big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Водный баланс и водные ресурсы

Общий объем гидросферы равен примерно 1800 млн. км3. Большая часть воды — 1370 млн. км3 — приходится на мировой океан, 340 млн. км3— на долю связанной воды земной коры (включая воду живых организмов), приблизительно 13 тыс. км3 воды в виде пара находится в атмосфере и немного более 90 млн. км3 приходится на воды суши (табл. 1).

Из приведенных выше данных видно, что объем почвенных и речных вод ничтожно мал по сравнению с другими видами природных вод. Тем не менее им принадлежит важная роль в природных процессах и в жизни человека.

Все воды на Земле находятся в постоянном движении, которое происходит в процессе одного из грандиознейших явлений природы — круговорота воды. Поэтому охарактеризованные выше единовременные запасы различных вод не дают сколько-нибудь полного представления о водных ресурсах. Последние могут быть оценены лишь на основании водного баланса. С этой целью нами применяется дифференцированное уравнение водного баланса

где Р — атмосферные осадки, S — поверхностный (паводочный) речной сток, U — подземный (устойчивый) речной сток, N — испарение непосредственно с почвы, Т — транспирация растений. Два последних члена этого уравнения в общем виде пока еще не решаются и оцениваются лишь по результатам отдельных экспериментов. Однако для агрономии не безразлично — расходуется ли почвенная влага на транспирацию или на испарение с почвенного покрова, не участвуя при этом в формировании растительной массы. Непродуктивное испарение — резерв для земледелия, для повышения урожайности в зонах недостаточного увлажнения. Поэтому для использования этого важного резерва, особенно учитывая условия земледелия в указанных зонах, необходимо изучать испарение дифференцированно, разделяя его на продуктивное и непродуктивное. Однако таких исследований проводится, еще очень мало; важно, чтобы они стали массовыми, чтобы на опытных сельскохозяйственных станциях определялось количество воды, расходуемой разными сельскохозяйственными культурами в различных условиях, подобно тому, как изучается количество пищи, потребляемой растениями. В агрономии поставлена задача удобрять не почву, а снабжать необходимой пищей непосредственно растения. Подобная же задача стоит в отношении использования водных ресурсов. Следует не увлажнять почву, с которой непродуктивно расходуется много воды, а обеспечивать необходимым количеством воды растения.

Пока данных о продуктивном испарении еще мало, дифференциация водного баланса ограничивается подразделением речного стока на поверхностную и подземную составляющие, а испарение оценивается суммарно. Тем не менее такая дифференциация речного стока представляет существенный шаг в развитии исследований водного баланса, так как позволяет решить ряд вопросов, остававшихся невыясненными при использовании уравнения водного баланса P = R + E (R — полный сток, Е — испарение), применявшегося в течение многих десятилетий и создавшего целую эпоху в развитии гидрологии.

Теоретическое значение этого уравнения заключалось в том, что на его основе были установлены закономерности изменений стока и испарения в зависимости от осадков (Ольдекоп, 1911). Оно служило также для определения величин речного стока, когда измерений этого элемента водного баланса было мало (примерно до конца прошлого—начала текущего столетий), а для районов, не изученных в гидрологическом отношении, используется еще и в настоящее время.

Это уравнение не утратило значения для оценки испарения с суши по данным об осадках и речном стоке, которых в последние десятилетия появилось довольно много, и территории Европы, Азии, Северной Америки, значительной части Южной Америки, Африки в литературе освещены в этом отношении хорошо.

Уравнение водного баланса Р = R + Е не раскрывает литологического звена круговорота воды — гидрологических процессов, связанных с почвой и земной корой. Его недостаточность стала ощущаться уже давно, и В. Г. Глушков (1934), развивая представления о закономерностях взаимосвязей между осадками, стоком и испарением, ввел в уравнение водного баланса еще один элемент — инфильтрацию. Это имело важное теоретическое значение, но уравнение водного баланса В. Г, Глушкова практически не могло быть решено, так как четвертый член уравнения— инфильтрация —оставался нераскрытым.

