Географические факторы структуры внешнего водообмена и воднобалансовая классификация водоёмов

Для оценки роли важнейших географических факторов в формировании структуры внешнего водообмена озёр или водохранилищ, расположенных в различных природных зонах суши, вернёмся снова к уравнению среднего за многолетний период водного баланса (3.4). В качестве показателя структуры его приходной части примем в ней долю («порцию») осадков:

Это равенство преобразуем так: рР = х Ff (y, А + х F), где д: — средний годовой слой осадков, выпадающих на водную поверхность площадью F₉y- средний годовой слой стока с водосбора площадью А; затем и числитель, и знаменатель разделим на х F и получим:

где // = у/х — коэффициент стока, а <�р = A/Fудельный водосбор водоёма.

Такое преобразование справедливо лишь для зональных водоёмов при допущении приблизительного равенства в многолетний период годового слоя осадков на водоём и на его водосбор.

Поскольку в среднемноголетнем водном балансе приходная и Показателем структуры расходной части рассматриваемого водного баланса примем «порцию» испарения: расходная части равны, произведём в равенстве (3.27) замену знаменателя и выполним преобразование, аналогичное показателю рР рЕ = Е/(V + Р) = z Ff (y Л + х F), где z — среднегодовой слой испарившейся воды с водной поверхности. Разделив полученное выражение также на х F, имеем:

где e = z/x- индекс сухости, показывающий во сколько раз испарение интенсивнее осадков.

Из формул (3.26) и (3.28) видно, что вклад во внешний водообмен озёр и водохранилищ осадков и испарения, т. е. вертикальных компонентов, возрастает от ландшафтов с большим коэффициентом стока а/ в гумидных зонах к ландшафтам аридным (если сравнивать зональные водоёмы с одинаковым значением удельного водосбора (р). Причем эта зависимость имеет гиперболическую форму (рис. 3.5 а).

Аналогична форма зависимости этих компонент внешнего водообмена и от величины удельного водосбора <�р (если сравнивать водоемы, расположенные в одной природной зоне с одинаковым средним значением коэффициента стока // с их водосборов). Но это означает, что вклад горизонтальной составляющей (приток-сток) в структуру внешнего водообмена быстро возрастает от водоёма с малым удельном водосбором <�р к водоемам со всё большим значением этого азонального орографического фактора (рис. 3.5 б).

Рис. 3.5. Вклад в структуру водного баланса зональных водоёмов его главных составляющих: а — осадков рР % (/) в приходную и испарения рЕ % (2) в расходную часть баланса (при удельным водосборе (р = 50 и индексе сухости е = 0,5) в зависимости от коэффициента стока с водосбора //; б — притока воды V % в приходной части баланса в зависимости от удельного водосбора (р (при л/ = 0,40).

Таким образом, разнообразие структуры водного баланса континентальных водоёмов, и природных, и техногенных, определяется одновременно изменчивостью зонального коэффициента стока // и азонального удельного водосбора (р. Первый характеризует увлаж нённость природной зоны и имеет диапазон значений от 0,9 на неветренных склонах гор в гумидных зонах до 0 в пустынях. Второй фактор — азональное соотношение площади водоёма и его водосбора — изменяется от <�р = 0,13 для оз. Самотлор в болотах Сургутского Полесья и 1,5 для оз. Верхнее, крупнейшего среди Великих озёр в Северной Америке, до (р = 13 000 для карельского оз. Кюленьярви и даже до (р = 19 400 для Святогорского водохранилища на р. Вуокса).

Для ориентировочного определения структуры водного баланса любого гидрологически неизученного зонального водоёма мира имеется диаграмма (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Диаграмма для определения структуры среднего за многолетний период годового водного баланса зональных озёр и водохранилищ (;/ и е — зональные величины коэффициента стока и индекса сухости). Сплошные кривые — доля осадков рР % в приходной части и пунктирные кривые — доля испарения рЕ% в расходной части баланса (в скобках даны номера природных зон в легенде карты «Географические пояса и зоны суши Земли» (Географический атлас для учителей средней школы. — М.: ГУ ГК, 1980).

