CC BY
14
ЭКОЛОГИЯ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ
УДК 504.062.2
УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ РЕСУРСОВ ТЕПЛА И ВЛАГИ КАК ОСНОВЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И УСТОЙЧИВОСТИ ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ ЗАПАДНО-СИБИРСКОГО СЕВЕРА
Наталья Леонидовна Ряполова
Омский государственный аграрный университет им. П. А. Столыпина, 644008, Россия, г. Омск, Институтская площадь, 1, старший преподаватель кафедры природообустройства, водопользования и охраны водных ресурсов, тел. (913)655-62-97, e-mail: [email protected]
Реализация принципа соизмерения и сбалансированности производственных и природных потенциалов требует количественной оценки экологических характеристик территории как природного комплекса. Формирование, функционирование и устойчивость природных систем определяющим образом зависит от совокупности эколого-географических факторов зонального и локального масштаба, основными из которых являются ресурсы тепла и влаги территорий. Исследование условий формирования ресурсов тепла и влаги природных систем Западно-сибирского севера представляет научно-практический интерес, поскольку национальная стратегия устойчивого развития предусматривает сохранение биопродуктивной природной среды в природно-техногенных системах, формируемых в районах нового освоения. Чтобы последствия влияния хозяйственной деятельности не привели к необратимым изменениям жизнеобеспечивающих ресурсов природных систем исследуемого региона, необходима оценка современного состояния их природоформирующих элементов - ресурсов тепла и влаги. В статье показаны методический подход и результаты гидролого-климатических расчетов для определения эколого-географических параметров и характеристик природных систем региона.
Ключевые слова: ресурсы тепла и влаги, ландшафтная сфера, теплоэнергетические ресурсы, максимально возможное испарение, суммарное испарение, коэффициент увлажнения, воднобалансовые расчеты, устойчивость природных систем.
Аналитическим выражением законов сохранения и превращения энергии и вещества в ландшафтной сфере являются уравнения теплового (теплоэнергетического) и водного баланса [1-3]. При этом структура приходо-расходных элементов определяется совокупностью зональных, прежде всего, климатических и локальных факторов.
Исходя из этого, основу оценки эколого-географических характеристик функционирования и устойчивости природных систем должны составлять результаты исследований зональных и локальных закономерностей преобразования ресурсов влаги и тепла земной поверхности [4-6].
Расчеты гидролого-климатических и эколого-географических характеристик выполняются в следующем порядке.
Годовые суммы радиационных характеристик в средний год рассчитываются по уравнениям регрессии, полученным на основе обобщения материалов региональных актинометрических данных. Годовые суммы водного эквивалента теплоэнергетических ресурсов климата 2К и максимально возможного суммарного испарения 2М оцениваются по региональным зависимостям (рис. 1, 2).
1800 1600 1400 1200 1000 800 600
м 400
О
200 О
*. ..— к/
у = 0.304х + 566.53
Г*2 = 0,8 99
1000
2000 |>0
3000
4000
Рис. 1. График связи 2К с суммами температур воздуха выше 0 °С (Е? > 0)
Суммы атмосферных осадков (ресурсов влаги) за любой период среднего года КХ = Н принимаются по данным Справочников по климату или по Научно-прикладным справочникам.
1200 1000 800
£ 600
Е
N
400 200 0
у = 0,218 6х + 229,06
К2 = 0,8488 ♦ ►
♦ 1
1000
2000 2>0
3000
4000
Рис. 2. График связи 2м с суммами температур воздуха выше 0 оС (Е? > 0)
Степень соответствия естественных условий увлажнения деятельной земной поверхности (Н) оптимально потребным (Н , обеспечивающим наивысший уровень развития фитоценозов, оценивается величиной коэффициента увлажнения КН = Н/ Нор( = Н/ 2М.
