Львович М.И. Мировые водные ресурсы и их будущее

Подождите немного. Документ загружается.

нивает в миллионы лет. Интенсивность обмена подземных вод

зоны активного обмена приближенно оценивается в 3—3,5 сто-

летия, но если из этой зоны исключить малоподвижную часть

подземных вод и выделить лишь ту их часть, которая питает

реки и, следовательно, характеризуется наибольшей подвиж-

ностью, то активность ее водообмена может быть оценена в

десятки лет. Совсем другая активность водообмена, на три —

пять порядков более интенсивная, характерна для пресных вод.

Особенно ярко это проявляется для рек. Единовременный объ-

ем воды в их руслах оценивается приблизительно в 1200 /см

а суммарный годовой сток составляет 38 800 км

\год. Отсюда

следует, что обмен русловых речных вод происходит каждые

0,031 года, т. е. каждые 11 суток, или 32 раза в течение года.

Но если учесть, что с реками связана большая часть озер и

все водохранилища, общая активность обмена поверхностных

вод суши выражается семью годами. Высокая активность реч-

ных вод — исключительно важное свойство, благодаря которо-

му обеспечиваются основные потребности человечества в воде.

Очень высока активность атмосферной влаги. При объеме

в 14 тыс. км

она дает начало 525 тыс. км

осадков, выпадаю-

щих на Земле. Благодаря этому смена всего объема атмосфер-

ной влаги в среднем происходит каждые десять суток, или 36

раз в течение года.

Процесс испарения воды и конденсации атмосферной влаги

обеспечивает пресную воду на Земле. В цепи круговорота воды

его речное и озерное звенья, так же как и почвенная влага,

следуют сразу же после конденсации паров атмосферы, поэто-

му для этих частей гидросферы характерна преимущественно

пресная вода.

Что касается активности обмена почвенной влаги, то, по-

скольку она наиболее тесно связана с атмосферными процес-

сами и в основном подвергается сезонным колебаниям, по-

видимому, смена ее происходит в течение года.

Совершенно особое положение занимают ледники. Огромные

массы пресной воды законсервированы в виде льда. Годовой

расход всех полярных покровных ледников, по современной

приблизительной оценке, составляет немногим менее 3 тыс. км

Отсюда продолжительность смены всего объема покровных лед-

ников достигает примерно 8 тыс. лет. Раньше эту вели-

чину я оценивал в 15 тыс. лет (1966-а). П. А. Шумский с со-

авторами (Shumskiy и др., 1964), принимая объем покровных

ледников в 24 млн. км

, а сток с них в 2500 км

!год, оценили

продолжительность обмена массы ледников в 9600 лет.

В целом вся гидросфера сменяется в среднем каждые 2800

лет. Гидросфера вместе с атмосферой и биосферой принадле-

жит к числу наиболее активных сфер Земли.

ЧАСТЬ II

МИРОВЫЕ РЕСУРСЫ

ПРЕСНЫХ ВОД

ГЛАВА IV

МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ ВОДНОГО БАЛАНСА

И БАЛАНСОВОЙ ОЦЕНКИ

ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

Из приведенных высказываний во введении видно мое отно-

шение к методу исследований. Ему принадлежит чрезвычайно

большое значение, и здесь уместно еще раз напомнить о весь-

ма ярко выраженной А. И. Герценом мысли о том, что метод

есть эмбриология истины. Вполне разделяя столь высокое зна-

чение метода исследований, автор уделяет этому важному воп-

росу большое внимание во многих главах книги. Здесь излага-

ются основы комплексного дифференцированного метода изуче-

ния водного баланса.

Недостаточность исходных гидрологических данных для зна-

чительных частей суши требует исключительно большого вни-

мания к методам получения приближенных решений, неизбеж-

ных при изучении водного баланса Земли и материков земного

шара. Одна из задач применяемого метода заключается в вос-

полнении недостатка исходных материалов. Метод, изложенный

в этой главе, служит ключом к получению некоторых новых

представлений о водном балансе и о водных ресурсах — о миро-

вых ресурсах пресных вод.

