- •Isbn 978-5-06-005815-4 © фгуп «Издательство «Высшая школа», 2007
- •Предисловие
- •Введение
- •Вода в природе и жизни человека
- •Водные объекты. Понятие о гидросфере
- •Гидрологический режим и гидрологические процессы
- •Науки о природных водах
- •Методы гидрологических исследований
- •Использование природных вод и практическое значение гидрологии
- •2. В числителе приведено полное, в знаменателе — безвозвратное водопотребление.
- •Глава 1 химические и физические свойства природных вод
- •Вода как вещество, ее молекулярная структура и изотопный состав
- •1.2. Химические свойства воды. Вода как растворитель
- •1.3. Физические свойства воды 1.3.1. Агрегатные состояния воды и фазовые переходы
- •Плотность воды
- •Тепловые свойства воды
- •Некоторые другие физические свойства воды
- •Глава 2 физические основы гидрологических процессов
- •Фундаментальные законы физики и их использование при изучении водных объектов
- •Водный баланс
- •Баланс содержащихся в воде веществ
- •Тепловой баланс
- •Основные закономерности движения природных вод
- •Классификация видов движения воды
- •Расход, энергия, работа и мощность водных потоков
- •Силы, действующие в водных объектах
- •Уравнение движения водного потока
- •Вертикальная устойчивость вод
- •Глава 3 круговорот воды в природе и водные ресурсы земли
- •Вода на земном шаре
- •Современные и ожидаемые изменения климата и гидросферы земли
- •Круговорот теплоты на земном шаре и роль в нем природных вод
- •Круговорот воды на земном шаре
- •И водные ресурсы Земли», 1974)
- •Вод в грунтах
- •Круговорот содержащихся в воде веществ
- •Влияние гидрологических процессов на природные условия
- •Водные ресурсы земного шара, частей света и россии
- •Та блица 3.6. Средние многолетние (1930—2000) водные ресурсы России*
- •Глава 4 гидрология ледников
- •Происхождение ледников и их распространение на земном шаре
- •Типы ледников
- •Образование и строение ледников
- •Питание и абляция ледников, баланс льда и воды в ледниках
- •Режим и движение ледников
- •Роль ледников в питании и режиме рек. Практическое значение горных ледников
- •Глава 5 гидрология подземных вод
- •Происхождение подземных вод и их распространение на земном шаре
- •Физические и водные свойства грунтов. Виды воды в порах грунтов
- •Физические свойства грунтов
- •Виды воды в порах грунта
- •5.2.3. Водные свойства грунтов
- •Классификация подземных вод. Типы подземных вод по характеру залегания
- •Воды зоны аэрации. Почвенные воды, верховодка, капиллярная зона
- •Воды зоны насыщения. Грунтовые воды
- •5.3.5. Другие типы подземных вод
- •Движение подземных вод
- •Водный баланс и режим подземных вод
- •Водный баланс подземных вод
- •5.5.2. Водный режим зоны аэрации
- •Режим грунтовых вод
- •Провинции: а — кратковременного питания, б— сезонного питания, в — круглогодичного питания (I—XII — месяцы)
- •Взаимодействие поверхностных и подземных вод. Роль подземных вод в питании рек.
- •Практическое значение и охрана подземных вод
- •Глава 6 гидрология рек
- •Реки и их распространение на земном шаре
- •Водосбор и бассейн реки
- •По линии а — б:
- •Сток; 8 — русла рек
- •Морфометрические характеристики бассейна реки
- •Физико-географические и геологические характеристики бассейна реки
- •Река и речная сеть
- •Долина и русло реки
- •Продольный профиль реки
- •Плес; Пр — перекат
- •Питание рек
- •Виды питания рек
- •Классификация рек по видам питания
- •Расходование воды в бассейне реки
- •Водный баланс бассейна реки
- •Уравнение водного баланса бассейна реки
- •Структура водного баланса бассейна реки
- •Водный режим рек
- •Виды колебаний водности рек
- •1 Числитель — данные за 1942—1955 гг., знаменатель — за 1956—1969 гг. 2 Данные за 1941— 1967 гг. 3 Данные за 1968—1987 гг. Прочерк означает отсутствие данных.
