Закономерности формирования и водохозяйственное преобразование материковых гидрологических циклов

Географические особенности гидрологических

циклов Общим источником воды рассмотренных семи материковых гидрологических циклов служит Мировой океан. Сопоставим среднюю многолетнюю потенциальную водообеспеченность материков адвективной океанической влагой. Эта характеристика глобального гидрологического цикла представлена в табл. 11.1 ее удельной величиной v". Она соответствует слою атмосферных осадков, которые выпали бы на поверхности каждого из материков в среднем за год при условии полной конденсации поступающей на них влаги, т. е. v_a = A/F, мм/год, где А — средний годовой объем океанической влаги, поступающей с воздушными массами на материк; F— площадь его поверхности, характерный размер которой принят равным L = F⁰'⁵. Потенциальная водообеспеченность материков, как видно на рис. 11.1, различается почти в 4 раза — от 1700 мм/год (Австралия) до 450 мм/год (Евразия), а в Антарктиде она не менее годового слоя осадков 177 мм/год (см. подразд. 10.2).

В соответствии с влагонасыщенностью океанических воздушных масс наиболее велика потенциальная водообеспеченность материков, расположенных преимущественно в низких широтах (Австралия, Южная Америка, Африка). Но и во внутритропическом, и в умеренном климатических поясах четко прослеживается закономерность снижения потенциальной водообеспеченности с увеличением линейных размеров континентов (рис. 11.1).

Однако не вся влага (по-видимому, и соли), поступившая на континент с океана, выпадает в виде атмосферных осадков.

От 8% этой влаги в Евразии до Рис. 11.1. Потенциальная влагообеспеченность материков в зависимости от характерного размера их территории L:

/ — Евразия; 2— Европа; 3— Азия; 4— Африка; S— Северная Америка; 6 — Южная Америка; 7— Австралия.

76% в Австралии проносится воздушными массами транзитом и уходит на акваторию Мирового океана в составе атмосферного стока у_а влаги с суши.

Способность материка улавливать приходящую на него влагу характеризует отношение, а = v_a/x_a, названное коэффициентом елагоперехвата (Эделынтейн, 1991). Его величина (см. табл. 11.1) зависит не столько от площади континента, сколько от его рельефа — высоты горных хребтов, которые преодолеваются влагонасыщенными воздушными массами. Это подтверждается сравнением величин корреляционных отношений R² (табл. 11.2) зависимости значений коэффициента, а от трех морфометрических параметров, приведенных в табл. 11.1. Абсолютная высота горных систем служит главным орографическим фактором образования осадков из океанических воздушных масс, определяя их восхождение и конденсацию переносимой влаги.

Табл и ца 11.1.

Средние многолетние показатели структуры гидрологического цикла на различных континентах.

Окончание табл. 11.1

Примечания. F— площадь; L— характерный размер территории; Н_тах и Я_ср — максимальная и средняя высота; v_e— удельная потенциальная водообеспеченность; х_а — слой адвективных осадков; а — коэффициент влагопсрехвата; т_ка — модуль адвекции морских солей; к — коэффициент влагооборота; РБ — радиационный баланс; LE и ТО — тсплопотсри при испарении и турбулентном теплообмене; у_рс — слой речного стока; х = Урс/Уе — коэффициент структуры материкового стока; ц — коэффициент стока; Л/_и и /я_и — масса и модуль ионного стока; 8_К —.

коэффициент химической денудации; X^й и s— минерализация и мутность воды; Л/_н и т_н — масса и модуль стока наносов.

* Принятые здесь размеры материков приведены в книге «Географический энциклопедический словарь. Понятия и термины* (1988) и несколько отличны от использованных в предшествующих главах значений по [9]. Вследствие этого изменены удельные значения составляющих гидрологических циклов.

** Средневзвешенная по водному стоку концентрация взвеси в РВМ 52 австралийских рек, впадающих в океан (J.D. Milliman et al., 1995).