Этот вопрос решается с помощью применяемого нами дифференцированного уравнения водного баланса. Из уравнения

следуют соотношения:

где W инфильтрация, или валовое увлажнение почвы, КU — коэффициент питания рек подземными водами и КE коэффициент испарения. Последним коэффициентом характеризуют долю почвенной влаги (количество воды, профильтровавшейся в почву), расходуемой на питание рек подземными водами и на испарение.

Питание рек подземными водами в общем виде характеризует и питание подземных вод. Это связано с тем, что подземные воды, дренированные реками, наиболее активно участвуют в водообмене. Запасы подземных вод, залегающие ниже уровня речного дренажа, велики по объему, но малоактивны, их участие в кругообороте воды незначительно и, как правило, они относятся к застойным водам. Ярким примером таких вод могут служить глубинные подземные воды — рассолы. Их питание происходит чрезвычайно медленно, а возраст соизмерим, по-видимому, с геологическими периодами, с возрастом материков и отдельных частей суши.

Поверхностный сток — вода, стекающая по склонам, теряется для почвы и, сосредоточиваясь в руслах рек, образует паводки. Вместе с тем за счет питания рек подземными водами в реках образуется устойчивый сток, который можно довольно уверенно отделить от паводочного, Такая непосредственная связь между поверхностным стоком с территории и речными паводками, а также подземным питанием рек и устойчивым стоком имеет важное методическое значение, так как позволяет практически решать дифференцированное уравнение водного баланса.

Следовательно, водный баланс территории речного бассейна может быть раскрыт путем анализа речного стока. Разделяя его на поверхностную и подземную составляющие и располагая данными об осадках, можно определить и другие элементы водного баланса — инфильтрацию и испарение.

Сказанное представляет собой схему. В природе встречаются условия, усложняющие практическое решение уравнения водного баланса. Это относится к отдельным районам—областям питания артезианских подземных бассейнов или к областям их разгрузки. В таких условиях в уравнение водного баланса территории необходимо дополнительно включить соответствующие члены. Современный метод водобалансового анализа позволяет решить уравнение водного баланса и для таких более сложных природных условий.

Следует все же предостеречь от шаблонного применения уравнения водного баланса. Предлагаемая схема водного баланса, как, впрочем, и его прежнее уравнение, применимы для территорий, в пределах которых водный баланс практически замкнут. Территорий с идеально замкнутым водным балансом, по-видимому, мало, но если питание подземных вод, не дренированных реками в одних районах, или разгрузка этих вод и питание ими рек в других районам составляет сравнительно небольшую величину, как это чаще всего бывает в природе на более или менее значительных территориях, то для таких условий уравнение водного баланса вполне применимо при решении практических задач.

Примером может служить Днепровско-Донецкий артезианский бассейн, питающийся в пределах бассейнов верхнего течения левых притоков средней части Днепра. Разгрузка этого бассейна происходит в низовьях этих притоков и в среднем течении самого Днепра. В целом для этого бассейна, который нередко использовался в качестве примера больших нарушений водного баланса территории в результате перераспределения вод в артезианских бассейнах, это перераспределение оценивается в пределах ± 10 мм (Идзон, 1962), что составляет лишь 2% от количества осадков, 2,5—3% от величины валового увлажнения почвы (инфильтрации) и примерно 8—12% от объема стока. Это не значит, что в отдельных частях района и в других местах подземное перераспределение вод не может играть более значительную роль в формировании водного баланса. Такие условия необходимо учитывать.

Однако для географического распределения элементов водного баланса, в том числе и для питания рек подземными водами — элемента, наиболее тесно связанного с геологическим строением, весьма характерны и наиболее ярко проявляются зональные закономерности. Этого вопроса мы еще коснемся ниже, а здесь отметим, что при составлении первой карты подземного питания рек СССР, в основу которой были положены данные для 480 речных бассейнов, не обнаружилось каких-либо существенных отклонений в распределении указанного элемента от зональных закономерностей (Дрейер, 1962).