- •Фазы водного режима рек. Половодье, паводки, межень
- •Расчленение гидрографа по видам питания
- •Классификация рек по водному режиму
- •Типы: а — дальневосточный (р. Витим, г. Бодайбо, 1937 г.); 6 — тянь-шанский (р. Терек, с. Казбеги,
- •1937 Г.) (I—XII — месяцы)
- •Речной сток
- •Составляющие речного стока
- •Факторы и количественные характеристики стока воды
- •Пространственное распределение стока воды на территории снг
- •Движение воды в реках
- •Распределение скоростей течения в речном потоке
- •Динамика речного потока
- •Закономерности трансформации паводков
- •Движение речных наносов
- •Происхождение, характеристики и классификация речных наносов
- •Частиц, мм 1,0 0,5 0,2 0,1 0,05 0,01 0,005 0,001
- •Движение влекомых наносов
- •Движение взвешенных наносов
- •Сток наносов
- •И связи между ними (б):
- •Русловые процессы
- •Физические причины и типизация русловых процессов
- •Микроформы речного русла и их изменения
- •Мезоформы речного русла и их изменения
- •Макроформы речного русла и их изменения
- •Деформации продольного профиля русла
- •Устойчивость речного русла
- •Термический и ледовый режим рек 6.12.1. Тепловой баланс участка реки
- •Ледовые явления
- •Основные черты гидрохимического и гидробиологического режима рек
- •Гидрохимический режим рек
- •Гидробиологические особенности рек
- •Устья рек
- •Факторы формирования, классификация и районирование устьев рек
- •С блокирующей косой
- •Особенности гидрологического режима устьевого участка реки
- •Особенности гидрологического режима устьевого взморья
- •Практическое значение рек. Влияние хозяйственной деятельности на режим рек
- •Практическое значение рек и типизация хозяйственных мероприятий, влияющих на речной сток
- •Влияние на речной сток хозяйственной деятельности на поверхности речных бассейнов
- •Влияние на речной сток хозяйственной деятельности, связанной с непосредственным использованием речных вод
- •2 4 6 8 1012141618202224 Часы
- •6.15.4. Гидролого-экологические последствия антропогенных изменений стока рек
- •Глава 7 гидрология озер
- •7.1. Озера и их распространение на земном шаре
- •Профиль берега
- •Водный баланс озер
- •Уравнение водного баланса озера
- •Структура водного баланса озера
- •Водообмен в озере
- •Колебания уровня воды в озерах
- •Термический и ледовый режим озер
- •Тепловой баланс озер
- •Термическая классификация озер
- •Термический режим озер в условиях умеренного климата
- •Ледовые явления на озерах
- •Основные особенности гидрохимических и гидробиологических условий. Донные отложения озер
- •Гидрохимические характеристики озер
- •Гидробиологические характеристики озер
- •Наносы и донные отложения в озерах
- •Водные массы озер
- •Изменения гидрологического режима каспийского и аральского морей
- •Проблемы, связанные с судьбой Каспийского и Аральского морей
- •Каспийское море
- •Влияние озер на речной сток. Хозяйственное использование озер
- •Глава 8 гидрология водохранилищ
- •Назначение водохранилищ и их размещение на земном шаре
- •Типы водохранилищ
- •Основные характеристики водохранилищ
- •Водный режим водохранилищ
- •Термический и ледовый режим водохранилищ
- •Гидрохимический и гидробиологический режим водохранилищ
- •Заиление водохранилищ и переформирование их берегов
- •Водные массы водохранилищ
- •Влияние водохранилищ на речной сток и окружающую природную среду
- •Глава 9 гидрология болот
- •Происхождение болот и их распространение на земном шаре
- •Типы болот
- •Строение, морфология и гидрография торфяных болот
- •Развитие торфяного болота
- •Фазы: 7 —низинная; 2—переходная; 3— 6— верховая;
- •Водный баланс и гидрологический режим болот
- •Влияние болот и их осушения на речной сток. Практическое значение болот
- •Глава 10 гидрология океанов и морей
- •Мировой океан и его части. Классификация морей
- •Происхождение, строение и рельеф дна мирового океана. Донные отложения
- •Происхождение ложа океана
- •Рельеф дна Мирового океана
- •Донные отложения
- •Водный баланс мирового океана
- •Солевой состав и соленость вод океана
