Оглавление
Введение
1 Водообеспеченность и основные водныепроблемы
2 Изъятие речного стока
3 Малые реки
4 Загрязнение вод
5 Изменения климата
6 Методика статистических исследований
7 Результаты комплексного анализаизменений стока
8 Направленность изменений годового исезонного стока
Заключение
Введение
Вода — одноиз самых распространенных на Земле и необычных по своим свойствам химическихсоединений. Без воды невозможно существование самой жизни. Вода — носительмеханической и тепловой энергии играет важнейшую роль в обмене веществом иэнергией между геосферами и географическими районами Земли. Этому во многомспособствуют и ее аномальные физические и химические свойства. Один изосновоположников геохимии, В.И. Вернадский, писал: «Вода стоит особняком вистории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с нейпо влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов. Нетземного вещества — минерала, горной породы, живого тела, которое бы ее незаключало. Все земное вещество — под влиянием свойственных воде частных сил, еепарообразного состояния, ее вездесущности в верхней части планеты — еюпроникнуто и охвачено» [1].
Гидрология- комплекс наук, изучающих природные воды на Земле и гидрологические процессы.Термин «гидрология» (гидрос — вода, логос — наука) впервые упомянут в1694 году в книге, содержащей «начала учения о водах», изданнойМельхиором во Франкфурте-на-Майне, а первые гидрологические наблюдения, помнению американского гидролога Раймонда Найса, 5000 лет назад проводили на р.Нил египтяне, которые ежегодно фиксировали высоту паводков на скалах, стенахзданий, ступенях береговых лестниц. Но в самостоятельную науку гидрологияоформилась лишь в начале XX столетия и продуктивно развивалась, опираясь нафундаментальные науки: физику, химию, математику. Наиболее тесно связана она сметеорологией и климатологией, а также с геологией, биологией, почвоведением игеохимией.
Наибольшееразвитие в последние 50 — 60 лет получил раздел гидрологии — гидрология суши.Это является следствием быстро возрастающего использования пресной воды, еевозросшей роли в развитии экономики и жизни человеческого общества. Важнейшейзадачей гидрологии суши является оценка изменений водных ресурсов как источникаводоснабжения и водопотребления. Особое место занимает количественная оценкаизменений во времени и пространстве стока воды рек, который составляетосновные, ежегодно возобновляемые водные ресурсы и обеспечивает основной объемвозможного водопотребления на хозяйственные нужды. Современные исследованияводных ресурсов, особенно в части прогнозирования их на будущее, тесно связаныс учетом глобального изменения климата и влияния на водные объектыхозяйственной деятельности человека.
Результатомне всегда разумной хозяйственной деятельности человека стало увеличениебезвозвратного водопотребления (до полного истощения водных источников) иугрожающее загрязнение природных вод, что вносит нередко необратимые измененияв водный баланс и экологические условия обширных районов. Это обусловиловозникновение нового направления гидрологической науки — гидролого-экологического, которое является одновременно важной составной частьюгеоэкологии — науки, изучающей необратимые процессы и явления в природной средеи биосфере, возникающие в результате интенсивного антропогенного воздействия, атакже близкие и отдаленные во времени последствия этих воздействий.
Основноевнимание в статье уделено ежегодно возобновляемым ресурсам пресных вод — речному стоку, так как запасы воды, сосредоточенные в озерах и подземныхгоризонтах, используются еще слабо. На территории России используют менее 1%общих запасов озерных вод (около 25 000 км3), а из подземных горизонтовежегодно извлекают менее 10% потенциальных эксплуатационных запасов подземныхвод. Это объясняется главным образом особенностями географического расположенияозер и запасов подземных вод: их большая часть сосредоточена в районахизбыточного и достаточного увлажнения, например 23 000 км3 озерных воднаходится в озере Байкал, где мало водопользователей и много более доступныхречных вод.