Таким образом, дифференцированное уравнение водного баланса позволяет вполне уверенно решать задачу генерализованно, для мелкомасштабного картирования. Дальнейшие исследования, основной путь которых уже вполне вырисовывается, позволят перейти к увеличению масштаба карт подземной составляющей водного баланса и, по-видимому, дадут возможность выявить нарушения зональных закономерностей этого элемента, обусловленных геологическим строением верхних частей земной коры.

Выше мы говорили о распределении элементов водного баланса, его подземной составляющей в пространстве. Не меньший интерес представляет оценка соотношений его элементов во времени.

То, что было оказано о прежнем и дифференцированном уравнении водного баланса, относится к водному балансу продолжительных периодов или к средним многолетним условиям. Для таких условий водный баланс носит практически замкнутый характер. Но для непродолжительных периодов — сезонов и отдельных лет — велика вероятность того, что не все его элементы замыкаются. Особенно это относится к литологическому звену круговорота воды. В этом случае в уравнение водного баланса следует ввести еще один дополнительный член (± V), характеризующий количество воды, переходящей из данного периода в следующий или расходуемой в течение данного периода за счет накопления воды в предыдущем периоде. Тогда прежнее и дифференцированное уравнения получат следующий вид:

В течение многих лет делались попытки оценить размеры перераспределения во времени элементов водного баланса. Эти исследования затруднены тем, что истинные величины испарения с суши, особенно для отдельных периодов, определить очень трудно. Практически и сейчас этот вопрос не разрешен. Точность определений величин испарения с суши для конкретных периодов времени остается еще настолько невысокой, что оценить величину ±V таким путем чаще всего не представляется возможным.

Исследования этого вопроса применительно к прежнему уравнению водного баланса (Р = R + Е ± V) показали, что V достигает в балансе за год больших величин (Великанов и Львович, 1930), но точность его определений зависела от несовершенных приемов вычислений испарения с суши. Для того, чтобы разобраться в поставленном вопросе, необходимо проанализировать происхождение этого элемента водного баланса. В основу анализа примем дифференцированное уравнение водного баланса.

Атмосферные осадки могут сыграть роль в перераспределении элементов водного баланса за счет снежного покрова. Формируясь в один период, снежный покров может залегать в речение более или менее длительного времени и перейти в другой период, если граница последнего придется на предвесеннее время. Однако такого случая можно избежать путем соответствующего подбора периодов. Гидрологический год соответствует этому условию.

Поверхностный сток настолько динамичен, что сколько-нибудь существенного перераспределения во времени водного баланса за счет этого элемента произойти не может. Действительно, стекание воды со склонов до ближайшего русла продолжается в течение нескольких часов и количество текущей воды, единовременно находящейся на склоне, невелико. Поэтому нет оснований считать, что поверхностный сток может повлиять на распределение водного баланса во времени.

Отсюда следует, что соотношение W = Р S одинаково применимо как для длительных периодов времени и средних многолетних условий, так и для любого отрезка времени, если соблюдено условие, отвечающее гидрологическому году. В отношении инфильтрации (W) этот вывод не только вытекает из выражения W = Р — S, поскольку ни осадки, ни поверхностный сток не влияют на перераспределение элементов водного баланса, но его правомерность определяется также и самим процессом инфильтрации. Это явление происходит во время выпадения дождя или во время снеготаяния и продолжается в течение короткого времени — до достижения поверхностным склоновым стоком русловой сети, т. е. в течение времени добегания поверхностного стока после прекращения дождя или после окончания снеготаяния. Таким образом имеется вполне достаточное основание считать, что инфильтрация за год или за сезон, определяемая по количеству осадков и по объему поверхностного стока, не участвует в перераспределении водного баланса во времени и не зависит от значений его элемента.

