Для комплексной, балансовой оценки В. р. служит система уравнений водного баланса суши: R = U + S; Р = U+ S + Е; W = Р - S= U + Е,где: R -полный речной сток; U -подземный сток в реки; S- поверхностный сток (паводочный); Р -атмосферные осадки; Е -испарение; W -валовое увлажнение территории.
С помощью этих уравнений удаётся оценить различные источники В. р. взаимосвязанно, в соответствии со свойственным природе единством вод, обусловленном круговоротом воды (табл. 3).
Речные В. р. состоят из двух неравноценных, различимых по происхождению частей: подземной и поверхностной. Первая устойчива, поэтому, как правило, не требует регулирования. Вместе с тем она в общем виде характеризует возобновимые запасы подземных вод зоны активного водообмена. Глубинные подземные воды (ниже уровня дренажа реками) слабо участвуют в современном круговороте воды, носят застойный характер и поэтому чаще всего сильно минерализованы. Поверхностный (паводочный) сток весьма изменчив и для использования, как правило, требует регулирования.
Табл. 3. - Балансовая оценка водных ресурсов
| Элеметы баланса (источники водных ресурсов) | Вся суша | СССР | ||
| км 3 | мм | км 3 | мм | |
| Атмосферные осадки | 109 400 | 730 | 10 960 | 500 |
| Полный речной сток | 38 150 | 260 | 4350 | 198 |
| Подземный сток | 12 000* | 81 | 1020* | 46 |
| Поверхностный (паводочный) сток | 26 150 | 179 | 3330 | 152 |
| Валовое увлажнение территории | 82 250 | 551 | 7630 | 348 |
| Испарение | 72 400 | 470 | 6610 | 302 |
*Устойчивый сток речной, включая зарегулированный озёрами и водохранилищами: 15000 км 3- вся суша, 1300 км 3- СССР.
Валовое увлажнение территории в общем виде характеризует годовой возобновимый запас почвенной влаги.
Из стационарных запасов гидросферы менее 2% относится к пресным водам. Но если исключить воды (льды) полярных ледников, пока недоступных для использования, то на долю доступных для использования пресных вод приходится всего лишь 0,3% стационарного объёма гидросферы. Речные В. р. под влиянием высокой активности (в среднем сменяются каждые 11 суток, см. табл. 1), как правило, пресные. Пресными же являются и проточные озёра и большая часть подземных вод зоны активного водообмена. Эти источники В. р. наиболее широко используются для разнообразных целей (водоснабжение, орошение, отдых и туризм, рыболовство и рыборазведение, гидроэнергетика, внутреннее судоходство). СССР наиболее богат В. р. по абсолютным величинам, но по удельным запасам на единицу площади показатели по СССР ниже средних мировых, особенно по подземному стоку (55%) и почвенной влаге (63%).
Теоретически В. р. неисчерпаемы, так как при рациональном использовании они непрерывно возобновляются в процессе круговорота. Ещё в недалёком прошлом считалось, что воды на Земле так много, что, за исключением отдельных засушливых районов, людям не надо беспокоиться о том, что её может не хватить. Однако потребление воды растет такими темпами, что человечество всё чаще сталкивается с проблемой, как обеспечить будущие потребности в ней. Во многих странах и районах Европы, Америки уже ощущается недостаток В. р., усиливающийся с каждым годом. Большую опасность истощения В. р. вызывает быстро возрастающее загрязнение речных, озёрных и в значительной мере морских вод, вызванное сбросом в них сточных вод.
На все виды водоснабжения на Земле в год расходуется 150 км 3воды, но одновременно сбрасывается в реки и озёра около 450 км 3сточных вод, для обезвреживания которых требуется св. 5500 км 3чистой речной воды, что составляет 1/ 7часть мировых ресурсов речного стока. Если продолжать сброс сточных вод в реки, то, даже при существенном улучшении качества их предварительной очистки, к 2000 году для этой цели потребуется израсходовать все мировые ресурсы речного стока.
Во избежание качественного истощения В. р. необходимо проведение комплекса целенаправленных мер, среди которых видное место принадлежит всемерному сокращению, а впоследствии и полному прекращению использования рек, озёр и водохранилищ для удаления и обезвреживания сточных вод. Это возможно осуществить путём повторного использования сточных вод (орошение земледельческих полей, применение после очистки на некоторых предприятиях), а также путём всемерного снижения водоёмкости производства, т. е. уменьшения расхода воды на единицу продукции и перевода некоторых водоёмких производств на сухую технологию.