1 Водообеспеченность иосновные водные проблемы
Мировыезапасы пресной воды составляют 34 980 тыс. км3, а ежегодно возобновляемые(суммарный годовой сток рек) — 46 800 км3 в год [2]. Современное полноеводопотребление в мире составляет 4130 км3 в год, а безвозвратное — 2360 км3 вгод. Запасы пресных поверхностных и подземных вод на территории РоссийскойФедерации составляют более 2 млн. км3, а ежегодно возобновляемые водные ресурсы- 4270 км3 в год. Средняя обеспеченность водой речного стока каждого жителяРоссии — около 31 тыс. м3 в год, а удельные водные ресурсы, отнесенные наединицу территории (1 км2), превышают 250 тыс. м3 в год. Но в наиболеегустонаселенных южных и центральных районах европейской части Россииводообеспеченность очень мала: в Северо-Кавказском и Центрально-Черноземномрайонах суммарные водные ресурсы составляют около 90 км3 в год, а воды местногоформирования — всего 60 км3 в год.
Всемирныеводные ресурсы распределены по территории Земли еще более неравномерно, они небеспредельны и становятся основным фактором, ограничивающим устойчивоеэкономическое развитие во многих регионах. Повсюду увеличивается потребность впресной воде для удовлетворения нужд растущего населения, урбанизации,промышленного развития, ирригации с целью получения продовольствия и т.д. Этаситуация, несомненно, ухудшается при росте народонаселения, загрязненииповерхностных и подземных вод и угрозе изменений климата. Существуют дажепрогнозы, что при удвоении народонаселения мира к середине следующего столетияи при стремительно растущих запросах через несколько лет наступит всемирныйводный кризис. При этих обстоятельствах мировые ресурсы пресной воды могутстать источником конфликтов на некоторых из 200 международных речных бассейнов.Кроме того, рост населения, концентрирующегося вокруг рек как основныхисточников воды, неминуемо приведет к существенному увеличению жертвнаводнений, количество которых и теперь составляет 25% общего количества жертввсех стихийных бедствий на Земле, а количество людей, ежегодно страдающих отнаводнений, равновелико количеству страдающих от засух (32 и 33%). Посколькустрадания от засух усугубляются нехваткой воды, то, следовательно, бедствия,вызванные временным избытком или недостатком воды, составляют в сумме 65% всегопострадавшего населения.
В последниедесятилетия во многих странах мира наблюдается ухудшение экологическогосостояния водных объектов суши (рек, озер, водохранилищ) и прилегающих к нимтерриторий. Это связано в первую очередь со значительно возросшим антропогеннымвоздействием на природные воды. Оно проявляется в изменении водных запасов,гидрологического режима водотоков и водоемов, и особенно в изменении качестваводы. По характеру воздействия на ресурсы, режим и качество водных объектовсуши факторы хозяйственной деятельности объединяются в три группы.
1. Факторы, непосредственно воздействующие на водный объект путемпрямых изъятий воды и сбросов природных и сточных вод или за счетпреобразования морфологических элементов водотоков и водоемов (создание вруслах рек водохранилищ и прудов, обвалование и спрямление русел рек).
2. Факторы, воздействующие на водный объект посредством измененияповерхности речных водосборов и отдельных территорий (агротехническиемероприятия, осушение болот и заболоченных земель, вырубка и посадка лесов,урбанизация и т.п.).
3. Факторы, воздействующие на основные элементы влагооборота впределах конкретных речных водосборов и отдельных территорий посредствомизменения климатических характеристик в глобальном и региональном масштабах.
2 Изъятие речного стока
Проблемаучета количественных изменений водных ресурсов под влиянием хозяйственнойдеятельности возникла в 50-х годах XX века, когда резко повысилосьводопотребление во всем мире. Если за период с 1900 по 1950 год среднееувеличение водопотребления за десятилетие составляло 156 км3, то с 1950 по 1960год — 630 км3, то есть возросло в 4 раза, а в последующие годы возрастало на800 — 1000 км3 за десятилетие. Наиболее интенсивно используется речной сток вЕвропе и Азии (около 13% суммарного годового объема), несколько меньше — вСеверной Америке (около 8%) и значительно меньше — в Африке, Австралии и ЮжнойАмерике ( от 1 до 3% объема водных ресурсов). Вместе с тем на всех континентахесть крупные регионы, где интенсивность использования речного стока достигает30 — 65% общего объема водных ресурсов рек.
