Круговорот воды

Чрезвычайно важное свойство круговорота воды заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и биосферой, связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды, атмосферную воду.

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 и сила тяжести. В круговороте воды выделяются следующие основные звенья: атмосферное, океаническое, материковое, включающее, 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 представляет собой замкнутой системы. Замкнутая, но, учитывая процессы диссоциации молекул воды и диссипации атомов водорода в космос, не вполне строго, система круговорота воды относится лишь к земному шару в целом. Вместе с тем в практической работе принимается условно замкнутым водный баланс, например, для отдельных речных бассейнов или озер.

Атмосферное звено

Атмосферное звено круговорота характеризуется переносом влаги в процессе циркуляции воздуха и, как уже было сказано, образованием атмосферных осадков. Общая циркуляция атмосферы обладает замечательным свойством — сравнительной устойчивостью из года в год, но при существенной сезонной изменчивости.

Расчеты показывают, что средний слой осадков составляет на суше 765 мм, в океане - 1140 мм, а в целом для всего земного шара - 1030 мм, т. е. немногим более 1 м. В объеме соответствующие величины равны: для суши - 113,5 тыс. км³ (22%), для океана - 411,6 тыс. км³ (78%), для всего земного шара - 525,1 тыс. км³.

Эти объемы воды количественно характеризуют интегральный результат круговорота воды на Земле, но они слагаются из большого числа других процессов, участвующих в круговороте.

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. Разница, приблизительно достигающая 40 - 43 тыс. км³ в год, восполняется 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 значительно беднее.

Океаническое звено

Для океанического звена круговорота наиболее характерно испарение воды, в процессе которого непрерывно восстанавливается содержание водяного пара в атмосфере. Достаточно сказать, что более 86% влаги поступает в атмосферу за счет испарения с поверхности океана и менее 14% - за счет испарения с суши.

Расход воды на испарение распределяется неравномерно по акватории океана. Это можно хорошо видеть по разности между испарением и осадками. В экваториальной зоне расход воды на испарение из-за большой облачности меньше годовой суммы осадков. В умеренных широтах испаряется воды также меньше, чем выпадает осадков, но основная причина здесь другая - недостаток тепла. В тропической и субтропической зонах с поверхности океана испаряется влаги больше, чем выпадает. Происходит это потому, что в зоне пассатов облачность бывает реже, тепла здесь много, а осадков выпадает относительно меньше. Важная черта океанического звена круговорота воды - перенос огромных масс морских вод. В. Г. Корт (1962) рассчитал количество воды, ежегодно переносимой течениями четырех океанов. На основании этих данных составлена табл. 3.

Эти данные характеризуют интенсивность внутреннего океанического 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 требуется около 50 лет, для смешения вод Индийского - 40 лет, столько же лет в среднем требуется и для полного перемешивания вод Северного Ледовитого океана.

Океаническим течениям принадлежит большая климатообразующая роль, поэтому их влияние на круговорот воды в основном сказывается через климат. Морские течения переносят воды на три порядка больше, чем все реки мира, а обусловленный ими водообмен в 50 раз интенсивнее водообмена, вызванного атмосферными осадками, выпадающими на поверхность океана, и испарением. По этой причине внутренний океанический водообмен гораздо интенсивнее внешнего, обусловленного круговоротом пресной воды.

Литогенное звено

Литогенное звено круговорота воды, другими словами, участие подземных вод в круговороте воды, весьма разнообразно. Глубинные подземные воды, главным образом рассолы, крайне слабо связаны с верхними слоями подземных вод и с другими звеньями круговорота 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 сравнивать с круговоротом воды - явлением природы весьма динамичным, практически стабильны. Нх объем весьма незначительно меняется в течение коротких периодов времени. Они обычно сильно минерализованы, вплоть до крепких рассолов, что и служит главным признаком слабого обмена.

Пресные подземные воды залегают преимущественно в зоне активного водообмена, в верхней части земной коры, дренируемой речными долинами, озерами и морями. Именно благодаря интенсивному водообмену, относительно частым переходам через фазу конденсации атмосферной влаги эти воды слабо минерализованы, практически пресны.

Явлению естественного дренажа подземных вод принадлежит исключительно важная роль в круговороте. Благодаря ему одно из звеньев круговорота приобретает регулирующие свойства - 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. Здесь подземные воды получают очень слабое питание, быстро иссякают и их участие в питании рек весьма незначительно. Поэтому такие сравнительно большие реки, как Малый и Большой Узень в Заволжье, 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 выпадающих здесь интенсивных ливней. Использование водных ресурсов 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 регулирующси способностью.

