CC BY
17
УДК 502/504 : 556.3 : 556.18 : 338.26
З. К. ИОФИН
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Вологодский государственный технический университет»
ГИДРОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ
Рассматриваются вопросы точности соотношения количественной оценки водных ресурсов и удовлетворения в них потребностей различных отраслей экономики.
Водный баланс, впитывание, инфильтрация, суммарное испарение, линейно-корреляционная модель водного баланса, генетический тип почв, механический состав почв.
There are questions under consideration concerning the accuracy of correlation of the quantitative assessment of water resources and meeting their needs of different branches of the economy.
Water balance, absorption, infiltration, evapotranspiration, linearly-correlation model of water balance, genetic type of soils, mechanical structure of soils.
По мере развития человеческого общества потребности людей постоянно усложняются. Одни потребности отмирают, на их место приходят другие, но в целом круг потребностей постоянно растет. Потребности растут как в количественном, так и в качественном отношении, т. е. в обществе действует закон возвышения потребностей. Природные ресурсы - пахот -ные и другие земли, леса, полезные ископаемые, вода, которые используются в производстве, часто называют факторами производства.
Рассмотрим один из аспектов, относящихся к факторам производства - водным ресурсам. Отношение к водным ресурсам в мировой гидрологии изменяется в сторону наиболее оптимального использования. Проблемой обеспечения водой озабочено все мировое сообщество. В частности, ООН предпринимает значительные усилия, призывая к экономному использованию водных ресурсов. Эта организация с ее структурой обеспокоена недостатком и отсутствием водных ресурсов на сравнительно большой части земного шара.
Очевидно, что при недостаточности или отсутствии водных ресурсов не может существовать и развиваться ни одна из отраслей экономики любой страны. Все возрастающие объемы водопотребления, связанные с наращиванием промышленного производства в мире, а также с увеличением численности населения, требуют все большего количества водных ресурсов. Несмотря на то что водные ресурсы ежегодно возобновляются, принципиально их
количество ограничено. В условиях большого, но имеющего предел количества воды возникает необходимость оценить количество водных ресурсов и оптимальный режим их использования. На протяжении веков оценка водных ресурсов выполнялась и выполняется в настоящее время по уравнению водного баланса в такой его интерпретации: Р = У + Е , (1)
где Р - атмосферные осадки, выпадающие на поверхность водосбора реки; У - сток рек; Е - эвапо-транспирация с поверхности водосбора реки.
Классики гидрологической науки, в частности М. А. Великанов [1], А. Н. Бе-фани утверждают, что уравнение водного баланса должно содержать как минимум еще один элемент [1, 2]: Р = У + Е + и , (2)
где и - инфильтрация атмосферных осадков в подземные воды.
Однако, не имея возможности определять в массовом количестве величину инфильтрации и , на практике ограничивались использованием уравнения (1) для многолетнего периода. В литературе автор не встретил работ по оценке точности вычисления членов уравнения водного баланса по уравнению (1).
Между тем открывается довольно неприглядная картина с точностью вычисления отдельных параметров по уравнению (1). Если определять из этого уравнения, например, суммарное испарение (эвапотран-спирацию), то, сообразуясь с теоретическими представлениями и уравнением (2), мы будем получать не суммарное испарение Е ,
(62
№ 4' 2012
а величину Е + и . Аналогично при определении слоя стока У будем получать У + и . Таким образом, точность определения параметров уравнения водного баланса с использованием уравнения (1) будет зависеть от величины инфильтрации в подземные воды (принимается во внимание то, что все остальные этапы вычисления выполняются с удовлетворительной точностью).
Правда, точность расчетов водного баланса во многом определяется характером почвенного покрова территории, для которой устанавливается водный баланс. Дело в том, что почвенный покров является своего рода регулятором и перераспределителем влаги между поверхностным стоком, впитывающей способностью почвогрунтов и инфильтрацией. Последовательность работы этого регулятора определяется как генетическим типом почв, так и его механическим составом. На процесс впитывания, в значительной мере зависящий от почвенно-грунтовых условий, заметное влияние оказывает порозность верхних горизонтов почв. Порозность, в свою очередь, обусловлена механическим составом, структурой почв и возможностью наличия крупных фракций грунта.
Таким образом, определение слоя стока или слоя суммарного испарения с поверхности водосбора в конечном итоге определяется типом почв и его механическим составом. Этим же фактором, кроме увлажнения территории, т. е. атмосферных осадков, будет еще определяться и величина инфильтрации.
Абсолютная величина инфильтрации определена автором по линейно-корреляционной модели, основные положения которой изложены в [3] (в данной работе содержание модели не приводится из-за ее сравнительно большого объема).