В Россиинаиболее интенсивно используется сток рек в южных районах европейской частитерритории. Поэтому если годовой сток р. Волги уменьшился на 10% по сравнению сестественной нормой стока, то сток рек Дона, Кубани, Терека — на 25 — 40%. Вцелом в странах СНГ ежегодное снижение суммарного стока рек составляет примерно150 км3, что равно всего 3 — 5% суммарных водных ресурсов. Но наибольшееснижение стока за счет антропогенного фактора, достигающее 30%, приходится тожена реки южных районов, где естественные водные ресурсы составляют 490 км3 вгод, или 11% суммарного стока рек СНГ (4500 км3 в год). Вместе снеблагоприятной экологической ситуацией в речных бассейнах южных районов СНГ врезультате чрезмерного изъятия стока рек неблагоприятная экологическаяобстановка сложилась на многих естественных водоемах, которые они питают, — озера Балхаш, Иссык-Куль, Севан, а Аральское море и все Приаралье объявленызоной экологического бедствия, так как изъятие стока из питающих его рекАмударьи и Сырдарьи превышает 90% нормы годового стока.3 Малые реки
Факторы,воздействующие на водные объекты посредством изменения поверхности речныхводосборов, особенно ощутимо сказываются на экологическом состоянии малых рек.К малым относятся реки длиной от 26 до 100 км, что соответствует рекам сплощадями водосборов от 150 до 1500 км. Малые реки играют решающую роль вформировании водных ресурсов, на их долю в европейской части России приходитсяоколо 80% среднего многолетнего стока. В отдельных районах ресурсоформирующаяроль малых рек еще более существенна.
Одна изосновных особенностей малых рек — тесная связь формирования стока с ландшафтомбассейна. Это обусловливает необычайную уязвимость рек при интенсивном освоенииводосбора. Увеличение распаханности земель, отставание почвозащитныхмероприятий и распашка до уреза воды, вырубка лесов и осушение болот на ихводосборах, строительство крупных животноводческих комплексов, ферм иптицефабрик без проведения сопутствующих природоохранных мероприятий и сброс вреки сточных вод без надлежащей очистки быстро приводят к нарушениюэкологической обстановки, ускорению старения малых рек. Рациональноекомплексное использование ресурсов малых рек, их охрана от загрязнения иистощения требуют безотлагательных мер. Без разумного регулированиявозрастающей водохозяйственной нагрузки на малые реки становится все труднее управлятьрациональным использованием и охраной больших территорий, больших рек.4 Загрязнение вод
Острейшейгидрологической проблемой стало изменение качества природных вод и состоянияводных экосистем под влиянием хозяйственной деятельности. Стремительноераспространение веществ антропогенного происхождения привело к тому, что наповерхности Земли практически не осталось пресноводных экосистем, качество водыкоторых не изменилось бы в той или иной степени. Следствием химических ифизических воздействий антропогенного происхождения является изменение составадонных отложений и живого вещества водных объектов.
Наибольшееколичество загрязнителей поступает в водные объекты от предприятийнефтеперерабатывающей, химической, целлюлозно-бумажной, металлургической,текстильной отраслей промышленности. Формирование химического составаповерхностных и подземных вод в условиях антропогенного воздействияхарактеризуется: 1) повышением (или понижением) концентрации тех компонентовприродных вод, которые обычно присутствуют в незагрязненной воде; 2) изменениемнаправленности естественных гидрохимических процессов; 3) обогащением водвеществами, чуждыми природной воде. Например, если поверхность воды покрытапленкой нефти, жирных кислот или других плавающих загрязнителей, поступающих состочными водами, то многие химические и биохимические процессы существенноизменяются, так как ограничивается поступление в воду кислорода, света,уменьшается испарение воды, меняется состояние карбонатной системы.