Распределение подземных вод по территории и интенсивность их возобновления связаны с геологическим строением и географической зональностью. Оба этих фактора тесно переплетаются, и не всегда возможно разделить их влияние. Комплекс компонентов природы (климат, почвенный покров, рельеф, растительность) оказывает существенное влияние на формирование подземного стока.

Геологическое строение заметно влияет на местный круговорот воды и на водный баланс при существенных его отклонениях от обычных условий. Большое влияние оказывает карст. В закарстованных районах горные породы (обычно известняки или гипсы) интенсивно выщелачиваются, в результате чего создаются пустоты, подземные туннели, пещеры, в которых свободно циркулирует вода, просочившаяся с поверхности.

В условиях полностью закарстованной, легко проницаемой территории вода быстрее просачивается вглубь, в меньшем объеме задерживается в верхних слоях горных пород и тем самым лучше сохраняется от испарения. Это способствует повышению стока в основном за счет устойчивой части подземного происхождения.

Примерно такое же влияние на водный баланс, особенно на литогенное звено круговорота воды, оказывают хорошо проницаемые для воды вулканические туфы. Армянское нагорье, сложенное такими горными породами, отличается почти полным отсутствием поверхностного стока, так как при выпадении осадков и при снеготаянии вся вода быстро просачивается вглубь и питает подземные воды. В этих условиях формируются обильные источники подземных вод.

Почвенное звено

К литогенному звену относится также и почвенное, поскольку почвенная вода связана с самой верхней частью земной коры. Вместе с тем имеются все основания для выделения почвенных вод, или, как чаще принято называть, почвенной влаги, в особое звено круговорота. Почвенная влага отличается от подземных вод некоторыми особенностями. Во-первых, почвенная влага связана с биологическими процессами в гораздо большей мере, чем подземные воды. Почвенный покров, к которому приурочена почвенная влага, представляет не чисто минеральную массу, слагающую горные породы, а содержит большее или меньшее количество гумуса. Во-вторых, почвенная влага в большей мере, чем подземные воды, связана с характером погоды. Во время дождей или при снеготаянии происходит инфильтрация, обогащающая почву влагой, но в сухое время она быстро расходуется на испарение. По этой причине содержание влаги в почве на большей части суши бывает неустойчивым. Испарение происходит не только с поверхности почвы; почвенная влага расходуется также на транспирацию, которая представляет исключительно важный процесс жизнедеятельности растений, причем корни растений поглощают влагу с той глубины, на которую они распространяются. Таким образом, почвенная влага представляет собой один из важных факторов жизнедеятельности растений.

В тех случаях, когда почвенной влаги недостаточно, а другие компоненты плодородия почвенного покрова, а также тепловые ресурсы атмосферы имеются в избытке, применяется искусственное орошение, задача которого - обеспечить достаточным количеством почвенной влаги сельскохозяйственные культуры. Почвенной влагой, кроме того, питаются подземные воды. Просачивание почвенной влаги вглубь - второй источник расходования ресурсов почвенной влаги. Питание подземных вод очень интенсивно происходит в местах большого увлажнения почвы, особенно в лесах, где почвенный покров сильно разрыхлен корневой системой растений и поэтому обладает высокими инфильтрационными и водопроводящими свойствами.

Хотя единовременный объем почвенной влаги относительно невелик, но она быстро сменяется и, как мы видели, играет большую роль в круговороте воды, в биогенных процессах и в хозяйственной жизни. Почвенное звено круговорота оказывает большое влияние не только на формирование подземных вод, но также и на водоносность и водный режим рек. Одним словом, почва - своего рода посредник между климатом, метеорологическими факторами, с одной стороны, и явлениями гидрологического режима (подземных вод, рек и озер) - с другой.

Речное звено

Речное звено круговорота воды изучено лучше других. И это не случайно. Человек издавна селился вдоль рек, продвигался по рекам в неведомые страны, пил речную воду, ел рыбу, выловленную в реках. С развитием производительных сил человек стал использовать речные воды для орошения, а в дальнейшем - в качестве источника энергии, сначала возводя на них примитивные мельничные колеса, а затем гидроэлектростанции вплоть до современных мощностью в несколько миллионов киловатт.

Древние культуры многих народов неразрывно связаны с реками: египетская - с Нилом, ассирийская и вавилонская - с Евфратом и Тигром, индийская - с реками Инд и Ганг.