Трудно переоценить теоретическое и практическое значение этого факта. Он свидетельствует о том, что соотношением W = РS можно пользоваться для любого не очень короткого периода времени, например для теплой части года или для года в целом. В одной из наших прежних работ (Львович, 1960) валовое увлажнение почвы для отдельных засушливых и влажных лет, как мы теперь видим из проведенного нами анализа, определялось вполне обоснованно по указанному уравнению. Но трактовка полученных величин годовой инфильтрации была дана не точно, так как она исходила из предположения, что валовое увлажнение почвы (инфильтрация) за год включает и «колебание запасов воды в бассейне, вызванное способностью подземной части бассейна аккумулировать воду и отдавать ее в реку в последующее время» (стр. 82). Этот процесс, как мы видим, не отражается на значениях валового увлажнения почвенного покрова. Другое дело, если сопоставляется инфильтрация с испарением и питанием подземных вод (W = U + Е). Эти процессы происходят неодновременно. Вода, аккумулированная в почве, расходуется на испарение и на транспирацию в течение последующего, иногда продолжительного времени. Известно, например, что от весенней влагозарядки почвы очень сильно зависит рост и развитие растений в течение значительной части вегетационного периода. Вода, аккумулированная в почве осенью, часто сохраняется в течение всей зимы и расходуется на испарение в следующем году. Точно так же процесс питания подземных вод продолжается в течение длительного времени после почвенной влагозарядки. Отсюда следует, что, сопоставляя валовое увлажнение почвы с испарением и глубоким просачиванием воды, необходимо считаться с неодновременностью этих процессов и учитывать регулирующую роль почвенной влаги.

Интересно, однако, что эта роль связана с питанием рек только через подземные воды, а влияние разновременности процессов инфильтрации и испарения на питании рек непосредственно не сказывается. Это обусловлено тем, что вода, профильтровавшаяся в почву, исключая ту ее часть, которая израсходована на питание подземных вод, уже не участвует в питании рек.

Сказанное дает основание рассматривать два различных фактора, участвующих в регулировании водного баланса в речном бассейне. Тогда V=W+U, где W — регулирующая способность почвенной влаги, a U — регулирующая способность подземных вод.

Первый из этих элементов, как было показано, непосредственно не влияет на питание рек, а второму принадлежит та или иная роль в формировании подземной части речного стока.

Регулирующее воздействие подземных вод на питание рек выражается в следующем: движение подземных вод происходит медленно; в периоды с большим количеством осадков, при относительно малом испарении, они питаются обильно, а их разгрузка происходит с опозданием той или иной продолжительности. Поэтому в соотношениях между осадками, питанием рек подземными водами и испарением необходимо принимать во внимание элемент U.

Большой практический интерес представляет оценка величин этого элемента. Их можно приближенно оценить на основании определений за отдельные годы подземной составляющей речного стока. Так, например, в центральных черноземных областях питание рек подземными водами в среднем за год составляет 38 мм. В маловодные годы (95-процентной обеспеченности) эта величина уменьшается до 24 мм, а в многоводные — до 50 мм. Полная амплитуда колебания годовых величин подземной составляющей речного стока в центральных черноземных областях равна 26 мм, а значение U — ±13 мм. Для Орловской и Курской областей эта величина -колеблется примерно в пределах ±10 — ±12 мм, для Тамбовской, Воронежской и Липецкой — в пределах ± 15 — ± 18 мм.

Таков порядок величин, характеризующих регулирующую роль речных бассейнов в условиях лесостепной зоны. В более увлажненных районах значение элемента ± U должно быть больше, в засушливых — меньше. В общем, однако, регулирующая роль подземных вод в формировании ©одного баланса за год не так велика, как это предполагалось раньше. Применяемый метод позволяет приблизительно оценить эту величину для каждого отдельного случая но гидрометрическим данным.

Водный баланс всей суши земного шара и суши СССР охарактеризован в табл. 2.

Зная объем отдельных частей гидросферы и водный баланс, мы можем оценить активность их водообмена (табл. 3).

Данные табл. 3 характеризуют общую активность водообмена указанной части гидросферы. Наименее активен водообмен океана и подземных вод, но отдельные части мирового океана и подземных вод отличаются более активным водообменом. Почвенная влага сменяется немного чаще одного раза в год, а речные воды в среднем сменяются каждые 12 суток.

