CC BY
53
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 551.340:551.581(571.1)
О. В. МЕЗЕНЦЕВА
Омский государственный педагогический университет
ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВЛАГООБЕСПЕЧЕННОСТИ ВОДОСБОРОВ И ГЕОТОПОЛОГИЯ НОВОЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКОЙ КОНСТАНТЫ
В работе выполнен анализ существующих методов количественной оценки условий естественной тепловлагообеспеченности, обосновано объективное существование новой гидрологической константы и представлена карта ее географического положения в качестве границы областей отсутствия местного речного стока на континентах.
ШШ
Развитие рационального природопользования невозможно без знания основных природных закономерностей. Возможность тех или иных видов гидромелиорации, вид и техника гидромелиоративных мероприятий в большой мере зависят от природных условий и, прежде всего, от условий естественной тепловлагообеспеченности. Поэтому первым шагом при составлении гидролого-климатических и географических схем районирования, при установлении направления и режимов гидро-мелио-рации является определение количественных характеристик соотношения тепла и влаги на водосборах. За последние два столетия предложено много методов определения количественных характеристик тепловлагообеспеченности земной поверхности, их глубокий анализ дан в работах
В.С.Мезенцева, И.В.Карнацевича и Г.В.Белоненко [16], В.С.Мезенцева [14) идр.
Впервые метод относительных показателей условий естественной влагообеспеченности был предложен в России К.С.Веселовским [1857]. Ещё более смелые шаги в этом направлении позже были сделаны А.И.Воейковым [1884] и В.В.Докучаевым [1899], использовавшими отношение годовых сумм осадков к испаряемости для характеристики климата разных почвенно-ботанических зон. В дальнейшем для оценки увлажнения территорий соотношения количества влаги и теплоты были использованы также Г.Н.Высоцким [1904], Е.Н.Трансо [1905], А.Пенком [1910]. В этих ранних работах рекомендовалось определять климатические теплоресурсы, исходя из фактического испарения с физических поверх-
ностей, или производилась увязка испаряемости с показателями влажности воздуха. Испаряемостью (Zb) было принято называть толщину слоя испарившейся влаги с водной поверхности, выраженную в миллиметрах, Но сравнивать толщину слоя влаги в миллиметрах с тепловыми ресурсами, которые выражаются в джоулях или ваттах, было некорректно. Благодаря исследованиям физических свойств воды еще в XIX веке стало известно, что существует первая в гидрофизике и гидрологии мировая константа — удельная теплота парообразования L = 2,51 МДж/ (м'-мм), которая позволяет представить любое количество теплоты Т в единицах водного эквивалента (Zb = T/L). По аналогии в гидрофизике стали применяться и другие константы, например удельная теплота таяния льда, позволяющая учитывать климатические энаргозатраты на процессы сезонного протаивания снега и мерзлых грунтов, то есть на криогенные процессы. Большим достижением в оценке условий тепловлагообеспечености и в изучении теплового и водного баланса явилось предложение Э. М. Олъдекопа [1911] о замене величины испаряемости с водной поверхности Zb величиной максимально возможного испарения Zm.
Другими формами описания критерия оптимальной для культурных растений влагообеспеченности стали «коэффициент увлажнения» А.Н.Костякова [1938], «эвапорометрический коэффициент» А.А.Скворцова [1949, 1950] и идентичный ему «коэффициент соответствия тепла и влаги» Д.И.Абрамовича [1948, 1952]. Ученые В.Кеппен [1923, 1938], А.В.Вознесенский [1930] и другие исследователи использовали в качестве относительной характеристики влагообеспеченности соотношение осадков и некоторой эмпирической функции температуры воздуха. А.Мейер [1926], И.А.Прескотт [1931], П.С.Кузин [1934, 1937], Н.Н.Иванов [1941, 1948], Д.И.Шашко [1967] и другие исследователи сделали предложения, сводящиеся к выражению величины «климатического коэффициента увлажнения» через отношение суммы атмосферных осадков к некоторой эмпирической функции дефицита влажности воздуха, количественно представляющей испаряющую способность воздуха K=X/f(d). В нашей стране в середине XX века большое распространение получил так называемый «гидротермический коэффициент» Г.Т.Селянинова [1930,1933,1937], который также подвергался критике, так как он не учитывал внутриго-довое перераспределение влаги.
