Главные гидрологические рубежи и полоса оптимального увлажнения Евразии

ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ И ГЕОЛОГО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 551.58:556.1(571.1) О. В. МЕЗЕНЦЕВА

Омский государственный педагогический университет

ГЛАВНЫЕ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ РУБЕЖИ И ПОЛОСА ОПТИМАЛЬНОГО УВЛАЖНЕНИЯ ЕВРАЗИИ_

В работе представлены количественные индикаторы главных гидрологических рубежей, предложенных в качестве границ полосы оптимального увлажнения. Районирование территории Евразии и Западной Сибири по условиям естественной тепловлагообеспеченностии с использованием метода гидролого-климатических расчетов (ГКР) позволило определить местоположение полосы хозяйственного оптимума увлажнения.

Одна из важнейших задач физической географии — определение географического местоположения различных природных рубежей и сравнительный анализ природных условий. Некоторые из этих линейных объектов определены весьма строго и являются относительно стабильными в течение многих тысячелетий, другие постоянно колеблются около среднего значения с определенной амплитудой.

Структура теплового и водного балансов подстилающей поверхности и атмосферы, сложившаяся в голоцене, сформировала определенный комплекс климатических и физико-географических условий на континентах. В условиях достаточно длительной относительной стабильности климата последних 7 — 8

тысяч лет сложившиеся природные рубежи (снеговая линия, границы распространения сезонной и вечной мерзлоты, ареала древесной растительности на стыке степи и лесостепи, природных зон, климатических поясов, области временных и исчезающих водотоков и др.) определили современный облик планеты. Географическое местоположение природных рубежей и их взаимное расположение связаны с конкретными климатическими условиями, выражающимися количественно и определяющими структуры балансов тепла и влаги на поверхности земли.

В настоящей работе исследованы закономерности и особенности географического положения главного гидролого-климатического рубежа на поверхности суши —

границы областей избыточного и недостаточного увлажнения. Данная граница представлена изолинией единичного значения коэффициента увлажнения (или нулевого значения дефицита увлажнения) и характеризует оптимальное соотношение тепла и влаги в естественных условиях. Впервые на наличие данного природного рубежа в виде изолинии определенного соотношения тепла и влаги обратил внимание К.С. Веселовский в 1857 г.[3]. В связи с климатической обстановкой по годам данная изолиния циклически смещается около своего среднего местоположения, образуя между крайними положениями некоторую полосу оптимального соотношения тепла и влаги, достигающую по ширине, например, на юге Западной Сибири нескольких сотен километров, а в предгорных условиях Азии всего нескольких десятков километров.

С единичной изолинией коэффициента увлажнения связывают границу, разделяющую области, в одной из которых происходит перерасход тепла на процессы суммарного испарения из-за избытка осадков, и другую область, где из-за недостатка влаги возникает повышенный турбулентный теплообмен подстилающей поверхности и атмосферы, наблюдается перегрев и иссушение деятельного слоя. Нулевая изолиния дефицита увлажнения делит территорию на области, где требуются осушительные или оросительные мелиорации, а величина и знак данной абсолютной характеристики увлажнения определяют для этих областей размеры избытков и недостатков увлажнения необходимых мелиоративных воздействий.

При изучении географических закономерностей гидролого-климатического рубежа было замечено, что он топологически связан на континентах с другим природным рубежом — гидрографическим. Главный гидрографический природный рубеж представляет собой невидимую, но четко распознаваемую на карте линию, отделяющую области, где существует сеть постоянных русел, от аридных бессточных областей, в которых за счет местного стока образуются только временные водотоки, поэтому транзитные реки не получают местного притока, а также имеются многочисленные озера и временные замкнутые водосборы (пересыхающие озера-лужи). Данный гидрографический рубеж в связи с климатической обстановкой по годам также циклически колеблется около своего среднего местоположения (на юге Западной Сибири в пределах 100...150 км), образуя гидрографическую граничную полосу. В предгорных условиях в связи с особенностями гидрогеологической обстановки ширина ее менее значительна.

Сравнительный анализ карты нормы стока Атласа мирового водного баланса [1] и выявленного главного гидрографического рубежа на континентах [13] показал, что повсеместно гидрографический рубеж контролируют изолинии нормы годового стока с диапазоном Y = 15.45 мм/год, что соответствует модулю стока М = 0,5.1,5 л/(с-км2). Этот диапазон значений нормы годового стока (с учетом средней точности гидрометрии ±10%, низких значений норм стока и высоких значений коэффициента вариации стока вблизи гидрографической границы) предлагается считать главной гидрологической константой и рассматривать в качестве индикатора гидрографического рубежа.

