Рис. 3.3. Схема глобального круговорота воды:

А — океаническое звено, Б, Б’ — материковое звено с поверхностной Б и подземной Б' частями: /—океан (z_OK — испарение, х_ж — осадки), II— области внешнего стока суши (z’_c ~ испарение, Хс —осадки, у — поверхностный сток, w ~ подземный сток), III— области внутреннего стока суши (г"—испарение, х" — осадки, .у'— поверхностный сток, w’ — подземный сток), г—пере­нос влаги в атмосфере, р — океанические течения, и и и' —инфильтрация, подъем и испарение

Вод в грунтах

Разность в 47 тыс. км³ составляют воды, которые переносятся с океана на сушу в виде водяного пара. Таким образом, в океани­ческое звено круговорота воды на Земле вовлечено 458 тыс. км³ воды в год.

На поверхность суши ежегодно выпадает в среднем 119 тыс. км³ атмосферных осадков. Они слагаются из воды, испарившейся с по­верхности суши (72 тыс. км³), и влаги, принесенной с океана (47 тыс. км³). Таким образом, в материковом звене круговорота воды на Земле принимает участие 72 тыс. км³ в год. Важно отме­тить, что из 72 тыс. км³ испаряющейся ежегодно с поверхности суши воды 30 тыс. км³ (42 %) приходится на транспирацию расти­тельным покровом.

Водообмен между сушей и океаном составляет, как уже указы­валось, 47 тыс. км³ в год. Переносимая с океана влага возвращается в него с равным ей по величине материковым стоком. Материко­вый сток (47 тыс. км³ воды в год) слагается из поверхностного (44,7 тыс. км³ в год) и подземного, не дренируемого реками (2,2 тыс. км³ в год). Поверхностный сток, в свою очередь, включа­ет водный сток рек, впадающих в океан (41,7 тыс. км³ в год), и ледниковый сток (3,0 тыс. км³ в год). Последний представляет собой разгрузку покровных ледников в виде откалывающихся от него айсбергов и поступление непосредственно в океан талой воды из покровных ледников. Наибольшую часть ледникового стока дает Антарктида (2,3 тыс. км³ в год).

Рассмотренная выше схема круговорота воды на земном шаре в действительности более сложна. Во-первых, перенос влаги с океана на сушу в размере 47 тыс. км³ в год практически есть результиру­ющий влагоперенос через границу океан — суша. По данным аэро­логических измерений установлено, что полный перенос влаги с океана на сушу равен 101 тыс. км³ в год. В обратном направлении — с суши на океан — переносится около 54 тыс. км³ в год. Полагают, что из этих 54 тыс. км³ воды одна часть (19 тыс. км³) — результат испарения океанической воды, выпавшей над сушей в виде осад­ков, а другая — 35 тыс. км³ — та же океаническая вода, прошедшая над сушей «транзитом».

Во-вторых, при исследовании гидрологических процессов на суше очень важно учитывать, что суша подразделяется на две ча­сти — области внешнего стока, откуда выпавшие атмосферные осад­ки так или иначе поступают в Мировой океан, и области внутрен­него стока (бессточные области), не дающие стока в Мировой океан. На долю областей внешнего стока приходится 80 % площади суши, на долю областей внутреннего стока (бессточных) — 20 %.

Главный водораздел земного шара делит всю сушу на два склона: первый — со стоком рек в Атлантический и Северный Ледовитый океаны и второй — со стоком рек в Тихий и Индийский океаны. Главный водораздел проходит по Южной и Северной Америке от мыса Горн по Андам, Скалистым горам до Берингова пролива, по восточному нагорью Азии, пересекает его в широтном направле­нии, а затем продолжается вдоль восточной окраины Африки к ее южной оконечности. К бассейну Северного Ледовитого океана относится 15 % всей площади суши, Атлантического — 34, Тихо­го — 17, Индийского — 14 %.

К наиболее обширным областям внутреннего стока (бессточ­ным областям) относятся: в Европе — водосборный бассейн Кас­пийского моря; в Азии — обширная Туранская низменность, вклю­чающая водосборные бассейны Аральского моря и оз. Балхаш, пустыни Алашань, Гоби, Такла-Макан, часть Аравийского полу­острова и др.; в Африке — пустыни Сахара, Ливийская, Нубийская, Калахари, водосборы озер Чад, Рудольф и др.; в Северной Амери­ке — пустыня Большого Бассейна, включая район Большого Соле­ного озера и др.; в Южной Америке — водосборы озер Титикака — Поопо, полупустынные плато Патагонии и др.; в Австралии — за­падная и центральная части материка (более 50 % всей его пло­щади).

