Зона хозяйственного оптимума увлажнения на суше и ее гидрологические рубежи

О. В. Мезенцева

ЗОНА ХОЗЯЙСТВЕННОГО ОПТИМУМА УВЛАЖНЕНИЯ НА СУШЕ И ЕЕ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ РУБЕЖИ

Предлагается способ выделения зоны хозяйственного оптимума увлажнения на суше и количественные критерии для определения местоположения ее гидрографического и гидролого-климатического рубежей. Характеристика зоны выполнена с помощью таблиц и векторных карт.

Согласно обоснованию физико-географического процесса на базе соотношения влаги и тепла, выполненному А.А. Григорьевым [1] и практически реализованному в работах М.М. Будыко [2], В.С. Мезенцева [3-4], И.В. Кар-нацевича [5], А.Т. Напрасникова [6], известно, что существует пограничная зона с наиболее благоприятными гидро-лого-климатическими условиями для жизни человека и для аграрного природопользования, отделяющая область избыточного увлажнения от области аридной с весьма недостаточным увлажнением. В данной статье сделана попытка географического осмысления проблемы поиска количественных критериев, позволяющих определять местоположение гидрологических рубежей этой пограничной зоны.

Исходными данными для количественной индикации рубежей послужили материалы Омского, ЗападноСибирского, Уральского, Красноярского УГМС, а также

результаты средних годовых и ежегодных (за период инструментальных наблюдений до 2007 г.) расчетов элементов водного баланса и тепловлагообеспеченности для 238 метеостанций Западно-Сибирской равнины (табл. 1, 2). Тепловоднобалансовые расчеты выполнялись по методу гидролого-климатических расчетов (ГКР) [3-4] с использованием современного подхода к оценке теплоэнергетических ресурсов климата и испарения [5]. При анализе положения гидрологических рубежей на территории Западно-Сибирской равнины и континентов были использованы гидрографические карты [7], карты экологического атласа [8] и атласа мирового водного баланса [9], а также построенные с помощью программы Surfer векторные поля изолиний, полученных расчетным путем характеристик естественной тепловлагообеспеченности [10, 11].

Т а б л и ц а 1

Элементы теплового и водного балансов, характеристики тепловлагообеспеченности в средний год для некоторых метеостанций Западной Сибири

Станция P+ Тк Tz Ткрио Укрио Oidv LZ Р_ Zm КХ Z Y Ри П

Салехард 110 1573 1079 494 0,31 0,07 989 110 419 686 386 300 1,73 0,44

Сургут 87 1747 1310 437 0,25 0,05 1094 216 529 654 436 218 1,31 0,33

Томск 20 1878 1585 293 0,16 0,00 1123 462 631 557 447 110 1,05 0,20

Тюмень 59 1968 1748 220 0,13 0,03 1168 580 696 524 466 58 0,77 0,11

Омск 39 1936 1565 371 0,09 0,02 996 570 691 438 397 41 0,63 0,09

Барнаул 20 1994 1669 325 0,07 0,01 1273 396 692 617 507 110 0,91 0,18

Кустанай 15 2044 1919 125 0,06 0,01 902 1017 764 373 360 13 0,50 0,03

Павлодар 10 2070 1994 76 0,04 0,00 859 1135 793 352 342 10 0,46 0,03

Примечание. Обозначения см. в табл. 2; курсивом выделены метеостанции, входящие в зону хозяйственного оптимума увлажнения.

Т а б л и ц а 2

Диапазоны значений норм элементов водного и теплового балансов, характеристик тепловлагообеспеченности в пределах зоны хозяйственного оптимума увлажнения Западной Сибири

Количественная характеристика для годового и вегетационного периодов среднего года Диапазон с С на Ю

Положительная составляющая радиационного баланса в средний год К+, МДж/(м2-год) 1100...2000

Положительная составляющая турбулентного теплообмена в средний год Р+, МДж/(м2-год) 6 о 2 о

Теплоэнергетические ресурсы климата в средний год Тк=К++Р+, МДж/(м2-год) 1850..2000

Сезонные криогенные затраты теплоэнергетических ресурсов климата в средний год Ткрио, МДж/(м2-год) 370.210

