Климат и водное хозяйство

Трудно переоценить влияние воды на все виды хозяйственной деятельности и на самого человека. Вода – основной источник жизни на Земле, а проблема влагооборота – центральная проблема климатологии. Влагооборот включает следующие процессы: испарение влаги с поверхности суши и особенно с поверхности океана, конденсацию водяного пара и его превращение в осадки, вызванное неупорядоченными и упорядоченными вертикальными движениями в атмосфере и конденсацией влаги, выпадение влаги и ее возвращение в океан через реки и подземный сток. Этот круговорот воды в природе происходит непрерывно.

По данным Атласа мирового водного баланса (1974 г.), под действием солнечной энергии ежегодно с поверхности Мирового океана испаряется около 505 тыс. км³ воды. Из этого количества около 458 тыс. км³ попадает обратно в океан в виде осадков, 47 тыс. км³ переносится в системе атмосферной циркуляции на сушу и выпадает там в виде осадков. Кроме того, с поверхности суши, озер, рек через растительный покров испаряется еще около 72 тыс. км³ воды. В общей сложности в виде осадков над сушей выпадает около 119 тыс. км³ воды. Избыток осадков над испарением над сушей величиной 47 тыс. км³ возвращается обратно в Мировой океан через речной сток.

Цикл влагооборота (испарение–осадки–сток) замкнут. Однако замкнутость эта относительна. Небольшие коррективы вносят инфильтрация влаги, идущая на пополнение подземных грунтовых вод, и человеческая деятельность, связанная с добычей и использованием подземных грунтовых вод. Отклонения от замкнутости в этом цикле могут быть связаны также с накапливанием влаги, выпадающей в Антарктиде, Гренландии в виде снега и льда. В обозримом будущем отток воды из Антарктиды и Гренландии в виде айсбергов и накапливание твердых осадков, вероятно, будут компенсировать друг друга. Однако для оценки длительных тенденций изменений климата эти статьи прихода–расхода должны быть приняты во внимание.

В ледниковую эпоху уровень Мирового океана был, как известно, на 85 м ниже, а влага из океана была перекачена в ледники посредством влагооборота. Любое таяние ледников приведет к повышению уровня Мирового океана[3]. Масштабы данных процессов в прошлом составляли столетия и тысячелетия. Значит, в ближайшем будущем около 40 тыс. км³ пресной воды – это тот устойчивый естественный резерв, не считая континентальных льдов типа Антарктиды и Гренландии, которым человечество будет располагать как источником пресной воды.

Необходимое потребление человеком воды в будущем оценивается от 900 до 1400 м³ в год. Если согласно прогнозу население земного шара на рубеже 2000 г. составит около 8 млрд. человек, то на душу населения придется около 5 тыс. м³ пресной воды, что примерно в 4–5 раз больше приведенной нормы. Однако вода распределена крайне неравномерно. Есть районы, где ее не хватает уже сейчас, это – зоны повышенной испаряемости. Именно здесь потребуются ирригационные работы. Простейшие оценки показывают, что для производства 1 т зерна или риса на поливных землях необходимо соответственно около 1–3 тыс. т воды. Исходя из нормы 1 т зерна на трех человек, для населения в 8,1 млрд. человек нужно производить 2,7 млрд. т в год, по нормам же развитых стран (800 кг в год на человека) потребуется около 6,5 млрд. т зерна в год, что в 5 раз выше, чем сейчас. Полагая, до некоторой степени оптимистически, что около 40% этого количества будет производиться на орошаемых землях, специалисты подсчитали, что таких земель должно быть порядка 650–660 млн. га, в настоящее время их около 200 млн. га. Потенциальное количество земель, пригодных для орошения, оценивается в 470 млн. га. Если считать среднюю продуктивность орошаемых земель порядка 4 т зерна с 1 га (предполагаемая продуктивность неорошаемых земель к этому времени 1,8 т с 1 га), то при расходе 2200 м³ воды на 1 т зерна потребуется к 2000–2015 гг. изымать из стока 5850 км³ в год. Не меньше 90%, если не изменится система орошения, пойдет на испарение. Сюда следует добавить, что на промышленные цели израсходуется около 4100 км³ воды, исходя из нормы 500 м³ в год на человека[4]. Всего, таким образом, из стока нужно будет изымать около 10 тыс. км³ воды в год, что составит около 25% годового стока.

