научная статья по теме ВЫСОТНО-ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННOЙ АНАЛИЗ ВОДНОГО БАЛАНСА ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ Геология

Текст научной статьи на тему «ВЫСОТНО-ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННOЙ АНАЛИЗ ВОДНОГО БАЛАНСА ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ»

ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2010, том 37, № 2, с. 134-149

ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ И РЕЖИМ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

УДК 556

ВЫСОТНО-ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ АНАЛИЗ ВОДНОГО БАЛАНСА

ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ1 © 2010 г. С. В. Долгов, Н. И. Коронкевич

Институт географии Российской академии наук 119017Москва, Старомонетный пер., 29 Поступила в редакцию 24.11.2008 г.

Предложена схема воднобалансовой дифференциации территории. Рассмотрены вертикальная и пространственно-временная структуры водного баланса. Разработана и апробирована методика регионального пространственно-временного анализа водного баланса, позволяющая рассчитывать различные его показатели и соотношения, моделировать ряды их среднегодовых значений в пунктах при отсутствии наблюдений, осуществлять компьютерное картографирование получаемых результатов. Для лет различной водности и увлажненности построены электронные карты распределения по территории Европейской части России речного стока, его поверхностной и подземной составляющих, степени соотношения и сопряженности между ними, распределения по территории годовых осадков, осадков теплого и холодного периодов. Приведены статистические зависимости, отражающие различные аспекты пространственно-временной изменчивости основных элементов водного баланса.

Ключевые слова: Европейская часть России, водный баланс, вертикальная структура, поверхностный и подземный сток, пространственно-временная изменчивость.

Эффективность и точность используемых в гидрологии расчетных и прогнозных методов во многом зависит от полноты знаний о процессах формирования водного баланса. Предпосылкой к дальнейшей его дифференциации служит выявляющаяся генетическая неоднородность отдельных компонентов, практическая целесообразность, наличие соответствующих данных и метода исследования, пригодного для массовых расчетов [15]. Воднобалансовым исследованиям, как и гидрологии в целом, присуще определенное сочетание дифференциации и интеграции. Однако, это сочетание складывается не всегда оптимальным образом. К этому часто приводит высокая степень интеграции самих гидрометрических данных и стремление выявить наиболее общие закономерности круговорота воды, что было особенно характерно на начальных этапах развития гидрологии. Но и в настоящее время продолжают преобладать подходы, базирующиеся на интегральных для территории (речного бассейна) в целом показателях. Особенно это относится к стоку, величина которого определяется по данным гидрометрических станций, замыкающих речные бассейны с весьма разнообразными условиями формирования, предопределяющими весьма сложную картину перемещения

1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты 06-05-65193, 09-05-00665) и программ фундаментальных исследований Отделения наук о Земле РАН (№ 11 и 13).

водных масс. Чем детальнее будет изучена его пространственная и временная изменчивость, а также каждого из элементов водного баланса, тем надежнее будут гидрологические расчеты и прогнозы и тем уверенней можно управлять водными ресурсами.

К настоящему времени накоплен большой опыт в изучении пространственно-временной изменчивости отдельных составляющих водного баланса, особенно осадков и речного стока, в меньшей мере — его поверхностной и подземной составляющих. Однако, такие исследования в большинстве своем носят фрагментарный характер, проведены по разным методикам и разным показателям и без должного учета взаимосвязи и соотношения между элементами водного баланса.

Согласно современным представлениям о полиструктуре, существует пять основных типов структуры водного баланса — элементный, территориальный, временной, факторный и качественный [15]. Первый из них по существу представляет собой вертикальный (высотный) тип, получивший широкое распространение не только в гидрологии, но и в гидрогеологии при анализе влагообмена между элементами вертикального разреза в точке (по данным одной или нескольких близко расположенных друг от друга скважин). Другие типы структуры образуются при их сочетании и носят уже комплексный, интегральный характер, что открывает дополнительные возможности для выявления новых зако-

номерностей формирования водного баланса, в том числе — в разные по водности и увлажненности годы. Так, большой интерес представляют высотно-пространственный и пространственно-временной типы. Вследствие разобщенности воднобалансовых исследований разных научных направлений (в том числе гидрологических и гидрогеологических) они остаются наименее изученными. В первую очередь это относится к пространственно-временной структуре, которая отражает закономерности распределения элементов водного баланса, их соотношение и сопряженность как в пространстве, так и во времени (включая годы разной водности и увлажненности).

ВЕРТИКАЛЬНАЯ (ЭЛЕМЕНТНАЯ) СТРУКТУРА ВОДНОГО БАЛАНСА РЕЧНОГО БАССЕЙНА

Речной бассейн (как и любая территория) имеет несколько вертикальных ярусов (поясов), характеризующихся определенными элементами водного баланса. Собственно элементная структура водного баланса и есть наиболее общее выражение вертикального гидрологического устройства территории. Первое уравнение водного баланса, предложенное А. Пенком, было трехэлементным и имело вид Р = Я + Е,

где Р — атмосферные осадки; Я — суммарный речной сток; Е — суммарное испарение.