Взаимное расположение главных гидролого-климатического и гидрографического рубежей на равнинах и в предгорных условиях показывает заключенную между ними некоторую полосу, названную нами полосой хозяйственного оптимума увлажнения. На Западно-Сибирской равнине расстояние между главными гидрологическими рубежами составляет в сред-

ний год около 120.200 км, а с учетом их естественной миграции при климатических колебаниях, например, в сухие и влажные годы с повторяемостью 1 раз в 5 лет, расстояние между крайними положениями гидролого-климатического и гидрографического рубежей расширяется до 400.600 км. Взаимосвязь двух главных гидрологических рубежей на картах географами была замечена давно, но количественно гидрографический рубеж до сих пор никем не был определен.

При исследовании местоположения данных рубежей на территории Евразии (рис. 1), нами было отмечено, что они везде пространственно взаимосвязаны и ограничивают полосу хозяйственного оптимума увлажнения, ширина и очертания которой в средний год зависит от конкретных физико-географических условий — географического положения, рельефа, климатических особенностей, состава и характеристик природных зон. Данная полоса хозяйственного оптимума соседствует с аридной областью (областью весьма недостаточного увлажнения), в которой прерываются постоянные водотоки с местным стоком. Она включает территорию пустынь, полупустынь, степей и прослеживается на всех континентах [13]. Особенно узкой (до 50.100 км) полоса хозяйственного оптимума увлажнения наблюдается в предгорьях Центральной Азии.

Применительно к изучаемой теме можно отметить, например, что Великий шелковый путь из Азии в Европу пролегал в предгорьях с учетом этих узких полос хозяйственного оптимума увлажнения, где можно было найти родниковую воду, дрова и пищу по пути следования караванов и имелись поселения, служащие путешественникам пристанищем на маршруте. В Сибири именно вдоль полосы хозяйственного оптимума увлажнения происходило массовое освоение и заселение малообжитых территорий и формирование крупных населенных пунктов.

Географическое положение гидролого-климатического и гидрографического рубежей Евразии тесно связано со схемой физико-географического районирования. На картах мира можно и нужно наносить эти рубежи и полосу хозяйственного оптимума увлажнения, рассматривая их в сочетании с линиями границ природных зон и подзон физико-географического районирования. Уточнение географического положения гидрологических рубежей актуально в наши дни в связи с происходящим развитием и совершенствованием теоретических представлений о количественной оценке возобновляемых природных ресурсов прежде всего ресурсов влаги и энергии климата, непрерывным удлинением рядов гидрометеорологической информации, а также в связи с обсуждаемой проблемой колебаний климатических условий тепловлагообеспеченности. В ходе данных исследований были проанализированы методы оценки условий естественной тепловлагообеспеченности для выбора наиболее подходящей расчетной модели.

Метод гидролого-климатических расчетов (ГКР) [9-11, 16], предложенный для комплексной оценки условий естественного увлажнения, расчета элементов водного баланса, определения коэффициента увлажнения и климатических норм гидромелиора-ций, позволил решить задачу для любых расчетных интервалов на современной энергетической основе [6, 7]. Выполненные с помощью метода ГКР территориальные исследования тепловлагообеспеченности [9-11, 16] доказали универсальность математической модели ГКР применительно к решению разнообразных географо-гидрологических и инженерно-мелиоративных задач. При расчетах испарения Z и стока У

Рис. 1. Карта областей увлажнения Евразии

1 — область избыточного увлажнения; 2 — область оптимального увлажнения;

3 — бессточные области, ограниченные главным гидрографическим рубежом,

в которых за счет местного стока образуются только временные водотоки и бессточные озера, а транзитные реки не получают местного притока [2];

4 — главный гидролого-климатический рубеж — изолиния нулевого значения

дефицита увлажнения по М.И. Будыко по карте увлажнения [1]; 5 — изолиния гидрологической константы — среднего годового слоя стока Y = 15...45 мм/год по карте стока [1]

по исходным данным об исправленных осадках КХ и водном эквиваленте теплоэнергетических ресурсов испарения Zm за внутригодовые интервалы среднего года или непрерывного ряда конкретных лет в качестве результатов был получен целый комплекс генетически взаимосвязанных гидролого-климатических характеристик, включая комплексные характеристики тепловлагообеспеченности: коэффициент суммарного увлажнения, коэффициент суммарного испарения, дефициты (избытки или недостатки) атмосферного и суммарного увлажнения, а также начальную, конечную и среднюю влажность деятельного слоя за расчетный период, значения которых изначально неизвестны.