СИСТЕМА УРАВНЕНИЙ ВОДНОГО БАЛАНСА

Наряду с большими успехами в изучении отдельных элемен-

тов водного баланса СССР — атмосферных осадков, речного

стока, подземных вод, влажности почвенного покрова — в пос-

ледние годы стал ощущаться пробел в комплексном координи-

рованном изучении водного баланса территории и ее отдельных

частей. Необходимость в таком комплексном изучении водного

баланса вызвана тем, что все источники водных ресурсов тес-

но взаимосвязаны круговоротом воды. По этой причине обосно-

ванный учет водных ресурсов возможен лишь на основе изуче-

ния водного баланса. При планировании водного хозяйства

приходится также считаться с тем, что использование одного

из источников водных ресурсов неизбежно сказывается на со-

стоянии других. Например, задержание поверхностного стока на

полях в целях повышения урожайности приводит к уменьшению

речного стока, интенсивная эксплуатация подземных вод в ряде

случаев может вызвать уменьшение подземного питания рек и,

следовательно, ресурсов устойчивого речного стока и т. п.

В гидрологии уже давно известно, что речной сток состоит

из двух генетически разнородных частей — поверхностного стока,

формирующего паводки, и подземных вод, дренируемых реками.

Реки поверхностного питания, а такие существуют во многих

районах, отличаются неустойчивым стоком. Питание рек

подземными водами — большое благо для людей, благодаря че-

му многие реки становятся постоянными источниками пресной

воды. Но поверхностный и подземный сток вместе с атмосфер-

ными осадками, которые дают начало всем пресным водам су-

ши, не являются единственными элементами водного баланса

территории. Выпавшие осадки, прежде чем попасть в подзем-

ные горизонты, увлажняют почву. Это же относится и к испа-

рению, которое происходит за счет почвенной влаги путем рас-

ходования воды непосредственно с почвы или путем транспира-

ции. Почвенная влага — элемент водного баланса, но вместе

с тем важнейший (компонент плодородия почвы. Таким образом,

по предмету изучения гидрология тесно связывается с /пробле-

мами продуктивности фитомассы, с агрономией, лесоводством.

Но почвенная влага интересует гидролога не только в связи

с биосферой. Почва — среда, в которой протекают важнейшие

гидрологические процессы: инфильтрация, просачивание воды

вглубь, образование 'поверхностного стока. Поэтому почва для

гидролога, как уже отмечено во II главе, служит посредником

между метеорологическими явлениями и рекой, так же как и

подземными водами. Таким образом, почва представляет собой

важнейший фактор водного баланса территории. Освещаемые

здесь вопросы о взаимосвязи между элементами водного балан

са территории, несомненно, относятся к числу общепризнанных.

Но если сопоставить этот хорошо известный в гидрологии вза-

имосвязанный процесс с уравнением водного баланса территории

(речных бассейнов), то становится очевидным, что сказанное

по этому вопросу далеко не тривиально.

Действительно, водный баланс речных бассейнов или каких-

либо территорий изучался начиная с конца прошлого столетия

с помощью уравнения.

P = R + E,

где P — осадки, R — речной сток, Е — испарение.

Это уравнение создало целую эпоху в гидрологии, и им про-

должают пользоваться и сейчас. Но сравним это уравнение с

приведенной характеристикой взаимосвязанных процессов вод-

ного баланса. Такой важный компонент водного баланса,

как почвенная влага, не находит отражения в уравнении, или во

всяком случае она отсутствует в нем непосредственно и лишь

отдаленно подразумевается в элементах R и Е, поскольку речной

сток и испарение находятся в связи с процессами инфильтрации

и содержанием влаги в почве. Но даже имея это в виду, уравне-

ние не включает почвенного звена водного баланса, так же как

и подземной и поверхностной составляющих речного стока. По

существу, как мы видим, образуется разрыв между общими тео-

ретическими представлениями о всем комплексе взаимосвязан-

ных процессов водного баланса, с одной стороны, и практиче-

ским разрешением этих процессов с помощью приведенного

уравнения — с другой.