Люди зависели от режима рек - страдали от их наводнений и вместе с тем использовали разливы для орошения полей. Но все это служило толчком к познанию свойств и закономерностей водного режима. Уже в XX в. до н.э. в Древнем Египте проводились наблюдения над уровнями воды Нила. В Асуане сохранился древнейший нилометр. Нилометр более позднего времени существует на о-ве Рода в черте г. Каира. Эти сооружения находились в ведении жрецов, вещавших народу, какой ожидается урожай. Такая связь между уровнями воды в реке и урожаем не случайна: при высоких паводках разлив реки распространялся на большую площадь и был более продолжительным, что сулило высокий урожай, при низких паводках урожай снижался. С начала мусульманской эпохи на каирском километре ежегодно отмечалась высота паводка. Так сохранились сведения о паводочных подъемах уровней Нила почти за 12 столетий.

Роль рек в процессе круговорота заключается в возвращении океану той части воды, которая переносится в виде пара атмосферой с океана на сушу. По этой причине с океана испаряется больше воды, чем выпадает в виде осадков, на величину, соответствующую годовому стоку всех рек в океан. В то же время с суши испаряется в целом меньше воды, чем выпадает атмосферных осадков на ее поверхность.

Все источники питания рек делятся на две группы: поверхностные и подземные. Поверхностный сток, или вода, стекающая в русла рек по поверхности почвы, может быть разного происхождения. От таяния снежного покрова образуется снеговой сток, при выпадении дождей - дождевой. В особую группу выделяется высокогорный снеговой (т. е. от таяния многолетних снегов) и ледниковый сток. На окраинах полярных ледниковых щитов Гренландии и Антарктиды образуются своеобразные реки, текущие среди ледяного поля в руслах изо льда. Они появляются на период короткого полярного лета и питаются за счет абляции поверхности ледяных щитов.

Все виды поверхностного стока образуют на реках паводки, продолжительность которых меняется в значительных пределах.

С точки зрения интересов человека поверхностный сток с территории полей, лугов, лесов больше отрицательное явление, чем положительное. Во-первых, он источник безвозвратных потерь воды для сельскохозяйственных полей, что особенно ощутимо в районах недостаточного увлажнения. Во-вторых, в процессе отекания воды по поверхности происходит смыв почвы, образуются промоины и овраги; в горах возникают грозные грязе-каменные потоки - сели; эрозия наносит огромный вред хозяйству. В-третьих, поверхностный сток, как уже было сказано, образует паводки, вызывающие разливы рек и наводнения, наносящие большой ущерб хозяйству.

Озерное звено

Озерное звено круговорота воды неразрывно связано с речным. Озер, не связанных с реками, очень мало: они либо проточны, либо в них впадают реки. Что наиболее характерно для озер как для одного из звеньев круговорота воды? Во-первых, испарение, которое с поверхности озер больше, чем с суши, их окружающей. Происходит это потому, что бывают периоды, когда почва на поверхности суха, и влага, расходуемая на испарение, отсутствует. Вода же в озерах всегда есть, и испарение с них не прекращается.

Например, с Каспийского моря испаряется ежегодно слой почти метровой мощности, а в прибрежных районах, большей частью засушливых, вся вода, выпавшая в виде осадков, 200-300 мм, т. е. в 3-5 раз меньше, чем с поверхности воды. В районах лучше увлажненных (на севере или в экваториальной зоне, где в почвенном покрове почти всегда имеется влага) разница в количестве воды, испаряющейся с суши и с поверхности озер, уменьшается.

Атмосфера получает ежегодно примерно 500-600 км³ дополнительной воды за счет испарения с озер, но в сравнении с общим количеством воды, расходуемой на испарение, эта добавка весьма незначительна.

Главная роль проточных озер в круговороте воды - регулирование речного стока, его выравнивание во времени. Примерами могут служить р. Нева, сток которой хорошо зарегулирован целой системой озер, в том числе крупнейшими в Европе - Ладожским и Онежским. Река Ангара почти идеально зарегулирована глубочайшим в мире и наибольшим в Азии оз. Байкал. Другой классический пример - сток р. Святого Лаврентия, зарегулированный системой Великих озер. Однако водорегулирующее значение еще в большей степени имеют искусственные озера - водохранилища. По новейшим данным, на земном шаре создано около 1350 водохранилищ, имеющих объем более 100 млн. м³.

Важная особенность озер и водохранилищ состоит в том, что они представляют собой более или менее замкнутые экологические системы, в которых протекает сложный комплекс взаимосвязанных процессов: механического характера (течение, волнение, движение наносов), физического (термические, ледовые явления), химического и биологического. В водоемах высокой степени проточности эти процессы приближаются к условиям рек. Но большие озера с относительно слабой проточностью (например, такие, как Байкал, Ньяса, Танганьика, Виктория, Верхнее, Мичиган), имеющие больший объем водной массы по сравнению с ее притоком, отличаются своеобразием экосистем.