Рассмотрим теперь, как климатические изменения влияют на влагооборот вообще и на сток. В гидрологии существует такое понятие, как соотношение между средней годовой потребностью в воде для данного района и необходимой емкостью водохранилища в процентах от среднего годового стока. Связь эта нелинейная. Так, при годовой потребности в 60% необходимая емкость водохранилища может составлять 20–30%, и здесь обычно не возникает серьезных проблем при расчете. Однако при годовой потребности 70–80% и более необходимая емкость водохранилища может достигать 100% и более. А это существенно меняет весь подход к проектированию и эксплуатации водохранилищ, особенно если речь идет о крупных.

Достаточно привести такой пример. В Бразилии на Рио‑Гранде имеется каскад электростанций, в верхней части которого, в Фурнасе, расположено большое водохранилище емкостью 15 млн. м³, площадь водосбора около 54 тыс. км². При использовании всей воды водохранилища можно выработать 22 770 МВт/мес энергии (почти 50% всей производимой энергии в районе). Однако зависимость расчетов от климатических данных такова, что при потребной выработке электроэнергии с использованием 80% среднего годового стока различные модели расчетов дают необходимую емкость водохранилищ от 48 до 84%. В первом случае в строительстве других электростанций и водохранилищ нет необходимости, во втором – есть, и это будет связано с большими экономическими затратами.

Для некоторых районов США, например, при одних и тех же осадках порядка 750 мм годовой сток будет меняться в 4 раза при изменении температуры примерно на 20° С. При понижении температуры сильно уменьшается испарение и увеличивается сток. Потенциально возможное испарение (эватранспирация) для влажных районов при средней годовой температуре (~4–5° С) составляет 500 мм, а при температуре около 27° С – уже около 1500 мм.

Колебания климатических условий требуют при проектировании и эксплуатации водохранилищ оптимального использования трех типов климатической информации: длительных рядов инструментальных измерений температуры, осадков, испарения (потенциальная эватранспирация); палеоклиматической информации; прогнозов будущих изменений климата с учетом как естественных, так и антропогенных факторов.

При строительстве крупных ирригационных сооружений крайне важно учитывать изменения климата. Известно, что во многих странах поливное земледелие – решающий фактор экономики. Поэтому знание прошлого климата, а также прогнозы его будущих изменений, в особенности осадков, температуры, испаряемости, всегда будут иметь огромное значение при проектировании сооружений. При этом потребность в данных о прошлом климатическом режиме и стоке часто возникает в необжитых районах, где рядов наблюдений нет или они ограниченны.

Важное значение имеет климат и для районов, где используется грунтовая вода из подземных скважин. Например, в Калифорнии (США) источники подземных вод составляют около 40%. В 1977 г. в связи с засухой было пробурено 10 тыс. новых скважин. Но из‑за засухи скорость выкачивания подземных вод превышала скорость их восстановления за счет осадков. В результате фермеры бурили скважины все глубже. В 1977–1978 гг. скважины бурились на 270 футов (почти 80 м) глубже, чем до 1977 г. Стоимость воды здесь возросла почти вдвое.

Все эти примеры наглядно свидетельствуют о необходимости оптимального учета различных видов климатической информации при планировании и эксплуатации водохозяйственных сооружений, реализации водохозяйственных мероприятий.

Климат и леса

Леса – важный источник сырья и продовольствия, а также органическая связь биосферы и всей климатической системы. Они очень чувствительны к изменениям климата, о чем легко можно судить по кольцам срезов деревьев. В свою очередь, ощутимые изменения лесного покрова отражаются на климате в региональном или глобальном масштабах.

Как известно, из 510 млн. км² поверхности земного шара Мировой океан занимает 361 млн. км² (71%), а суша 149 млн. км² (29%). Поверхность суши, которая на 120 млн. км² покрыта растительностью, по типам подстилающей поверхности распределяется следующим образом.

Полярные районы занимают площадь 15 млн. км² (10% поверхности суши), тундра, болота, водоемы и реки – 30 млн. км² (21 %), земная растительность – 24 млн. км² (16%), засушливые пустыни – 9 млн. км² (6%), культивируемые земли – 14 млн. км² (9%), лесистая местность – 7 млн. км² (5%). Леса занимают площадь 50 млн. км², или 33% поверхности суши. Земли более чем одной трети поверхности суши (37%) малопродуктивны или вовсе непродуктивны. Среди них тундра, водная поверхность и др. (21 %), пустыни (6 %), полярные районы (10 %).