Во второй половине прошлого столетия — в первой четверти

текущего это уравнение довольно часто использовалось для оп-

ределения стока по осадкам и по испарению, вычисленного

различными способами, о чем упоминалось в предыдущей главе.

Тогда данных непосредственных измерений речного стока бы-

ло мало, и косвенные оценки стока были вполне оправданны.

Но когда появилось достаточно гидрометрических данных,

уравнение стало утрачивать практическое значение. Иногда оно

использовалось для определения испарения по осадкам и стоку.

Но чаще всего служило учебным целям, главным образом для

иллюстрации различий между многолетним балансом и годо-

вым балансом или вообще балансом за ограниченный период,

когда к правой части уравнения добавляется член ±AW (изме-

нение запасов воды в речном бассейне), и оно приобретает вид

P = R + E±AW.

В связи с вышеизложенным уже давно появилась необходи-

мость приспособить это уравнение к более полным, комплекс-

ным представлениям о водном балансе, которые начали склады-

ваться еще в начале текущего столетия. Так, Е. А. Гейнц (1903),

изучая сток р. Оки, разделил его на поверхностную и подзем-

ную части. Далее, В. Г. Глушков еще в 1908 г. провел аналогич-

ную работу для Амударьи, а впоследствии и для Зеравшана

(1924). Этим исследованием известный гидролог положил нача-

ло методу определения подземной части речного стока, генети-

ческому анализу гидрографа стока (Глушков, 1961). Почвовед

Г. Н. Высоцкий написал уравнение водного баланса речного

бассейна, в котором речной сток делится на две части — поверх-

ностную и подземную. В этом случае уравнение служило лишь

для иллюстрации процесса питания рек

и роли леса в этом

процессе и не было связано с прежними исследованиями

Е. А. Гейнца и В. Г. Глушкова, которые хотя и не приводили

такого уравнения, но подошли вплотную к его решению в от-

дельных речных створах.

Система уравнений водного баланса территории (Львович,

1950-а, 1959-а, 1971-а; Львович и др., 1963; География на Бълга-

рия, 1966; Водный баланс СССР..., 1969), предложенная мною

для расчетов водного баланса, пишется следующим образом:

где Р — осадки, S — поверхностный (паводковый) речной сток,

U—подземный сток в реки (устойчивая часть речного стока),

Е — испарение, R — полный речной сток, W — валовое увлаж-

нение территории, Ки и Ке—коэффициенты питания рек под-

земными водами и испарения, показывающие, какие части годо-

вой инфильтрации формируют подземный сток и расходуются

на испарение.

Эта система уравнений отвечает современным представлени-

ям о формировании водного баланса территории. В ней выделе-

ны разные генетические составляющие речного стока U и S, а

также почвенное звено круговорота воды — валовое увлажне-

ние территории W, которое кроме расхода дождевых и снеговых

вод на инфильтрацию почвенным покровом включает также ис-

парение с водной поверхности и испарение воды, смачивающей

растения во время дождей. Эти два источника расходования

осадков в общем несущественны, особенно в речных бассейнах,

где нет озер и водохранилищ и где отсутствуют леса. В степ-

ной и лесостепной зонах, а также в прериях и саваннах вало-

вое увлажнение территории практически соответствует годовой

инфильтрации или ресурсам почвенной влаги.