К числу относительных показателей влагообеспеченности относится также «коэффициент увлажнения» Н.Н.Иванова [1941, 1948] (К Ив = X/Zb), который определялся им как отношение суммы осадков к испаряемости с водной поверхности крупных озер и водохранилищ и лишь в некоторой степени отражал энергетические ресурсы климата. Из-за различия радиационных и теплофизических свойств поверхности суши и свойств водной поверхности испаряемость Zb не может представлять энергетические ресурсы процесса суммарного испарения суши. Другим существенным недостатком «коэффициента увлажнения» Н.Н.Иванова является то, что стоящая в числителе сумма осадков не учитывает внутригодовое перераспределение влаги, то есть переход остатков влагозапасов в деятельном слое почвы на начало и конец расчетного периода. Ведь если представить возможный случай отсутствия атмосферных осадков в расчетном периоде, то «коэффициент увлажнения» H.H. Иванова получится равным нулю, хотя на самом деле рассматриваемый
расчетный период может характеризоваться увлажнением почвы за счет осадков предыдущего периода. Например, в степной зоне Западной Сибири в мае-июне часто дождей нет или их очень мало, но почва бывает влажной за счет перехода влагозапасов с осени и от таяния снега весной. Третий недостаток (коэффициента увлажнения» H.H.Иванова состои т в том, что при разработке шкалы характерных значений коэффициента для целей районирования поверхности суши по условиям увлажнения Н.Н.Ивановым были использованы ^откорректированные на величину «недоучетаметеоприборов» (заниженные особенно в зимние месяцы! суммы осадков.
После данного этапа принципиально новой относительной характеристикой естественных условий тепло- и влагообеспеченности явилось предложение М.И.Будыко [2,j], которое заключается в том, что в качестве показателя условий естественного увлажнения и теплообеспеченности выбрано отношение годового радиационного баланса деятельной земной поверхности к количеству тепла, способному испарить годовую сумму атмосферных осадков. Этот показатель получил название «индекс сухости» климата (К Буд = R/LX). Оригинальность и принципиальность «индекса сухости» М.И.Будыко в отличие от вышеописанных состоит в сопоставлении двух физически конкретных количественных характеристик: тепла и влаги. Благодаря предложению М.И.Будыко решение поставленной задачи стало базироваться на четкой энергетической основе, а не определяться с помощью эмпирических зависимостей. А.А.Григорьев [1954,1956] и М.И.Будыко [1956, 1977], отмечая, что основу этого метода составляет сущность открытого В.В.Докучаевым закона природной зональности, из анализа характера географического распределения средних годовых значений «индекса сухости климата» нашли важные закономерности территориального распределения соотношения тепла и влаги. Однако «индекс сухости» М.И.Будыко отражает лишь средние годовые условия увлажнения и теплообеспеченности. Он не может быть использован для характеристики внутри-годовых интервалов в связи с тем, что в течение холодного времени года скомпенсированный радиационный баланс подстилающей поверхности имеет отрицательный знак и не может представлять тепловые ресурсы, а зимние атмосферные осадки в силу их твердого состояния в этот период времени не составляют ресурсов увлажнения. Наоборот, в теплое время года выпадающие осадки являются лишь частью водных ресурсов физико-географических процессов на подстилающей поверхности, ибо значительную роль в водообеспеченности этих процессов в летний период играют перераспределенные во времени осадки зимнего периода. Поэтому «индекс сухости» фактически теряет смысл для значительных территорий планеты, например Антарктиды, северных частей Евразии и Северной Америки. Индексу сухости М.И.Будыко также присущи описанные выше недостатки, связанные с недоучетом атмосферных осадков на метеосети. Таким образом, индекс сухости, обнаруживая физическую сущность соотношения тепла и влаги, не полно отражает количественную сторону процесса тепловлагообмена земной поверхности и атмосферы.