Теплоэнергетические ресурсы испарения Т7= Тк — Ткрио, МДж/(м2-год) 1570.1600

Криоклиматический коэффициент Укрио= Ткрио/ Тк, доли ед./год 0,19.0,12

Климатический коэффициент тепловой адвекции ааау=Р+/Тк, доли ед./год 0,03.0,00

Средние годовые затраты тепла на испарение Ь^, МДж/(м2-год) 1170.1000

Отрицательный турбулентный теплообмен с атмосферой Р—, МДж/(м2-год) 400.600

Водный эквивалент теплоэнергетических ресурсов испарения в средний год Zm=Tz/L, мм/год 600.700

Сумма атмосферных осадков в средний год КХ, мм/год 600.400

Суммарное испарение в средний год Z, мм/год 460.380

Суммарный климатический сток в средний год У, мм/год 5 О 3 О

Годовой коэффициент стока п=У/КХ, доли ед./год 0,25.0,075

Коэффициент увлажнения в средний год рн= КХ^т, доли ед./год 1,0.0,65

Средняя относительная влажность почвы в средний год Vср=Wср/Wнв, доли ед./год 1,0.0,65

Дефицит атмосферного увлажнения в средний год АКХ, мм/год 0.-280

Водный эквивалент теплоэнергетических ресурсов климата и испарения за вегетационный пер-иод среднего года Zmo5_o8, мм/май-август 480.550

Сумма атмосферных осадков за вегетационный пер-иод КХ05-08, мм/май-август 350.250

Суммарное испарение за вегетационный пер-иод среднего года Zo5_o8, мм/май-август 360.300

Коэффициент увлажнения за вегетационный пер-иод рн 05-08, доли ед./май-август 1,00.0,60

Средняя относительная влажность почвы за вегетационный пер-иод Уср05_08, доли ед./май-август 1,00.0,65

Относительное испарение за вегетационный период среднего года pz 05-08= Zo5-o8/ Zmo5-o8, доли ед./май-август 0,85.0,45

Дефицит атмосферного увлажнения за вегетационный пер-иод АКХ05-18, мм/май-август 0.-300

Линейное местоположение на суше оптимального сочетания тепла и влаги предлагается рассматривать в качестве главного гидролого-климатического рубежа, разделяющего области избыточного и недостаточного увлажнения (рис. 1). В первой из этих областей из-за избытка атмосферных осадков над теплоэнергетическими ресурсами происходит перерасход тепла на процессы суммарного

испарения. Во второй из-за недостатка влаги и избытка теплоресурсов наблюдается иссушение деятельного слоя и повышенный отрицательный турбулентный теплообмен подстилающей поверхности и атмосферы. На существование этого природного рубежа, соответствующего изолинии определенного соотношения тепла и влаги, обращали внимание А. А. Григорьев [1], М.И. Будыко [2].

5

б

Рис. 1. Схема взаимного расположения гидролого-климатического, гидрографического рубежей и зоны хозяйственного оптимума увлажнения для равнин (а) и предгорий (б): 1 — гидролого-климатический рубеж - линейное местоположение на суше оптимального сочетания тепла и влаги; 2 - зона динамического оптимума увлажнения — область пространственной миграции изолинии оптимального увлажнения по годам с различной структурой водного и теплового балансов, т.е. сухих и влажных лет с обеспеченностью 20 и 80% соответственно; 3 - гидролого-почвенно-мелиоративная константа, принятая в качестве количественного индикатора гидрографического рубежа, норма годового стока У = 30 мм/год или норма годового модуля стока М = 1,0 л/(с-км2), соответствующая нижнему уровню оптимальности сочетания влаги и тепла при средней годовой влажности деятельного слоя средних по мехсоставу почв на уровне влажности завядания и разрыва капилляров; 4 - гидрографическая граничная зона -область пространственной миграции главного гидрографического рубежа по годам с различной структурой водного и теплового балансов, т.е. сухих и влажных лет с обеспеченностью 20 и 80% соответственно; 5 - гидрографический рубеж - линейное местоположение на суше границы, на которой прерывается постоянная речная сеть с местным стоком; зона хозяйственного оптимума увлажнения -область, заключенная между положениями гидролого-климатического и гидрографического рубежей (1 и 5) с учетом их пространственных колебаний в годы с различной структурой водного и теплового балансов

