CC BY
51
Раздел 2 ЭКОЛОГИЯ
Ведущие эксперты раздела:
ДМИТРИЙ МИХАЙЛОВИЧ БЕЗМАТЕРНЫХ - кандидат биологических наук, доцент, ученый секретарь Учреждения Российской академии наук Института водных и экологических проблем Сибирского отделения РАН, ответственный за электронную версию журнала и работу с Российским индексом научного цитирования -http://elibrary.ru/ (г. Барнаул)
АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ ШИТОВ - кандидат геолого-минералогических наук, доцент Горно-Алтайского государственного университета (г. Горно-Алтайск)
УДК 528.94+556.512
Г.В. Белоненко, д-р геогр. наук, проф. Университета путей сообщения, г. Новосибирск; И.Н. Ротанова, канд. геогр. наук, доц., в.н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул; Ю.М. Цимбалей, канд. геогр. наук, в.н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул;
И.В. Андреева, канд. геогр. наук, с.н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул; В.Г. Ведухина, канд. геогр. наук, н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул, E-mail: iwep@iwep.asu.ru
КАРТОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ВЛАГООБОРОТА В БАССЕЙНЕ ОБИ
В статье представлены результаты комплексного применения системы уравнений связи водного и теплоэнергетического балансов речного бассейна и методов геоинформационного картографирования для анализа пространственно-временного распределения элементов влагооборота в условиях недостаточности данных гидрометеонаблюдений. Построены поля гидрометрического стока, что позволяет определять путем интерполяций значения стока для малоизученных бассейнов.
Ключевые слова: влагооборот, элементы водного баланса, речной бассейн, картографический анализ.
Изучению вопросов формирования водных ресурсов и, в частности, аспектам тепловлагообеспеченности территорий посвящено значительное количество российских и зарубежных исследований. В них рассматриваются различные методы климато-гидрологических расчетов, общие и региональные закономерности формирования стока, характеристики хозяйственного использования водных ресурсов. Однако, актуальность получения достоверных представлений о пространственно-временном распределении элементов влагооборота не снижается. Среди уязвимых сторон исследований, обобщенных в виде монографий или представленных в виде статей в ведомственных сборниках научных трудов, можно отметить недостаточное подтверждение выявленных закономерностей фактическими данными в связи с отсутствием длиннорядных массивов режимных наблюдений гидрометеоэлементов и недостаточным использованием обобщенных геолого-геомор-фологических параметров территории [1]. Эти проблемы, несмотря на ряд успешных работ [2; 3; 4], не решены и для территории Западной Сибири.
При учете ресурсов вод суши основным является метод водного баланса, позволяющий количественно описать и проанализировать круговорот воды и его отдельные звенья, а также оценить непрерывно возобновляемые ресурсы пресных вод. В условиях недостаточной гидрометеорологической, тепло- и воднобалансовой изученности Западной Сибири количественная оценка элементов влаго- и теплообмена в системе «атмосфера-подстилающая поверхность» может быть реализована на основе комплексного применения системы уравнений связи водного и теплоэнергетического балансов участка суши или речного бассейна [5] и методов геоинформационно-картографического анализа с привлечением стандартной гидрометеорологической информации Росгидромета, а также материалов, характеризующих особенности строения земной поверхности.
Основные преимущества совместного рассмотрения уравнений водного и теплоэнергетического баланса связаны с
возможностью контроля расходных элементов влаго- и тепло-оборота фактическими ресурсами тепла и влаги. При этом интенсивность и направление гидрофизических процессов рассматриваются как ведущий компонент глобальных физикогеографических условий в ландшафтной сфере, контролируемый ресурсами влаги и тепла и их соотношением [6].
Общий вид теоретических кривых связи относительных (в долях водного эквивалента теплоэнергетических ресурсов климата 7К) величин общего увлажнения (ресурсов влаги Н) и элементов влагооборота (испарение - 7, сток -У,
коэффициент стока) при разных условиях формирования стока (параметр п) представлен на рис. 1.
Применимость уравнений связи была проверена для водных балансов 71 речного бассейна Западной Сибири.