Речной сток относительно единовременных запасов речных вод весьма значителен. Это и определяет высокую активность речного звена круговорота воды.

Данные о водном балансе характеризуют водные ресурсы. Их значение неравноценно для хозяйства. Атмосферные осадки, как правило, не представляют самостоятельного источника водных ресурсов. Осадки служат началом всех гидрологических процессов — инфильтрации, поверхностного стока и т. п. Лишь в отдельных случаях дождевые воды собираются и используются для водоснабжения. Наиболее ценный источник водных ресурсов— подземный сток. Он обычно весьма устойчив и поэтому его использование не требует предварительного регулирования. Ресурсы подземной составляющей речного стока примерно соответствуют возобновимым запасам подземных вод. Однако эксплуатационные запасы этого источника водных ресурсов меньше общего объема возобновимых запасов. Использование ресурсов речного поверхностного (паводочного) стока в естественном состоянии весьма ограничено (сплав и судоходство на малых реках во время паводков, послеспадовые посевы в зоне речных разливов и др.). Чаще всего паводочные воды своими разливами приносят больше вреда, чем пользы, и их комплексное, интенсивное использование возможно лишь после регулирования. Таким образом, паводочные воды по существу представляют потенциальные речные водные ресурсы. Устойчивый же сток рек, который может быть использован без предварительного регулирования, относится к реальным речным водным ресурсам.

Современное гидротехническое строительство позволяет осуществлять в больших масштабах перевод потенциальных речных водных ресурсов в категорию реальных. Примером может служить каскад волжско-камских водохранилищ, аккумулирующих почти половину волжского паводочного стока и почти вдвое увеличивающих устойчивый сток Волги.

Поводочный речной сток представляет потенциальные ресурсы не только в отношении перевода его в устойчивый речной сток, но также и для увеличения почвенной влаги. Такое направление использования паводочного стока связано с преобразованием водного баланса территории, с регулированием стока в начальной стадии его развития — в процессе стекания воды по склонам. Увеличение инфильтрационной способности почвенного покрова, осуществляемое различными агротехническими приемами, позволяет перевести поверхностный сток в почву и этим уменьшить паводочный сток. Таким путем потенциальные водные ресурсы — паводочный сток — трансформируются в две более высокие категории водных ресурсов: в устойчивый речной сток и в ресурсы почвенной влаги. С возрастанием количества почвенной влаги связано увеличение питания подземных вод, их возобновимых запасов. Это представляет собой третье направление использования поверхностного стока.

Таковы общие задачи преобразования водного баланса.

Регулирование паводочного речного стока водохранилищами — эффективное средство преобразования водного режима рек. Но для того, чтобы зарегулировать весь поверхностный сток рек СССР потребовалось бы затопление водами водохранилищ 1—1,5 млн. км2 земель. Регулирование паводочного стока рек земного шара с помощью водохранилищ связано с затоплением не менее 10 млн. км2 территории. Само собой разумеется, что преумножение водных ресурсов за счет уменьшения земельных ресурсов нельзя считать перспективным. Земли представляют собой не менее важный источник природных ресурсов, чем воды, поэтому затопление территории водами водохранилищ может быть в полной мере оправдано лишь при том условии, что, кроме энергетического водорегулирующего эффекта, который с помощью их достигается, единица площади акватории используется более продуктивно для производства растительной массы, продуктов животноводства и рыбы, чем единица площади сельскохозяйственных угодий. В будущем народнохозяйственная ценность земельных ресурсов будет расти и вместе с ней будет возрастать значение методов почвенного регулирования водного баланса. Уже сейчас с помощью агротехнических и лесомелиоративных приемов водный баланс территории и водный режим рек существенно преобразуются. Широкие перспективы в этом отношении открывают приемы химического воздействия на почвенный покров с целью повышения его инфильтрационной способности. Такой путь регулирования паводочного стока с использованием поверхностного стока для обогащения ресурсов почвенной влаги и с ее утилизацией для производства растительной массы, весьма перспективен и, несомненно, займет, наряду с водохранилищами, одно из ведущих мест в регулировании речного стока.