Проблемасамоочистки и очистки водных систем, охраны вод от загрязнения стала не толькогидрологической. В ее решении принимают участие химики, биологи, физики,математики, гидрогеологи.5 Изменения климата
В 1979 годув Женеве Всемирной метеорологической организацией (ВМО), специализированнымучреждением ООН, и другими международными организациями была созванаконференция экспертов, посвященная взаимосвязям климата и деятельностичеловека. Собравшиеся на конференции специалисты в разных областях знанийпришли к заключению, что наряду с естественными колебаниями климата, связаннымис изменением поступления энергии от Солнца, перераспределением ее междуосновными резервуарами Земли (атмосферой, океанами и ледниками), с выбросами вулканов,существенное влияние на климат стала оказывать деятельность человека [3].Сжигание ископаемого топлива, сведение лесов и изменения в землепользовании,выбросы двуокиси углерода, метана, окиси азота привели к возрастаниюконцентрации парниковых газов в атмосфере, что является чрезвычайно важнымфактором, определяющим температуру атмосферы Земли. Это обусловливаетдополнительные изменения в распределении температуры, осадков и другихметеорологических параметров атмосферы, что, сказываясь на локальных измененияхклимата, может оказаться благоприятным или неблагоприятным для жизни ихозяйственной деятельности человека.
Анализстационарных наблюдений и многочисленные научные исследования в последние 15лет подтверждают антропогенное влияние на изменение климата в XX столетии.Поэтому внимание к влиянию парниковых газов на климат и последствиям егоизменений в последние годы настолько усилилось, что стало необходимо принятьМеждународное соглашение об ограничении выбросов отходов производства в атмосферу- рамочную конвенцию по изменению климата.
Достигнутыуспехи в разработке прогнозов изменений климата. Они основываются на гипотезеизменения температурного градиента между экватором и полюсами, чтообусловливает изменения в циркуляции атмосферы. Если северный полярный районбудет охлаждаться сильнее, чем экваториальная область, то пояса муссонов в Азиии Африке и бароклинные зоны умеренных широт, в которых преобладают западныеветры, сместятся к экватору. При относительном повышении температуры на полюсахбудет наблюдаться обратная картина. Эта гипотеза подтверждаетсяпалеоклиматическими данными и численным моделированием. Изменения зон переносавлажных воздушных масс неизбежно отражаются на количестве и сезонномраспределении атмосферных осадков, а следовательно, на стоке воды рек исуммарных водных ресурсах, так как в естественных условиях ежегодноеформирование водных ресурсов определяется разностью основных элементов водногобаланса — суммы осадков и испарения с водосборов рек.
Глобальноепотепление с начала XX столетия к настоящему времени составило около 0,5? С, алокальные изменения количества атмосферных осадков достигают существенныхвеличин. На рис. 1 и 2 приведены заимствованные из работы [3] графики измененийглобальной средней годовой приземной температуры воздуха и среднего годовогоколичества атмосферных осадков над континентами внетропической части северногополушария. Данные рис. 2 свидетельствуют о различиях в изменении количестваосадков даже в целом на континентах. Очевидно, в последующие 50 лет климатЗемли будет эволюционировать под влиянием непрерывных естественных вариаций всочетании с постоянно сохраняющейся тенденцией к потеплению вследствиенакопления в атмосфере парниковых газов. Эта тенденция к потеплению замедляетсяиз-за термической инерции океанов, но она будет сохраняться еще длительноевремя после того, как состав атмосферы стабилизируется. Независимо от того,насколько решительными окажутся действия, предпринимаемые для контроляизменения концентрации в атмосфере газов, вызывающих парниковый эффект,некоторое глобальное потепление в следующем столетии, по-видимому, неизбежно.Поэтому климатические изменения водных ресурсов за последнее столетие и вбудущем интересуют водохозяйственные и другие организации.6 Методика статистических исследований
Оценкапоследствий влияния изменений климата на водные ресурсы основывается надетерминистическом моделировании изменения составляющих водного баланса икомплексном статистическом анализе данных многолетних (не менее 30 лет)непрерывных наблюдений за стоком воды рек. С использованием, созданного приучастии автора банка гидрологических данных по пунктам наиболее продолжительныхгидрологических наблюдений (150 — 60 лет) на реках земного шара, сток которыхне искажен непосредственной хозяйственной деятельностью, произведен комплексныйстатистический анализ величин среднего месячного и годового стока воды [4, 5].Основными показателями изменения стока под влиянием климата или хозяйственнойдеятельности являются нарушения стационарности рядов данных наблюдений — существенные изменения (переломы) в направленности изменений, наличиеустойчивых трендов — односторонних отклонений величин от среднего их значения.