Биологическое звено

Это звено круговорота воды очень сложно и многообразно. Я остановлюсь на наиболее важных его свойствах, непосредственно связанных с круговоротом. Общеизвестно, что в жизни животных и растений вода имеет огромное значение. Они в большей своей части состоят из воды. Много воды требуется людям для питья (2,5-3 л). Если принять эту норму, то на удовлетворение физиологической потребности одного человека расходуется около 1 м³ воды в год, а на всех людей - 3,3 км³.

Больше воды потребляется домашними животными, примем общее годовое потребление равным 25 - 30 км³.

Неизвестно, сколько воды потребляют дикие животные, но, по всей вероятности, не больше, чем все домашние. В итоге все живые организмы суши расходуют для питья не более 50 км³ в год. Эта величина очень невелика в сравнении с любым элементом водного баланса Земли. Нужно еще учесть, что почти вся вода, потребляемая людьми и животными, в конце концов испаряется и возвращается в общий круговорот воды. Независимо от объема потребляемой воды физиологическое значение этой статьи расходования водных ресурсов в жизни людей и животных исключительно велико.

К биологическому звену круговорота воды относятся и водные животные и растения, для которых моря, озера, реки - среда существования. Важнейший биологический процесс, обеспечивающий существование на Земле всего органического мира, - фотосинтез происходит при участии воды. В результате этого процесса растения из углекислоты и воды синтезируют крахмал, белки, жиры, которые в свою очередь служат пищей для людей и животных. В процессе фотосинтеза входящий в состав воды водород вместе с углеродом, поглощаемым из воздуха, образуют питательные вещества, а растения отдают в воздух кислород. Обогащение кислородом атмосферы происходит не только за счет растительности суши, но и за счет океанического фитопланктона.

К биологическим процессам, наиболее ощутимым в круговороте воды, относится транспирация, представляющая сложный, важный для жизнедеятельности растений процесс. При поглощении почвенной влаги корнями растений с водой в растение поступают растворенные в воде минеральные и органические вещества - пища растений. Жизнедеятельность растений, прирост растительной массы, урожай зависят от регулярности поступления воды. Но процесс транспирации важен также и для регулирования температуры растения. В каких-то пределах этот процесс регулируется самим растением. Таким образом, хотя транспирация - физический процесс, но от обычного испарения с неживого вещества она отличается некоторыми возможностями регулирования самим растением. Поэтому процесс транспирации вместе с тем является и физиологическим процессом.

Количество воды, транспирируемой различными растениями, колеблется в больших пределах. В засушливых странах распространены ксерофитные растения, обладающие способностью транспирировать относительно малое количество воды.

Транспирационную способность растений часто оценивают по коэффициенту транспирации, характеризующему объем воды, который должен израсходоваться для образования единицы веса сухого вещества растения. Например, для образования 1 т наземной растительной массы пшеницы, т. е. зерна и соломы, расходуется 300 - 500 м³ воды.

Расход воды на транспирацию зависит от большого числа факторов: от характера самого растения (степени его ксерофитности), от условий погоды, от наличия влаги в почве. В сухую жаркую погоду растение нуждается в расходовании большого количества воды на транспирацию.

Испарение с почвы нельзя рассматривать изолированно от транспирации. Под пологом леса с поверхности почвы испаряется мало воды, независимо от ее наличия на поверхности. Так происходит потому, что солнечная радиация слабо проникает через кроны деревьев. Кроме того, под пологом леса скорость движения воздуха замедляется, и он больше насыщен влагой. В этих условиях основная часть испаряющейся влаги происходит за счет транспирации.

Соотношение между транспирацией, которая по существу является продуктивным испарением, и испарением непосредственно с почвы - непродуктивным меняется от сезона к сезону в зависимости от фаз развития растений.

В среднем расход воды на транспирацию составляет не менее половины суммарного испарения с суши, т. с. около 30-35 тыс. км³ в год. Эта величина равнозначна почти 7% от испарения с поверхности земного шара, включая и океан.

Хозяйственное звено

Использование водных ресурсов, их преобразования, направленные на улучшение их как одного из компонентов среды, окружающей людей, также происходят в процессе круговорота воды.