- •Солевой состав вод океана
- •Распределение солености в Мировом океане
- •Термический режим мирового океана
- •Тепловой баланс Мирового океана
- •Распределение температуры в Мировом океане
- •2,7 3,8 5,5 4,4 2,9 2,2 Южное полушарие
- •Факторы, определяющие плотность морской воды
- •Распределение плотности в Мировом океане
- •Морские льды
- •Ледообразование в море
- •Физические свойства морского льда
- •Движение льдов
- •10.7.4. Ледовитость океанов и морей
- •Оптические свойства морской воды
- •Акустические свойства морской воды
- •Волны зыби
- •Деформация волн у берега
- •Волны цунами
- •Внутренние волны
- •Приливы
- •Основные элементы приливов
- •Приливообразующая сила
- •Статическая и динамическая теории приливов. Строение приливной волны и приливные течения
- •Разложение уравнения приливной волны. Гармонические постоянные. Таблицы приливов
- •Приливы в ограниченном водоеме. Сейши
- •Морские течения
- •10.12.1. Силы, формирующие течения. Классификация морских течений
- •Теория ветровых течений
- •Течение
- •Плотностные течения
- •Циркуляция вод в Мировом океане
- •Уровень океанов и морей
- •Кратковременные колебания уровня
- •Сезонные колебания уровня
- •Водные массы океана
- •Основы учения о водных массах
- •Основы г, s-анализа водных масс
- •Водные массы Мирового океана
- •Взаимодействие океана и атмосферы. Океан и климат
- •Ресурсы мирового океана и его экологическое состояние
- •Ресурсы Мирового океана
- •Литература Основная
- •Богословский б. Б. И др. Общая гидрология,— ji.: Гидрометеоиздат, 1984,—356 с.
- •VI Всероссийский гидрологический съезд. 28 сентября — 1 октября 2004 г. Санкт- Петербург. Тезисы докладов. СПб.: Гидрометеоиздат, 2004.
- •Типы рек
Современные и ожидаемые изменения климата и гидросферы земли
В настоящее время человечество становится свидетелем глобальных изменений климата Земли и сопутствующих изменений состояния гидросферы. Эти изменения из области предположений перешли уже в категорию доказанных фактов: происходит общее потепление климата, тают многие ледники, повышается уровень Мирового океана. Идут лишь споры о том, что стало основной причиной этих глобальных изменений климата — астрономические процессы (изменение солнечной активности, положения полюсов Земли и т. д.), естественные периодические колебания системы Мировой океан — ледники, антропогенное увеличение содержания так называемых «парниковых газов» в атмосфере и усиление парникового эффекта.
Гипотеза антропогенного изменения климата, в основу которой положен учет выбросов в атмосферу парниковых газов и прежде всего С02, наиболее полно и последовательно отражена в Третьем докладе, подготовленном Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) (IPCC-2001)5. Этот доклад содержит как самые последние оценки происшедших в XX в. изменений климата и гидросферы Земли, так и многовариантные прогнозы глобальных изменений в XXI в.
МГЭИК была учреждена в 1988 г. Программой ООН по окружающей среде и Всемирной метеорологической организацией (ВМО), поэтому ее оценки носят официальный характер и заслуживают более подробного рассмотрения. Весьма важно, что эти оценки в целом нашли подтверждение в материалах Всемирной конференции по изменению климата, которая прошла в Москве 29 сентября — 3 октября 2003 г.6
Глобальные изменения климата и гидросферы в XX в. По оценкам МГЭИК, средняя концентрация диоксида углерода (углекислого газа С02) в атмосфере с 1750 по 2000 гг. увеличилась с 0,280 до 0,368 %с, т. е. на 31 %. Основная причина этого — увеличение выбросов газа в атмосферу в результате сжигания органического топлива. Возросло содержание в атмосфере и других парниковых газов — метана СН4, закиси азота N02, озона 03 и др. Парниковые газы, а также водяной пар поглощают длинноволновое (инфракрасное) излучение, испускаемое поверхностью Земли, что ведет к нагреванию нижних слоев атмосферы. Такое явление получило название «парниковый эффект». Он был всегда присущ атмосфере Земли, но в последнее столетие усилился.