Избыточному увлажнению земной поверхности соответствуют значения Кн > 1,0. В оптимальных условиях увлажнения Кн = 1,0 и влажность деятельного слоя почвы равна наименьшей влагоемкости. Зоне недостаточного увлажнения соответствуют значения КН < 1,0 с влажностью деятельного слоя меньше наименьшей влагоемкости.
Результаты расчетов Кн по 104 пунктам Западно-сибирского севера обобщены в виде карты изолиний (рис. 3)
Рис. 3. Коэффициент увлажнения Кн в средний многолетний год
Величина и территориальное распределение КН в границах исследуемой территории в средний год определяются зональными особенностями распределения ресурсов тепла и влаги (рис. 4). При этом в средний год максимально возможное суммарное испарение линейно убывает с юга на север, а ресурсы влаги, наоборот, - нелинейно возрастают с юга на север.
В результате значения коэффициента КН на исследуемой территории, равно как и на территории Западной Сибири в целом, нелинейно возрастают с юга на север. Можно заметить, что в диапазоне ф = 59 - 63 ° с. ш. значения Кн мало зависят от широты места и колеблются от 0,8 до 1,0.
800
700
600
500
400
300
200
100
■ ---
ч к. г* , 1 1" к
ь 1
г' *
У * у "1 1.
г ич ""1 1
'= -0 ,000 12х3 + 0,0 2019 х2-1 ,074 34хч 18,5 439' п
к = 0, УУУ > 2
1,400
1,200
1,000
0,800
0,600
0,400
0,200
0,000
50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74
ф° с.ш.
♦ Ряд1 ■ Ряд2 Ж РядЗ
Рис. 4. Изменение годовых сумм КХ (ряд 1), 2М (ряд 2) и коэффициента увлажнения КН (ряд 3) в средний многолетний год
Оценка расходных элементов влаго- и теплооборота участка суши в условиях недостаточной воднобалансовой изученности исследуемой территории -Западно-сибирского севера - выполнялась как на основе фактических данных о ресурсах влаги и тепла с учетом зональных (или азональных) особенностей формирования годового стока, так и на основе совместного решения уравнений водного и теплового балансов [7-9].
Уравнение водного баланса участка суши для среднего года имеет вид:
КХ = Z + У = Z + У1 + У2 = Г + У1, мм; (1)
Г = Z + У2, мм, (2)
где Г - валовое увлажнение; У1 - поверхностный сток; У2 - подземный сток; Z - суммарное испарение.
Уравнение теплоэнергетического баланса для среднего года в соответствии с [7] записывается в виде:
LZК = LZ + Еэф + Р~+ ^, МДж/м2, (3)
где ^ - водный эквивалент теплоэнергетических ресурсов климата; Еэф - эффективное излучение;
Р- - турбулентный теплообмен;
? - алгебраическая сумма затрат тепла на фазовые превращения почвенной влаги и таяние снежного покрова;
Ь - скрытая теплота парообразования.
Величина и территориальное распределение расходных элементов водного баланса определяется, главным образом, климатическим (зональным) звеном функционирования природных систем - ресурсами тепла и влаги, а также их соотношением [10, 11].
Вместе с этим, влияние строения земной поверхности, формирующего специфические (сугубо локальные) условия трансформации ресурсов влаги в речной сток, может быть достаточно существенным, что и учитывается использованием в воднобалансовых расчетах переменных по территории параметров п и т.
В расчетах элементов влагооборота, соответствующих зональным условиям трансформации ресурсов тепла и влаги, используются измеренные на метеорологических станциях значения КХ и значения 2К и 2М, рассчитанные по региональным уравнениям регрессии.
Значения параметров п и т определяются по уравнениям, отражающим зональные особенности формирования годовых значений суммарного испарения, суммарного и подземного стока на речных бассейнах Западной Сибири:
п = 7,482 • ехр(-1,387 • КН ); (4)
т/п = 1,589 • а + 0,579; (5)
а = ЛББ
С (7 \\ 1п
V V ZK и
(6)
В расчетах элементов влагооборота, соответствующих азональным (локальным) условиям трансформации ресурсов тепла и влаги исследуемого участка суши (речной бассейн или его часть, ландшафт, урочище и т. п.), используются осредненные значения КХ метеорологических станций, расположенных в пределах изучаемого участка суши (или значения КХ метеостанции-аналога). Аналогично определяются и значения 2К и 2М.