Иногда, а в последнее время все чаще высказывается мнение о том, что вода, используемая для хозяйственных нужд, снова попадает в круговорот воды. Это, конечно, верно и вполне соответствует высказанной выше закономерности, если речь идет о глобальном круговороте, поскольку система этого процесса замкнута лишь в масштабе земного шара в целом. Но следует ли из этого положения вывод о том, что водные ресурсы неисчерпаемы, что, сколько бы их ни расходовали, они снова возвращаются в то же место или в тот же район, где водные ресурсы изъяты из данного источника. Такое понимание возврата воды в процессе круговорота слишком упрощенно и не соответствует характеру этого процесса в природе. Все дело в том, что вода, испарившаяся в процессе использования для хозяйственных нужд и поступившая в атмосферу в парообразном состоянии, вовсе не обязательно снова выпадет в виде осадков в том же районе. Чаще всего атмосферная влага переносится на большие расстояния и может сконденсироваться и выпасть в виде осадков далеко от района, где она поступила в атмосферу. Если, например, вода, испарившаяся в результате орошения в Средней Азии, даст осадки в Гималаях, где и без того вода в избытке, то для Средней Азии эта вода будет потеряна. А если эта атмосферная влага сконденсируется в виде осадков на акватории океана, то в таком случае она уже оказывается утраченной для суши в целом.

Водный баланс земли

Характеристика качественных сторон процесса круговорота воды касается проис-хождения различных источников водных ресурсов, их взаимосвязи, но ничего не говорит о количественной стороне круговорота - об объемах воды, переносимых в процессе его действия. Водный баланс позволяет количественно представить этот грандиозный процесс и вместе с тем служит первичной основой для оценки водных ресурсов Земли.

Развитие представлений о водном балансе Земли

Я не претендую на исчерпывающую полноту этого обзора и вижу его цель в том, чтобы осветить пути, которыми наука постепенно пришла к современным представлениям о водном балансе Земли, поскольку исторический анализ позволяет оценить уровень современных представлений по проблеме, дает возможность лучше ощутить прогресс, достигнутый по данному разделу гидрологии.

Довольно полное представление об истории исследований водного баланса Земли можно получить из весьма обстоятельного обзора И. А. Федосеева (1967), а также из све-дений по этим вопросам, приведенных в некоторых моих работах (например, Львович, 1945; Lvovich, 1971). В табл. 8 помещены сведения об известных расчетах речного стока как элемента, водного баланса Земли.

Всю историю расчетов мирового речного стока можно разделить на три периода.

1. До начала последней трети прошлого века, когда определения речного стока носили чисто оценочный характер и не исходили из каких-либо конкретных данных. Из известных таких оценок можно упомянуть оценку, сделанную К. Джонсоном.

2. Последняя треть прошлого столетия - первая треть текущего, характеризующаяся довольно субъективными оценочными данными для большей части суши, не изученной в гидрологическом отношении, В результате выводы о мировом речном стоке колебались в больших пределах - от 192 до 320 мм.

3. Начиная с 40-х годов текущего столетия по настоящее время. Для этого периода характерно появление составленных автором мировых карт речного стока, служивших для расчетов стока, а также применение для этой цели других приемов - расчетов по испарению (Будыко, Зубенок, Альбрехт) или по данным о речном стоке, сгруппированным по пятиградусным широтным поясам (Марчинек). В прошлом этот метод, примененный Реклю, Мерреем, Фрицше, основывался на довольно скудных данных о речном стоке, но Марчинек (Marcinec, 1964) использовал для этой цели гораздо более полную информацию. Тем не менее за истекшие три десятилетия величины мирового стока колебались по результатам разных расчетов в пределах от 225 до 310 мм.

Следует, однако, отметить, что эти данные не вполне сравнимы между собой, поскольку часть из них относится не ко всей суше, например исключая полярные ледники. В некоторых случаях авторы не отмечают, какую часть суши характеризуют их выводы о стоке, поэтому сделанное обобщение не лишено условности.

Интересно, что из 20 расчетов мирового водного баланса, помещенных в табл. 8, половина всех приходится приблизительно на семь десятилетий до первого расчета автора, причем три из них связаны с фундаментальными исследованиями мирового водного баланса. Вместе с тем за истекшие 25 лет в печати появилось десять расчетов других авторов, из которых шесть-семь относятся к фундаментальным исследованиям мирового водного баланса, где сток рассматривается как один из его элементов. Это свидетельствует о возрастающем внимании к круговороту воды и количественной оценке отдельных его звеньев. Из моих четырех вариантов, помещенных в табл. 8, к числу фундаментальных относятся первый, завершенный в 1941 г., второй, определенный в 1960 г. и опубликованный в Физико-географическом атласе мира в 1964 г., и, наконец, четвертый, завершенный в 1971 г. и публикуемый в настоящей работе. Все эти три варианта потребовали пересчета всех элементов водного баланса, причем наиболее трудоемкими и оригинальными были первый и последний. Оригинальность первого варианта заключалась в том, что в его основу была положена первая карта речного стока мира, а последнего - в применении дифференцированного метода изучения водного баланса территории, в основу которого положена система уравнений, позволивших перейти от одной карты полного речного стока к комплексу взаимоувязанных карт, включающих генетически различные части речного стока, а также характеристику ресурсов почвенной влаги.