В отличие от известных уравнений связи [7; 8], авторская система уравнений связи позволяет раскрыть структуру вла-гооборота участка суши большего числа расходных балансовых компонентов при учете переменных в пространстве и времени свойств деятельной поверхности.
Приводимые на рис. 1 теоретические кривые являются аналитическим оформлением глобальных закономерностей гидрофизических процессов в любых природно-климатических условиях и за любой интервал времени, когда:
• при возрастании относительных величин увлажнения каждая из относительных величин расходных элементов влагооборота также возрастает;
• ни одна из расходных статей влагооборота не может превышать увлажнения деятельной поверхности;
• верхний предел суммарного испарения ограничивается либо ресурсами влаги, либо ресурсами тепла;
• при одинаковом увлажнении значения стоковых характеристик определяются особенностями строения деятельной поверхности.
менного распределения ресурсов влаги и тепла на изучаемой территории. В совокупности это позволило выполнить массовые (по 175 пунктам) расчеты коэффициентов увлажнения Кн. Значения Кн закономерно возрастают с юга на север от 0,416 в степной зоне до 1,35 и более - в тундровой. Положение изолинии Кн = 1,0 совпадает с северной границей южно-таежной зоны Западной Сибири и делит исследуемую территорию на зону избыточного (средняя тайга - тундра) и недостаточного (южная тайга - степь) увлажнения в средний год.
Представляется очевидным, что коэффициент увлажнения Кн характеризует не только меру соответствия фактических условий увлажнения оптимальным, но также и (при прочих равных условиях, например, шероховатости, уклоне земной поверхности и т.п.) условия формирования стока на участке суши.
Замкнутая система уравнений связи водного и теплоэнергетического балансов, сформированная база данных о ресурсах влаги и тепла, а также разработанная методика оценки расчетных параметров сделали возможными выполнение воднобалансовых расчетов участка суши и речных бассейнов и исследование структуры влагооборота.
Подобные расчеты выполнены для 42 речных бассейнов притоков Оби. Достоверность выполненных расчетов оценивалась сравнением рассчитанных и измеренных значений стока речных бассейнов.
Выполненные воднобалансовые расчеты позволили не только сформировать современную базу данных элементов влагооборота, но и создали предпосылки для установления как локальных (речные бассейны), так и зональных особенностей формирования структуры влагооборота в разных природно-климатических зонах исследуемой территории.
При этом исследование структуры влагооборота выполнено с использованием относительных (в долях ресурсов вла-
ги Н) величин водного баланса: у =
У
коэффициент ис-
парения (Ъ); П = — - коэффициент суммарного (У) стока;
И
У
У
1 2
— - коэффициент поверхностного У! стока; Т)2 = —
н н
- коэффициент подземного (У2) (устойчивого речного) стока;
У
коэффициент питания подземного (У2) стока;
- коэффициент почвенно-грунтового питания (Е-
Рис. 1. Теоретические кривые связи относительного увлажнения (Н7к), суммарного испарения (7/7к), годового стока (У/7к) и коэффициента стока при разных значениях параметра п: 1 - п = 1; 2 - п = 2; 3 - п = 3
Исходя из того, что интегральной количественной характеристикой влияния климатического звена на формирование элементов влагооборота за любой временной интервал является соотношение ресурсов влаги и тепла, а именно мера соответствия фактических ресурсов влаги (Н) оптимально потребным (Нор4), из всего комплекса абсолютных и относительных характеристик увлажнения и теплообеспеченности (Мезенцев и др., 1957, Белоненко и др., 1985) в качестве количественной характеристики соответствия фактических условий увлажнения оптимально потребным принят и рассмотрен коэффициент увлажнения по суммарному увлажнению Кн = НУНор4. Оптимальному увлажнению соответствуют значения Кн =1,0, недостаточному - Кн < 1,0 и избыточному - Кн >1,0.
Исследование условий увлажнения и теплообеспеченно-сти Западной Сибири потребовало сформировать достаточную по объему и достоверную по качеству базу данных о ресурсах влаги и тепла, разработать частные методики их оценки, позволяющие раскрыть особенности пространственного и вре-
1 2 н
валовое увлажнение).