Расширенное производство В. р., т. е. увеличение наиболее доступных для использования за счёт труднодоступных или потенциальных В. р., широко применяется в практике водного и сельского хозяйства. Это достигается преобразованием В. р., например, путём умножения ресурсов почвенной влаги мелиоративными и агротехническими средствами, а также устойчивого речного стока за счёт поверхностного (паводочного) стока путём регулирования водохранилищами. Важное значение приобретает искусственное магазинирование подземных вод (устройство крупных постоянно пополняемых подземных водохранилищ с большим транзитом воды).
Лит.:Львович М. И., Элементы водного режима рек земного шара, Свердловск - М., 1945; его же. Человек и воды, М., 1963; Давыдов Л. К., Конкина Н. Г., Общая гидрология, Л., 1958; Великанов М. А., Гидрология суши, 5 изд., Л., 1964; Гохман В. М., Карпов Л. Н., Ковалевский В. П., Проблемы освоения водных ресурсов американского севера, «Изв. АН СССР. Серия географическая», 1965, № 3; Водные ресурсы и водный баланс территории Советского Союза, Л., 1967; Калинин Г. П., Проблемы глобальной гидрологии, Л., 1968; Водные ресурсы и их комплексное использование, в сб.: Вопросы географии, сб. 73, М., 1968; Водный баланс СССР и его преобразование, М., 1969 (имеется библ.).
М. И. Львович.
Водный баланс
Во'дный бала'нс,количественная характеристика всех форм прихода и расхода воды в атмосфере, на земном шаре и его отдельных участках. В. б. является количественным выражением круговорота воды на Земле. Расчётом составляющих В. б. широко пользуются в гидрологии и в метеорологии для изучения водного режима.
В. б. суши характеризуется основной зависимостью: количество атмосферных осадков, выпадающих на данной территории, равно сумме испарения, стока и накопления (или расхода) воды в верхнего слоях литосферы. Для всего земного шара за годичный период и для средних многолетних условий его отдельных территорий последний член В. б. равен нулю.
В В. б. атмосферы над определённой частью земной поверхности расход воды на выпадение осадков равен сумме испарения с земной поверхности, поступления или выноса водяного пара в результате его горизонтального. переноса воздушными течениями и изменения количества воды в атмосфере (последний член обычно мал по сравнению с другими членами В. б.). В. б. атмосферы существенно зависит от условий атмосферного влагооборота , в ходе которого водяной пар переносится из одних районов в другие. Хотя испарение с поверхности суши составляет около 2/ 3от количества осадков на континентах, фактически большая часть осадков, выпадающих на суше, формируется из водяного пара, принесённого воздушными течениями с океанов. Это объясняется тем, что циркуляция атмосферы уносит с континентов на океаны значительную часть водяного пара, образованного местным испарением. Разность между испарением и осадками на континентах, равная разности между приходом и расходом водяного пара в атмосфере над континентами, одновременно равна величине речного стока с континентов в океаны.
Если рассматривать В. б. для всей земной поверхности в целом, так же как и для всей атмосферы, то годовая сумма осадков равна величине испарения, которая соответствует, по современным данным, приблизительно 100 см/год(см. табл.).
Водный баланс Земли
| Элементы баланса | Объём, км 3 | Слой, мм |
| Часть суши, имеющая сток в океан | ||
| Осадки | 102 000 | 870 |
| Речной сток | 38 150 | 320 |
| Испарение | 65 000 | 550 |
| Часть суши, не имеющая стока в океан (бессточные области) | ||
| Осадки | 7 400 | 230 |
| Испарение | 7 400 | 230 |
| Мировой океан | ||
| Осадки | 411 000 | 1140 |
| Приток речных вод | 38 150 | 100 |
| Испарение | 448 000 | 1240 |
| Земля в целом | ||
| Осадки | 520 000 | 1020 |
| Испарение | 520 000 | 1020 |
Составляющие В. б.: осадки, испарение и сток измеряются на метеорологических и гидрологических станциях. Для определения испарения, стока и других членов В. б. широко используются расчётные методы.
Лит.:Великанов М. А., Гидрология суши, 5 изд., Л., 1964: Дроздов О. А., Григорьева А. С., Влагооборот в атмосфере, Л., 1963.
М. И. Будыко.
Водный дефицит
Во'дный дефици'т(биологический), недостаток насыщения водой растительных клеток, возникающий в результате интенсивной потери воды растением, не восполняемой поглощением её из почвы. В. д. обычно наблюдается в наиболее жаркие часы дня. Листья многих растений (дурман, тыква) теряют при этом тургор и повисают. Внешний вид растений с большим количеством механических тканей (бессмертники) при В. д. не изменяется даже при их гибели. При наступлении засушливой погоды наблюдается остаточный В. д., при котором растение за ночь не может восполнить недостаток воды. В. д., особенно остаточный, вызывает ряд физиолого-биохимических изменений в растении. Одни растения (некоторые группы ксерофитов , так называемые эвксерофиты) способны выносить очень большой В. д. (до 50-60%), другие ( мезофиты ) - повреждаются при относительно небольшом В. д. Надёжного метода определения В. д. нет, поэтому иногда прибегают к определению коэффициента завядания: для выращиваемых без полива растений устанавливают содержание воды в почве в момент завядания их листьев.