Итак, по методу определения речного стока все варианты расчетов мирового водного баланса делятся на три группы.

1. Расчеты по широтным поясам, используя все имевшиеся к тому времени данные по стоку (Меррей, Фрицше, Вюст, Марчинек).

2. Расчеты по разности осадки минус испарение, причем испарение рассчитывалось специальными методами (Будыко, Зубенок, Альбрехт).

3. Расчеты по картам, составленным по данным наблюдений стока с использованием интерполяционных зависимостей для территорий, слабо изученных или неизученных в гидрологическом отношении.

Последний метод при сравнении со вторым в меньшей степени зависит от точности наблюдений над осадками и исключает погрешности, неизбежные при расчетах испарения. Это особенно важно, в связи с тем что при вычислении стока по разности осадки минус испарение погрешность определения речного стока (R) связана с погрешностью определения испарения (E) и коэффициентом стока (КR) следующим соотношением:

Если, например, ошибка расчетов испарения по тепловому балансу составляет 10%, что, несомненно, следует признать хорошим результатом, то для стока, определенного по разности осадки минус испарение, ошибка возрастет в 2 раза, если коэффициент стока равен 0,5, в 3 раза при коэффициенте стока в 0,33 и в 4 раза при коэффициенте в 0,25. Причем чаще всего коэффициенты стока бывают именно в этих пределах.

Если учесть, что коэффициент речного стока для всей суши составляет 0,37, то погрешность, допущенная при расчетах испарения, увеличивается по отношению к стоку в 2,7 раза. К этому нужно еще прибавить погрешность за счет неточностей определения осадков.

Еще до первой четверти текущего столетия, когда гидрологических данных было мало, расчеты стока производились путем вычисления испарения. И хотя методы расчетов испарения были менее точны, чем современные, этот способ довольно широко применялся из-за отсутствия непосредственных гидрологических измерений. Но в связи с невыгодным соотношением ошибок относительно испарения и стока (ошибки в величинах стока, как показано выше, возрастают обратно пропорционально коэффициентам стока) методы расчетов стока по испарению в гидрологии перестали применяться, тем более что во второй четверти текущего столетия появились гидрометрические данные для большого количества рек. В тех же случаях, когда этих данных не было, их восполняли различные интерполяционные методы, например, с помощью зависимостей стока от осадков и температуры воздуха, использованных мною при составлении первой карты речного стока, или интерполяционных зависимостей, основанных на зональных структурных кривых водного баланса.

В основе современного метода расчетов водного баланса Земли лежит система уравнений, которую применял еще Э. Брикнер (1905). Эти уравнения следующие:

для периферийной части суши -

Эта система уравнений позволяет наиболее экономно решать задачи мирового водного баланса. Так, из десяти элементов, фигурирующих 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 периферийной части суши можно рассчитать, зная осадки и сток или испарение и осадки. Как показано в предыдущем разделе, первый из этих вариантов следует предпочесть.

Для замкнутых областей суши нужно знать один из двух элементов этого соотношения - предпочтительнее осадки, поскольку 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 отражают условия открытого океана. Судовые же наблюдения, по понятным причинам, трудно обобщать, не говоря уже об их неполноте. Столь же недостаточно совершенный 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 поверхности 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 основных элементов не существует вполне твердых критериев. В дальнейшем вполне возможны существенные уточнения данных об осадках, выпадающих в океане, а отсюда и испарения.

Следует, однако, отметить, что все известные данные по этой проблеме в настоящее время несоизмеримо надежнее, чем в прошлом. 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. 9 отражают результаты моих последних расчетов мирового водного баланса. Расчеты произведены по приведенным четырем уравнениям. Осадки для суши определены по мировой карте, опубликованной под редакцией О. А. Дроздова (Кузнецова и Шарова, 1964), с некоторыми дополнениями по материалам и картам для тех районов, на территории которых осадки были прежде наиболее слабо изучены.