Территориальное распределение и величина коэффициентов испарения и стока являются следствием интегрального взаимодействия и трансформации ресурсов влаги и тепла в процессе теплообмена в системе деятельная поверхность -приземный слой атмосферы.
Численные значения коэффициентов испарения и стока во всех природных зонах закономерно определяются мерой соответствия ресурсов влаги их оптимальному значению. Так, при уменьшении ресурсов тепла и возрастании ресурсов влаги с юга на север значения коэффициентов испарения уменьшаются, а величина суммарного испарения лимитируется в этом случае ресурсами тепла. Наоборот, при возрастании ресурсов влаги и соответственно уменьшении ресурсов тепла коэффициенты стока повсеместно возрастают.
Оптимальным условиям увлажнения (Кн = 1,0) соответствуют значения, близкие к у = 0,7 и п = 0,3. При Кн = 1,3 у = П = 0,5 и ресурсы влаги поровну расходуются на суммарное испарении и сток, что при современном представлении о ресурсах тепла и влаги соответствует на территории Западной Сибири тундровой зоне.
Расчеты и анализ показали также, что и структура почвенно-грунтового компонента влагооборота участка суши и
речных бассейнов зависит от уровня увлажнения деятельной поверхности.
Так, при недостаточном увлажнении деятельной поверхности (Кн <1) почвенно-грунтовая компонента влагооборота (валовое увлажнение) составляет не менее 77% суммарных ресурсов влаги, из которой на питание подземных вод расходуется не более 10%. При возрастании увлажнения (Кн >1.0) доля валового увлажнения в суммарных ресурсах влаги (Г/И) закономерно уменьшается из-за более интенсивного, чем инфильтрация, возрастания поверхностного стока.
Оценка временной изменчивости элементов влагооборота выполнялась на основе данных Росгидромета и результатов собственных воднобалансовых расчетов Г.В. Белоненко за конкретные годы. В частности установлено, что амплитуда колебаний годовых сумм испарения в разных природных зонах изменяется в значительных пределах, а отличия экстремальных значений испарения от их средних годовых сумм составляют от 100 до 160 мм/год. При этом, в зоне избыточного увлажнения коэффициенты вариации испарения возрастают с юга на север от 0,14 до 0,17 и определяются временной изменчивостью ресурсов тепла в этой зоне. В зоне недостаточного увлажнения значения коэффициентов вариации суммарного испарения максимальны в степной зоне - более 0,180 и определяются, главным образом, изменчивостью ресурсов влаги.
Следовательно, пространственная и временная изменчивость элементов влагооборота в Западной Сибири повсеместно определяются преимущественно климатическим звеном физико-географических условий, а именно мерой соответствия фактических ресурсов влаги и тепла их оптимально потребным величинам в той или иной природной зоне.
В продолжение исследований выполнено картографическое моделирование пространственно-временного распределения элементов влагооборота в бассейнах притоков первого порядка р. Оби. Исходными данными при оценке ресурсов
влаги являлись результаты многолетних наблюдений Росгидромета по 238 метеостанциям Западной Сибири, опубликованные в Справочниках по климату СССР и в Научно-прикладных справочниках по климату СССР (выпуски 9, 17 и 20). Расхождения, обнаруженные в справочниках и связанные с ветровым недоучетом атмосферных осадков осадкомерными приборами, откорректированы соответствующими коэффициентами.
Определены интервалы шкал показателей водного баланса для наиболее информативного отражения на картах различий значений в бассейнах рек: для общего атмосферного увлажнения (КХ) и испарения (7) - 20 мм, для среднего многолетнего стока (У) - 30 мм. Полученное внутрибассейновое распределение водно-балансовых показателей для притоков первого порядка позволило определить амплитуды колебаний показателей в их бассейнах и путем интерполяции ориентировочно оценить значения в малоизученных бассейнах. Выявлены и проанализированы особенности распределения показателей водного баланса в бассейнах притоков Оби и на физикогеографическом провинциальном уровне.
Ландшафтно-картографический анализ распределения элементов влагооборота проведен по 86 речным бассейнам Западной Сибири, большая часть из которых расположена в таежной, лесотундровой и тундровой зонах, где сеть метеостанций разрежена, а территория мало изучена. Максимальный временной ряд метеоданных на большинстве метеостанций ограничивается 50-ю годами.