Рассмотренные выше показатели влагообеспеченности используются рядом исследователей для целей районирования природных условий. Тем не менее все эти характеристики, а следовательно, и выполненное на их основе районирование любой
территории но условиям естественной тепловлаго-обеспеченности нельзя признать совершенным.
Наиболее физически обоснованный на сегодня, на наш взгляд, метод гидролого-климатических расчетов (ГКР) В.С.Мезенцева [13,14,15,16] предполагает расчеты коэффициента увлажнения (тепло-влагообеспеченности) и других гидролого-клима-гических характеристик по стандартным метеоданным за различные интервалы времени, учитывая поправки к показаниям осадкомеров и перераспределение влаги во времени - внутри года и между годами. Это позволяет выполнять расчеты элементов водного баланса участка суши помесячно, подекадно и посуточно не только для среднего года, но и за непрерывные цепи расчетных интервалов реальных лет методом конечных разностей с учетом многих дополнительных условий и деталей. В работе [13] был сформулирован энергетический подход к определению ТЭР климата, отличающийся от представлений А А. Григорьева и М.И. Будыко об определяющей роли скомпенсированного за год радиационного баланса И в формировании теплоэнергетических ресурсов (ТЭР) климата. В отличие от равенства, предложенного М.И. Будыко Ео=К/Ь ("испаряемость определяется радиационным балансом" [2, 3]), в работах [12-16] была предложена запись уравнения теплоресурсов климата Хт= + Р+)/Ь, что означало участие в теплоснабжении подстилающей поверхности не только коротковолновой радиации (положительной составляющей радиационного баланса К*), но и длинноволнового адвективного тепла (турбулентного теплообмена атмосферы и подстилающей поверхности Р+). В работах [6, 7, 8, 9] в плане развития этих идей показано, что в холодных странах теплоэнергоресурсы процесса испарения и тепло-энергоресурсы климата — не одно и то же (Тг ф Тк). Вблизи полярных кругов и полюсов Земли много тепла расходуется весной на криогенные процессы. В Центральной Антарктиде, например, почти все тепло летом тратится на нагревание снежно-фирнового покрова мощностью 30 м от температуры минус 70° до температуры на поверхности минус 30°.
В работе [5] нами впервые в отличие от всех предшествующих исследований предложено характеризовать положение дендрологических границ не одной, а двумя количественными показателями — теплоэнергетическими ресурсами испарения Тг и коэффициентом суммарного увлажнения рн= (Н+ДМО/гт. В работах [5,17,18,19] обосновано, что одним коэффициентом увлажнения невозможно характеризовать различные условия тепловлаго-обеспеченности, необходимо также знать абсолютные значения теплоэнергетических ресурсов процесса испарения в данной местности. Так, одинаковые значения коэффициента увлажнения характерны, например, для лесостепи Западной Сибири и для саванн Африки, но зональные природные различия этих территорий определяются различиями в абсолютных величинах теплоэнергетических ресурсов испарения Тг и особенностями циркуляции воздушных масс.
В процессе картографирования и анализа показателя увлажнения (1н на территории Западной Сибири при выполнении исследований [5,20] нами была установлена следующая закономерность: положение полосы поля изолиний слоя стока в диапазоне 5-10 мм/год или модуля стока в диапазоне 0,3-1,2 л/(с-км2) соответствует на гидрографических картах[1] геометрическому месту точек окончаний (обрывов) русел рек или постоянных водотоков. Выявленная
закономерность требует своего объяснения и более глубокого изучения, а указанные значения стока можно считать новой гидрологической константой.