Разделение полного речного стока на подземный и поверх-

ностный обогащает представления о водном балансе, ,но оно

имеет также и практическое значение, так как обе составляю-

щие речного стока обладают различной хозяйственной ценно-

стью. Подземная часть речного стока, как правило, устойчива,

постоянно обеспечивает потребности людей и хозяйства и не

нуждается в искусственном регулировании. Поверхностный же

сток образует в реках паводки, он неустойчив, носит эфемер-

ный характер, поэтому чаще всего должен быть искусственно

зарегулирован, для того чтобы приспособить его к постоянно

действующему источнику водных ресурсов. По этой причине по-

верхностный (паводочный) сток следует в значительной степе-

ни рассматривать как потенциальные водные ресурсы. Для то-

го чтобы выявить эту особенность обычными расчетными прие-

мами, практикуемыми в гидрологии и в водном хозяйстве, при-

меняются стохастические методы, учитывающие вероятность и

P = S + U + E; S + U = R\ W=i

W=P—S = U+E\

Рис. 3. Схема водного баланса суши

Р — атмосферные осадки, R — полный речной сток, U —

подземный сток, S — поверхностный сток, W — валовое

увлажнение территории (годовая инфильтрация), вклю-

чающее поверхностное задержание, N — непродуктивное

испарение, Т — транспирация растений, Е — суммарное

испарение

обеспеченность стока за различные периоды. Такие способы,

конечно, необходимы при проектировании конкретных гидро-

технических сооружений, но для оценки речных водных ресур-

сов различных категорий, а также для планирования их исполь-

зования и охраны гораздо удобнее располагать такими просты-

ми характеристиками, как подземный и поверхностный (павод-

ковый) сток.

В целом система дифференцированных уравнений водного

баланса позволяет оценить и установить количественную взаимо-

связь между шестью элементами водного баланса вместо трех

элементов, которые раскрывались прежним уравнением. Кроме

того, коэффициенты К

и Ке> особенно первый, служат весьма

важным дополнением для характеристики и анализа водного

баланса территории, значительно расширяющим представления,

которые дает коэффициент речного стока.

Система дифференцированных уравнений водного баланса

позволяет по ходу стока в створе реки и по осадкам, наблюдае-

мым в ее бассейне, раскрывать, количественно оценивать еще

четыре элемента водного баланса: подземный сток в реки, по-

верхностный сток, увлажнение почвы и испарение (рис. 3).

Не всегда, однако, водный баланс замыкается в пределах

одного речного бассейна. Бывает, что границы поверхностного

водосбора реки не совпадают с границами ее подземного бассей-

на. Так, некоторые реки питаются артезианскими водами, кото-

рые притекают к данной реке из другого речного бассейна.

Примером может служить Донецко-Днепровский артезианский

бассейн, питающийся водой в бассейне Дона и выклинивающийся

в бассейне Днепра. В данном случае масштабы этого явления

сравнительно невелики и размеры расхождений между приход-

ной и расходной частями баланса приблизительно укладываются

в пределы точности метода его изучения. Подобные явления наб-

людаются и в карстовых районах. В таких случаях результа-

ты расчетов водного баланса нельзя включать в общий мате-

риал, используемый для составления карт. Иногда переход

части воды подземными путями из одного речного бассейна в

другой удается выявить сопоставлением элементов водного ба-

ланса данной реки и смежных речных бассейнов. В отдельных

случаях данные, выпадающие из общей закономерности, харак-

терной для этого района, не следует использовать для составле-

ния карты. Выявлению подобных случаев помогают также струк-

турные кривые водного баланса, устанавливаемые для отдельных

географических зон. Этому вопросу будет посвящен специаль-

ный раздел в гл. V. Однако опыт изучения водного баланса боль-

ших территорий показывает, что такие случаи в природе в об-

щем редки. Чаще всего несоответствие приходной и расходной

частей баланса «укладываются» в пределы точности метода.

В целом излагаемый метод дает, конечно, приближенное ре-

шение, но получаемые результаты вполне достоверны для изу-

чения гидрологических закономерностей и для оценки водных

ресурсов в целях планирования их использования и охраны.

В последнее время благодаря работам О. А. Дроздова

(Дроздов, Григорьева, 1963; Дроздов, Калинин, Львович, 1973)

и Г. П. Калинина (Калинин, Кузнецова, 1972) появилась воз-

можность расширения приведенной выше системы уравнений

водного баланса составляющими атмосферного влагообмена.

О. А. Дроздов предложил уравнение, связывающее осадки

Р и испарение Е с разностью горизонтального притока D- и

оттока D+ атмосферной влаги,

P=E+D

—D_

Это уравнение соответствует давно принятому в гидрологии

и приведенному выше уравнению P=E-\-R, где R — полный реч-

ной сток.