Гидролого-климатический рубеж пространственно соответствует изолиниям единичного значения коэффициента увлажнения, нулевого значения дефицита увлажнения и единичного значения относительной влажности почвы в долях наименьшей влагоемкости. Известно, что этот уровень увлажнения и влажности почвы является верхним уровнем оптимальности увлажнения для большинства сельскохозяйственных культур. Эти значения коэффициента увлажнения, влажности почвы и дефицита увлажнения рассматривались нами в качестве гидролого-почвенно-мелиоративной константы и использовались в качестве количественного индикатора главного гидрологоклиматического рубежа.

В связи с изменчивостью ресурсов влаги и тепла по годам гидролого-климатический рубеж циклически смещается около своего среднего местоположения, образуя между крайними положениями некоторую динамическую зону полной соразмерности тепла и влаги (область 2, рис. 1), достигающую, например, на юге Западной Сибири по ширине нескольких сотен километров, а в предгорьях Центральной Азии всего нескольких десятков километров в плане.

При изучении географических закономерностей гидролого-климатического рубежа было обнаружено, что он топологически связан на континентах с другим

природным рубежом - гидрографическим [12]. Гидрографический природный рубеж представляет собой линейное местоположение на суше предельного минимально оптимального сочетания тепла и влаги, при котором начинает прерываться речная сеть с местным стоком. Гидрографический рубеж ограничивает аридные области, где транзитные реки не получают местного речного притока, имеются многочисленные озера и временные замкнутые водосборы (пересыхающие озера-лужи). Этот рубеж в связи с изменчивостью влаги и тепла по годам также циклически колеблется около своего среднего местоположения (на юге Западной Сибири в пределах 100...150 км), образуя гидрографическую граничную зону (область 4, рис. 1). При переходе от гор к равнинам с аридными условиями ширина гидрографической граничной зоны составляет несколько десятков километров в плане.

Сравнительный анализ карты нормы стока Атласа мирового водного баланса [9] и выявленного главного гидрографического рубежа на континентах показал, что повсеместно этот гидрографический рубеж пространственно соответствует изолинии нормы годового слоя стока У = 30 мм/год или модуля годового стока М = 1 л/(с-км2). Если рассмотреть весь диапазон значений нормы слоя стока (0.5000 мм/год) на карте в Атласе мирового водного баланса, то становится ясно, что

не только эти значения стоковых характеристик, но даже интервал значений стока У = 15.45 мм/год (или М = 0,5...1,5 л/(с-км2)) может использоваться в качестве количественного индикатора гидрографического рубежа на суше. Особенно если учесть среднюю точность измерений речного стока ±10%, а также низкие значения нормы стока и высокие значения коэффициента вариации стока на гидрографическом рубеже. Взаимосвязь климатических условий естественного увлажнения и полноводности рек была замечена географами и гидрологами еще со времен А.И. Воейкова, но количественно гидрографический рубеж до сих пор никем не был определен.

При совместном анализе полей изолиний, рассчитанных по методу ГКР [11] коэффициента увлажнения (рис. 3), относительной влажности почвы в долях наименьшей влагоемкости (рис. 4) и проведенного с исполь-

зованием крупномасштабной карты [7] гидрографического рубежа, было обнаружено, что гидрографическому рубежу пространственно соответствуют изолинии: коэффициента увлажнения 0,65 (среднее значение в интервале 0,6...0,7) и влажности почвы 0,6 (среднее в интервале 0,5 .0,7). Такие значения влажности почвы (в долях наименьшей влагоемкости) соответствуют, как известно, влажности завядания и влажности разрыва капилляров почвы для различных по механическому составу почв [6] и являются нижним пределом оптимальности увлажнения для большинства сельскохозяйственных культур. Эти значения увлажнения и влажности почвы наряду со значениями нормы годового слоя стока У = 30 мм/год также можно рассматривать в качестве гидролого-почвенно-мелиоративной константы, количественно характеризующей гидрографический рубеж, и использовать в качестве индикатора его местоположения.

