200 мм больше, а испарение

Таблица 4

Сравнение годового стока и испарения бассейнов

двух рек — слабо закарстованного (р. Летимбро)

и сплошь закарстованного (р. Сансобия)

р. Летимб-

р. .Сансо-

Характеристика

ро до Пик- бия до

кардо

Эллере

Площадь бассейна, км

Средняя высота бассейна, м ... .

404 500

Часть бассейна, занятого карстом, %

100

Атмосферные осадки, мм

1 360

1 376

Полный сток, мм

744 950

Испарение (осадки минус сток), мм

616

426

почти на столько же меньше, чем на р. Летимбро, бассейн ко-

торой закарстован лишь на 15%.

Подобная картина наблюдается на многих других реках

Италии. Например, на реках Нера и Анио, бассейны которых

закарстованы примерно на 80%, годовой сток почти на 300 мм

больше стока, характерного для местных зональных условий.

С другой стороны, на реках Тригно и Тибр, бассейны которых

закарстованы только на 20%, измеренный сток близок к зо-

нальному стоку.

Аналогичную закономерность выявил Л. К- Давыдов (1947)

для некоторых рек СССР.

Карстовые явления благоприятствуют усилению питания под-

земных вод и дренажу их реками. По этой причине реки ста-

новятся более водоносными, а расход воды на испарение сни-

жается.

Примерно такое же влияние на водный баланс, особенно

на литогенное звено круговорота воды, оказывают хорошо про-

ницаемые для воды вулканические туфы. Армянское нагорье»

сложенное такими горными породами, отличается почти пол-

ным отсутствием поверхностного стока, так как при выпаде-

нии осадков и при снеготаянии вся вода быстро просачивается

вглубь и питает подземные воды. В этих условиях формиру-

ются обильные источники подземных вод. При другом геологи-

ческом строении, например при наличии толщи рыхлых чет-

вертичных отложений и слабопроницаемых почв, значительно'

больше влаги аккумулировалось бы в почве и в условиях пре-

обладания сухой погоды расходовалось бы на испарение в го-

раздо большем количестве. Подземные воды получали бы мень-

ший приток, реки были бы менее водоносны, причем большое

значение в их режиме имел бы поверхностный (паводочный)

сток.

Подобные влияния геологических факторов в формировании

водного баланса чаще всего распространяются на сравнительно