В сравнении с предыдущим вариантом, опубликованным в Физико-географическом атласе мира (1964 г.), наиболее существенные изменения отдельных элементов мирового водного баланса коснулись материкового звена круговорота воды. 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 Европе, Азии и Южной Америке. Вместе с тем представления об осадках по Африке и Северной Америке были несколько преувеличены. 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 Антарктиды, 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 появления новых исходных данных, более тщательного картографирования, особенно в засушливых районах, где в дополнение к прежде принятой минимальной изолинии стока в 50 мм в последнем варианте карты речного стока введены изолинии 20 и 10 мм. Кроме того, некоторого уточнения величин стока удалось достигнуть в горных районах, особенно в СССР, в Альпах, отчасти в Скалистых горах и в Андах. Конечно, новые данные представляют существенный шаг вперед в развитии представления о мировом водном балансе, но главный результат я вижу в том, что в основе нового варианта расчетов мирового стока лежит комплексный метод, который позволяет глубже проанализировать происхождение и пути преобразования речного стока, по существу впервые получить представления о возобновимых в процессе круговорота подземных водах, а также о ресурсах почвенной влаги. Всем этим вопросам посвящена следующая глава.

Сток воды и льда в океан с Гренландии и Канадского Арктического архипелага, по последним расчетам, оказался близким к принятому мною в расчетах 1940 и 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, любезно предоставленные мне еще до публикации этого вывода, составляют 2200 км³, или около 160 мм, против 1060 км³ и 80 мм, принятым в моих прежних исследованиях.

Осадки для океана я принимаю по данным 1945 г. - 1140 мм. Тогда они были приняты по В. Мейнардусу (Meinardus, 1934), а теперь они подтверждаются по наиболее достоверной карте Л. П. Кузнецовой и В. Я. Шаровой, опубликованной в 1964 г. Такой контроль результатов путем сравнения независимо от выполненных расчетов наиболее важен для океана, поскольку современные представления об осадках, выпадающих на этой части Земли, еще несовершенны.

Для всей Земли мною 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 исключениями, 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.

Теперь остается еще рассмотреть 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, по моему мнению, достоверная оценка. этой величины, полученная И. С. Зекцером и Г. П. Калининым и любезно переданная мне. По их расчетам, подземный сток непосредственно в океан, отнесенные к его акватории, и составят 120 мм, т. е.

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 океан, отнесенные к его акватории, и составят 120 мм, т. е. 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 именения.

Активность водообмена

Понятие об активности водообмена (Львович, 1964-б, 1966-а и др.) характеризует продолжительность гипотетической смены всего объема данной части гидросферы в процессе круговорота воды. Практически активность водообмена (А) определяется по отношению объема данной части гидросферы к приходному или расходному элементам ее баланса, формируемого в процессе круговорота воды:

Как видно из этой таблицы, активность водообмена океана составляет около 3000 лет. Еще медленнее обмен подземных вод - 5 000 лет. Но основная часть подземных вод, как уже отмечено в I главе, представляет собой 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 оценивается в 3-3,5 столетия, но если из этой зоны исключить малоподвижную часть подземных вод и выделить лишь ту их часть, которая питает реки и, следовательно, характеризуется наибольшей подвижностью, 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 объем воды в их руслах оценивается приблизительно в 1200 км3, а суммарный годовой сток составляет 38800 км³/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 речных вод - исключительно важное свойство, благодаря которому обеспечиваются основные потребности человечества в воде.

Очень высока активность атмосферной влаги. При объеме 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, поскольку 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 расход всех полярных покровных ледников, по современной приблизительной оценке, составляет немногим менее 3 тыс.км³. Отсюда продолжительность смены всего объема покровных ледников достигает примерно 8 тыс. лет. Раньше эту величину я оценивал в 15 тыс. лет (1966-а). П. А. Шуйский с соавторами (Shumskiy и др., 1964), принимая объем покровных 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.

Мировые ресурсы пресных вод

Под водными ресурсами мы понимаем пригодные для использования воды, практически все воды Земли: речные, озерные, морские, подземные, почвенная влага, лед горных и полярных ледников, водяные пары атмосферы исключая "связанные", входящие в состав минералов и биомассы. К водным ресурсам относятся также водные объекты - моря, реки, озера, а также искусственно созданные каналы, водохранилища, поскольку они широко используются для судоходства, рыболовства, отдыха, туризма и для других целей без изъятия из них воды. Самыми ценными для хозяйства и личных надобностей являются пресные воды суши - подземные, речные воды, так же как и воды озер и водохранилищ. Они наиболее доступны для использования на большей части пространств суши и, что едва ли не главное, непрерывно возобновляются в процессе круговорота воды. Поэтому балансовая оценка водных ресурсов наиболее близко соответствует особенностям происхождения этого вида природных ресурсов и теории гид-рологической науки, в основе которой лежит круговорот воды.

Все, что сказано в предыдущих главах, освещает различные стороны и особенности водных ресурсов.