*** По (8).

Особенно сильно перехватывается океаническая влага в экваториальном поясе Южной Америки благодаря Андам, в тропических широтах Азии — горным системам хребтов от Тянь-Шаня до Гималаев, в умеренных широтах Северной Америки — Кордильерам. Благодаря особенностям рельефа слой адвективных осадков в Южной Америке вдвое выше, чем в плоскогорной Австралии, в полтора раза более потенциально влагообеспеченной. По той же причине различия в реальной влагообеспеченности адвективной влагой (в Т абл и ца 11.2.

Значения корреляционного отношения R² для зависимостей двух показателей интенсивности внешнего и внутреннего водообмена материков от значений их морфометрических параметров.

сравнении с потенциальной влагообеспеченностью) между европейской и азиатской частями Евразии сокращается почти вчетверо, между Африкой и Северной Америкой более чем в 10 раз.

Если из-за недостатка данных наблюдений величину концентрации ионов во всех адвективных осадках принять в первом приближении одинаковой и равной в среднем 9 мг/л (В.С.Савенко, 1976), то наибольшее поступление морских солей на единицу территории (т_на) характерно для Южной Америки (см. табл. 11.1). Вдвое меньше морских солей выпадает на поверхность Евразии, Африки и Северной Америки и в 16 раз меньше — на Австралию.

Материкам-перехватчикам океанской влаги свойственен ослабленный атмосферный сток влаги с континента, поэтому интенсивен внутриматериковый гидрологический цикл с большими значениями коэффициента влагооборота к = х/х_а (см. табл. 11.1). Г. П. Калинин [6], используя оценки величины этого коэффициента для бассейна р. Оки и всей европейской части бывшего СССР, Каспия, США, Евразии и других территорий, показал, что она возрастает с увеличением размера исследуемого региона. Эта тенденция подтверждается и положительной связью k=f (L) для совокупности рассматриваемых материков, которая однако, судя по значению R² в табл. 11.2, статистически незначима. Вместе с тем зависимость логарифмического вида величины к от максимальной высоты горных цепей статистически значима (обеспеченность р> 95% при числе коррелируемых пар значений п = 7).

Очевидно, что величина к определяется коэффициентом влагоперехвата а, так как корреляционное отношение R² = 0,95 положительной степенной связи между ними (рис. 11.2, б) имеет обеспеченность р> 99%. Приведенные Г. П. Калининым в [6, табл. 6] оценки значения к для материков уточнены более детальными расчетами [9], результаты которых сведены в табл. 11.1. Они использованы для выяснения формы и тесноты статистической связи между гидроклиматическими факторами и характеристиками материковых гидрологических циклов.

Коэффициент влагооборота к характеризует осредненное число циклов оборота местного водяного пара, образующегося на материке вследствие испарения воды с его поверхности. Как видно из результатов статистической оценки (рис. 11.2, а), он не зависит от осредненных для территории каждого материка значений энергетических факторов местного влагооборота (РБ, LE и ТО), определяющих интенсивность испарения.

Таким образом, в масштабах материков, территории которых расположены в нескольких климатических поясах, роль теплобалансовых характеристик нивелируется. На первый план выступает преобразование потоков атмосферной влаги орографическими факторами — высотой преграждающих им путь горных хребтов и размерами пересеченной и шероховатой поверхности континента. Этот.

Рис. 11.2. Статистические зависимости между показателями водои солеобмена материков с определяющими его факторами:

а — значения корреляционного отношения R² статистических связей между составляющими теплового баланса материков (РБ — радиационный баланс, LE — потери теплоты при испарении и ТО — при турбулентном теплообмене с атмосферой) и характеристиками гидрологических циклов: коэффициента нлагооборота к, коэффициента стока я, коэффициента влагоперехвата а, коэффициента структуры материкового стока % - у^/у_а б, в, г— вид графиков статистически значимых зависимостей между гидрологическими характеристиками; д— между коэффициентом влагооборота и средней минерализацией (?и) речных водных масс континента.

Нумерация материков та же, что и на рис. 11.1.

вывод важно учитывать при моделировании климатических изменений речного стока на основе прогнозов изменения температуры воздуха и осадков по математическим моделям глобального климата.