Средняя глобальная температура поверхности Земли возросла в XX в. на 0,6 °С. При этом температура над поверхностью суши увеличилась сильнее, чем над поверхностью океана. Наибольшее потепление отмечалось в 1910—1945 гг. и с 1979 по 2000 гг., а в 1946—1975 гг. наблюдалось некоторое похолодание. Потепление в Северном полушарии в XX в. было наибольшим за последние 1000 лет. Последние 10 лет XX в. были самыми теплыми, а в 1998 г. отмечалась самая высокая средняя годовая температура.
Количество атмосферных осадков в высоких и средних широтах Северного полушария увеличилось в XX в. на 5—10%. Возросли осадки также и в тропиках. Однако в Северной и Западной Африке и некоторых районах Средиземноморья осадки несколько уменьшились. В высоких и средних широтах Северного полушария возросла повторяемость выпадения обильных осадков и катастрофических дождевых паводков. Вместе с тем увеличились частота и суровость засух в некоторых частях Азии и Африки. В течение последних 20— 30 лет XX в. явления Эль-Ниньо стали более частыми, продолжительными и интенсивными, чем в предшествующие десятилетия.
Происшедшие изменения климата отразились и на состоянии гидросферы. Глобальное потепление в XX в. привело к повсеместному отступанию горных ледников; сокращению площади снежного покрова (на 10 % после 1960 г., когда начались специальные наблюдения); подтаиванию и деградации многолетней мерзлоты в некоторых полярных, субполярных и горных районах; уменьшению толщины льда в арктических морях; сокращению приблизительно на 2 недели длительности ледостава на реках в высоких и средних широтах Северного полушария.
Изменения атмосферных осадков вызвали аналогичные изменения речного стока. Он, в частности, несколько возрос в тропиках и в средних и высоких широтах Северного полушария.
Повышение уровня Мирового океана в течение XX в. оценено в докладе МГЭИК величиной 10—20 см (1—2 мм/год); при этом в разных районах величина подъема уровня океана оказалась разной. Осредненный график повышения уровня океана в XX в. представлен на рис. 3.1, а.
Повышение уровня Мирового океана в XX в. в среднем на 15 см соответствует увеличению объема вод в океане на 54,2 тыс. км3, или всего на 0,004 % полного его^ объема. Средняя интенсивность увеличения объема вод Мирового океана за 100 лет составила 542 км3/год.
Происшедшие изменения климата и гидросферы оказали воздействие и на другие компоненты природной среды и условия жизни людей. В Северном полушарии в течение последних 40 лет период роста растений увеличивался примерно на 1—4 дня за каждые 10 лет. Границы произрастания растений и обитания животных (насекомых, птиц и рыб) сдвинулись в Северном полушарии в сторону полюса и вверх по склонам гор. Ущербы, обусловленные климатическими и гидрологическими явлениями, в последние 40 лет увеличились.
По данным Ю. JI. Воробьева, В. А. Акимова, Ю. И. Соколова (2003)повторяемость катастрофических наводнений на земном шаре
Рис.
3.1. Изменения уровня Мирового океана:
по наблюдениям, согласно Первому
докладу МГЭИК (1990) (а),
и по прогнозу, по данным Третьего
доклада МГЭИК (2001) (б).
Ожидаемый рост уровня: 1
— максимальный; 2—
средний; 3
—
минимальный
в последние десятилетия заметно увеличилась; возрос и ущерб, приносимый наводнениями населению и экономике. Специалисты объясняют это нерациональным ведением хозяйства и изменением климата. Площадь территорий на планете, подверженных наводнениям, превышает в настоящее время 3 млн км2; проживает здесь около 1 млрд человек. От наводнений каждый год гибнут тысячи людей, ежегодные убытки составляют десятки миллиардов долларов. Только в одном 2002 г. в мире произошло 261 значительное наводнение, причем 9 из них (в том числе наводнение на юге России) отнесены к числу экстремальных, которые случаются раз в столетие. В результате наводнений в 2002 г., по оценкам Всемирной метеорологической организации, на земном шаре пострадало свыше 17 млн жителей из 80 стран, погибло более 3 тыс. человек, ущерб от бедствий составил более 30 млрд долларов. В России площадь территории, подверженной опасности только паводочных наводнений, составляет 400 тыс. км2; ежегодно затопляется около 50 тыс. км2. Средний ежегодный ущерб от наводнений оценивается почти в 42 млрд руб.
