Водный баланс Земли

Характеристика качественных сторон процесса круговорота

воды касается происхождения различных источников водных ре-

сурсов, их взаимосвязи, но ничего не говорит о количественной

стороне круговорота – об объемах воды, переносимых в процессе

его действия. Водный баланс позволяет количественно предста-

вить этот грандиозный процесс и вместе с тем служит первичной

основой для оценки водных ресурсов Земли.

Мировой водный баланс

В основе современного метода расчетов водного баланса Зем-

ли лежит система уравнений, которую применял еще Э. Брикнер

(1905). Эти уравнения следующие:

для периферийной части суши:

EР = PР – RР;

для областей, лишенных выхода к морю (бессточных):

Еа = Ра;

для Мирового океана:

Em = Pm + RР;

для всего земного шара:

E = Et + Em = P;

где ЕР – испарение с периферийной части суши,

РР – атмосферные осадки на периферийную часть суши,

RР – речной сток с периферийной части суши,

Еа и Ра – испарение и осадки в областях, лишенных стока

в океан,

Ет и Рт – испарение и осадки Мирового океана,

Е и Р – испарение и осадки на всем земном шаре,

Еt – испарение с поверхности всей суши.

Эта система уравнений позволяет наиболее экономно решать

задачи мирового водного баланса. Так, из десяти элементов, фи-

гурирующих в уравнениях, достаточно располагать данными о

четырех, чтобы получить все остальные. В вариантах расчетов,

произведенных разными авторами, в числе этих четырех исходных

принимаются различные элементы. Так, водный баланс перифе-

рийной части суши можно рассчитать, зная осадки и сток или ис-

парение и осадки. Как показано в предыдущем разделе, первый

из этих вариантов следует предпочесть.

Для замкнутых областей суши нужно знать один из двух эле-

ментов этого соотношения – предпочтительнее осадки, посколь-

ку их учет более точен, чем испарения.

Что касается третьего уравнения, то для океана атмосферные

осадки оцениваются весьма приближенно, так как островные

дождемерные станции имеются не везде и они не всегда отража-

ют условия открытого океана. Судовые же наблюдения, по понят-

ным причинам, трудно обобщать, не говоря уже об их неполноте.

Столь же несовершенный характер носят и расчеты испарения.

Наиболее надежен учет притока речных вод в океан, который

прежде оценивался в 100 мм, а теперь в 110 мм, но этот элемент

баланса составляет менее 10% расхода воды на испарение с по-

верхности океана, и не от него зависит точность расчетов баланса

этого звена круговорота воды. В целом же водный баланс океана

изучен еще недостаточно, но для оценки достоверности его ос-

новных элементов не существует вполне твердых критериев.

В дальнейшем вполне возможны существенные уточнения дан-

ных об осадках, выпадающих в океане, а отсюда и испарений.

Следует, однако, отметить, что все известные данные по этой

проблеме в настоящее время несоизмеримо надежнее, чем в про-

шлом. Существенную роль здесь сыграло появление карт осадков

и речного стока. Заслуживают также внимания в этом отношении

исследования М.И. Будыко (1956, 1971), который в своих расчетах

совмещает решение теплового и водного баланса. Такой подход

служит для взаимного контроля элементов теплового и водного

баланса, что в теоретическом отношении предпочтительно, хотя

этот метод по указанным выше причинам не всегда обеспечивает

необходимую точность при определении речного стока, особенно

если он относится к отдельным частям суши.

Данные табл. 3 отражают результаты расчетов мирового вод-

ного баланса. Осадки для суши определены по мировой карте,

опубликованной под редакцией О. А. Дроздова (Кузнецова и Ша-

рова, 1964), с некоторыми дополнениями по материалам и картам

для тех районов, на территории которых осадки были прежде на-

иболее слабо изучены.

В сравнении с вариантом, опубликованным в Физико-геогра-

фическом атласе мира (1964 г.), наиболее существенные измене-

ния отдельных элементов мирового водного баланса коснулись

материкового звена круговорота воды. Таблица 3

Годовой водный баланс Земли

Элементы водного баланса	Объем, км3	Слой, мм
Периферийная часть суши (116 800 тыс. км2)
Осадки	106 000
Речной сток
Испарение
Замкнутая часть суши (32 100 тыс. км2) Осадки Испарение	7500*
Мировой океан (361 100 тыс. км2) Осадки Приток речных вод Испарение	41 000 452 600	1 140 1 254
Земной шар (510 000 тыс. км2) Осадки Испарение	525 100 525 100

*В том числе 830 км2, или 26 мм речного стока.