Гидрографическая сеть на всех континентах косвенно отражает условия увлажнения, распределение речного и климатического склонового стока по территории. Если проанализировать карты стока для материков [1], увидим, что сток распределяется по их поверхности чрезвычайно неравномерно. С большей части материков и со всех островов он направляется в моря и океаны. Кроме них на каждом материке есть площади областей внутреннего стока, сток с которых направлен не в моря или в океаны, а во внутренние озера. Протекающие по ним транзитные реки на отдельных участках не получают местного стока. Формирование областей внутреннего стока связано с особенностями тепловлагооборота внутриматериковых территорий. Там, где общее увлажнение Н превышает теплоэнергетические ресурсы испарения Тг, наблюдаются избытки влаги, и возникают реки. При превышении максимально возможного испарения над значением годовой нормы общего увлажнения существуют обширные или же локальные аридные области. Между Ними всегда проходит линия, а практически из-за колебаний тепло- и влагообеспеченности в многолетнем разрезе полоса оптимального увлажнения. Получается, что изолинии оптимума тепловлагообеспеченности и изолинии нормы стока связаны между собой и гео-топологически связаны с границей области отсутствия местной речной сети. На рис.1 показано расположение полосы новой гидрологической константы на континентах, в качестве изолинии нормы стока М = 1л/(с-км2).
Например, территория Омской области располагается на границе зон избыточного и недостаточного увлажнения [12,13]. Это обусловило контрастную картину распределения речной, болотной и озерной гидрографической сети на территории области в направлении с севера на юг. Южнее широты г.Омска на территории Омской области полностью отсутствует местная речная сеть (кроме р. Иртыш с транзитным стоком), поскольку местные водные ресурсы недостаточно велики для ее создания. Годовой слой стока составляет всего 5-10 мм/год, а модуль стока 0,5-0,7л/(с-км2). На севере же Омской области, где Рн выше оптимума, существует постоянная разветвленная сеть постоянных водотоков, а показатели нормы стока значительно больше указанных.
Еще А.И.Воейков писал, что «реки являются продуктом климата». Анализ карт тепловлагообеспеченности Мирового атласа водного баланса М.И.Будыко [ 1 ] убедительно показывает, что линия оптимума тепловлагообеспеченности, разделяющая зоны избыточного и недостаточного увлажнения, существует не только на территории ЗападноСибирской равнины. Такая же линия, а фактически граничная полоса оптимума тепловлагообеспеченности шириной в несколько десятков или даже сотен километров, окаймляет все бессточные области и пустыни на других континентах. Эта полоса четко связана на гидрографических картах с географическим местом, где прерывается постоянная русловая сеть и густота речной сети местного стока стремится к нулю. Эта граничная полоса, проходящая по всем континентам, отличается градиентами полей гидролого-климатических характеристик по сравнению с прилегающими территориями и может мигрировать год от года в связи с климатическими циклами. К полосе оптимума тепловлагообеспеченности тяготеет
Рис.1. Изолиния нормы годового стона М = 1 л/(с • км2) и области отсутствия местного речного стока на континентах 1 - Область отсутствия местного речного стока Северной Африки 2 - Область отсутствия местного речного стока Южной Африки 3 - Область отсутствия местного речного стока Аравийского полуострова 4 - Область отсутствия местного речного стока Центральной Азии 5 - Область отсутствия местного речного стока Южной Азии 6 - Область отсутствия местного речного стока Австралии 7 - Область отсутствия местного речного стока Южной Америки 8, 9,10 - Области отсутствия местного речного сгока Северной Америки
основная полоса расселения людей. Территории, через которые проходят тысячекилометровые полосы оптимальной тепловлагообеспеченности на поверхности континентов, играют большую роль для жизни человеческой цивилизации, поскольку именно здесь формируются наиболее плодородные почвы, складываются наиболее благоприятные природные предпосылки для земледелия, осуществляется активная хозяйственная деятельность человека. Полоса оптимума увлажнения была эмпирически определена в Сибири первопроходцами в ХУ-ХУПвв. как наиболее благоприятная полоса хозяйственного освоения. Изучение закономерностей географического положения пограничной полосы на стыке зон избыточного и недостаточного увлажнения на континентах также связано с изучением проблемы рационального природопользования.