В областях внешнего стока ежегодно выпадает 110 тыс. км³ осадков, а испаряется 63 тыс. км³. Разница (47 тыс. км³) и состав­ляет материковый сток в океан. В областях внутреннего стока выпадает в общей сложности 9 тыс. км³ осадков в год, и весь этот объем воды в конечном счете испаряется.

Все крупнейшие реки мира дренируют области внешнего стока. Но и в областях внутреннего стока (бессточных областях) имеются довольно крупные реки с суммарным стоком около 1 тыс. км³ в год. Среди этих рек Волга, Амударья, Сырдарья, Или. На долю Волги приходится около 1/4 стока всех рек бессточных областей. Реки в бессточных областях несут свои воды в замкнутые бессточ­ные озера, где эти воды и испаряются.

Приведенные в табл. 3.4 данные отражают водный баланс Зем­ли и отдельных частей гидросферы по состоянию на 70-е годы прошлого века. Очевидно, что одновременно с происходящим в на­стоящее время перераспределением объемов вод между объектами гидросферы должны несколько измениться и составляющие водного баланса. К сожалению, новых детальных исследований в этой обла­сти пока не проведено. По некоторым данным (Р. К. Клиге, 2000), в современных условиях ряд показателей водного баланса Земли, приведенных в табл. 3.4, немного изменился. Несколько возросли речной (на 0,5 тыс. км³/год), ледниковый (на 0,8 тыс. км³/год) и подземный (на 0,5 тыс. км³/год) стоки; увеличилось испарение с поверхности океана (на 2 тыс. км³/год) и уменьшилось испарение с поверхности суши (на 2 км³/год); осадки на поверхность океана и суши практически не изменились.

Внутриматериковый влагооборот. Осадки на любом участке суши складываются из «внешних», сконденсировавшихся из водяного пара, пришедшего извне, и «внутренних» (или местных), сконденсиро­вавшихся из влаги, испарившейся с поверхности данного конкрет­ного участка суши. Этот сложный многократно повторяющийся процесс называется внутриматериковым влагооборотом.

Рассмотрим его несколько подробнее. Пусть составляющие влагооборота над ограниченным участком суши за интервал време­ни Дt будут заданы следующими величинами (рис. 3.4). С атмос­ферным воздухом поступает извне влага объемом А. Величина ис­парения с поверхности земли равна z■ Осадки могут быть представ­лены как x = x_A + x_z, где х_А — внешние осадки из водяного пара, пришедшего извне, x_z — внутренние (местные) осадки. Часть осад­ков переходит в воды поверхностного у и подземного w стока.

Рис. 3.4. Схема внутриматерикового влаго­оборота

За пределы участка будет вынесен водяной пар, количество которого С включает как часть влаги, пришедшей извне, так и часть испарившейся в пределах участка. Величина С может быть выраже­на тремя способами:

С=А-х + z, (3.1)

C=(A-x_a) + (z-x_z), C=A-(y + w).

В

(3.2)

(3.3)

се три уравнения тождественны. Первое и второе тождествен­ны, так как x = x_A + x_z, а первое и третье — поскольку должно вы­полняться уравнение водного баланса для участка суши:

х = z + У+ w. (3.4)

Важной характеристикой внутриматерикового влагооборота слу­жит отношение внешних и внутренних (местных) осадков x_A/x_z или отношение всех осадков к внешним осадкам х/х_А. Последнюю вели­чину называют коэффициентом влагооборота: К_т = х/х_А = (х_А + x_z)/x_A - -\+x_z/x_A. По О. А. Дроздову,

K_m=\ + zL/{2ua), (3.5)

где z — испарение с рассматриваемого участка суши; L — длина участка; и — средняя скорость воздушного потока; а — среднее вла- госодержание воздуха на наветренной стороне участка. Из уравне­ния (3.5) следует, что интенсивность внутриматерикового влагообо­рота тем больше, чем больше размер территории и больше испа­рение, и тем меньше, чем больше влагосодержание приходящего извне воздуха. Для небольших по площади участков суши К_т при­ближается к 1. Величина К_ш свидетельствует о возможностях вла- гообеспечения территории за счет местных ресурсов воды. В засуш­ливых районах К_т меньше, в увлажненных — больше. В среднем для частей света получены следующие величины К_ш: Европа — 1,42; Азия—1,62; Африка—1,42; Северная Америка — 1,54; Южная Америка — 1,68; Австралия — 1,14.