В результате использования новых данных для некоторых районов данные об осадках для периферийной части суши увеличились на 5000 км3, или приблизительно на 5%, что представляет собой довольно существенное уточнение, особенно если учесть, что в последние десятилетия осадки для суши довольно хорошо

изучены. При этом увеличение данных об осадках не менее чем

на 1000 км3 произошло за счет Антарктиды. Но оказалось также,

что осадков выпадает больше, чем предполагалось прежде, в Ев-

ропе, Азии и Южной Америке. Вместе с тем представления об

осадках по Африке и Северной Америке были несколько преуве-

личены. Увеличение данных о речном стоке периферийной части

суши немного больше, чем на 4400 км3, произошло в основном

(почти на 2500 км3) за счет новых, хотя еще и не вполне надежных

данных по стоку Амазонки, почти на 1140 км3 – по стоку Антар-

ктиды, приблизительно на 1200 км3 с лишним – по стоку Европы

(в том числе за счет учета стока Исландии и уточнения стока на

Скандинавском полуострове), Азии и Северной Америки. В то

же время данные о стоке Африки уменьшились на 430 км3.

Все эти уточнения в оценке стока произошли в результате появ-

ления новых исходных данных, более тщательного картографиро-

вания, особенно в засушливых районах, где в дополнение к прежде

принятой минимальной изолинии стока в 50 мм (в последнем ва-

рианте карты речного стока) введены изолинии 20 и 10 мм. Кроме

того, некоторого уточнения величин стока удалось достигнуть в

горных районах, особенно на Кавказе, Средней Азии, в Альпах,

отчасти в Скалистых горах и в Андах. Конечно, новые данные

представляют существенный шаг вперед в развитии представ-

ления о мировом водном балансе, но главный результат видится

в том, что в основе нового варианта расчетов мирового стока

лежит комплексный метод, который позволяет глубже проана-

лизировать происхождение и пути преобразования речного сто-

ка, по существу впервые получить представления о подземных

водах, возобновляемых в процессе круговорота, а также о ре-

сурсах почвенной влаги.

Сток воды и льда в океан с Гренландии и с Канадского Ар-

ктического архипелага в настоящее время оказался близким к

принятому в расчетах 1964 гг. Такое совпадение не случайно, так

как уже в 30-х годах для Гренландии имелись довольно полные

представления об осадках. Если принять коэффициент стока для

этого района покровных ледников в 0,9, то слой стока получится

равным 180 мм, а годовой объем стока – 700 км3. Для Антарктиды последние расчеты стока, произведенные

В.М. Котляковым, составляют 2200 км3, или около 160 мм, про-

тив 1060 км3 и 80 мм, принятые в прежних исследованиях.

Осадки для океана приняты по данным 1945 г. – 1140 мм. Тог-

да они были приняты по В. Мейнардусу (Meinardus, 1934), а они

подтверждаются по наиболее достоверной карте Л.П. Кузнецо-

вой и В.Я. Шаровой, опубликованной в 1964 г. Такой контроль

результатов, полученных путем сравнения независимо от выпол-

ненных расчетов, наиболее важен для океана, поскольку совре-

менные представления об осадках, выпадающих на этой части

Земли, еще несовершенны.

Для всей Земли получен слой осадков и испарения в 1030 мм,

а по данным М.И. Будыко (1970) – 1020 мм. Такие результаты

также весьма удовлетворительны. Впрочем, за отдельными ис-

ключениями, мы пользовались одними и теми же исходными

данными для определения осадков, а имеющиеся расхождения в

величинах речного стока, с трудом, правда, сопоставимые между

собой, не влияют на результаты расчетов приходной и расходной

частей, обобщенные для всей Земли.