Преимущественно равнинный характер рельефа Западной Сибири обусловливает выраженное широтное распределение годовых сумм атмосферных осадков, составляющих 310-320 мм/год в южных степных районах Алтайского края, возрастая до 650-680 мм/год на южных склонах Сибирских увалов и уменьшаясь до 510-550 мм/год - в лесотундровой и тундровой зонах (рис. 2, 3).
800 700 600 Ч 500
I—
I 400 * 300 200 100 0
сл СП СП сл сл сл сл сл О) О) О) О) О) О)
—1 со со -£>■ сл сл 00 со о —1 со сл О) -ч
-£>■ О) Чі сл "го сл го "—1. сл -£>■ со О) О) Чі
ГО СЮ сл сл сл со со -ч сю сю со
М 00 СЛ СЛ СЛ ... 0> 0> ->1
Широта, град
Рис. 2. Изменение годовых сумм осадков КХ по широте
676 685
ЯЯ7 64с ь6*
495 531 64С 64 С 531
377 44а
31С оич
Условные обозначения
Границы бассейнов притоков Оби и Иртыша 11 1 Главные реки
-----Основные притоки
Распределение общего атмосферного увлажнения КХ в средний год, мм (исправленное на недоучёт осадкомерными приборами)
менее 330
330 360
360 390
390 420
420 450
450 480
480 510
510 540
540 570
570 600
600 630
630 660
660 690
690 720
о гч I*- 750
750 780
780 810
810 840
840 870
0 90
Рис. 3. Распределение общего атмосферного увлажнения КХ в средний год, мм
Также можно отметить, что южнее 59° с. ш. в междуречье Оби и Иртыша годовые суммы КХ зависят от высоты местности. При этом плювиометрические градиенты КХ изменяются от 26 до 42 мм/100м высоты.
Общее представление о временной изменчивости годовых сумм атмосферных осадков на исследуемой территории получено с помощью интегрально-разностных кривых, составленных для метеостанций с длинными рядами наблюдений.
Внутригодовое распределение КХ на всей исследуемой территории в целом достаточно однообразно. Максимум месячных сумм осадков практически повсеместно приходится на июль, минимум - на февраль.
Влияние строения деятельной поверхности участка суши или речного бассейна на величину и территориальное распределение осадков наиболее заметно в зимний период, что подтверждает величина запасов воды в снежном покрове в поле и в лесу. Анализ материалов наблюдений Росгидромета показал, что средние из максимальных запасов воды в снеге в лесу в среднем в 1,5 раза выше таковых на открытых территориях. При этом выражен и зональный характер.
Указанные различия связаны с ветровым переносом снега. При сформировавшемся на территории Западной Сибири ветровом режиме наибольшие значения коэффициента трансформации снежного покрова на открытых участках характерны степным и лесостепным районам, а также тундровой и лесотундровой зонам.
Таким образом, величина и пространственно-временные особенности формирования ресурсов влаги на изучаемой территории определяются, главным образом, внутриконтинен-тальным положением региона и равнинным характером его рельефа. В целом на исследуемой территории происходит возрастание годовых сумм осадков с юга на север и с запада на восток соответственно на 14,1 и 3,8 мм/год/град.
Анализ различий условий и особенностей формирования стока в бассейнах (условия увлажнения, высота местности и уклон речного бассейна), расположенных в разных природноклиматических условиях, показал, что преимущественно равнинный характер поверхности речных бассейнов не позволяет найти сколько-нибудь надежные связи увлажнения c высотой и уклоном (рис. 4).