В сё основу положены формулы (3.26) и (3.28) и среднезональные значения гидроклиматических коэффициентов ц и с. Из-за столь большого диапазона значений удельного водосбора водоёмов суши в диаграмме использована логарифмическая шкала (р. Несравненно больший диапазон вариации азонального фактора по сравнению с зональным дает основание считать, что даже зональные водоёмы, но структуре своею внешнего водообмена — сугубо азональные географические объекты и водные экосистемы. Например, на диаграмме видно, что озёра с одинаковым значением удельного водосбора, допустим, (р <2, расположенные и в тундре, и в зоне влажных экваториальных лесов, имеют практически одинаковую структуру как приходной, так и расходной части водного баланса. И, наоборот, водоёмы, расположенные в одной природной зоне, например, в саванне оз. Танганьика с (р = 0,2 и водохранилище с (р = 120 на р. Замбези, имеют свершено различную структуру водного баланса.

При использовании номограммы, по топографическим картам и космическим снимкам возможно определить площадь практически любого водоёма и его водосбора. Но их значениям оценивается удельный водосбор водоема (р, затем по номо1рамме зональные значения рР % и рЕ % и далее по уравнению водного баланса (формула 3.4) — значенияpV% и рУ%. По карте среднего годового слоя осадков в «Атласе мирового водного баланса» (1984) или более детальной региональной карте осадков для местоположения водоёма оценивается значение х (мм/год), затем по формуле (3.11) величина Р (м³/год) и далее величины V,. Е и Y (в м³/год) по найденным значениям рУ %, рЕ % и pY%.

Оценка возможной погрешности определения по номограмме значений показателей структуры водного баланса выполнена по данным о среднем годовом балансе 57 водоёмов мира. Она показала, что величина объёма осадков и испарения получается равной порядка рР ± 0,3рР и рЕ ± 0,2рЕ для лимнологически неизученных озёр и водохранилищ (Эдсльштсйн, 1991).

Для подобных ориентировочных оценок составляющих водного баланса полизонального водоёма формула (3.26) усложнена:

где 4 = х_А1х (х_а — средний слой осадков на водосбор, х - на водоём).

В предложенной Б. Б. Богословским (1960) водно-балансовой классификации, упрощённой в табл. 3.2, водоёмы мира делятся на группы по структуре расходной части. В ней число групп сведено к двум: водоёмы стоковые и испаряющие, которые включают по два класса с несколькими типами.

Каждая из этих групп состоит из двух классов, различающиеся по структуре приходной части баланса. В каждом из классов может оказаться до четырех типов озёр, имеющих различную степень выраженности структурных особенностей того или иного воднобалансового типа в среднем за многолетний период.

В водоёмах первого типа (СП|, СД|, ИП| и ИД|) в годы любой водности сохраняются признаки группы и класса. Например, в водном балансе Ладожского озера, как и Куйбышевского водохранилища, относящихся к типу CFIi, и в особо маловодные годы, и в исключительно многоводные сохраняются соотношения составляющих.

Таблица 3.2.

Классификация водоёмов по структуре многолетнего водного баланса

Примечание: Викулина, 3. А. Водный баланс озер и водохранилищ земного шара // Тр. ГГИ. — 1973. Вып. 203. — С. 248−261; Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли. — Л., 1974. — 638 с.; Водные ресурсы России и их использование. — СПб.: ГГИ, 2008. — 598 с.;² Голдина, Л. П. География озер Болыиеземельской тундры. — Л., 1972. — 102 с.; ³ Никитин, А. М. Озера Средней Азии. — Л., 1987. — 106 с.

V >Р и У>Е. А в озере Хубсугул (тип СП₄) в годы экстремальной водности структура водного баланса может стать подобной озёрам типа СП₄, или ИП₄, или ИД*, в зависимости от чередования лет раз;

личной водности. По средним многолетним данным, озеро Ханка ((р = 4) относится к типу ИД₄ (Р = 54%, Е = 56%), но в многоводные годы структура его водного баланса может смениться на тип СД*.

На диаграмме рис. 3.6 по изолиниям можно определить географические условия местности, в которой могут встретиться водоёмы того или иного типа водного баланса. Например, водоёмы с небольшим удельным водосбором 5 <(р <30 типа ИПз обычны для степных ландшафтов Северного полушария и саванн в Южной Америке. К этому же водно-балансовому типу относятся и крупные озёра Маракайбо, Севан и Туркана (Рудольф).

Структура водного баланса от года к году несколько изменяется. В Ладожском озере (типСП_ь табл. 3.2) за полувековой период (1932;1988 гг.) в экстремально водные годы приходная часть водного баланса увеличивалась более, чем вдвое (от 47 км³ в 1940 г. до 104 в 1958 г., рис. 3.7 I и III). При этом вклад в годовой водный баРис. 3.7. Структура водного баланса Ладожского озера в годы различной водности: / - приток с водосбора и 2- осадки, в % приходной части водного баланса; 3- сток по 11еве и 4— испарение, в % его расходной части (по: Малининой¹).