Рис. 2. Главные гидрологические рубежи и зона хозяйственного оптимума увлажнения на континентах (по картам увлажнения и стока [14]): 1 - область избыточного увлажнения; 2 - зона хозяйственного оптимума увлажнения с местным речным стоком; 3 - аридная область без местного стока, но с возможным транзитным речным стоком; 4 - гидролого-климатический рубеж; 5 - гидрографический рубеж

Рис. 3. Коэффициент увлажнения за вегетационный период в средний год ри 05-0

Рис. 4. Средняя за период с мая по август влажность деятельного слоя в долях наименьшей влагоемкости в средний год, Усро5-08

На рис. 1 показано взаимное расположение главных гидролого-климатического и гидрографического рубежей для равнинных и предгорных условий, а также заключенной между ними некоторой зоны, названной нами зоной хозяйственного оптимума увлажнения. При исследовании с помощью карт увлажнения и стока [9] местоположения гидрологических рубежей на континентах (см. рис. 2) было обнаружено, что ширина и очертания зоны хозяйственного оптимума увлажнения зависят от конкретных физико-географических условий каждого континента - их размеров, рельефа, широтного расположения, климатических особенностей. Эта зона может колебаться около своего среднего положения вслед за циклическим смещением своих гидрологических рубежей, по сути являющихся гидролого-почвенно-мелиоративными рубежами геосистем планеты при переходе от зоны лесов к пустыням.

Как видно на рис. 2, эти рубежи образуют в средний год узкую зону хозяйственного оптимума увлажнения. Например, на Западно-Сибирской равнине (рис. 5) расстояние между ними составляет в средний год около 120.200 км, а сама зона соответствует подтаежным смешанным лесам, геосистемы которых находятся в неустойчивом равновесии в условиях климатических флуктуаций. Если учитывать естественную миграцию зоны хозяйственного оптимума увлажнения в сухие и влажные годы повторяемостью, например, 1 раз в 5 лет (обеспеченность 20 и 80%), расстояние между крайними положениями гидролого-климатического и гидрографического рубежей увеличивается до 400.600 км.

В этом случае зона хозяйственного оптимума увлажнения расширяется за счет включения в нее южной тайги и лесостепи, геосистемы которых так же, как в смешанных лесах, находятся в состоянии, близком к неустойчивому равновесию. Степень устойчивости геосистем, удаленных от условий полной соразмерности ресурсов влаги и тепла среднего года, возрастает. Такие геосистемы (например, степь, средняя тайга в Западной Сибири) не включены нами в зону хозяйственного оптимума увлажнения, т.к. оптимальность увлажнения в них наблюдается реже, чем 1 раз в 5 лет, и они скорее возвращаются в свое исходное состояние после климатических колебаний [6].

Зона хозяйственного оптимума увлажнения соседствует с аридной областью весьма недостаточного увлажнения, в которой прерываются постоянные водотоки, формирующиеся за счет местных водных ресурсов стока и остаются лишь транзитные реки. Аридная область с весьма недостаточным увлажнением включает территорию крупнейших пустынь мира, полупустынь, сухих степей и прослеживается на всех континентах (см. рис. 2). Особенно узкой (до 50.100 км) зона хозяйственного оптимума увлажнения наблюдается у подножий Анд и гор Центральной Азии, что обусловлено орографией и значительными высотными градиентами гидрологоклиматических характеристик этих регионов.

Применительно к изучаемой теме можно отметить, что Великий шелковый путь из Азии в Европу пролегал в предгорьях Центральной Азии в пределах этих узких зон хозяйственного оптимума увлажнения, где можно было

наити родниковую воду, дрова и пищу по пути следования караванов и имелись поселения, служащие путешественникам пристанищем на маршруте [13]. В Сибири именно в пределах зоны хозяйственного оптимума увлажнения происходило массовое освоение, заселение малообжитых территорий, формирование первых крупных населенных пунктов вдоль сибирского тракта (Тобольск,

Тара, Томск, Новосибирск, Омск и др.) и прокладка первых транспортных магистралей, требующих наличия воды и древесины для строительства. В Северной и Южной Америке, Австралии территории, ограниченные гидроло-го-климатическим и гидрографическим рубежами, были освоены пионерами-переселенцами прежде всего как наиболее пригодные для жизни.