Остается нерассмотренным вопрос о притоке подземных вод

в океан, минуя реки. Предположение о том, что величина этого

элемента водного баланса не должна быть значительной, было

высказано при характеристике литогенного звена круговорота

воды. Но в самое последнее время появилась первая достоверная

оценка этой величины, полученная И.С. Зекцером и Г.П. Калини-

ным. По их расчетам, подземный сток непосредственно в океан,

отнесенный к его акватории, составит 120 мм.

Если эту величину отнести к периферийной части суши, то

слой подземного стока в океан будет равен 19 мм, или немногим

более 5% полного речного стока, питающего океан.

С учетом этого элемента баланса суммарный сток всех вод с

суши достигает 43200 км3, а вместе с речным стоком замкнутой

части суши – 44000 км3. Этим объемам соответствует слой стока

369 мм и 295 мм вместо 350 мм и 281 мм. Тогда оценка испарения

с периферийной части суши должна уменьшиться до 63 100 км3

(541 мм), а со всей суши – до 70500 км3 (473 мм).

Несколько изменятся величины притока всех вод с суши в оке-

ан, отнесенные к его акватории, и составят 120 мм, то есть на 6 мм

больше, чем без учета подземного стока в океан, минуя реки. При

осадках в океане по табл. 9 в 411600 км3 (1140 мм) данные об

испарении с него повысятся до 454800 км3 (1260 мм) вместо

452600 км3 (1254 мм).

Но осадки и испарение с Земли в целом, разумеется, остаются

без изменения.

Активность водообмена

Понятие об активности водообмена (Львович, 1974 и др.) ха-

рактеризует продолжительность гипотетической смены всего

объема данной части гидросферы в процессе круговорота воды.

Практически активность водообмена (А) определяется по отно-

шению объема данной части гидросферы (ω) к приходному или

расходному элементам ее баланса, формируемого в процессе

круговорота воды (γ):

А = ω/γ

где А – число лет, необходимое для полного возобновления

запасов воды.

В табл. 4 помещены данные об активности водообмена. Актив-

ность водообмена океана составляет около 3000 лет. Еще мед-

леннее протекает обмен подземных вод – 5 000 лет. Но основная

часть подземных вод, как уже отмечено в главе I, представляет со-

бой ископаемые рассолы. Такое их состояние объясняется крайне

медленным водообменом. Продолжительность обмена таких вод

Г.П. Калинин оценивает в миллионы лет. Интенсивность обмена

подземных вод зоны активного обмена приближенно оценивает-

ся в 3-3,5 столетия, но если из этой зоны исключить малоподвиж-

ную часть подземных вод и выделить лишь ту их часть, которая

питает реки и, следовательно, характеризуется наибольшей под-

вижностью, то активность ее водообмена может быть оценена в

десятки лет. Совсем другая активность водообмена, на три-пять

порядков более интенсивная, характерна для пресных вод. Осо-

бенно ярко это проявляется для рек. Единовременный объем воды в их руслах оценивается приблизительно в 1200 км3, а сум-

марный годовой сток составляет 38800 км3/год. Отсюда следует,

что обмен русловых речных вод происходит каждые 0,031 года

(каждые 11 суток), то есть 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 речных вод – исключительно

важное свойство, благодаря которому обеспечиваются основные

потребности человечества в воде.

Таблица 4 Активность водообмена

Части гидросферы	Объем (с округлением),тыс. км2	Элемент баланса, тыс. км2	Активность водообмена (число лет)
Океан	1 370 000
Подземные воды	60 000		5000*
В том числе зоны активного водообмена	4 000		330**
Покровные ледники
Поверхностные воды суши
Реки	1,2		0,031
Почвенная влага
Пары атмосферы			0,027
Вся гидросфера

* С учетом подземного стока в океан, минуя реки, 4200 лет.

** С учетом подземного стока в океан, минуя реки, 280 лет.

Очень высока активность атмосферной влаги. При объ-

еме в 14 тыс. км3 она дает начало 525 тыс. км3 осадков, выпадающих

на Земле. Благодаря этому смена всего объема атмосферной 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, поэтому для этих

частей гидросферы характерна преимущественно пресная вода.