Это уравнение, по существу, не учитывающее вертикальную упорядоченность территории и схематизирующее ее в виде "точки", широко используется и сейчас в гидрологических расчетах. Однако со временем стала очевидной генетическая неоднородность и различная практическая ценность его составляющих.

Попытки дальнейшей дифференциации элементной структуры водного баланса, направленные на развитие представлений о генезисе гидрологических процессов и явлений, делались неоднократно [8, 15, 19]. Важным ограничителем при этом были реальные возможности определения отдельных элементов водного баланса. Шестикомпо-нентную систему уравнений водного баланса, четыре элемента которой могут определяться независимым способом, в практику гидрологии впервые ввел М.И. Львович [19]

Р = s + и + Е,

Я = S + и, Ж = Р — S = и + Е, где S — поверхностная составляющая речного стока, и — подземная составляющая, Ж — валовое увлажнение территории.

В ней выделением поверхностной и подземной составляющих речного стока, хотя и в неявном виде (без выделения границ), было предложено учитывать двухъярусное строение территории. Применение такого генетического подхода на практике по-

казало его эффективность и целесообразность дальнейшей дифференциации водного баланса в вертикальном измерении. Значительный шаг в этом направлении был сделан с организацией исследований на воднобалансовых станциях. По мере накопления материалов их наблюдений стало возможным учесть генетическую неоднородность отдельных компонентов водного баланса, и в итоге система уравнений получила дальнейшее развитие в работах Н.И. Корон-кевича [15, 16]. В суммарном речном стоке был вычленен формирующийся в зоне аэрации над относительными водоупорами (иллювиальный горизонт и "плужная подошва" в почве, фронт оттаивания переувлажненной почвы, граница двучленного наноса, линзы глинистых и суглинистых отложений среди хорошо проницаемых грунтов и др.) сток верховодки Sв и сток по поверхности почвы (поверхностный склоновый сток) Sп. Было также введено новое понятие — сток инфильтрационного происхождения I = Sв + и, включающий помимо подземной составляющей, получаемой путем генетического расчленения гидрографа, сток верховодки. Подземная составляющая стока и в этой схеме рассматривается в качестве суммы динамичного подземного стока ид и устойчивого базисного иб (и = иж + иб). Другие элементы водного баланса дифференцируются также по вертикали для учета генетической их неоднородности. Так, составляющие суммарного испарения Е — испарение задержанных различными препятствиями (в том числе растительностью) осадков Ез, транспира-ция Ти непродуктивное испарение N (Е = Ез + Т + Ы). Осадки Р включают задержанные различными препятствиями осадки Рз и эффективные осадки, достигшие почвенной поверхности Рп (Р=Рз + Рп). Количество рассчитываемых независимым способом элементов увеличилось с четырех до девяти. Остальные элементы водного баланса определяются по соотношениям между ними.

По сути, территория в такой схеме представлена уже не одной "точкой" (уравнение А. Пенка), а множеством "точек" (балансовых элементов), занимающих различное высотное положение на одной и той же вертикали. В качестве примера приведем результаты расчетов некоторых элементов среднего многолетнего водного баланса для бассейнов Волги (в основном — лесная зона) и Дона (в основном — степная зона) (табл. 1).

Дальнейшие коррективы в воднобалансовую структуру могут быть внесены с учетом результатов гидрогеологических воднобалансовых исследований, акцентирующих внимание на подземном вла-гообмене [14, 18]. Они свидетельствуют о целесообразности учета (в том числе для среднемноголетних условий) в качестве самостоятельного воднобалан-сового элемента — водообмена дренируемой части зоны насыщения с недренируемой частью — 6. Этот элемент можно определять независимым способом — по данным о режиме подземных вод, или как остаточный член уравнения водного баланса.

Таблица 1. Элементная структура среднего многолетнего водного баланса Волги и Дона, % [15]

Элементы водного баланса

Волга Дон

Осадки Р 100 100

Речной сток Я 29 12

Поверхностная составляющая ^ 21 9

Подземная составляющая и 8 3

Валовое увлажнение Ж 79 91

Испарение Е 71 88

Задержанные осадки Рз 13 11

Сток по поверхности почвы 17 9

Сток инфильтрационного 12 3

происхождения I

Валовое увлажнение почвы Жп 70 80

Река

Для бассейнов крупных рек, дренирующих как неглубокие, так и глубокие водоносные горизонты, и для которых границы поверхностного и подземного водосборов обычно совпадают, элемент б практически равен нулю. Степень незамкнутости, оцениваемая величиной нисходящего потока влаги, фильтрующегося через подошву дренирования, возрастает в направлении от бассейнов средних рек к бассейнам малых рек и далее к балочным водосборам и стоковым

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком