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

 

Широта центра зоны, град
Северное полушарие 28,9 7,9 7,4 6,7 10,6 33,8 45,4 4,9
Южное полушарие 36,8 22,8 6,4 6,1 3,0 0,3

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.

 






Дата добавления: 2016-06-22; просмотров: 1574; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2022 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.034 сек.