Методика исследований динамики главных гидрологических рубежей была отработана на территории Западно-Сибирской равнины с использованием рядов исходных метеоданных за весь период инструментальных наблюдений и с учетом влияния их неоднородности [12-15]. В процессе исследований территориальных закономерностей характеристик тепловлагообеспеченности и массовых расчетов элементов водного баланса по модели ГКР в ее современной редакции были построены для Западной Сибири и проанализированы векторные карты полей годовых и месячных значений элементов водного баланса для среднего года и реальных лет за период инструментальных наблюдений, показан уровень точности выполненных расчетов климатического стока и влажности почвы, изучены тренды различных расчетных характеристик, в том числе комплексно интегрирующих условия тепловлагообеспеченности [5]. Построенные векторные карты характеристик тепловлагообеспеченности позволили получить пред-

ставление о пространственно-временной динамике главных гидрологических рубежей и полосы хозяйственного оптимума увлажнения Западной Сибири.

В ходе исследований условий естественной теп-ловлагообеспеченности континентов по данным Атласа Мирового водного баланса [1] было получено среднее положение глобальной полосы хозяйственного оптимума увлажнения, разделяющей области избыточного и весьма недостаточного увлажнения. В пределах данной полосы формируются климатические условия, комфортные для жизнедеятельности человека и для аграрного природопользования, сосредоточены земельные ресурсы с достаточно плодородными почвами, пригодные для земледелия. Здесь имеются достаточные суммы эффективных температур и теплоэнергетические ресурсы для выращивания основных сельскохозяйственных культур. Полосу хозяйственного оптимума увлажнения пересекают не только транзитные реки, но и реки с местным стоком, позволяющие осуществлять различные виды хозяйственного водоснабжения. Имеющийся относительно небольшой дефицит увлажнения при пахотном земледелии в пределах полосы 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. Система адаптивного земледелия в данной полосе хозяйственного оптимума увлажнения позволяет решать продовольственную проблему даже в современных условиях рискованного аграрного природопользования и при угрозе глобального потепления.

Рис. 2. Гидролого-климатические зоны, полоса оптимума увлажнения и природные зоны Западно-Сибирской равнины

Гидролого-климатические зоны [11]: А — зона избыточного увлажнения в средний и влажные годы и оптимального увлажнения в сухой год повторяемостью 1 раз в 5 лет; B — зона избыточного увлажнения и недостаточной теплообеспеченности во влажный год повторяемостью 1 раз в 5 лет и оптимального увлажнения в остальные годы; C — зона оптимального увлажнения и теплообеспеченности во все годы; D — зона недостаточного увлажнения и избыточной теплообеспеченности в сухой год повторяемостью 1 раз в 5 лет и оптимального увлажнения в остальные годы; E — зона недостаточного увлажнения в средний и сухие годы и оптимального увлажнения во влажный год повторяемостью 1 раз в 5 лет; A1 — зона весьма избыточного увлажнения и недостаточной теплообеспеченности; E1 — зона весьма недостаточного увлажнения и избыточной теплообеспеченности.

Природные зоны [3]: 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 Полоса оптимального увлажнения в средний, сухие и влажные годы повторяемостью не реже 1 раз в 5 лет — В, ^ D

Географическое положение полосы хозяйственного оптимума увлажнения континентов контролируется со стороны глобальной криолитозоны [17] и со стороны области распространения современных пустынь и территорий, на которых наблюдается процесс опустынивания [8,17]. Особенно четко это можно проследить на южных материках, где область криолитозоны находится в области переувлажнения, а процесс опустынивания происходит в основном в области весьма недостаточного увлажнения. На северных континентах

в связи с их размерами, континентальным климатом и особенностями распределения суши по широтам наблюдается наложение областей криолитозоны и опустынивания в пределах области весьма недостаточного увлажнения и полосы оптимума увлажнения центрально-континентальных районов.

Полоса хозяйственного оптимума увлажнения Евразии для среднего года, показанная на рис. 1, может циклически смещаться по годам с различной структурой водного и теплового баланса. Эта пространственно-временная динамика может значительно расширять интервалы местоположения ее границ — главных гидрологических рубежей — в зависимости от принятой повторяемости сухих и влажных лет (1 раз в 5, 10, 20 и т.д. лет). На данный естественный климатический процесс могут оказывать воздействия и климатические тренды, вызванные антропогенными факторами.

В связи с возможностью изменения глобального и регионального климата возникает необходимость исследования пространственной динамики полосы оптимума увлажнения и связанных с ней вопросов агроклиматических аспектов продовольственной безопасности и устойчивого развития на глобальном и региональном уровне. Опираясь на современные методы оценки естественной тепловлагообеспечен-ности, следует также уточнить местоположение границ полосы оптимума увлажнения в годы с различной структурой теплового и водного баланса (относительно связанных с ней зональных ландшафтов).