Глобальные климатические модели. В последнее время для оценки происходящих, а главное, ожидаемых изменений климата и гидросферы Земли стали широко применять глобальные климатические модели (ГКМ). Современные ГКМ включают в качестве компонентов интерактивные (взаимодействующие между собой) математические модели атмосферы, океана, верхних слоев суши, криосферы (ледниковых систем), биосферы. ГКМ основаны на физических законах и представлены сложной системой дифференциальных уравнений в частных производных.
Проверка ГКМ с использованием данных наблюдений в XX в., проведенная МГЭИК, показала в целом хорошее совпадение фактических и рассчитанных величин изменений климата при известных изменениях концентрации С02 в атмосфере. Результаты такой проверки позволяют сделать по крайней мере четыре важных вывода: 1) ГКМ более или менее адекватно отражают происходящие изменения климата; 2) подтверждается ведущая роль содержания С02 и парникового эффекта в изменениях климата; 3) подтверждается антропогенная гипотеза изменений климата; 4) ГКМ могут быть использованы для многовариантных и приближенных расчетов возможных изменений климата в XXI в.
Прогнозы глобальных изменений климата и гидросферы в XXI в. Прогностические оценки в докладе МГЭИК сделаны, исходя из различных сценариев изменения выбросов парниковых газов в атмосферу, в свою очередь зависящих от социально-экономических и технологических характеристик различных схем дальнейшего развития человечества. По этой причине прогностические оценки обладают существенной неопределенностью и имеют многовариантный характер.
По разным сценариям МГЭИК, концентрация С02 в атмосфере к 2100 г. может возрасти до 0,540—0,970 %о по сравнению с 0,368 %о в 2000 г. Все остальные прогнозы, основанные на сценариях изменения содержания С02, также дают большие разбросы ожидаемых величин.
Согласно прогностическим оценкам МГЭИК, средняя температура поверхности Земли повысится с 1990 по 2100 гг. на 1,4—5,8 °С. Это приблизительно в 2—10 раз больше величины потепления, наблюдавшегося в XX в. В периоды с 1990 по 2025 гг. и с 1990 по 2050 гг. прогнозируется возрастание температуры соответственно на 0,4—1,1 и 0,8—2,6 °С. Темпы потепления климата в XXI в. могут оказаться самыми высокими за последние 10 000 лет.
В XXI в. среднее годовое количество атмосферных осадков, по прогнозам МГЭИК, увеличится в высоких широтах Северного полушария (как в летнее, так и в зимнее время); в средних широтах Северного полушария, тропической Африке и в Антарктике в зимнее время; в южной и восточной частях Азии в летнее время.
В Австралии, Центральной Америке и южной части Африки дожди в зимнее время должны уменьшиться.
С точки зрения гидрологии, очень важны оценки возможного изменения возобновляемых водных ресурсов — речного стока. В прогнозах МГЭИК отмечается, что в целом по земному шару прогностические оценки изменения речного стока совпадают с аналогичными оценками изменения атмосферных осадков, хотя в некоторых районах рост осадков может компенсироваться увеличением испарения, вызванным ростом температуры. Более конкретные прогнозы изменения стока зависят от сценария увеличения содержания С02 в атмосфере и роста температуры, поэтому все прогнозы изменения речного стока следует рассматривать как весьма приближенные.
Согласно прогнозам МГЭИК, к 2050 г. при условии экстремального увеличения содержания С02 до 0,643 %с и роста глобальной температуры на 2,5 °С по сравнению с температурой в 1990 г. ожидается увеличение годового стока рек в высоких широтах Северного полушария (в частности, в Канаде и Сибири) и Юго- Восточной Азии; уменьшение годового стока рек в Центральной Азии, южной части Африки, северной части Южной Америки, Австралии, в южной и центральной Европе.