Различия в интенсивности влагооборота в континентальных гидрологических циклах приводят к тому, что слой суммарных осадков (океанического и местного происхождения) в Азии и в Северной и Южной Америке примерно на 30% больше их потенциальной водообеспеченности. В Европе, Африке и особенно в Австралии он существенно меньше потенциальной водообеспеченности. Интенсификация внутриматерикового влагооборота изза перехвата потока влаги и местного испарения особенно сильна в Южной Америке. Она проявляется в росте среднего слоя осадков в Амазонии по мере удаления от океана к центру континента, в обратном плювиометрическом градиенте на восточном склоне Анд. Эти два необычных климатических явления свидетельствуют не об отсутствии континентальных воздушных масс в Южной Америке, будто бы слишком малой для их формирования [9, с. 353], а о трансформации атлантических воздушных масс в еще более влагонасыщенную континентальную воздушную массу, отличную по своим свойствам и, по-видимому, аэрозольному составу от иссушенных и запыленных континентальных воздушных масс в Евразии, Африке и Австралии.

Между коэффициентом влагооборота к и коэффициентом стока 11 на материках имеется статистически значимая (при р = 95 — 99%) степенная зависимость (рис. 11.2, в): чем интенсивней внутриконтинентальный влагооборот, тем большая доля атмосферных осадков превращается в речной сток. Это еще более усиливает дифференциацию материков по располагаемым динамическим водным ресурсам. Потенциально самая водообильная Австралия из-за наименьшего перехвата потока атмосферной влаги — материк с наименьшими водными ресурсами, а потенциально в полтора раза менее водообеспеченная Южная Америка из-за замедления Андами транзита влаги имеет в 17 раз больший речной сток. Аналогичную, но менее яркую картину дает сравнение потенциальной и реальной водообеспеченности Африки и Евразии (см. табл. 11.1).

Эффект усиления водноресурсной дифференциации материков в процессе формирования речного стока особенно наглядно демонстрируется не степенной, а экспоненциальной (статистически весьма значимой) зависимостью отношения величин речного стока воды Урс и атмосферного стока влаги у_а с материка в океан х от значения коэффициента влагоперехвата, а (рис. 11.2, г).

На этом графике точки четко разделились на две группы — материки-перехватчики влаги, характеризующиеся х> 1, и материки-доноры влаги. Вторые вследствие местного испарения увеличивают атмосферный вынос влаги. В результате речной сток в океан сокращается в 3 — 5 раз и более по сравнению с атмосферным стоком влаги. В экваториальном поясе материк-донор влаги — Африка по отношению к Азии, в тропическом — Австралия по отношению к Океании, в умеренном — Европа по отношению к Сибири и Средней Азии. Важно подчеркнуть, что материки обеих групп, различающиеся типом структуры континентального гидрологического цикла, сосуществуют во всех трех климатических поясах. Это еще раз подчеркивает ведущую роль орографии, консервативного в данную геологическую эпоху фактора, определяющего тот или иной тип функционирования материкового гидрологического цикла в системе ГГЦ.

Связь между средними значениями минерализации воды рек и ее стока с материков статистически значима (R² = 0,894, р> 95 %). По форме она сходна с подобными зависимостями, установленными для рек каждой из гидрохимических зон суши, напоминает кривую разбавления любого раствора. Аналогичная зависимость (статистически значимая, с несколько меньшим R²) имеется и между средней минерализацией речных водных масс и коэффициентом внутриматерикового влагооборота (рис. 11.2, д), что представляется не случайным. В результате многократного оборота влаги в местном гидрологическом цикле происходит природная дистилляция поверхностных вод вследствие увеличивающейся разбавляющей способности специфических континентальных воздушных масс, формирующихся в зоне влажных экваториальных лесов. Удельная электропроводность воды в Риу-Негру составляет 9 мкСм/см (см. табл. 8.3), содержание основных катионов в лесном ручье у г. Манауса вдвое меньше, а в дождевой воде втрое меньше, чем в реке (К. Furch, 1984). Отсюда можно заключить, что минерализация осадков, выпадающих из местной воздушной массы, втрое ниже, чем характерная минерализация океанических атмосферных осадков. Другой пример ультрапресных вод (электропроводность 3,5 мкСм/см и минерализация менее 4,0 мг/л) дают речки в бассейне р. Конго на плато Кунделунгу.