Отсюда следует, что R=D

—/)_, т. е. разность горизонталь-

ных потоков атмосферной влаги характеризует полный речной

сток. Такая закономерность относится к большим территориям.

Г. П. Калинин и Л. П. Кузнецова в упомянутой выше рабо-

те произвели чрезвычайно интересный расчет переноса атмос-

ферной влаги в пределах тропосферы над территорией СССР.

На основании этих расчетов установлено, что годовой приток

атмосферной влаги составляет 8600 км

, отток — 3769 км

, а

разность их—4840 км

(с округлением). Последняя величина

соответствует среднему значению полного стока рек СССР, ко-

торый за соответствующий период равен 4550 км

Не приходится сомневаться в том, что дальнейшие исследо-

вания атмосферного звена круговорота воды позволят углубить

и расширить эту проблему.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОДЗЕМНОГО СТОКА

Определение подземной и поверхностной составляющих реч-

ного стока производится путем расчленения гидрографов. Рас-

членение гидрографов трудоемко. Поэтому для массовой работы

можно взять данные за четыре года: два средних по водности,

маловодный и многоводный. Годы, средние по водности, долж-

ны быть выбраны не только по величине среднегодового расхо-

да. Они должны быть также характерными и по внутригодово-

му (по сезонам) распределению стока. Годы маловодные и мно-

говодные должны приблизительно соответствовать годам 75—

80% и 20—25% обеспеченности. Анализ внутригодового распре-

деления стока необходим и при выборе маловодных и много-

водных лет. При этом нужно иметь в виду, что водность года

определяется, как правило, по размерам паводочного (поверх-

ностного) стока, учитывая, что подземный сток в реки из года

в год относительно более устойчив.

Опыт показывает, что на основании выбранных таким путем

четырех лет можно получить вполне достоверные данные о соот-

ношении подземной и поверхностной частей речного стока за

многолетний период. Сравнение величин подземного стока в ре-

ки, установленных для характерных четырех лет, с соответ-

ствующими вычислениями за все годы наблюдений показало, что

расхождения между ними, как правило, не превышают 10%.

В целях контроля для части речных створов подземный сток в

реки определяется за все годы наблюдений.

Для выбранных четырех характерных по водности лет и для

контрольных створов за все годы наблюдений строятся гидро-

графы, причем их построение желательно в одном масштабе

для данного створа. Масштаб гидрографов должен быть выб-

ран так, чтобы меженный сток можно было бы достаточно точ-

но планиметрировать или считать палеткой.

Выделение подземного стока в реки по гидрографу в неко-

торых случаях облегчается с помощью комплексных графиков,

на которых график расходов воды совмещается с графиками

ежедневного хода температуры воздуха и суточных величин ат-

мосферных осадков с выделением твердых осадков.

Анализ таких комплексных графиков служит основой для

выделения подземной составляющей речного стока по методу,

основные положения которого в 20-х годах были предложены

В. Г. Глушковым (1961) для зон умеренного пояса. С тех пор

он был существенно развит рядом авторов (Огиевский, 1932;

Львович, 1938; Куделин, 1948, 1960, и др.).

Сущность метода заключается в следующем.

Прежде всего на гидрографе выделяются периоды, когда

река питается только подземными водами. Это бывает во вре-

мя устойчивой зимней межени при отсутствии оттепелей, а так-

же в период летней межени после продолжительного отсут-

ствия дождей. При выделении таких моментов нужно приблизи-

тельно ориентироваться на время добегания речного стока. Ес-

ли продолжительность периода после зимней оттепели или пос-

ле летних дождей превышает продолжительность добегания, то

можно считать, что в последующее время до наступления новой

оттепели зимой или до новых дождей летом река питается толь-

ко подземными водами.