Исследования показали, что гидролого-климатическому рубежу при полной соразмерности водных и теплоэнергетических ресурсов с нулевым дефицитом увлажнения соответствует средняя годовая относительная влажность деятельного слоя Vср = Wср / Wнв = 1,0. Гидрографическому рубежу, индикатором которого является гидрологическая константа У = 15.45 мм/год или М = 0,5.1,5 л/(с-км2), на картах географически соответствует изолиния относительной влажности деятельного слоя почвогрунта Vср = Wср / Wнв = 0,7. То есть в полосе хозяйственного оптимума увлажнения величина средней годовой относительной влажности почвы в долях наименьшей влагоемкости увлажнения варьирует в пределах Vср = 0,7.1,0. Величина среднего годового коэффициента увлажнения изменяется с севера на юг полосы оптимума Западной Сибири в пределах РН = 0,6.1,0.

Для условий криолитозоны Западной Сибири комплексные характеристики тепловлагообеспеченности вегетационного периода точнее годовых величин отражают ландшафтоформирующие климатические условия, сезонные процессы изменения влажности почвы и расходования атмосферных осадков на испарение. Изолиния оптимального соотношения тепла и влаги вегетационного периода РН 05 — 08 = 1,0 в средний год на карте изолиний проходит южнее годовой линии оптимума примерно на 100 — 150 км и также может рассматриваться в качестве гидролого-климатического рубежа, который в данном случае будет значительно приближен к гидрографическому рубежу, а площадь полосы хозяйственного оптимума увлажнения соответственно сокращена.

При выполнении анализа соответствия гидролого-климатических характеристик и природных зон Западной Сибири с учетом колебаний увлажнения территорий по годам было отмечено, что полоса хозяйственного оптимума увлажнения в средний год соответствует подзонам смешанных и мелколиственных лесов (рис. 2) и смещается циклически в сухие годы в подзону южной тайги, а во влажные годы — в зону лесостепи. При расширительном рассмотрении дан-

ной полосы с учетом сухих и влажных лет, например, с повторяемостью не реже 1 раза в 5 лет (20% и 80% обеспеченности), полоса хозяйственного оптимума увлажнения географически соответствует природным зонам и подзонам южной тайги, смешанных лесов, мелколиственных лесов и лесостепи.

В степной зоне при весьма недостаточном увлажнении наблюдаются условия, при которых местный климатический сток не формирует постоянных водотоков, годовой коэффициент увлажнения находится в пределах ßH = 0,4...0,6, средняя годовая относительная влажность почвы находится в пределах Vср = 0,5.0,7, а средний годовой коэффициент стока менее Y / X = 0,05).

Анализ [15] показывает, что направление изменений отдельных абсолютных климатических показателей (температуры, осадков) и комплексных гидролого-климатических характеристик тепловлагообеспеченности (коэффициент увлажнения, влажность почвы, суммарный сток) по годам и внутригодовым интервалам может не совпадать. При одновременном положительном или отрицательном тренде теплоэнергоресурсов испарения и атмосферного увлажнения коэффициент увлажнения, а также связанные с ним влажность деятельного слоя, суммарный климатический сток и испарение, могут сохранять нулевой тренд. Имеет также значение внутригодовая структура теплоэнергоресурсов и влаги за реальные годы. Так в сухие и влажные годы повторяемостью 1 раз в 5 лет полоса хозяйственного оптимума увлажнения смещается к северу или к югу на 120.200 км. В годы редкой повторяемости (например, 1 раз в 20 лет) смещение достигает 500.600 км.

Анализ местоположения полосы хозяйственного оптимума увлажнения показал, что в средний год полоса оптимума увлажнения находится в подзонах смешанных и мелколиственных лесов в районе 57.580 с.ш., а с учетом миграции годовой изолинии оптимума увлажнения по сухим и влажным годам повторяемостью 1 раз в 5 лет полоса оптимума охватывает также подзону южной тайги лесной зоны и зону лесостепи. В очень сухой год повторяемостью 1 раз в 20 лет гидролого-климатический рубеж смещается значительно дальше к северу, расширяя полосу хозяйственного оптимума увлажнения.

При оптимальном увлажнении наблюдаются условия, при которых суммарное испарение стремится к своему оптимальному значению, поскольку нет перерасхода теплоэнергоресурсов на турбулентный теплообмен (как при весьма недостаточном увлажнении) и на испарение (как при избыточном увлажнении). Оптимальное увлажнение способствует созданию благоприятных условий для формирования и накопления наибольшей растительной биомассы в подтайге и южной тайге.