Для оценки точности вычисления членов уравнения водного баланса (1) использованы данные наблюдений четырех водно-балансовых станций, состав наблюдений и качество наблюдений которых позволяет сопоставить данные наблюдений и вычисленные значения по уравнению (1) (таблица).
Выполненные расчеты достаточно информативны. Обращает на себя внимание ошибка вычисления суммарного испарения: во всех случаях она меньше ошибки вычисления стока. Если ошибка вычисления суммарного испарения изменяется в диапазоне от 21 до 50 %, то ошибки вычисления стока - от 49 до 262 %. Это обстоятельство может быть объяснено большими,
чем слой стока, абсолютными значениями суммарного испарения. Поэтому при одной и той же разности измеренных и вычисленных величин слоя стока и слоя суммарного испарения, но при абсолютной величине и больших значениях суммарного испарения, чем стока, ошибка будет меньше при больших абсолютных значениях. Кроме этого, при определении как слоя стока, так и слоя суммарного испарения в их абсолютных значениях присутствует величина слоя инфильтрации в подземные воды. Совершенно очевидно, что, согласно уравнению (2), ошибки в вычислении связаны с включенным как в суммарное испарение, так и в слой стока слоем инфильтрации. Поэтому переход от частных случаев определения ошибок вычисления водно-балансовых составляющих при использовании данных наблюдений водно-балансовых станций к общим подходам можно осуществить при помощи графиков связи ошибки вычисления с абсолютным значением слоя инфильтрации (рис. 1 и 2). %
250 г
250 300 U, мм
Рис. 1. Зависимость величины ошибки вычисления испарения по трехчленному уравнению водного баланса от инфильтрации: у = 8,339е00121; Д = 0,9
0 50 100 150 200 250 300
U, мм
Рис. 2. Зависимость величины ошибки вычисления стока по трехчленному уравнению водного баланса от инфильтрации: у = 16,71е0<№; R = 0,64
№ 4' 2012
и
Данные по сопоставлению измеренных и вычисленных значений водно-балансовых элементов
Вычислен- -а -р
я ные значе-
Река - створ F, км2 Период наблюдени о о о ния по трехчленному уравнению водного баланса Инфильт ция Ошибка, %
У выч. Е выч. и
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Подмосковная ВБС
Медвенка - Лапино 10 63 179 674 495
Медвенка - выше устья реки Закзы 21,5 63 193 674 481
Медвенка - ниже устья реки Закзы 40 63 213 674 461
Лог Лызлово 1,76 63 73 674 340 284 601 147 50
Лог Кулибин 0,44 50 42 573 531
Ручей Прогоны 0,8 63 92 573 481
Лог Полевой 0,11 62 94 573 479
Лог Лесной 0,066 50 33 573 540
Среднее значение по станции 115 624 340 284 509 147 50
Приморская ВБС
Река Комаровка - Комаровкий 60,3 38 322 796 331 465 474 44 43
Река Комаровка - Центральный 157 38 300 745 331 414 445 38 34
Река Комаровка - Садовый 395 47 265 726 331 395 461 49 39
Река Комаровка - Сахарный завод 616 47 242 595 331 264 353 9 7
Река Комаровская - Падь-Егерьский 24 38 357 775 331 444 418 24 26
Река Волха - Верхний 17,6 38 412 775 331 444 363 8 10
Река Волха - Нижний 69,5 38 365 775 331 444 410 22 24
Река Учхозный Ключ - Дальний 36,2 38 434 775 331 444 341 2 3
Река Семеновская Падь - Доковский 5,64 38 304 778 331 447 474 47 43
Река Барсуковка - Лесничий 36,8 38 250 741 331 410 491 64 48
Река Ключ Студеный - Пионерский 2,44 38 163 664 331 333 501 104 51
Река Глуховка - Мостовой 31,1 47 117 636 450 186 519 59 15
Лог Луговой - Луговой 0,28 43 181 648 450 198 467 9 4
Река Раковка - Боголюбовский 126 38 109 648 455 193 539 77 18
Река Раковка - Раковский 198 47 164 627 455 172 463 5 2
Река Раковка - Опытный 755 47 108 610 455 155 502 44 10
Река Каменка - Каменский 31,2 47 298 775 455 320 477 7 5
Река Михайловка - Михайловский 123 38 72 562 455 107 490 49 8
Река Бакарьевка - Дубинский 47,5 47 56 598 455 143 542 155 19
Река Репьевка - Воздвиженский 154 38 43 570 455 115 527 167 16
Среднее значение по станции 228 691 386 305 463 49 21
Нижнедевицкая ВБС
Река Девица 76 40 118 504 138 386 282 17 5
Река Девица - Товарня 103 40 138 504 138 366 258 0 0
Лог Барсук 10,7 40 44 522 156 478 85 255 31
Лог Круглый 0,83 40 36 606 240 570 105 567 56
Лог Медвежий 2,55 40 35 600 366 234 565 114 569 54
Лог Ивкин 0,5 40 37 607 241 570 93 551 56