Более отчетливо эта задача решается для рек с устойчивой

зимой и с продолжительными засушливыми периодами или пе-

рерывами между выпадением паводкообразующих осадков. В

иных случаях, когда паводки, вызванные зимними оттепелями

или часто выпадающими дождями, перекрывают друг друга,

требуется тщательный анализ, в результате которого пери-

од устойчивого стока подземного происхождения удается уста-

новить лишь за отдельные годы. Эти сведения необходимо учи-

тывать, так как они позволяют оценить долю подземного стока

в полном стоке данной реки и могут служить для ориентиро-

вочного определения подземного стока в реки в те годы, когда

по характеру режима не удается установить величину подзем-

ного стока в чистом виде.

Относительно оценки размеров питания рек подземными во-

дами во время половодья существует ряд предложений, наибо-

лее полно рассмотренных в работе Б. И. Куделина (1960).

Имеются основания считать, что подземный сток в реки воз-

растает во время половодья, но могут быть случаи его умень-

шения в период до наступления половодья.

При расчленении гидрографов я придерживаюсь следующей

схемы.

Меженные расходы воды между паводкообразующими дож-

дями или в период устойчивой зимы умеренной зоны характе-

ризуют подземный сток в реки. То же относится к расходам во-

ды после окончания половодья или паводков. При этом расхо-

ды воды после половодья, в начале межени, выше расходов,

наблюдаемых до паводка или до половодья.

При питании подземных вод русловыми водами во время

прохождения высокой части половодья приток подземных вод в

реки может уменьшаться. Интенсивность такого уменьшения за-

висит от морфологии речной долины, гидрогеологического стро-

ения, литологии горных пород, слагающих коренные берега, и

характера аллювиальных отложений речной поймы. Чем

благоприятнее условия питания подземных вод русловыми,

тем интенсивнее должен быть спад притока подземных вод в

реки.

По мере снижения половодья питание подземных вод за

счет руслового стока уменьшается, и в конце концов наступает

такой момент, когда этот процесс прекращается. В последующее

время на спаде половодья происходит восстановление нор-

мальной кривой депрессии уровня подземных вод по направле-

Время

Рис. 4. Схема определения подземной

составляющей речного стока в период

половодья (расчленения гидрографа)

1—точки соответствуют питанию рек подземными

водами до и после половодья. 2 — естественный

ход притока в реки подземных вод, гидравли^

чески связанных с речными русловыми водами,

3 — линия, примерно характеризующая средний

приток подземных вод, гидравлически связанных

с русловыми водами, 4 — линия, принимаемая в

качестве границы подземного и поверхностного

стока с учетом питания рек подземными водами,

гидравлически не связанными с русловыми

нию к руслу реки, и вода, израсходованная из реки на попол-

нение запаса подземных вод выше нормальной кривой депрес-

сии, должна снова возвратиться в реку. Возвращение происхо-

дит не полностью, так как часть воды насыщает горные по-

роды коренных берегов и аллювиальных отложений долины ре-

ки до наименьшей (полевой) влагоемкости.

Вообще следует иметь в виду, что расход русловых вод на

питание подземных, учитывая небольшую продолжительность

паводков и относительно малую скорость движения подземных

вод, вряд ли может быть значительным. Если же этот процесс

происходит в условиях высоких коэффициентов фильтрации,

способствующих быстрому расходованию русловых вод на пи-

тание подземных, то тем самым создаются условия для быст-

рого возвращения этих вод обратно в русло.

Охарактеризованный процесс отражается на форме линии,

с помощью которой можно отделить сток подземных вод, гид-

равлически связанных с рекой, от поверхностного стока в пе-

риод половодья. Эта линия, следовательно, представляет собой

циклическую кривую, первая часть которой — снижение, а вто-

рая — повышение притока подземных вод в реки (рис. 4). Ос-

нованием циклической кривой служит прямая, обычно наклон-

ная, линия, соединяющая точки на гидрографе, соответствую-

щие моментам питания реки только подземными водами до и

после половодья. Отсюда следует, что, принимая в качестве гра-

ницы между поверхностным и подземным стоком указанную

прямую линию, мы получаем средний результат, довольно стро-

го отражающий размеры притока в реки подземных вод, гид-

равлически связанных с русловыми водами в период половодья.