В связи с анализом методов и подходов к проблеме количественной оценки условий естественной тепло-влагообеспеченности можно отметить, что произведенные автором [5,10,11,20] расчеты коэффициента увлажнения |3н для территории Западной Сибири за весь период метеорологических наблюдений по годовым интервалам, сезонам, месяцам и суткам реальных лет показывают, что представленные в атласах [1,3,13] карты коэффициента увлажнения должны и могут быть уточнены и откорректированы. Во-первых, корректировка должна быть связана с уточнением подхода к определению коэффициента увлажнения, а во-вторых, следует отметить, что существуют статистически значимые положения изолинии оптимума тепловлагообеспеченности Рн = 1 для разных по водности интервалов времени. В результате многолетней миграции изолинии оптимума Рн = 1 объективно визуализируется полоса оптимальной тепловлагообеспеченности с определенными своеобразными природными условиями. Смещение по годам различной тепловлагообеспеченности изолинии рн = 1 позволяет выделять на картах не граничную линию, а именно полосу
оптимальной тепловлагообеспеченности, Географическое положение и степень устойчивости указанных граничных полос оптимума в территориальном и временном отношении в работе оценивается стандартными статистическими критериями, исходя из динамики водного и теплового балансов по годам за весь период инструментальных метеорологических наблюдений. Работа по исследованию географического положения и динамики полосы оптимума на континентах продолжается, В качестве ключевых участков выбраны Омская область, Западная Сибирь и все континенты, кроме Антарктиды. Одним из направлений работы является составление мировых карт полей гидролого-климатических характеристик в пределах полосы оптимума тепловлагообеспеченности, анализ территориальных закономерностей ее распространения и динамической устойчивости ее на континентах.
Библиографический список
1. Атлас мирового водного баланса. — М.-Л.: Гидро-метеоиздат, 1974.
2. Будыко М.И.Тепловой баланс земной поверхности. — Л.: Гидрометеоиэдат, 1956. - 255 с.
3. Будыко М.И. Атлас «Тепловой баланс Земли».-Л.: Гидрометеоиэдат,) 978.
4. Григорьев АА., Будыко М.И О периодическом законе географической зональности.-Доклады АН СССР, т. 110, №1, 1956.
5. Григорьев А.И., Карнацевич И.В., Игенбаева Н.О., Дмитриев A.B., МезенцеваО.В. Опыт количественной гидролого-климатической индикации границ ареалов растительности в Западной Сибири.//Омск: Изд. ОмГТУ, «Омский научный вестник», 2005, №4(33).- С.191-194.
6. Карнацевич И В. Расчеты тепловых и водных ресурсов малых речных водосборов на территории Сибири. / 4.1. Теплоэнергетические ресурсы климата и климатических процессов: Учебное пособие. - Омск: Изд. ОмСХИ, 1989. - 76 с.
7. Карнацевич И.В. Расчеты тепловых и водных ресурсов малых речных водосборов на территории Сибири./4.2.
Водные ресурсы и водный баланс; Учебное пособие. — Омск: Изд. ОмСХИ, 1991. - 82 с.
8. Карнацевич И.Б.Теплоэнергетические ресурсы радиационных сезонов в условиях криолитоэоны. // «Метеорология, климатология и гидрология», N27, 1991. - С.81-89.
9. Карнацевич И В. Теплоэнергетические ресурсы зимнего периода на территориях полярных стран и Сибири // «География и природные ресурсы», 1992, N4. - С. 167-169.
10. Карнацевич И.В., Мезенцева О.В. Исследования и картографирование важнейших возобновимых природных ресурсов Западной Сибири. // Челябинск, Изд.ЧГПУ, Материалы 2-й межрегион.научно-практ.конф. «Проблемы географии Урала и сопредельных территорий», 2006. - С.70-73.