Ручей Ясенок 21,7 40 107 585 219 478 295 105 31
Лог Барский 3,16 40 45 582 216 537 97 380 47
Лог Татьянин 0,18 40 88 504 138 416 138 57 14
Лог Малютка 0,05 40 65 527 161 462 68 148 26
Лог Вершинин 0,45 40 65 585 219 520 79 237 42
Среднее значение по станции 71 557 366 191 486 147 262 33
Валдайский филиал Государственного гидрологического института
Река Лонница - Мосолино 48 61 300 752 416 452 23 39 35
Река Соснинка - Киты 101 61 394 706 370 312 78 6 7
Река Полометь - Лычково 2 180 61 292 706 370 414 173 27 23
Река Полометь - Ермошкино 1 179 61 326 706 370 380 125 13 13
Река Полометь - Соменка 776 61 327 706 370 379 144 13 13
Река Полометь - Яжелбицы 631 61 343 706 370 363 122 8 8
Река Полометь - Дворец 432 61 324 709 336 373 385 136 15 15
Река Соминка - Дворец 34 61 321 752 416 431 63 30 28
Ручей Архиерейский 2,67 55 347 778 442 431 222 27 28
Лог Сосновый 0,093 55 164 771 435 607 113 165 81
Лог Еловый 0,0023 54 20 771 435 751 255 2075 124
Лог Верховье Усадьевское 0,016 54 125 702 366 577 96 193 72
Лог Синяя гнилка - Усадье 0,015 54 273 771 435 498 34 59 48
Лог Таежный 0,45 54 122 771 435 649 162 257 93
Среднее значение по станции 263 736 336 400 474 125 208 41
Примечание: ошибка приведена без учета знака.
№ 4' 2012
Таким образом, выполненная оценка вычисления водно-балансовых составляющих по трехчленному уравнению водного баланса показала, во-первых, значительные ошибки, что не может считаться приемлемым с практической точки зрения. Достаточно большие ошибки могут приводить к экономически неоправданным затратам в том случае, когда полученные результаты при определении, например, стока рек будут серьезно завышены. Это приведет к тому, что в реальности такого стока рек не будет. При расчете производительных сил какого-либо региона в этой связи будут допущены серьезные просчеты в лучшем случае, в худшем -введенные в строй промышленные или гражданские объекты не смогут функционировать.
Необходимо отметить, что в зависимости от географического района соотношение абсолютной величины ошибки в вычислении как суммарного испарения, так и стока могут изменяться. Так, в географической зоне избыточного увлажнения, где атмосферные осадки превышают суммарное испарение, возможно, соотношение ошибок исследуемых элементов будет таким, как приведено выше: ошибки вычисления суммарного испарения меньше ошибок вычисления стока. В географической зоне недостаточного увлажнения, где суммарное испарение превышает слой стока, ошибки вычисления суммарного испарения будут выше, чем ошибки вычисления стока по уравнению (1).
Ошибки вычисления зависят от природных условий, в частности, от почвенных характеристик территории. Вполне возможно, что в некоторых регионах, где при сочетании почвенно-ботанических условий величина инфильтрации в под-
земные воды достаточно мала, ошибки вычисления также будут малы. В противном случае, когда почвенно-ботанические условия будут способствовать большой величине инфильтрации, уравнение (1) применять нецелесообразно из-за значительных ошибок вычисления.
Из приведенных примеров по водно-балансовым станциям следует, что, например, при слое инфильтрации 100 мм ошибка вычисления слоя стока приближается к 100 %.
Из выполненного анализа следует, что задача определения водно-балансовых составляющих не только гидролого-экологическая, но и экономическая. Представляется, что в этой связи проще затратить сравнительно небольшие по сравнению с капиталовложениями в строительство финансовые средства для разработки нового подхода к оценке водно-балансовых составляющих, чем столкнуться с проблемой отсутствия воды в построенных объектах.
1. Великанов М. А. Гидрология суши. - Л.: Гидрометеоиздат, 1948. - 530 с.
2. Бефани А. Н. Основы теории ливневого стока: труды Одесского гидрометеорологического института. - Л.: Гидрометеоиздат, 1958. - 310 с.
3. Иофин З. К. Новый подход к определению составляющих водного баланса: тезисы VI Всесоюзного гидрологического съезда. - Л.: Гидрометеоиздат, 2004. -
С. 29-30.
Материал поступил в редакцию 14.04.12. Иофин Зиновий Константинович, кандидат географических наук, доцент Тел. 8-911-500-46-46 E-mail: pirit35@yandex.ru
№ 4' 2012
1бб)