Что касается активности обмена почвенной влаги, то посколь-

ку она наиболее тесно связана с атмосферными процессами 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 рас-

ход всех полярных покровных ледников, по современной прибли-

зительной оценке, составляет немногим менее 3 тыс. км3. Отсюда

продолжительность смены всего объема покровных ледников до-

стигает примерно 8 тыс. лет. Раньше эта величина оценивалась в

15 тыс. лет. П.А. Шуйский с соавторами, принимая объем покров-

ных ледников в 24 млн. км3, а сток с них в 2500 км3/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 принадлежит

к числу наиболее активных сфер Земли.

4.3. Уравнение водного баланса

Метод водного баланса основан на следующем очевидном ра-

венстве: для любого объема пространства, ограниченного неко-

торой произвольной поверхностью, количество воды, вошедшее

внутрь этого объема, за вычетом количества воды, вышедшего

наружу, должно равняться увеличению (или, соответственно, –

уменьшению) количества ее внутри данного объема.

Это равенство справедливо для любого промежутка времени

и для любого произвольно взятого пространства, ограниченного

замкнутой поверхностью.

Водный баланс речного водосбора отражает важные с точки

зрения гидрологии звенья процесса круговорота воды в природе.

При анализе воднобалансовых соотношений многие гидрологичес-

кие явления рассматриваются в их совокупности и взаимодействии.

Пользуясь методом водного баланса, представляется возмож-

ным производить сопоставление отдельных источников поступ-

ления влаги в различные периоды времени в пределы изучаемой территории и устанавливать степень их влияния на общий ход

формирования водного режима изучаемого объекта. На основе

взаимной увязки отдельных компонентов водного баланса можно

установить и путем анализа устранить возможные ошибки изме-

рений и оценить точность полученных выводов.

Наконец, метод водного баланса позволяет косвенным путем

определить по разности между изученными величинами тот из

компонентов баланса влаги (сток, осадки, испарение, фильтрация

и т. д.), который в данных условиях трудно измерить, но знание

которого бывает необходимо или для решения чисто инженерных

задач, или для выяснения общих закономерностей влагооборота

в пределах рассматриваемого пространства. Все это определило

весьма широкое распространение этого метода в гидрологии.

Исходя из изложенных основных принципиальных положе-

ний, составим уравнение водного баланса для произвольно взятой

части земной поверхности. Контур, ограничивающий рассматри-

ваемую часть земной поверхности, в общем случае пересекает

входящие и выходящие водотоки. Через этот контур мысленно

проведем вертикальную поверхность, которая будет являться бо-

ковой поверхностью выделяемого объема.

Эту боковую поверхность продолжим до горизонта, ниже ко-

торого воды не проникают (например, до водонепроницаемого

слоя). Учтем все возможные пути поступления и расходования

влаги в рассматриваемом объеме.

Приходную часть баланса влаги в рассматриваемом объеме

будут составлять:

1) осадки х, выпавшие за рассматриваемый период времени

на поверхность выделенного объема;

2) количество влаги z1, конденсирующейся в почве и на ее по-

верхности;

3) количество воды w1, поступившей путем подземного притока;

4) количество воды у1, поступившей на данную площадь че-

рез поверхностные водотоки (русловой и склоновый сток).

Расходование влаги из рассматриваемого объема может осу-

ществляться следующими путями:

1) испарение z2 с поверхности воды, снега, почвы, раститель-

ного покрова и транспирация;

2) отток воды w2 путем подземного стока;

3) стекание воды у2 поверхностными водотоками (русловой и

склоновый сток).

Превышение приходной части баланса над расходной будет

вызывать увеличение запасов влаги в рассматриваемом объеме.

И наоборот, превышение расходной части баланса над приход-

ной может произойти только за счет уменьшения запасов влаги.

Таким образом, чтобы получить равенство приходной и рас-

ходной частей уравнения баланса, нужно в левую (приходную)

часть уравнения добавить член и1, характеризующий убыль за-

пасов влаги за рассматриваемый период, а в правую (расходную)

часть – член и2, характеризующий прибыль запасов влаги.

Все величины, входящие в уравнение баланса, выразим не в

виде объема воды, поступившей в пределы, ограниченные задан-

ным контуром, или, наоборот, вышедшей за пределы контура, а в

виде слоя воды, то есть объема, деленного на площадь рассмат-

риваемой территории.

