Зональные и азональные особенности водосборов и водных объектов суши

Зональность структуры водного баланса водосборов

Суша, площадь которой 149 млн км², подразделяется на 13 географических поясов. Наиболее велика территория тропических поясов в южном и северном полушариях (35% поверхности суши), площадь расположенных между ними экваториального и двух субэкваториальных поясов вдвое меньше (17%). Суммарная площадь двух субтропических и двух умеренных поясов составляет 32% суши, а остальные 16% ее территории лежат в субполярных и полярных поясах. Эта ландшафтная поясность обусловлена широтными различиями годовых величин радиационного баланса суши (см. рис. 1.7), т. е. неравномерностью распределения поглощаемой ее поверхностью солнечной энергии.

Внутри географических поясов выделяют 20 природных зон и области высотной поясности 11 типов [20], которые различаются увлажненностью почв и грунтов. Чтобы учесть эту экологически важную характеристику гидрологического состояния суши, наряду с традиционным основным уравнением водного баланса водосбора речной системы

(Р— объем воды атмосферных осадков; Е— объем испарившейся воды; V— объем водного стока), М. И. Львовичем предложено использовать систему из уравнений:

в которой добавлена величина валового увлажнения территории fV_T, а сток V представлен его поверхностно-склоновой V_c и подземной У" составляющими.

Известно, что растительный покров служит хорошим индикатором соотношения тепла и влаги, которые получают различные территории суши в среднем за год. Поэтому природным зонам и высотным поясам даны названия преобладающих в их пределах фитоценозов [20]. Количественным гидроклиматическим показателем этого соотношения служит индекс сухости е = EJP, где Р — объем воды в осадках, как и в формулах (2.1) и (2.2), а величина Е₀ = I_r/L — испаряемость. Эта гидрометеорологическая характеристика предназначена для связи теплового и водного балансов. Она представляет собой водный эквивалент поглощенной сушей или водоемом лучистой энергии (солнечной радиации и длинноволнового встречного излучения атмосферы), так как I_R — радиационный баланс, a L — удельная теплота парообразования. Следовательно, испаряемость — это объем воды, который может испариться с поверхности, если вся теплота, полученная ею в результате поглощения лучистой энергии, будет затрачена на испарение воды с этой поверхности. Совпадение значений испаряемости и фактического испарения Е₀= Е возможно лишь при наличии достаточного для непрерывного испарения количества воды под испаряющей поверхностью. Это условие реализуется только в непересыхающем водном объекте либо на достаточно увлажненной территории. Тогда ее валовое увлажнение W_T больше критического значения продуктивной влажности почвы fV₀, при которой испарение с нее не лимитируется недостатком почвенной влаги.

Осредненные за многолетний период значения основных составляющих водного баланса всей суши в виде слоя воды на единичную поверхность, т. е. (тыс. км³/год)/млн км², приблизительно (при невязке баланса всего 4,5%) равны:

Показателем структуры этого трехкомпонентного водного баланса территории служит коэффициент стока ц = у/х, равный для суши 0,4. Это означает, что 40% объема атмосферной воды, выпадающей в виде дождя и снега на сушу, превращается в речной сток, а остальная ее часть испаряется. В различных природных зонах структура водного баланса, как видно по разбросу точек на графиках рис. 2.1, существенно различна. Во внутритропических и субтропических поясах, где особенно велик радиационный баланс и слой испаряемости го >1000 мм/год, коэффициент стока тем больше, чем выше годовой слой осадков. В умеренных и полярных поясах по мере уменьшения их тепловых ресурсов и испаряемости пропорциональность роста величины ц увеличению осадков выражена еще больше (рис. 2.1, а). В обобщенном виде эта зависимость четче проявляется в гиперболической форме связи между зональными значениями коэффициента стока и индекса сухости е территорий (рис. 2.1, б).

Наиболее крупная из гумидных зон — таежная зона хвойных лесов умеренного пояса, занимающая около 10% территории суши, имеет значения ц = 0,43 и е= 0,75, т. е. близкие к их средним значениям для всей суши. Отмечается сходство структуры водного баланса зоны тундры и лесотундры с зоной влажных экваториальных лесов, в которых значения коэффициента стока практически одинаковы — 0,55 и 0,52 соответственно, в то время как различие в количестве выпадающих осадков крайне велико — 400 и 2300 мм/год.

Рис. 2.1. Зависимости зональных величин коэффициента стока r| = Q/P=у/х а — от среднего годового слоя осадков х и испаряемости Zo (цифры у кривых); б— от индекса сухости е (Н. М. Алюшснская) [9].

Самые благоприятные для жизни человека природные зоны — лесные, лесостепные и степные в умеренном и субтропическом поясах — заселены плотно, поскольку в них сосредоточено более 90% населения Земли. Но в этих природных зонах формируется только 65% речного стока, поэтому динамические, ежегодно возобновляющиеся водные ресурсы здесь сравнительно невелики. В связи с этим избыточно увлажненные зоны полярных и экваториальных географических поясов с наименьшей плотностью населения рассматриваются как потенциальные водоисточники при решении проблемы улучшения водоснабжения населения природных зон с наиболее благоприятными для человека климатическими условиями.

Исследования, выполненные в Институте географии РАН (А.Н.Кренке, А. Н. Золотокрылин, 1984), показали наличие межзонального тепловлагообмена крупных территорий, сильно различающихся типом растительного покрова. Установлено, что леса и пустыни — наиболее энергоактивные зоны суши. В лесах особенно велики теплопотери на суммарное испарение, в структуре которого ведущую роль играет транспирация, а также велико испарение атмосферных осадков, задерживаемых кронами деревьев (табл. 2.1).

Таблица 2.1.

Структура суммарного испарения в лесах.

Над пустынями происходит интенсивный прогрев приземного слоя воздуха вследствие его турбулентного теплообмена с сильно нагревающейся земной поверхностью, которая не охлаждается изза отсутствия растительного покрова. Отсюда поток тепла в приземном слое воздуха направлен в сторону экваториальных лесов с более низким атмосферным давлением. Именно благодаря этому добавочному адвективному теплу в экваториальных лесах суммарная величина испарения превышает значение испаряемости. На то, что этот межзональный тепловлагообмен имеет глобальное значение, указывает сопоставление ландшафтной структуры суши, свободной от покровных ледников, с вкладом различных угодий в суммарную величину теплопотерь суши на испарение (табл. 2.2).

Из сопоставления этих данных видно, что испарение в тропических лесах в 2,4 раза превышает испарение с суши, которую они занимают, в то время как бесплодные земли, наоборот, характеризуются почти вдвое меньшей долей испарения по сравнению с относительной площадью их поверхности. Таким образом, в противоположность Мировому океану, в котором адвекция водных масс из экваториального пояса выносит тепло в тропические пояса, в приземном слое атмосферы над сушей адвекция тепла Таблица 2.2.

Теплопотери на испарение воды с суши (по А. Н. Кренке, 1984).

направлена от тропических пустынь, составляющих наибольшую часть не используемых в хозяйстве земель, к экваториальным лесам. Нарушение теплообмена вследствие ведущейся сейчас неконтролируемой вырубки лесов, по мнению многих ученых, чревато непредсказуемыми экологическими последствиями.