Водообмен. В пределах каждого водного объекта происходит обмен вод. Его интенсивность весьма приближенно может быть охарактеризована с помощью коэффициента условного водообмена К_в, представляющего собой отношение приходных или расходных чле­нов уравнения водного баланса к среднему объему вод в водном объекте V В наиболее общем виде это отношение равно

X — ^{+ +} ^ = ^2 + ^2 + ^ ^{в —} у ~~ V ’

где Yj — приток поверхностных вод к водному объекту; W_{ — при­ток подземных вод к водному объекту; ^—осадки на его поверх­ность; Y₂ — отток поверхностных вод из водного объекта; W₂ — филь­трация вод из водного объекта; Z—испарение с его поверхности. Оба выражения для К_в в формуле (3.5) тождественны, так как при неизменном объеме воды в объекте приходная часть уравнения водного баланса объекта (Х+ Y_x + iV_{) должна быть равна расходной части (Z+Y₂+W₂) (см. разд. 2.2). Все характеристики, кроме V, измеряются в м³ или км³ в год, К-вм³ или км³. При вычислении К_ъ

для водных объектов некоторых типов в формуле (3.6) могут отсут­ствовать отдельные члены: например, для ледников Y_x, W_x, W₂ практически равны нулю, для океана У₂ = О, W₂~ 0.

Слово «условный» введено в понятие для интенсивности водо­обмена в водном объекте из-за того, что в действительности быст­рой и полной замены «старых» вод «новыми» не происходит (не все части водного объекта в равной мере участвуют в обновлении вод). Поэтому коэффициент водообмена весьма приближенно (условно) характеризует действительное обновление вод.

Таким образом, коэффициент условного водообмена K_s по­казывает, сколько раз в году сменяются воды в водном объекте (при К_п> 1) или какая часть объема воды сменяется в течение года (при К_в < 1).

Величина, обратная коэффициенту условного водообмена, на­зывается периодом условного водообмена или периодом условного во­зобновления вод:

х,= 1 /К_в. (3.7)

Величина т_в характеризует время, в течение которого произой­дет полная замена вод в водном объекте при принятом выше до­пущении; т_в измеряют в годах, если К_ъ> 1, и в долях года (ее мож­но выразить в сутках), если К_в< 1. Так, например, в процессе еже­годного водообмена с атмосферой и сушей принимает участие 505 тыс. км³ океанических вод, т. е. всего 0,04 % их общего объема. Период условного возобновления вод Мирового океана составит: 1338 • 10⁶/505 • 10³ = 2650 лет. Годовой сток всех рек (41,7 тыс. км³) почти в 20 раз больше объема воды, единовременно в них находя­щегося (2,12 тыс. км³). Поэтому воды в реках должны возобнов­ляться в среднем за 2120/41700 = 0,051 года, или 19 дней. Заметим, что сооружение водохранилищ на реках привело к увеличению объема воды, находящейся в речной сети, и, соответственно, к воз­растанию периода условного водообмена. Аналогичные данные

о периодах условного возобновления вод для других водных объек­тов, по К. П. Воскресенскому, приведены в табл. 3.1.

Влияние антропогенного фактора на круговорот воды. Важная и новая задача современной гидрологии — это оценка влияния хо­зяйственной деятельности на процессы круговорота воды и водные ресурсы.

В минувшем столетии существенно возросли объемы безвоз­вратного водопотребления. Однако заметного влияния на кругово­рот воды в масштабах всей Земли или даже континентов и крупных регионов эти объемы воды, по-видимому, не оказали, так как изъя­тие воды из водных объектов должно было с неизбежностью при­вести к увеличению испарения и внутриматерикового влагообмена

и, следовательно, атмосферных осадков, и хотя бы частично ком­пенсировать потери вод. Поэтому применительно к континентам, а тем более к планете в целом термин «безвозвратные потери» может использоваться лишь условно. Конечно, безвозвратное (в традиционно понимаемом смысле) водопотребление существен­но влияет на водные ресурсы небольших регионов, отдельных реч­ных бассейнов и водоемов. Так, вследствие изъятия воды на оро­шение существенно сократился сток многих рек Индии, уменьшил­ся сток в устьях рек Днепра и особенно Амударьи, Сырдарьи, Терека.

Единственным антропогенным фактором, действительно ока­завшим влияние на круговорот воды и приведшим к изъятию из этого круговорота некоторого объема воды, было накопление воды в водохранилищах. Создание водохранилищ, как показано в табл. 3.2, привело к уменьшению притока вод в океан и к некоторой задер­жке наблюдавшегося повышения его уровня.

Глобальное потепление климата, перераспределение вод между отдельными объектами гидросферы и повышение уровня Мирового океана, о чем речь шла в разд. 3.2, как полагает ряд ученых, также имеют в основном антропогенные причины.