1 1. Карнацевич И.В., Мезенцева О.В. Возобновляемые природные ресурсы Западной Сибири и экологические проблемы, связанные с их использованием. // Омск: Изд. ОмГПУ, Материалы международ. научн.-практ. конф. по геоэкологии и прородопользованию, 2006. - С.53-56.
12 Мезенцев B.C. Метод гидролого-климатических расчетов и опыт его применения для районирования ЗападноСибирской равнины по признакам увлажнения и теплообес-поченности. //Тр. ОмСХИ, Т.27./ Омск, 1957. - 121с.
13. Мезенцев B.C. Атлас увлажнения и теплообеспеченности Залздно-Сибирской равнины. — Омск: Изд-во ОмСХИ, 1961. — 66с.
14. Мезенцев B.C. Гидролого-климатические основы проектирования гидромелиораций: Учебное пособие. — Омск: Изд.ОмСХИ, 1993. - 128с.
15. Мезенцев B.C., Карнацевич И.В. Увлажненность Западно-Сибирской равнины. - Л.: Гидрометеоиэдат,1969. - 168 с.
16. Мезенцев В. С., Карнацевич И. В., Белоненко Г. В. и др. Режимы влагообеспеченности и условия гидромелиорации Степного края,- М.: «Колос», 1974. - 240 с.
17. Мезенцева О.В. Криоклиматическая характеристика территории Западной Сибири. // Научн.сб / «Омский научный вестник», №4(29)./ Омск, Изд.ОмГТУ, 2004. - С. 168-171.
18. Мезенцева О.В., Аблова И.М., Балошенко В.И.Вклад сибирских исследователей в разработку теоретических основ изучения тепловлагообмена на территории речных водосборов в XX веке. (К истории развития научных представлений в об-ласти теплового баланса земной поверхности)// Омск: Изд.ОмГТУ, «Омский научный вестник», №1(26), 2004. -С.179-182.
19. Мезенцева О.В. Количественная оценка адвекции тепла на территории Западной Сибири.// Омск: Изд.ОмГТУ, «Омский научный вестник», № 1 (26), 2004. - С. 188-189.
20. Мезенцева О.В., Игенбаева Н.О, Структура тепловых и водных балансов на территории Западной Сибири в средний год. // Омск: Изд.ОмГТУ, «Омский научный вестник», №4(29), 2004. - С. 172-176.
МЕЗЕНЦЕВА Ольга Варфоломеевна, кандидат географических наук, доцент, научный сотрудник кафедры физической географии.
Статья поступила в редакцию 05.08.06. © Мезенцева О. В.
УДК 581.501/504+551.578.46(571.13)
Р. Л. НОРЫШЕВА Н. В. КЛАК А. И. ГРИГОРЬЕВ
Омский экономический институт
ГУ «Омский ЦГМС - Р» Омский центр по мониторингу загрязнения окружающей среды
Омский государственный педагогический университет
БИОИНДИКАЦИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ ЭКОСИСТЕМ В г. ОМСКЕ
(СООБЩЕНИЕ ПЕРВОЕ)
Исследуются загрязняющие атмосферу вещества. В качестве депонирующей среды аэротехногенного загрязнения используется снежный покров.
Анализируются результаты химического состава снеговой воды на содержание загрязняющих веществ.
КЕД
В настоящее время необходимость в постоянном агрохимическом контроле за почвой и гигиенической оценкой производимой на этой территории продукции вызвана ростом техногенного загрязнения аэро-, гидро- и литосферы (начальных звеньев пищевой цепи). Вокруг предприятий образовываются зоны загрязнения и образуются неоаномальные соединения. Антропогенные загрязнения вызывают
локальные болезни у людей, снижают продуктивность растений, плодородие почв и все больше приобретают глобальный характер в системе: воздушная среда — почва — растения - человек.
Информация о региональной фоновой концентрации химических элементов в окружающей среде имеет практический интерес для определения их возможного антропогенного накопления в почвах и