Будущий водный баланс интенсивно используемых территорий, особенно зоны недостаточного увлажнения с напряженным водохозяйственным балансом, вырисовывается в следующем виде. Почвенное звено круговорота воды приобретает больший вес, чем в настоящее время. Это значит, что под влиянием увеличения инфильтрационной способности почвенного покрова поверхностный сток, а вместе с ним и паводки на реках уменьшатся. Соответственно возрастут ресурсы почвенной влаги и несколько повысится питание рек подземными водами, а следовательно, увеличится и меженный речной сток. Значительная часть речного паводочного стока, сформированного за счет поверхностного стока, будет аккумулирована в водохранилищах, число которых возрастет. В результате речной сток станет значительно более устойчивым и амплитуды его сезонных колебаний уменьшатся. Весьма вероятно, что на многих реках степной и лесостепной зон весеннее половодье станет редким явлением и будет наблюдаться лишь в многоводные годы. Такой характер был, по-видимому, присущ водному режиму рек девственной стели и лесостепи, когда под земледелие использовались небольшие территории. Современный водный режим рек с частыми большими весенними паводками и относительно маловодной меженью сложился под влиянием антропогенных воздействий (распашка больших территорий при низком уровне земледелия и интенсивный выпас скота). Последствия недостаточно рационального использования земли постепенно устраняются применением более совершенных методов земледелия, с помощью водохранилищ.

Структура будущего водного баланса будет выгодно отличаться от структуры современного и соотношением между продуктивным и непродуктивным испарением. Если в настоящее время на образование растительной массы расходуется примерно лишь половина ресурсов почвенной влаги сельскохозяйственных полей, то в дальнейшем этот процент будет повышаться. Уже сейчас с помощью полезащитного лесоразведения количество почвенной влаги, используемой культурными растениями, можно повысить на 10—20%. Будут, несомненно, найдены и другие еще более эффективные меры роста продуктивности использования почвенной влаги.

Таковы резервы для предотвращения количественного истощения водных ресурсов.

Не меньшее значение имеет предупреждение качественного истощения водных ресурсов, связанного со сбросом сточных вод в реки, озера и водохранилища и являющегося едва ли не более угрожающим, чем их количественное истощение. Канализационные воды, сбрасываемые в реки, даже после тщательной очистки становятся пригодными для повторного использования только после 6—10-кратного разбавления их чистой водой. Уже теперь в некоторых городах и промышленных центрах ощущается острый недостаток естественных речных водных ресурсов для соблюдения этих условий. По существу 1 м3 сточных вод загрязняет и делает непригодными для использования несколько кубометров естественных вод. Еще более напряженной картина станет в будущем с ростом населения и дальнейшего развития промышленности.

Единственный путь предотвращения качественного истощения водных ресурсов — это прекращение сброса каких-либо сточных вод в реки, водоемы и водохранилища. Практическое решение этой проблемы вполне реально. Городские сточные воды наиболее совершенно обезвреживаются с помощью почвенного покроова при использовании их для орошения полей. Что же касается прекращения сброса в реки и озера промышленных сточных вод, непригодных для орошения, то этот вопрос следует решать в сочетании с переводом промышленных предприятий на оборотное водоснабжение. Такая перестройка системы водоснабжения потребует применения особой технологии. Эта проблема не проста и решать ее следует постепенно. Охрана водных ресурсов от качественного истощения — еще один резерв для преумножения речных вод, пригодных для водоснабжения.

Перед человечеством не стоит угроза истощения водных ресурсов суши. Практически водные ресурсы неисчерпаемы, но для того, чтобы они в полной мере удовлетворяли все потребности и в отдаленном будущем, необходимо проведение в жизнь плановых мероприятий, основные принципы которых освещены в настоящей статье.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.