Зона хозяйственного оптимума увлажнения на суше и ее гидрологические рубежи | Вестн. Том. гос. ун-та. 2008. № 316.

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.

Zone of an economic optimum of humidifying on land and its hydrological boundaries .pdf 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], B.C. Мезенцева [3-4], И.В. Кар-нацевича [5], А.Т. Напрасникова [6], известно, что существует пограничная зона с наиболее благоприятными гидролого-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, Западно-Сибирского, Уральского, Красноярского УГМС, а такжерезультаты 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].Таблица 1 Элементы теплового и водного балансов, характеристики тепловлагообеспеченности в средний год для некоторых метеостанция Западной СнбнриСтанцияР+Ткт2ТкмгоYkphoCt.dvL-ZР~ZmКХZУРнлСалехардПО157310794940,310,07989ПО4196863863001,730,44Сургут87174713104370,250,0510942165296544362181,310,33Томск20187815852930,160,001123462631557447ПО1,050,20Тюмень59196817482200,130,031168580696524466580,770,11Омск39193615653710,090,02996570691438397410,630,09Барнаул20199416693250,070,011273396692617507ПО0,910,18Кустанай15204419191250,060,019021017764373360130,500,03Павлодар1020701994760,040,008591135793352342100,460,03Примечание. Обозначения см. в табл. 2; курсивом выделены метеостанции, входящие в зону хозяйственного оптимума увлажнения.Таблица 2 Диапазоны значений норм элементов водного и теплового балансов, характеристик тепловлагообеспеченности в пределах зоны хозяйственного оптимума увлажнения Западной СибириКоличественная характеристика для годового и вегетационного периодов среднего годаДиапазон с С на ЮПоложительная составляющая радиационного баланса в средний год R*, МДж/(м2тод)1100...2000Положительная составляющая турбулентного теплообмена в средний год Р*, МДж/(м -год)60... 20Теплоэнергетические ресурсы климата в средний год Tk=R*+P*, МДж/(м2тод)1850..2000Сезонные криогенные затраты теплоэнергетических ресурсов климата в средний год ТкрИо, МДж/(м -год)370...210Теплоэнергетические ресурсы испарения TZ=TK- Ткрио. МДж/(м2тод)1570... 1600Криоклиматический коэффициент Ткрио= Ткрио/ Тк, доли едУгодКлиматический коэффициент тепловой адвекции сь^РУГк, доли ед./год0,19...0,120,03...0,00Средние годовые затраты тепла на испарение L-Z, МДж/(м2тод)1170... 1000Отрицательный турбулентный теплообмен с атмосферой Р-, МДж/(м год)400...600Водный эквивалент теплоэнергетических ресурсов испарения в средний год Zm=Tz/L, мм/год600... 700Сумма атмосферных осадков в средний год КХ, мм/год600...400Суммарное испарение в средний год Z, мм/год460...380Суммарный климатический сток в средний год Y, мм/годГодовой коэффициент стока n=Y/KX, доли ед./год" - тт - ■ '" " "Коэффициент увлажнения в средний год Рн= KX/Zm, доли едУгод150...300,25.. .0,0751,0... 0,65Средняя относительная влажность почвы в средний год Уср=\УсрАУнв, доли едУгод1,0...0,65Дефицит атмосферного увлажнения в средний год АКХ, мм/год0...-280Водный эквивалент теплоэнергетических ресурсов климата и испарения за вегетационный период среднего года Zmps-o, мм/май-август 480... 550Сумма атмосферных осадков за вегетационный период Ю^щ, мм/май-август350...250Суммарное испарение за вегетационный период среднего года Z^s-rn, мм/май-августКоэффициент увлажнения за вегетационный период рн ми, доли едУмай-август360... 3001,00-0,60Средняя относительная влажность почвы за вегетационный период Vcpos-ю, доли едУмай-август1,00...0,65Относительное испарение за вегетационный период среднего года Pzo-o8= Zw-ntl Zmo^-o, доли ед./май-августЦефицит атмосферного увлажнения за вегетационный период АКХм-м, мм/май-август0,85...0,450...-300264Линейное 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 суммарногоиспарения. 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].Рис. 1. Схема взаимного расположения гидролого-климатического, гидрографического рубежей и зоны хозяйственного оптимумаувлажнения для равнин (а) и предгорий (б): I - гидролого-климатический рубеж - линейное местоположение на сушеоптимального сочетания тепла и влаги; 2 - зона динамического оптимума увлажнения - область пространственной миграцииизолинии оптимального увлажнения по годам с различной структурой водного и теплового балансов, т.