Из-за сходной с гиперболой формы связи минерализации с расходом воды X^й = /((?) наибольшее значение среднематерикового модуля ионного стока т" = 32 т/(км² — год) имеет Европа, территория со средними величинами (в сравнении с остальными континентами) минерализации и стока (см. табл. 11.1). Этот показатель структуры материкового стока меньше и в более водообильной Южной Америке из-за малого значения средней минерализации речных водных масс, а также в маловодной Австралии, хотя здесь они наиболее минерализованы. В табл. 11.1 приведены и значения коэффициента химической денудации материков 5_И, показывающие долю автохтонного ионного стока, которая формируется в результате растворения континентальных минеральных веществ. В стоке с большинства материков эта доля составляет приблизительно 80%, а 20%— доля адвективных солей, поступающих с океанов. Лишь в ионном стоке с самой водообильной Южной Америки доля адвективных (аллохтонных) солей возрастает до 30%, а в стоке с самой засушливой Австралии вклад аллохтонных и автохтонных солей в ионный сток одинаков (8″ ~ 50%).

Между средней мутностью речных водных масс и величиной водного стока с материка статистическая связь отсутствует (R² = 0,005). Наиболее велика концентрация речных взвесей в Азии, а минимальна в Южной Америке, где она втрое меньше. Однако между средним модулем стока наносов и коэффициентом внутриматерикового влагооборота имеется статистически значимая экспоненциального вида связь (R² = 0,796, р> 95%). У материков-перехватчиков влаги средний модуль стока наносов более 100т/(км²-год), а у материков-доноров — 50—78 т/(км² -год) изза меньшего значения энергии водного стока, поскольку относительно мал средней уклон поверхности материка.

Таким образом, различия в структуре материковых гидрологических циклов отчетливо и статистически значимо определяют величину динамических водных ресурсов каждого из континентов, а также стока растворенных и взвешенных минеральных веществ, характеризующих важнейшие черты вещественного состава материкового речного стока.

Завершая рассмотрение речного стока на материках, важно отметить, что это природное явление — разномасштабное. В зависимости от размера рассматриваемой территории изменяется роль отдельных географических факторов его формирования. «Реки — продукт климата» — хорошо известное высказывание А. И. Воейкова особенно очевидно, при анализе стока рек, расположенных в разных климатических (природных, ландшафтных) поясах или зонах. На малых водосборах не только горных, но и равнинных, возрастает роль рельефа (высоты, пространственной ориентации склонов, их уклона), увеличивающего разнообразие ландшафтных условий формирования склонового и руслового стока водных масс. Однако и для крупнейших рек мира сток следует считать зависящим от орографических особенностей материков. Эти особенности определяют тип внешнего влагообмена материка с Мировым океаном, а внутриматериковый гидрологический цикл еще больше усиливает различия структуры влаги, а также других переносимых веществ в речных и воздушных массах.

Изначальная неравномерность выпадения атмосферных осадков во всех регионах суши определяет колебания стока в речных системах, размах которых увеличивается суточной, синоптической и сезонной изменчивостью интенсивности испарения. Чем меньше интенсивность стока (его слой или модуль водного стока), тем выше его вариация, тем больше различия генетического состава речных водных масс в отдельные фазы водного режима. Это проявляется в большой изменчивости минерализации и мутности воды. Лишь замедление стока в речных бассейнах благодаря частичному преобразованию его поверхностной составляющей в подземную, регулированию озерами, болотами, водохранилищами и прудами способствует уменьшению его изменчивости. Увеличивающийся при этом базисный сток влияет на стабилизацию состава континентальных водных масс благодаря физическим, физико-химическим и биохимическим процессам самоочищения воды. В итоге улучшаются ее питьевые качества.