Значения параметров п и т определяются по результатам анализа и расчетам, выполненным для речного бассейна, в пределах которого расположен исследуемый участок суши (ландшафтная провинция) с азональными условиями формирования элементов влагооборота [12, 13].
Относительные величины элементов влагооборота обобщены в виде соответствующих карт изолиний (рис. 5, 6).
Общий (зональный) характер изменения коэффициентов испарения и коэффициентов стока от географической широты (градусы с. ш.) представлен на рис. 7.
Рис. 5. Коэффициент испарения в средний год у
Рис. 6. Коэффициент суммарного годового стока в средний год п
1,000
0,800
« 0,600
н т
0
I- 0,400
5
■е-
1
3 0,200
0,000
* » Л у = -0,0 Р! 325х+2, 2 = 0,68 5701
1 т • т • и
• • А А * .Г*
** ^ А 4 А А ** и А
тА Г Л у=0,С 325х -1, 5701
54 56 58 60 62 64 66 Географическая широта, градс.ш.
• Ряд1 а Ряд2
68 70
Рис. 7. Графики изменения коэффициентов испарения (ряд 1) и коэффициентов стока (ряд 2) от географической широты (градусы с. ш.)
Таким образом, выполненные расчеты и анализ свидетельствуют о том, что в пределах рассматриваемой территории определяющим фактором формирования ресурсов тепла и влаги и их соотношения, а также структуры расходных элементов водного и теплового балансов является географическая широта местности [14, 15].
В совокупности это неизбежно способствует формированию широтной зональности потоков энергии и вещества, направления и интенсивности физико-географических процессов в ландшафтной сфере и, как следствие, формированию широтной дифференциации параметров и характеристик экологической устойчивости природных систем исследуемой территории [16, 17].
Условия формирования ресурсов тепла и влаги и их картографическое отображение дают представление о генетических особенностях природных комплексов, их состоянии и экологическом потенциале [18-20]. Тематические картосхемы, иллюстрирующие пространственную и временную изменчивость ресурсов влаги и тепла, позволили не только отобразить закономерности формирования экологического потенциала, но и по существу стать информационной основой в оценке устойчивости природных систем в целях рационального природопользования [21].
Исходной концепцией исследования закономерностей формирования, территориального распределения и временной изменчивости режимов увлажнения и теплообеспеченности территорий региона была принята определяющая роль ресурсов тепла и влаги и их соотношения в формировании природных процессов, протекающих в ландшафтной сфере [22-24].
Такое понимание движущих сил физико-географических процессов создает предпосылки для количественной оценки эколого-географических парамет-
ров и характеристик природных комплексов территории, к числу которых относятся экологическая емкость и экологическая техноемкость территории [25].
Задача дальнейших исследований - анализировать пространственно-временные изменения и выявлять закономерности, определяющие современные параметры основных эколого-географических характеристик ландшафтных систем различных территориальных уровней в целях сохранения их устойчивости.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Будыко М. И. Тепловой баланс земной поверхности. - Л. : Гидрометеоиздат, 1956. -
255 с.
2. Григорьев А. А., Будыко М. И. Связь балансов тепла и влаги с интенсивностью географических процессов // Доклады АН СССР. - 1965. - № 1. - С. 165-168.
3. Карнацевич И. В. Энергетические ресурсы земной поверхности в холодных странах // Известия РГО. - 1995. - Т. 127. - Вып. 6. - С. 10-17.
4. Мезенцев В. С., Карнацевич И. В. Увлажненность Западно-Сибирской равнины. -Л. : Гидрометеоиздат, 1969. - 168 с.