е. сухих и влажных летс обеспеченностью 20 и 80% соответственно; 3 - гидролого-почвенно-мелиоративная константа, принятая в качествеколичественного индикатора гидрографического рубежа, норма годового стока У = 30 мм/год или норма годового модуля стокаМ = 1,0 л/(скм2), соответствующая нижнему уровню оптимальности сочетания влаги и тепла при средней годовой влажностидеятельного 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 местоположениена суше границы, на которой прерывается постоянная речная сеть с местным стоком; зона хозяйственного оптимума увлажнения -область, заключенная между положениями гидролого-климатического и гидрографического рубежей (/ и 5) с учетомих пространственных колебаний в годы с различной структурой водного и теплового балансовГидролого-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 гидролого-климатического 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 другимприродным 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 Y = 30 мм/год или модуля годового стока М = 1 л/(скм2). Если рассмотреть весь диапазон значений нормы слоя стока (0...5000 мм/год) на карте в Атласе мирового водного баланса, то становится ясно, что265не только эти значения стоковых характеристик, но даже интервал значений стока Y = 15...45 мм/год (или М = 0,5... 1,5 л/(скм2)) 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 Y = 30 мм/год также можно рассматривать в качестве гидролого-почвенно-мелиоративной константы, количественно характеризующей гидрографический рубеж, и использовать в качестве индикатора его местоположения.266З.Д.120^60 060 120 180 в.д.N-31^■Щ s=Lx^зшС.Ш. 60 40 20 0 20 40fikv v*ffiW \f \ Ш\j%/ \^*ш л1 ' %ЗШ!Ш1?ИШ>' j1 'in1'!1);"1! ''''Гтяяг'ту/a ./nW4K?'{ *S5'Ж7 \U [lijHPI~ТГ\Ш1If "/* /1Ю.Ш'■~2Ш Р 1ррIИИ гРис. 2. Главные гидрологические рубежи и зона хозяйственного оптимума увлажнения на континентах(по картам увлажнения и стока [14]): 1 - область избыточного увлажнения; 2 - зона хозяйственного оптимумаувлажнения с местным речным стоком; 3 - аридная область без местного стока, но с возможным транзитным речным стоком;4 - гидролого-климатический рубеж; 5 - гидрографический рубежРис. 4. Средняя за период с мая по август влажность деятельного слоя в долях наименьшей влагоемкости в средний год, Vcpts-wНа 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 флуктуации. 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 гидролого-климатических 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 было267найти 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 первьа 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 гидролого-климатическим и гидрографическим рубежами, бьши освоены пионерами-переселенцами прежде всего как наиболее пригодные для жизни.Рис. 5. Взаимное расположение гидролого-климатических зон, зоны хозяйственного оптимума увлажненияи природных зон Западно-Сибирской равнины. Гидролого-климатические зоны: А - зона избыточного увлажнения в среднийи влажные годы и оптимального увлажнения в сухой год повторяемостью 1 раз в 5 лет; В - зона избыточного увлажненияи недостаточной теплообеспеченности во влажный год повторяемостью 1 раз в 5 лет и оптимального увлажнения в средний годи сухой год повторяемостью I раз в 5 лет; С - зона оптимального увлажнения и теплообеспеченности в средний год и во влажный годповторяемостью 1 раз в 5 лет и недостаточного увлажнения в сухой год повторяемостью 1 раз в 5 лет; D - зона недостаточного увлажненияи избыточной теплообеспеченности в сухой год повторяемостью 1 раз в 5 лет и оптимального увлажнения в средний год и во влажный годповторяемостью 1 раз в 5 лет; Е - зона весьма недостаточного увлажнения и избыточной теплообеспеченности в средний год и сухой годповторяемостью 1 раз в 5 лет, а также недостаточного увлажнения во влажный год повторяемостью 1 раз в 5 лет; А1 - зона весьмаизбыточного увлажнения и недостаточной теплообеспеченности; El - зона весьма недостаточного увлажнения и избыточнойтеплообеспеченности. 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 -B,C,DВ 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-климатическому рубежу соответствуют максимальные показатели фитомассы и биопродуктивности древесной растительности. Гидрографическому рубежу зоны со-268ответствуют 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 гидромелиорации 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 криолитозоны 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 криолитозоны 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], вьшолняя экологическую оценку территории России на основе индексабиологической 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 физико-географических и социально-экономических процессов, и может, на наш взгляд, стать частью системы географических знаний на уровне вузовской и школьной географии.