ланс озера горизонтальных составляющих увеличивался, а вертикальных — снижался, по сравнению со структурой среднего баланса за многолетний период.

В озёрах других типов эта закономерность менее отчетливо выражена. Ведущая роль осадков в изменении структуры годового баланса в многоводные годы возрастает в озёрах дождевого класса тем заметнее, чем меньше их удельный водосбор.

Из анализа разнотипной структуры водного баланса водоёмов суши следует:

— важно различать в каждом водоёме стационарные водные ресурсы Wct (вековые) и динамические И^/д (периодически возобновляющиеся). Величина fV_CT — это объём воды в водоёме при наи-^[1]

низшем уровне в данную гидроклиматическую эпоху, выше которого находится сменяющийся от года к году объём воды И’д, зависящий от ежегодно изменяющегося соотношения приходных и расходных составляющих водного баланса вследствие климатически обусловленных колебаний увлажненности котловины водоёма и его водосбора. Следовательно, статический объём воды в озере W при равновесном уровне, учитываемый в базах лимнологических данных:

где полусумма всех составляющих среднего годового баланса и есть средняя многолетняя величина Wjy — динамических водных ресурсов водоёма;

• — в пересыхающих озёрах имеются только динамические водные ресурсы, а стационарных нет. В водохранилищах динамические водные ресурсы аккумулируются в полезной ёмкости, а ниже уровня проектной сработки находятся их стационарные водные ресурсы при заданном в проекте диспетчерском графике работы гидроузла. Ориентировочно, суммарные динамические водные ресурсы в водохранилищах мира составляют около 40% их суммарного объёма при НПУ (2,5 тыс. км³), а динамические озёрные ресурсы — всего около 0,5% (0,9 тыс. км³, почти втрое меньшие, чем водохранилищные). Остальные 99,5% озёрного фонда — вековые водные ресурсы, даже частичное изъятие которых из озера ведет к деградации озёрной экосистемы вследствие неизбежного и невосполнимого снижения уровня равновесия;
• — озёра и водохранилища, расположенные в гумидных природных зонах, где видимое испарение за безлёдный период имеет отрицательное значение, т. е. л_ср. >у_ср., регулируя речной сток, увеличивают его годовую величину. В аридных регионах — снижают речной сток на 10% и более. В то же время, сооружение водохранилища даже в гумидной зоне приводит к некоторому уменьшению речного стока, поскольку годовая величина испарения с водной поверхности больше, чем с затопляемого им ландшафта. Но при подобных оценках следует учитывать, что, чем больше удельный водосбор водоёма, тем меньше влияние наличия водоёма на величину речного стока в любых ландшафтных условиях;
• — все долинные водохранилища относятся к водно-балансовому типу Crij. При этом горизонтальные компоненты внешнего водообмена интенсивнее вертикальных в 3−4 раза и более. Кратность их превышения в осредненном за многолетний период водном балансе в любом долинном водохранилище определяется, прежде всего, выбором местоположения гидроузла и размером площади водоёма. От этого зависит значение его удельного водосбора и природное формирование притока воды и её испарение, характеризуемые коэффициентами г/ и е.

Кроме того, любое изменение проектного регулирования водохранилищем стокабудь то назначение более высокой отметки НПУ либо межбассейновая переброска в него стокаведёт к уменьшению удельного водосбора из-за увеличения площади водоёма (в первом случае) или к повышению значения удельного водосбора (во втором случае) вследствие увеличения стокоформирующей площади А. В подобных случаях неизбежна трансформация структуры водного баланса, которая тем заметнее, чем сильнее изменение величины (р. В иных вариантах (при неизменности (р) то или иное управление расходованием динамических водных ресурсов, сосредоточенных в полезном объёме, ведёт лишь к временным отклонениям значений водно-балансовых составляющих от «нормы», как бы к «раскачке» структуры водного баланса. Это сопровождается деформацией его структуры относительно средней многолетней, предопределенной еще в момент утверждения места створа гидроузла, НПУ и площади будущего водохранилища.

• [1] Малинина Т. И. Водный баланс Ладожского озера // Гидрологический режим иводный баланс Ладожского озера. — Л.: Изд-во ЛГУ, 1966. — С. 183−203.