Использование водных ресурсов отличается от характера использования других источников природных ресурсов. Например, после того как каменный уголь или нефть добыты и сожжены либо использованы в качестве сырья в химической промышленности, они перестают существовать в качестве этих продуктов, а превращаются в углекислый газ и многие другие вещества. Вода же после любых видов использования остается водой, иногда лишь меняет свое агрегатное состояние, превращаясь в пар. Но при всех видах ее использования продолжает участвовать в круговороте.

Лишь небольшая часть воды в процессе производства химически связывается и входит в состав изготовляемой продукции. Отсюда следует, что водные ресурсы делятся на две принципиально различные группы: состоящие из единовременных стационарных запасов и из возобновимых запасов, составляющих динамическую часть круговорота воды и оцениваемых балансовым методом. Благодаря круговороту воды все виды гидросферы, как это сказано выше, с той или иной интенсивностью возобновляются. Поэтому, если воду использовать в объеме, возобновляемом круговоротом воды, то источники водных ресурсов будут неисчерпаемыми, вечными. В практике же водного хозяйства так бывает далеко невсегда. Например, уровень подземных вод многих артезианских бассейнов в течение последних десятилетий систематически снижается. Это служит показателем того, что изъятие подземных вод для практических целей производится в объеме, превышающем естественное возобновление. Если так будет продолжаться, то в конце концов артезианские воды таких бассейнов будут исчерпаны и прекратят свое существование как источник водных ресурсов. Аналогичное явление происходит на многих системах подземных вод земного шара. Часто этот процесс в прибрежных морских районах сопровождается вторжением в водоносные горизонты соленой морской воды, замещающей истощенные подземные пресные воды. Примерами могут служить побережье Северного моря в Европе, о-в Лонг-Айленд в Нью-Йорке и др. Как мы увидим, при соответствующих мерах этот процесс можно прекратить и даже умножить возобновимые ресурсы подземных вод. Но такие меры нужно планировать, а для этой цели необходимо знать характер источника водных ресурсов: интенсивность возобновления его запасов, его балансовые характеристики.

Очень важно деление водных ресурсов на пресные и минерализованные, соленые. Последние, как вполне очевидно, можно использовать весьма ограниченно, для таких вод требуется энергоемкое и дорогостоящее опреснение. Для большей части практических нужд необходима пресная вода. Если учесть это, то водных ресурсов, доступных для использования, оказывается гораздо меньше. Это в основном относится к единовременным запасам, так как из общего объема гидросферы в 1 455 млн. км³ 1 427 млн. км³, или более 98%, составляют соленые воды различной степени минерализации. Что касается воды, непосредственно участвующей в круговороте (ежегодно возобновимых запасов), то она в силу своей подвижности и благодаря частым переходам из одного агрегатного состояния в другое - из пара в воду, из воды в лед и обратно - слабоминерализованна, как правило, пресная.

Еще один очень важный признак для оценки водных ресурсов - их устойчивость во времени. Выше уже говорилось о колебаниях водного режима рек от сезона к сезону и из года в год. Устойчивые водные ресурсы представляют наибольшую ценность, так как почти для всех практических целей всегда важно располагать определенным количеством воды.

Золотым, фондом водных ресурсов является устойчивый речной сток, оцениваемый для всей суши в 14 тыс. км³/год, что составляет 36% полного стока рек земного шара. Устойчивый сток рек СССР достигает около 1400 км³, или 31% полного речного стока. Напомним, что этот источник водных ресурсов представляет наибольшую ценность для человечества, так как он постоянно обеспечивает воду высокого качества.

Устойчивый сток обычно используется для водоснабжения и орошения путем изъятия его из рек, озер или водохранилищ. Но почти такое же количество воды можно извлекать из подземных горизонтов до ее попадания в реки. Часто такой способ водоснабжения обходится дороже, но он имеет и преимущества, поскольку обеспечивает более высококачественной, незагрязненной водой.

Поверхностный (паводочный) сток менее ценен, так как может быть использован после соответствующих преобразований, о которых сказано ниже.

Важнейшая особенность водных ресурсов - их очень высокая динамичность и тесная взаимная связь различных источников, обусловленная круговоротом воды. Высокая динамичность создает трудности улавливания воды, регулирования стока, борьбы с непродуктивным испарением и т. п. Вместе с тем в высокой динамичности водных ресурсов кроется и благо. Именно благодаря этой особенности происходит непрерывное возобновление и опреснение водных ресурсов суши, а благодаря этому свойству, правда при некоторых обязательных условиях, которые пока далеко не всегда соблюдаются, вода является вечным, Никогда не почерпаемым природным ресурсом.