Что касается изменения стока конкретных рек, то соответствующие прогнозы весьма ненадежны и противоречивы. Однако большинство интерпретаторов выводов МГЭИК сходится во мнении, что в XXI в. заметно возрастет сток таких рек, как Юкон, Макензи, Обь, Енисей, Лена, Амазонка, Ганг и Брахмапутра. При реализации некоторых сценариев может увеличиться и сток Волги.
По оценкам И. А. Шикломанова и В. Ю. Георгиевского (2003), ожидаемое потепление в холодный период года в высоких широтах приведет на большей части России к повышению зимнего стока в результате увеличения частоты и интенсивности оттепелей.
Ледники, по прогнозам, будут в XXI в. постоянно отступать. Снежный покров на суше и площадь морских льдов в Северном полушарии будут продолжать сокращаться. Ледяной покров арктических островов и Гренландии, скорее всего, уменьшится. Ледяной покров в Антарктиде (в особенности в ее центральной части) будет, наоборот, увеличиваться в результате возрастания количества осадков.
В Северном полушарии продолжится сокращение площади и мощности многолетней («вечной») мерзлоты. По некоторым оценкам, южная граница многолетнего промерзания грунтов как в Евразии, так и в Северной Америке может сместиться к северу: в случае увеличения температуры на 2 и 4 °С — соответственно на 5 и 10° с. ш.
Уровень Мирового океана в результате увеличения осадков и речного стока, таяния ледников, а также теплового расширения морской воды, по прогнозам МГЭИК, может возрасти за 1990— 2025, 1990—2050 и 1990—2100 гг. соответственно на 3—14, 5—32 и 9—88 см (рис. 3.1, б). При этом темпы повышения среднего уровня океана будут возрастать (табл. 3.3).
В XXI в. прогнозируются увеличение изменчивости метеорологических и гидрологических явлений; увеличение в ряде районов интенсивности осадков; усиление засух и наводнений, связанных с явлением Эль-Ниньо; увеличение максимальных скоростей ветра и осадков при тропических циклонах и др.
В целом прогнозируемые на XXI в. изменения в гидросфере Земли могут оказать, по мнению МГЭИК, заметное отрицательное
Таблица 3.3. Средние оценки ожидаемого повышения уровня Мирового океана в XXI в. (по материалам Межправительственной группы экспертов по изменению климата (2001))
8,5
10
30
Повышение уровня Год по сравнению с уровнем
1990 г., см
Гидрология 2
ПРЕДИСЛОВИЕ 5
ВВЕДЕНИЕ 10
Глава 1 34
ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ ВОД 34
(1.10) 49
(1.11) (1.12) 49
Глава 2 58
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 58
Глава 3 76
КРУГОВОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ И ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ ЗЕМЛИ 76
Глава 4 114
ГИДРОЛОГИЯ ЛЕДНИКОВ 114
Глава 5 ГИДРОЛОГИЯ ПОДЗЕМНЫХ вод 135
777777А1 г—I2 I— \з ЕЕЕг 152
Глава 6 166
ГИДРОЛОГИЯ РЕК 166
k=f/F, (6.4) 173
(6.з9) 213
Глава 7 258
X = /1^ ; (Ю.12) 385
И; 0 411
Изменение уровня за период между указанными годами
мм/год
2,4
4.0
6.0
Примечание. Среднее повышение уровня Мирового океана в XX в., по оценкам МГЭИК, составило 15 см, что соответствует средней интенсивности подъема уровня 1,5 мм/год.
воздействие на население и природу в низинных прибрежных районах, дельтах и на островах (в результате затопления земель и размыва берегов). Например, по оценкам Нобуо Мимуры (2003), повышение уровня океана на 9, 50 и 88 см приведет к затоплению земель на площади, равной соответственно 0,45; 0,65 и 0,83 % площади всей суши. Доля населения, на жизни которого скажется это повышение уровня океана к 2100 г., составит соответственно 1,19; 1,84 и 2,34 % всего населения планеты.
Кроме того, в XXI в. могут возрасти ущербы от паводочных наводнений на реках, оползней, лавин, селей, от эрозии земель в речных бассейнах.