В результате фотосинтеза и роста различных типов растительности годовое производство биомассы в пересчете на сухую массу составляет для всего земного шара 155·10⁹ т в год: 55·10⁹ т приходится на океан и 100·10⁹ т – на сушу. Из этого количества леса дают основную продукцию, составляющую около 65·10⁹ т в год при средней продуктивности леса 1,3·10³ т/км² биомассы в год. Леса, следовательно, – самая продуктивная органическая система. Продуктивность лесов в 2–3 раза выше продуктивности других типов растительности суши и почти в 10 раз больше продуктивности океана.

Леса ответственны за газовый обмен, в частности за углеродный и кислородный циклы. Если принять годовой прирост древесины равным порядка 65·10⁹ т в год, то общее количество ее примерно в 30 раз больше, т. е. 2·10¹² т. Поскольку на 1 кг древесины приходится 0,35–0,5 кг С, общее содержание его в лесах составляет от 700·10⁹ – 1000·10⁹ т. Считается, что для производства единицы массы сухого вещества нужно затратить 1,83 единиц массы CO₂. При этом в атмосферу выделяется около 1,32 единиц массы O₂.

Всего, таким образом, леса поглощают из атмосферы около 119·10⁹ т CO₂ и выделяют в атмосферу 88·10⁹ т в год O₂. (Масса атмосферы – около 5,2·10¹⁵ т. В ней находится около 1,3·10¹⁵ т O₂ и 2,57·10¹² CO₂.)

Около 53% мировых запасов леса составляют тропические леса. Их вклад в мировую продукцию сухого вещества – около 75%. Главный лесной континент – Южная Америка (площадь тропических лесов 11·10⁶ км², или 55% площади всех тропических лесов).

Большие лесные массивы находятся в северной части умеренной зоны северного полушария. В табл. 9 приведено более детальное распределение лесов.

Средний запас древесины зависит от типа леса. В сухих субтропических лесах Южной Америки он составляет не более 40 м³/га, а во влажных тропических лесах 200–300 м³/га и более. Промышленная продукция леса по данным ФАО на площади 2,8·10⁹ га – около 1,45·10⁹ м³ в год. Таким образом, промышленное производство леса не превышает 1,5–2% годового прироста древесины. Из этой продукции около 59% идет в эксплуатацию и в другие виды промышленности и 41% используется как топливо.

Использование леса как топлива эквивалентно реализации энергии в (17–21)·10³ Дж на 1 г сухого вещества. Таким образом, в среднем фиксация энергии в древесной биомассе в год составляет порядка 1,2·10²¹ Дж.

Таблица 9. Распределение лесов, % площади широтной зоны

Леса влияют на тепловой баланс нашей планеты, влагооборот, речной сток, динамику атмосферы, ее газовый и аэрозольный состав и др. Коэффициент поглощения солнечной радиации деревьями очень велик, около 67 Дж/м² (почва, лишенная растительности, поглощает 33 Дж/м²). Потенциальные испарения над лесом составляют 850 мм/год, а над почвой, лишенной растительности, – 425 мм/год. Степень покрытости лесом воздействует на водный и энергетический баланс планеты. В свою очередь, изменение составляющих энергетического и водного баланса сказывается на продуктивности леса. Потенциальная продуктивность лесов зависит от температуры самого теплого месяца, годового количества осадков, продолжительности вегетационного периода, внутригодовых колебаний температуры, испарения, радиационного баланса и др. В странах холодного климата повышение температуры способствует ускоренному росту деревьев, в то же время небольшие повышения испаряемости практически не влияют на него. В странах теплого климата рост деревьев не зависит от температуры, однако при подъеме температуры увеличивается испаряемость, в результате чего продуктивность леса уменьшается.

Климатические флюктуации также отражаются на росте деревьев, Достаточно сказать, что такая наука, как дендроклиматология, опирается на закономерности роста деревьев (фиксируемые на срезах по кольцам деревьев) в зависимости от климатических условий. Это позволяет достаточно надежно восстанавливать климат прошлого.

Известно, что линии лесов в горах тесно связаны с климатом, а их положение с высотой меняется при изменениях климата. Линия лесов в горах зависит от широты, высоты, места и климатических условий. В тропиках (в Андах, Гималаях) она возвышается на 5 тыс. м над уровнем моря, в полярных районах находится вблизи уровня моря. Потепления (похолодания) на 0,5–0,6° С вызывают повышение (понижение) линии лесов примерно на 100 м. И такие явления отмечались в прошлом.