В соответствии с принятыми обозначениями общее уравнение

баланса влаги для произвольного контура и произвольного про-

межутка времени можно записать в виде:

x + z1 + y1 + w1 + u1 = z2 + y2 + w2 + u2.

Частные случаи уравнения водного баланса. Если рассмат-

ривать не произвольный контур, а речной бассейн, для которого

можно точно провести линию водораздела, то в этом случае за-

мкнутую линию водосбора будет пересекать только один вытека-

ющий водоток.

В этом случае у1 и y2 следует заменить значением стока че-

рез один водоток, а уравнение после некоторых преобразований

можно записать так:

x = у + (z2 – z1) + (w2 – w1) + (u2 – u1).

Далее в целях большей компактности вывода будем рассмат-

ривать не каждый в отдельности из всех случаев прихода – расхо-

да влаги, а результат совместного действия прямо противополож-

ных факторов (испарение – конденсация, подземный приток – сток

через контур, прибыль – убыль запасов воды).

Обозначим в этом случае через z испарение за вычетом кон-

денсации, то есть z = (z2 – z1), через и – положительное (прибыль)

или отрицательное (убыль) изменение запасов влаги в бассейне,

например, возрастание или убывание снежного покрова, подня-

тие или опускание уровня грунтовых вод, подъем или падение

уровня воды в реках, озерах и т. д. Наконец, через w обозначим

положительное (в случае оттекания за пределы бассейна) или от-

рицательное (в обратном случае) значение подземного водообме-

на данного бассейна с соседним.

Так как х и у всегда положительны, разность z = z2 – z1 поч-

ти всегда положительна, ибо конденсация в подавляющем боль-

шинстве случаев меньше испарения, а и и w могут иметь и по-

ложительные и отрицательные значения, то окончательно самое

общее выражение баланса влаги для речного бассейна можно

записать в виде:

х = у + z ± u ± w.

Относительно члена w необходимо заметить, что эта величина,

полученная от деления подземного притока (оттока) на площадь

водосбора, совершающегося по периметру контура, убывает для

подобных фигур с возрастанием их размеров, то есть при прочих

равных условиях член w будет тем меньше, чем больше площадь

бассейна. Поэтому, применяя последнее уравнение к бассейну,

достаточно большому, можно пренебречь членом w, убывающим

с возрастанием площади.

Применительно к этому случаю уравнение можно записать

в виде:

x = у + z ± и.

Теперь рассмотрим не произвольный период времени, а гидрологический год, под которым будем понимать такой годичный период, в течение которого завершается цикл накопления и расходования влаги на поверхности бассейна.

В этот цикл необходимо включить весь период накопления снега и весь период снеготаяния и половодья, весь период интенсивных дождей и, по возможности, весь период стока этих дождевых вод. Очень часто за начало гидрологического года для равнинной части европейской территории России (ЕТР) принимают обычно 1 октября. Теоретически начало гидрологического года различно для каждой климатической зоны и даже для каждого года в зависимости от гидрологической и метеорологической обстановки, однако практически это ведет к значительному усложнению расчетов, в большинстве случаев не оправдываемому требованиями практики. Поэтому обработка данных гидрологических и метеорологических наблюдений не в пределах календарного, а в пределах гидрологического года производится, главным образом, при исследовании специальных вопросов и при научных разработках.

Итак, если применить уравнение баланса к периоду гидрологического года, то член ± и будет означать накопление или расходование подземных вод:

x = у + z ± иподз.

Знак uподз будет меняться с чередованием лет, причем в засушливые годы часть подземных вод будет расходоваться на сток

и испарение, а во влажные, наоборот, часть осадков пойдет на

пополнение запасов подземных вод. Поэтому применительно к

многолетнему периоду, включающему в себя и засушливые, и

влажные годы, можно записать:

x = у + z,

так как ±и (при достаточно большом числе лет) будет стремиться к нулю:

х – среднее многолетнее значение (норма) осадков;

у – норма стока;

z – норма испарения.

Применительно к бессточному бассейну, например, к бассейну озера, не имеющего стока (у = 0), уравнение баланса для многолетнего периода примет следующий простой вид:

х = z,

то есть для бессточного бассейна осадки за многолетний период равны испарению.

Дата добавления: 2014-01-07