Для оценкипространственных закономерностей направленности и интенсивности изменений стокаиспользованы результаты расчетов только за 35-летний (1951 — 1985 годы) периоднаблюдений по несколько упрощенной методике [6], которая основывается наспециальном испытании на тренд. Выделение тренда и его анализ осуществленыметодом наименьших квадратов. Необходимые для анализа статистические параметрыполучены после предварительного функционального сглаживания временных рядов.7 Результаты комплексного анализа изменений стока
Комплексныйстатистический анализ позволил установить, что в различныхширотно-климатических условиях континентов Евразии, Америки, Африки, Австралиив XX столетии отмечаются изменения стока рек. В некоторых районах климатическиеизменения стока в определенные периоды были настолько велики, что отмеченынарушения стационарности рядов. Так, на реках северо-западной части территорииРоссии, Северной Украины и стран Прибалтики существенные изменения водности рекв сторону уменьшения произошли в 30-е годы, а в северо-восточных районахевропейской территории России (бассейн р. Камы) в сторону увеличения — в 60-егоды (табл. 1). На азиатской части территории России в бассейне р. Амура в 60-егоды произошло нарушение стационарности рядов вследствие существенныхотрицательных изменений, а на реках Сибири и остальной части Дальнего Востока,хотя и отмечались изменения, они не привели к нарушению стационарности рядов.На реках Средней Азии, где учет изменений водных ресурсов имеет особенно важноезначение, наибольшие изменения в сторону уменьшения стока отмечены в 60-е годы.На реках Западной и Центральной Европы переломы направленности в сторонуотрицательных изменений наблюдались в конце прошлого столетия, а в 80-х годахXX века — в сторону положительных изменений. Переломы в рядах наблюдений застоком на реках Северной Америки и Западной Африки приходятся на начало 70-хгодов, а в Австралии — на конец 60-х годов. При этом направленность измененийво второй половине XX столетия была неодинакова. Например, в стоке рекАтлантического побережья Северной Америки отмечаются положительные тенденции,во внутриконтинентальных районах нет изменений, а на Тихоокеанском побережьепреобладают отрицательные тренды. В стоке рек субэкваториальной зоны Австралииотмечены положительные тенденции, а в юго-восточной оконечности острова — отрицательные.8 Направленность изменений годового и сезонного стока
Болеедетальное изучение направленности изменений стока по данным наблюдений почти на450 реках за 1951 — 1985 годы позволило оценить причины и территориальныезакономерности их пространственного распределения. Наиболее подробныеисследования проведены на территории Евразии. Изменения стока воды рек Западнойи Центральной Европы во второй половине XX столетия характеризуются преобладаниемположительных тенденций, вероятность которых возрастает с запада на восток и сюга на север. Исключение составляют реки Альпийского региона, где отмечаютсяотрицательные тенденции или изменения несущественны. В стоке рек ВосточныхКарпат, на территории Польши, Румынии, Украины, наоборот, отмечается повышеннаявероятность положительных изменений среднего годового, весеннего и летнегостока.