5. Мезенцев В. С. Расчеты водного баланса. - Омск : ОмСХИ, 1976. - 76 с.
6. Белоненко Г. В., Попова Н. Б., Тусупбеков Ж. А. Эколого-географические условия транспортного освоения Западной Сибири : монография. - Новосибирск : СГУПС, 2012. -266 с.
7. Белоненко Г. В. Воднобалансовые расчеты неизученных бассейнов малых рек. -Омск : ОмСХИ, 1985. - 71 с.
8. Земцов А. А., Мизеров Б. В., Николаев В. А. Рельеф Западно-Сибирской равнины. -Новосибирск : Наука, Сиб. отделение, 1988. - 192 с.
9. Гвоздецкий Н. А. Физико-географическое районирование Тюменской области. -М. : Изд-во МГУ, 1973. - 248 с.
10. Картографический анализ пространственно-временного распределения элементов влагооборота в бассейне Оби / Г. В. Белоненко, И. Н. Ротанова, Ю. М. Цимбалей, И. В. Андреева, В. Г. Ведухина // Мир науки, культуры, образования. - 2010. - № 1 (20). - С. 95-99.
11. Белоненко Г. В. Методика и опыт гидролого-географических исследований баланса тепла и влаги земной поверхности (на примере Уральской физико-географической страны) : автореф. дис. ... д-ра геогр.наук. - Иркутск, 1986. - 36 с.
12. Попова Н. Б. Эколого-географические условия природопользования в зоне влияния Транссибирской магистрали (Западная Сибирь) : монография. - Новосибирск : СГУПС, 2001. - 182 с.
13. Попова Н. Б. Экологическая техноемкость и антропогенная нагрузка на территориях субъектов федерации и речных бассейнов Западной Сибири // Проблемы региональной экологии. - 2002. - № 2. - С. 35-43.
14. Григорьев А. А. Закономерности строения и развития географической среды. - М. : Мысль, 1966. - 382 с.
15. Белоненко Г. В., Тусупбеков Ж. А., Ряполова Н. Л. Формирование и особенности влаго- и теплообмена ландшафтных провинций Западно-Сибирской равнины //Проблемы региональной экологии. - 2015. - № 3. - С. 174-179.
16. Яхина Н. Р. Эколого-географическая характеристика ландшафтов Нижневартовского района // Проблемы региональной экологии. - 2008. - № 1. - С. 98-101.
17. Устойчивое развитие сибирских регионов / Ю. И. Винокуров, Б. А. Красноярова, В. И. Овденко, С. П. Суразакова, Е. Л. Счастливцев : монография. - Новосибирск : Наука, 2003. - 204 с.
18. Жарников В. Б., Гагарин А. И., Лебедева Т. А. О приоритете индикаторов устойчивого развития территорий // Вестник СГГА. - 2014. - Вып. 4 (28). - С. 57-65.
19. Булатов В. И. , Игенбаева Н. О. Разработка индикаторов устойчивого развития на региональном уровне // Вестник ЮГУ. - 2008. - № 1 (8). - С. 9-16.
20. Базилевич Н. И., Гребенщиков О. С., Тишков А. А. Географические закономерности структуры и функционирования экосистем : монография. - М. : Наука, 1986. - С. 181209.
21. Татаренко В. И., Касьянова Е. Л., Нольфина М. А. Создание научно-справочного аналитического ГИС-атласа // Вестник СГГА. - 2014. - Вып. 4 (28). - С. 129-134.
22. Преображенский В. С., Александрова Т. Д., Куприянова Т. П. Основы ландшафтного анализа : монография. - М. : Наука, 1988. - 192 с.
23. Исаченко А. Г. Методы прикладных ландшафтных исследований : монография. -Л. : Наука, 1980. - 222 с.
24. Козин В. В. Ландшафтный анализ в нефтегазопромысловом районе : монография. -Тюмень : ТюмГУ, 2007. - 240 с.