96 в. д.

1 2

4

9

I5

но

6

7

Рис. 5. Взаимное расположение гидролого-климатических зон, зоны хозяйственного оптимума увлажнения и природных зон Западно-Сибирской равнины. Гидролого-климатические зоны\ А - зона избыточного увлажнения в средний и влажные годы и оптимального увлажнения в сухой год повторяемостью 1 раз в 5 лет; В - зона избыточного увлажнения и недостаточной теплообеспеченности во влажный год повторяемостью 1 раз в 5 лет и оптимального увлажнения в средний год и сухой год повторяемостью 1 раз в 5 лет; С - зона оптимального увлажнения и теплообеспеченности в средний год и во влажный год повторяемостью 1 раз в 5 лет и недостаточного увлажнения в сухой год повторяемостью 1 раз в 5 лет; В - зона недостаточного увлажнения и избыточной теплообеспеченности в сухой год повторяемостью 1 раз в 5 лет и оптимального увлажнения в средний год и во влажный год повторяемостью 1 раз в 5 лет; Е - зона весьма недостаточного увлажнения и избыточной теплообеспеченности в средний год и сухой год повторяемостью 1 раз в 5 лет, а также недостаточного увлажнения во влажный год повторяемостью 1 раз в 5 лет; А1 - зона весьма избыточного увлажнения и недостаточной теплообеспеченности; Е1 - зона весьма недостаточного увлажнения и избыточной теплообеспеченности. Природные зоны: 1 - тундра; 2 - лесотундра; 3 - северная и средняя тайга; 4 - южная тайга; 5 - подтайга (смешанные леса); 6 - мелколиственные леса; 7 - северная лесостепь; 8 - центральная лесостепь; 9 - южная лесостепь; 10 - степь.

Зона хозяйственного оптимума увлажнения в средний, сухие и влажные годы повторяемостью не реже 1 раз в 5 лет - В, С, В

В целом географическое положение зоны хозяйственного оптимума увлажнения на континентах тесно связано со схемой физико-географического районирования и природных зон. В пределах этой зоны формируются климатические условия, комфортные для жизнедеятельности человека и для аграрного природопользования, сосредоточены земельные ресурсы с достаточно плодородными почвами, пригодные для земле-

делия. Климатический коэффициент увлажнения и связанная с ним по балансовым уравнениям влажность почвы изменяются в пределах от верхнего до нижнего уровня оптимальности увлажнения для большинства сельскохозяйственных культур. Гидролого-клима-

тическому рубежу соответствуют максимальные показатели фитомассы и биопродуктивности древесной растительности. Гидрографическому рубежу зоны со-

ответствуют наиболее благоприятные теплоэнергетические и почвенные условия для выращивания зерновых культур. Имеющийся относительно небольшой дефицит увлажнения при пахотном земледелии в пределах зоны хозяйственного оптимума нивелируется агротехническими приемами при соответствующем подборе состава севооборотов, соблюдением сроков посева с максимальным использованием влаги в почве в начале вегетационного периода, в результате применения гидромелиораций и другими способами адаптивного земледелия. Это позволяет решать продовольственную проблему в зоне даже в современных условиях рискованного аграрного природопользования при угрозе глобального потепления.

Географическое положение зоны хозяйственного оптимума увлажнения континентов связано с областями распространения криолитозоны, современных пустынь и территорий, на которых наблюдается процесс опустынивания [14, 15]. Особенно четко это можно проследить на южных материках, где область криоли-тозоны связана с областью переувлажнения, а процесс опустынивания происходит в основном в области с весьма недостаточным увлажнением. На северных континентах в связи с их размерами, континентальным климатом и особенностями распределения суши по широтам наблюдается наложение областей криолито-зоны и опустынивания. Это можно наблюдать в области весьма недостаточного увлажнения и в пределах зоны хозяйственного оптимума увлажнения центрально-континентальных районов.