Характерной чертой полосы оптимума является увеличение пространственных градиентов рассчитанных гидролого-климатических величин по сравнению с областями постоянного переувлажнения и недоувлажнения (в расчете на 100 км вдоль меридиана). Это происходит вследствие смены показателей подстилающей поверхности и растительного покрова на границах полосы оптимума. Диапазон вариации величин суммарного испарения, влажности почвы и коэффициента увлажнения в конкретных естественных условиях ограничен ресурсами влаги и тепла и особенно их соотношением. Если возникают значительные смещения изолиний норм данных величин, то это может свидетельствовать об изменении местоположения главных гидрологических рубежей, а также об изменении очертаний полосы хозяйствен-

ного оптимума увлажнения на суше. Однако анализ, проведенный в работе [15], показывает отсутствие значимых трендов комплексных характеристик теп-ловлагообеспеченности.

Библиографический список

1. Атлас мирового водного баланса. М.-Л.: Гидрометео-издат, 1974. - 46 карт.

2. Большой атлас мира. - М.: Роскартография, 1999.

3. Булатов В.И. Антропогенная трансформация ландшафтов и решение проблем рационального природопользования (на примере юга Западной Сибири) : дисс. на соиск.уч.ст.д-ра геогр.наук.- Иркутск, 1996.

4. Веселовский К.С. О климате России / К.С. Веселов-ский.- СПб, 1857.

5. Исследование динамики и картографирование полей элементов теплового и водного балансов и характеристик естественной тепловлагообеспеченности : монография / И.В. Карнацевич, О.В. Мезенцева, Ж.А. Тусупбеков, Г.Г. Бикбулатова ; под общ. ред. О.В.Мезенцевой. — Омск : Изд-во ФГОУ ВПО ОмГАУ, 2007. - 224 с.

6. Карнацевич И.В. Расчеты тепловых и водных ресурсов малых речных водосборов на территории Сибири. - Ч. 1. Теплоэнергетические ресурсы климата и климатических процессов / И.В. Карнацевич.- Омск : Изд. ОмСХИ, 1989.- 76 с.

7. Карнацевич И.В. Расчеты тепловых и водных ресурсов малых речных водосборов на территории Сибири.: - Ч. 2. Водные ресурсы и водный баланс / И.В. Карнацевич.- Омск: Изд. ОмСХИ, 1991.- 82 с.

8. Лавров С.Б. Глобальная география / С.Б. Лавров, Ю.Н. Гладкий.- М. : Дрофа, 1999.

9. Мезенцев В.С. Атлас увлажнения и теплообеспечен-ности Западно-Сибирской равнины / В.С. Мезенцев.- Омск: Изд. ОмСХИ, 1961.- 66 с. и 35 карт.

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

11. Мезенцев В.С. Увлажненность Западно-Сибирской равнины / В.С. Мезенцев, И.В. Карнацевич.- Л.: Гидроме-теоиздат, 1969. - 168с.

12. Мезенцева О.В. Структура тепловых и водных балансов на территории Западной Сибири в средний год / О.В. Мезенцева, Н.О. Игенбаева // Омский научный вестник. -Омск, 2004.- №4(29).- С.172-176.

13. Мезенцева О.В. Характеристики тепловлагообеспе-ченности водосборов и геотопология новой гидрологической константы / О.В. Мезенцева // Омский научный вестник.-Омск, 2006.- № 8(44). - С.298-302.

14. Мезенцева О.В. Геотопология полосы оптимума увлажнения и проблема изменения глобального климата / О.В. Мезенцева // Проблемы географии, туризма и географического образования.- Омск : Изд. КАН, 2007.- С.18-22.

15. Мезенцева О.В. Пространственно-временная динамика элементов водного баланса и характеристик увлажнения на юге Западной Сибири/ О.В.Мезенцева // Омский научный вестник.- Омск : Изд. ОмГАУ, 2007.- №1.

16. Режимы влагообеспечениостн и условия гидромелиорации Степного края ; под. ред. В. С. Мезенцева.- М.: Колос, 1974.- 239с.

17. Современные глобальные изменения природной среды.- М. :Научный мир, 2006.-Т.1, 2. - 696с.

МЕЗЕНЦЕВА Ольга Варфоломеевна, кандидат географических наук, доцент, научный сотрудник и доцент кафедры физической географии.

Дата поступления статьи в редакцию: 14.11.2007 г. © Мезенцева О.В.