25. Акимова Т. А., Хаскин В. В. Основы экоразвития : учеб. пособие. - М., 1994. -
312 с.
Получено 03.05.2017
© Н. Л. Ряполова, 2017
THE CONDITIONS OF FORMATION OF RESOURCES OF HEAT AND MOISTURE, AS THE FUNCTIONING AND SUSTAINABILITY OF THE NATURAL SYSTEMS OF THE WEST SIBERIAN NORTH
Natalia L. Ryapolova
Omsk State Agrarian University named after P. A. Stolypin, 644008, Russia, Omsk, 1 Institutskaya Square, Senior Lecturer, Department of Environmental Engineering, Water Management and Protection of Water Resources, phone: (913)655-62-97, e-mail: [email protected]
The implementation of the principle of commensuration and balance production and natural potentials requires a quantitative assessment of the environmental characteristics of the territory. The formation, functioning and resilience of natural systems decisively depends on a combination of ecological and geographical factors, regional and local scale, the main ones are resources heat and moisture areas. Research of conditions of formation of resources of heat and moisture the natural systems of the West Siberian North is of scientific and practical interest, as the national strategy for sustainable development provides for the preservation of bioproductive environment in natural-technogenic systems formed in areas of new development. To the effects of economic activity not led to irreversible changes in life-supporting natural resources systems in the study region, it is necessary to assess the current state of their prirodovedeniya elements - the resources of heat and moisture. The article shows a methodical approach and the results of the hydrology-climatic calculations to determine the ecological and geographical parameters and characteristics of the natural systems of the region.
Key words: resources heat and moisture, landscape sphere, heat power resources, the maximum possible evaporation, evapotranspiration, moisture ratio, water-balance calculations, the stability of natural systems.
REFERENCES
1. Budyko, M. I. (1956). Teplovoj balans zemnoj poverhnosti [Heat balance earth surface]. Leningrad: Gidrometeoizdat [in Russian].
2. Grigor'ev, A. A., & Budyko, M. I. (1965). Link balances heat and moisture with the intensity of the geographical processes. Doklady AN SSSR [Reports AS USSR], No 1, 165-168 [in Russian].
3. Karnacevich, I. V. (1995). Energy resources the earth's surface in the cold countries. Izvestiya RGO [Izvestija RGO], 127(6), 10-17 [in Russian].
4. Mezencev, V. S., Karnacevich, I. V. (1969). Uvlazhnennost' Zapadno-Sibirskoj ravniny [Hydration of the West Siberian plain]. Leningrad: Gidrometeoizdat [in Russian].
5. Mezencev, V. S. (1976). Raschyoty vodnogo balansa [Calculations of water balance]. Omsk: OmSHI [in Russian].
6. Belonenko, G. V., Popova, N. B., & Tusupbekov, Zh. A. (2012). Ekologo-geograficheskie usloviya transportnogo osvoeniya Zapadnoj Sibiri [Ecological and geographical conditions of the transport development in Western Siberia]. Novosibirsk: SGUPS [in Russian].
7. Belonenko, G. V. (1985). Vodnobalansovye raschyoty neizuchennyh bassejnov malyh rek [Water balance calculations unexplored basins of small rivers]. Omsk: OmSHI [in Russian].
8. Zemtsov, A. A., Mizerov, B. V., & Nikolaev, V. A. (1988). Rel'ef Zapadno-Sibirskoj ravniny [The topography of the West Siberian plain]. Novosibirsk: Nauka [in Russian].
9. Gvozdetskiy, N. A. (1973). Fiziko-geograficheskoe rajonirovanie Tyumenskoj oblasti [Physico-geographical regionalization of the Tyumen region]. Moscow: MGU [in Russian].
10. Belonenko, G. V. Rotanova, I. N., Tsimbaley, Yu. M., Andreeva, I. V., & Vedukhina, V. G. (2010). Cartographical analysis of spatial-temporal distribution of hydrologic cycle elements in the Ob basin. Mir nauki, kul'tury, obrazovaniya [The World of Science, Culture, Education], 1(20), 95-99 [in Russian].