Условные обозначения
Границы бассейнов притоков Оби и Иртыша ----- Главные реки
----- Основные притоки
Распределение среднего
многолетнего стока, мм
менее 20 260 - 280 м 520 - 540
20-40 ■1 280 - 300 Ні 540 - 560
40-60 1 1 300 - 320 560 - 580
60-80 из 320 - 340 580 - 600
80-100 ян 340 - 360 600 - 620
100-120 1 1 360 - 380 620 - 640
120 - 140 'і 380 - 400 640 - 660
140 - 160 і 400 - 420 Ні 660 - 680
160 - 180 в 420 - 440 Ні 680 - 700
180 - 200 1 1 440 - 460 700 - 720
200 - 220 460 - 480 ні 720 - 740
220 - 240 шт 480 - 500 н 740 - 760
240 - 260 шш 500 - 520
90 0 90 180 Км
Рис. 4. Распределение среднего многолетнего стока, мм
Для горных речных бассейнов сопредельных территорий (Урал, Кузнецкий Алатау, Алтай) влияние особенностей строения речного бассейна на формирование стока более очевидно. Для группы избыточно увлажненных бассейнов установлена тенденция уменьшения параметра с высотой. Генетически это связано, вероятно, с большим увлажнением бассейна при меньших потерях влаги на начальной стадии формирования стока.
Достоверность полученных результатов оценивалась сравнением рассчитанных и измеренных значений стока речных бассейнов.
Результаты анализа распределения элементов влагообо-рота по речным бассейнам создали предпосылки как для установления локальных (речные бассейны), так и зональных особенностей формирования структуры влагооборота в разных природно-климатических зонах исследуемой территории.
Обусловленность структуры влагооборота преимущественно климатическим звеном подтверждается также и рассмотрением относительных величин влагооборота на речных водосборах, расположенных в разных природно-климатических зонах. В частности, в избыточно увлажненных речных бассейнах, расположенных в таежной и лесотундровой зонах, коэффициенты стока существенно выше, а коэффициенты
испарения соответственно меньше. Наоборот, в речных бассейнах, расположенных в зоне недостаточного увлажнения, коэффициенты испарения существенно выше и максимальны на водосборах степной зоны (р. Кулунда).
Воднобалансовые расчеты за конкретные годы и последующий анализ показали, как было отмечено выше, что разброс экстремальных значений испарения от их средних годовых сумм составляет от 100 до 160 мм/год.
Таким образом, временная изменчивость годовых сумм суммарного испарения минимальна в зоне достаточного увлажнения и максимальна в зонах как весьма избыточного, так и весьма недостаточного увлажнения.
Таким образом, наличие стандартной гидрометеорологической информации и электронных слоев (гидрологическая сеть и бассейны рек, физико-географическое районирование и ландшафты) среднемасштабных карт, расчетных параметров, а также частных методик воднобалансовых расчетов делают возможным выполнение водноресурсных расчетов для участка суши и речных бассейнов. Подобные расчеты и последующий анализ их результатов позволили выявить закономерности и особенности формирования структуры влагообо-рота и водных ресурсов на территории Западной Сибири.
Библиографический список
1. Ясинский, С.В. Формирование гидрологического режима водосборов малых равнинных рек: автореф. дис. ... д-ра. геогр. наук. - М, 2009.
2. Бикбулатова, Г.Г. Расчеты стока на территории Омской области // Омский научный вестник. - 2006. - № 2 (35).
3. Возобновляемые ресурсы тепловлагообеспеченности Западно-Сибирской равнины и динамика их характеристик / И.В. Карнацевич, О.В. Мезенцева, Ж. А. Тусупбеков, Г.Г. Бикбулатова. - Омск: Изд-во ФГОУ ВПО ОмГАУ, 2007.
4. Мезенцева, О. В. главные гидрологические рубежи и зона оптимального увлажнения Евразии /О. В. Мезенцева // Вестник Тюменского гос. унта. - 2009. - № 3.
5. Белоненко, Г.В. Воднобалансовые расчеты неизученных бассейнов малых рек. - Омск: Изд-во ОмСХИ, 1985.
6. Григорьев, А. А. Закономерности строения и развития географической среды. - М.: Мысль, 1966.
7. Будыко, М.И. Испарение в естественных условиях. - Л.: Гидрометеоиздат, 1948.
8. Мезенцев, В.С. Метод гидролого-климатических расчетов и опыт его применения для районирования Западно-Сибирской равнины по признакам увлажнения и теплообеспеченности // Тр. Омск. с-х. ин-та. - 1957. - Т. 27.
Работа поступила в редакцию 10.02.10