Ключевые слова

Авторы

Список пуст

Ссылки

Григорьев А.А. Закономерности строения и развития географической среды. М., 1966. 382 с.
Будыко М.И. Испарение в естественных условиях. Л.: Гидрометеоиздат, 1948. 136 с.
Мезенцев B.C., Карнацевич И.В. Увлажненность Западно-Сибирской равнины. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 168 с.
Мезенцев B.C. Гидролого-климатические основы проектирования гидромелиорации. Омск: Изд.-во ОмГАУ, 1993. 128 с.
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.
Напрасников А.Т. Гидролого-климатические системы: геоэкологический анализ. Иркутск: Изд-во ИГ СО РАН, 2003. 144 с.
Большой Атлас мира. М.: Роскартография, 1999.
Экологический атлас России. М.: Карта, 2002. 128 с.
Атлас Мирового водного баланса. М.; Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 46 карт.
Мезенцева О.В., Игенбаева И.О. Структура тепловых и водных балансов на территории Западной Сибири в средний год // Омский научный вестник. 2004. № 4 (29). С. 172-176.
Карнацевич И.В., Мезенцева О.В., Тусупбеков Ж.А., Бикбулатова Г.Г. Возобновляемые ресурсы тепловлагообеспеченности Западно-Сибирской равнины и динамика их характеристик / Под общ. ред. О.В. Мезенцевой. Омск: Изд. ОмГАУ, 2007. 270 с.
Мезенцева О.В. Характеристики тепловлагообеспеченности водосборов и геотопология новой гидрологической константы // Омский научный вестник 2006. № 8 (44).
Гумилев Л.Н. Этносы в ландшафте//Человек и природа. 1988. Вып. 10. С. 13-71.
Лавров С.Б., Гладкий Ю.Н. Глобальная география. М.: Дрофа, 1999.
Современные глобальные изменения природной среды. М.: Науч. мир, 2006. Т. 1, 2.
Исаченко А.Г. Макроландшафтные закономерности в сельском хозяйстве России // Изв. РГО. 2004. Т. 136, вып. 4. С. 9-18.
Исаченко А.Г. Глобальная система ландшафтных макрорегионов // Изв. РГО. 2007. Т. 139, вып. 1. С. 3-18.
 Зона хозяйственного оптимума увлажнения на суше и ее гидрологические рубежи             | Вестн. Том. гос. ун-та. 2008. № 316.

Зона хозяйственного оптимума увлажнения на суше и ее гидрологические рубежи | Вестн. Том. гос. ун-та. 2008. № 316.

Полнотекстовая версия