11. Belonenko, G. V. (1986). Metodika i opyt gidrologo-geograficheskih issledovanij balansa tepla i vlagi zemnoj poverhnosti (na primere Ural'skoj fiziko-geograficheskoj strany) [The methodology and experience of hydrological and geographical studies of heat balance and moisture of the earth's surface (Ural physical-geographical countries)]. Extended abstract of Doctor's thesis. Irkutsk [in Russian].
12. Popova, N. B. (2001). EHkologo-geograficheskie usloviya prirodopol'zovaniya v zone vliyaniya Transsibirskoj magistrali (Zapadnaya Sibir') [Ecological and geographical conditions of environmental management in the area of influence of the TRANS-Siberian railway (Western Siberia)] . Novosibirsk: SGUPS [in Russian].
13. Popova, N. B. (2002). Environmental technology intensity and anthropogenic impact on the territories of regions and river basins of Western Siberia. Problemy regional'noj ehkologii [Problems of Regional Ecology], 2, 35-43 [in Russian].
14. Grigor'ev, A. A. (1966). Zakonomernosti stroeniya i razvitiya geograficheskoj sredy [Regularities of structure and development of the geographical environment]. Moscow: Mysl [in Russian].
15. Belonenko, G. V., Tusupbekov, Zh. A., & Ryapolova, N. L. (2015). The formation and characteristics of moisture and heat landscape of the provinces of the West Siberian plain. Problemy regional'noj ehkologii [Problems of Regional Ecology], 3, 174-179 [in Russian].
16. Yakhina, N. R. (2008). Ecologo-geographical characteristics of the landscapes of the Nizhnevartovsk district Problemy regional'noj ehkologii [Problems of Regional Ecology], 1, 98-101 [in Russian].
17. Vinokurov, Yu. I., Krasnoyarova, B. A., Ovdenko, V. I., Surazakova, S.P., & Schastlivtsev, E. L. (2003). Ustojchivoe razvitie sibirskih regionov [Sustainable development of Siberian regions]. Novosibirsk: Nauka [in Russian].
18. Zharnikov, V. B., Gagarin, A. I., & Lebedeva, T. A. (2014). Prioritete indicators of sustainable development of territories. VestnikSGGA [VestnikSSGA], 4(28), 57-65 [in Russian].
19. Bulatov, V. I., Igenbaeva, N. O. (2008). The development of indicators of sustainable development at the regional level. Vestnik YUGU[Vestnik YuGU], 1(8), 9-16 [in Russian].
20. Bazilevich, N. I., Grebenshchikov, O. S., & Tishkov, A. A. (1986). Geograficheskie zakonomernosti struktury i funkcionirovaniya ehkosistem [Geographical regularities of structure and functioning of ecosystems] (pp. 181-209). Moscow: Nauka [in Russian].
21. Tatarenko, V. I., Kas'yanova, E. L., & Nolfina, M. A. (2014). Creating finding analytical GIS-Atlas. Vestnik SGGA [Vestnik SSGA], 4(28), 129-134 [in Russian].
22. Preobrazhenskiy, V. S., Aleksandrova, T. D., & Kupriyanova, T. P. (1988). Osnovy landshaftnogo analiza [Basics of landscape analysis]. Moscow: Nauka [in Russian].
23. Isachenko, A. G. (1980). Metody prikladnyh landshaftnyh issledovanij [Methods of applied landscape studies]. Leningrad: Nauka [in Russian].
24. Kozin, V. V. (2007). Landshaftnyj analiz v neftegazopromyslovom rajone [Landscape analysis in the reservoir area]. Tyumen: TyumGU [in Russian].
25. Akimova, T. A., Khaskin, V. V. (1994). Osnovy ehkorazvitiya [The basics of eco-development]. Moscow [in Russian].
Received 03.05.2017
© N. L. Ryapolova, 2017