Подобную зону с наиболее высоким экологическим потенциалом ландшафта выделил А.Г. Исаченко в Экологическом атласе РФ [8, 16], выполняя экологическую оценку территории России на основе «индекса

биологической эффективности климата» Н.Н. Иванова, равного произведению коэффициента увлажнения на годовую сумму эффективных температур. При макро-экологическом и ландшафтно-экологическом районирования России А.Г. Исаченко выделил зону хозяйственного оптимума увлажнения страны как зону активного земледелия, где сумма активных температур превышает 1600°С, а коэффициент увлажнения по Н.Н. Иванову и М.И. Будыко находится в пределах 0,4...1,4. Такой же подход был осуществлен А.Г. Исаченко и при выполнении макроэкологического районирования континентов [17]. Использование индекса биологической эффективности климата с недостаточно чёткой шкалой и размерностью, тем не менее, подтверждает наличие зоны хозяйственного оптимума увлажнения.

Проблема определения местоположения пограничной зоны хозяйственного оптимума увлажнения и ее гидрологических рубежей связана с развитием методов количественной оценки теплоэнергетических ресурсов, с постоянным уточнением средних многолетних величин водных и теплоэнергетических ресурсов территорий вследствие происходящего удлинения рядов исходной метеорологической информации. Изучение пространственно-временной динамики главных гидрологических рубежей зоны хозяйственного оптимума увлажнения может быть полезным для оценки размеров гидромелиоративных воздействий, при обсуждении глобальных и региональных аспектов климатической проблемы, позволяет выстраивать взаимосвязь физикогеографических и социально-экономических процессов, и может, на наш взгляд, стать частью системы географических знаний на уровне вузовской и школьной географии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Григорьев А.А. Закономерности строения и развития географической среды. М., 1966. 382 с.

2. Будыко М.И. Испарение в естественных условиях. Л.: Гидрометеоиздат, 1948. 136 с.

3. Мезенцев В.С., Карнацевич И.В. Увлажненность Западно-Сибирской равнины. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 168 с.

4. Мезенцев В.С. Гидролого-климатические основы проектирования гидромелиораций. Омск: Изд.-во ОмГАУ, 1993. 128 с.

5. Карнацевич И.В. Расчеты тепловых и водных ресурсов малых речных водосборов на территории Сибири. Ч. 1. Теплоэнергетические ресурсы

климата и климатических процессов. Омск: Изд.-во ОмСХИ, 1989. 76 с.

6. Напрасников А.Т. Гидролого-климатические системы: геоэкологический анализ. Иркутск: Изд-во ИГ СО РАН, 2003. 144 с.

7. Большой Атлас мира. М.: Роскартография, 1999.

8. Экологический атлас России. М.: Карта, 2002. 128 с.

9. Атлас Мирового водного баланса. М.; Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 46 карт.

10. Мезенцева О.В., Игенбаева Н.О. Структура тепловых и водных балансов на территории Западной Сибири в средний год // Омский научный

вестник. 2004. № 4 (29). С. 172-176.

11. Карнацевич И.В., Мезенцева О.В., Тусупбеков Ж.А., Бикбулатова Г.Г. Возобновляемые ресурсы тепловлагообеспеченности ЗападноСибирской равнины и динамика их характеристик / Под общ. ред. О.В. Мезенцевой. Омск: Изд. ОмГАУ, 2007. 270 с.

12. Мезенцева О.В. Характеристики тепловлагообеспеченности водосборов и геотопология новой гидрологической константы // Омский науч-

ный вестник 2006. № 8 (44).

13. Гумилев Л.Н. Этносы в ландшафте // Человек и природа. 1988. Вып. 10. С. 13-71.

14. Лавров С.Б., Гладкий Ю.Н. Глобальная география. М.: Дрофа, 1999.

15. Современные глобальные изменения природной среды. М.: Науч. мир, 2006. Т. 1, 2.

16. Исаченко А.Г. Макроландшафтные закономерности в сельском хозяйстве России // Изв. РГО. 2004. Т. 136, вып. 4. С. 9-18.

17. Исаченко А.Г. Глобальная система ландшафтных макрорегионов // Изв. РГО. 2007. Т. 139, вып. 1. С. 3-18.

Статья представлена научной редакцией «Науки о Земле» 4 июня 2008 г.