Наевропейской территории России в стоке большинства рек бассейнов Волги (кромеКамы и ее притоков), Дона, Днепра отсутствуют значимые изменения среднегогодового стока. Но сток в период весеннего половодья уменьшается, а влетне-осенний и зимний периоды увеличивается. На реках бассейна р. Камы идругих реках, стекающих с западных склонов Северного Урала, отмечаютсяположительные изменения стока, а на реках Среднего и Нижнего Поволжья изменениясреднего годового и сезонного стока несущественны, с некоторым увеличением взимние месяцы. На реках севера европейской части России наблюдается уменьшениестока в многоводный период весеннего половодья и его увеличение в зимниемесяцы. На рис. 3 показан многолетний ход среднего годового стока на рекахВолга (в верхнем течении), Северная Двина и Большой Нарын (Средняя Азия).
На рекахСибири в пределах 50 — 60? с. ш. отмечаются положительные изменения среднегогодового стока и многоводного весеннего периода, что свидетельствует обувеличении количества осадков в зимние месяцы. К северу от 60? с. ш. и южнее40? с. ш. изменения стока или несущественны, или отрицательны. На реках ДальнегоВостока, формирующих сток в условиях муссонного климата, отмечается егоувеличение в зимний и весенний периоды, но уменьшение в многоводные летниепериоды.
Длявыяснения причин изменений стока воды во второй половине XX столетияпроизведены испытания на тренд сумм средних годовых и сезонных атмосферныхосадков по 150 метеостанциям на территории СНГ. Анализ результатовсвидетельствует о том, что в годовых и зимних суммах осадков на большей частитерритории в пределах 50 — 60? с. ш. наблюдались положительные изменения, кромесеверо-западной части территории. А севернее и южнее изменения либонесущественны, либо отрицательны (в Казахстане, Средней Азии, Приморье,Прибалтике). Учитывая то обстоятельство, что для большинства рекрассматриваемой территории основным источником формирования стока являютсянакапливаемые за зиму осадки в виде снежного покрова, вполне можно объяснить,почему положительные изменения стока воды приходятся на территорию в пределах50 — 60? с. ш., а отрицательные наблюдаются на юге Дальнего Востока,северо-западе европейской территории СНГ и в Средней Азии, где количествогодовых и сезонных осадков во второй половине столетия имело тенденциюуменьшения.
Заключение
/>Проблема обеспечения питьевой водой растущего народонаселения ипредупреждения о катастрофических наводнениях и паводках становится одной изнаиболее важных не только для гидрологической науки. Глобальное потеплениеклимата Земли и увеличивающаяся антропогенная нагрузка на водные объектыусложняют разработку систем водоснабжения и гидрологических прогнозов изменениявозобновляющихся водных ресурсов — речного стока воды. По мере развитияхозяйственной деятельности возрастает зависимость водных ресурсов от измененийклимата. Результаты комплексного статистического анализа данных наблюдений застоком воды рек разных континентов земного шара свидетельствуют о наличиинаправленных изменений стока в XX столетии, которые в отдельных районахнастолько существенны, что поддаются количественным оценкам и прогнозам.Направленность этих изменений зависит в основном от широтного перераспределениягодовых и сезонных сумм осадков. Наблюдающееся в некоторых районах Россииувеличение количества атмосферных осадков и повышение температуры воздуха в холодныйи переходные периоды года благоприятно отражаются на стоке воды рек. Но в рядерайонов (северо-запад и юг России, Казахстан, Средняя Азия,внутриконтинентальные районы Америки), наоборот, наметилась тенденция куменьшению количества ежегодно возобновляющихся водных ресурсов.
Продолжающеесяувеличение забора воды из рек и пресноводных водоемов, загрязнение водныхобъектов усиливают опасность водного кризиса в районах неблагоприятныхизменений стока рек. Для предотвращения водного кризиса кроме усиления административныхмер по охране природных ресурсов необходима организация широкогогеоэкологического образования населения, особенно молодежи. Это будетспособствовать целостности восприятия изменений в ландшафтной оболочке Земли,необходимости сохранения от разрушения природных связей между ее компонентами:атмосферой, гидросферой, литосферой и биосферой.