Лит.:Генкель П. А., Устойчивость Растений к засухе и пути её повышения, «Тр. Ин-та физиологии растений им. К. А. Тимирязева», 1946, т. 5, в. 1; Литвинов Л. С., О почвенной засухе и устойчивости к ней растений, Львов, 1951; Жолкевич В. Н., Энергетика дыхания высших растений в условиях водного дефицита, М., 1968.
П. А. Генкель.
Водный кадастр
Во'дный када'стр,систематизированный свод сведений о водных ресурсах страны. В СССР впервые В. к. по разделу вод суши был подготовлен и издан Государственным гидрологическим институтом в 1933-40. Сюда входили материалы по режиму рек СССР (20 выпусков), сведения об уровнях воды (27 выпусков) и порайонные справочники (27 выпусков). Продолжением этих изданий стали «Гидрологический ежегодник» и материалы наблюдений специализированных станций, издаваемые Гидрометеорологической службой СССР. В. к. явился первой крупной работой по обобщению всех материалов гидрологических наблюдений и исследований, способствовал улучшению планирования, проектирования и эксплуатации водохозяйственных сооружений. В. к. способствовал развитию гидрологии как науки. Впоследствии были в значительном количестве накоплены новые материалы наблюдений и исследований на водных объектах СССР, существенно повысился уровень научных разработок, увеличились требования народного хозяйства к гидрологическим данным. Это обусловило необходимость создания нового В. к. под названием «Ресурсы поверхностных вод СССР». Новый В. к. состоит из трёх серий, каждая из которых делится на несколько десятков выпусков, 1-я серия - «Гидрологическая изученность» состоит из 44 выпусков; каждый выпуск содержит перечень водных объектов данной территории и их морфометрические характеристики, сведения о стационарных наблюдениях по отдельным элементам водного режима рек и озёр и о проводившихся экспедиционных исследованиях, 2-я серия - «Основные гидрологические характеристики» состоит из 42 выпусков; содержит проанализированные табличные материалы с пояснительным текстом по режиму рек, озёр и водохранилищ, составленные по данным наблюдений на сети Гидрометеорологической службы СССР и других ведомств. 3-я серия -»Ресурсы поверхностных вод СССР» - практическое пособие для проектных и водохозяйственных организаций по расчёту гидрологических характеристик, основанное на научном анализе и обобщениях данных наблюдений сети станций и постов, а также на специальных экспериментальных и экспедиционных исследованиях. Эта серия включает 42 выпуска, из которых 24 опубликованы (1970).
А. И. Чеботарёв.
Водный режим
Во'дный режи'м,изменение во времени расходов воды рек, уровней и объёмов воды в реках, озёрах, водохранилищах и болотах. В. р. тесно связан с сезонными изменениями климата. В районах с тёплым климатом на В. р. основное влияние оказывают атмосферные осадки и испарение; в районах с холодным и умеренным климатом очень существенна роль температуры воздуха.
В. р. рек проявляется в виде суточных, декадных, месячных, сезонных и многолетних колебаний; слагается из ряда характерных периодов (фаз), зависящих от сезонных изменений условий питания рек. Различают следующие фазы В. р.: половодье, паводки и межень. Режим питания рек неравномерен в течение года вследствие неравномерности выпадения атмосферных осадков, таяния снега и льда и поступления их вод в реки. Наблюдаемые колебания уровня воды вызываются в основном изменением величины расхода воды, а также действием ветра, ледовых образований, хозяйственной деятельностью человека.
В. р. озёр определяется соотношением между количеством осадков, выпадающих на зеркало озера, испарением, поверхностным и подземным притоком в озеро, поверхностным и подземным стоком воды из озера; размерами озера, его формой, закономерностью изменения площади водного зеркала при изменении уровня, деятельностью ветра, определяющей размеры волн, высоту сгонов и нагонов уровня. Колебания уровня озера могут быть сезонные, годовые и кратковременные.
В. р. болот обусловливается климатическими и гидрологическими условиями, рельефом местности, характером растительности. Хозяйственная деятельность человека вносит всё большие изменения в В. р.
Лит.:Чеботарев А. И., Общая гидрология (воды суши), Л., 1960.
А. И. Чеботарёв.
Водный режим почвы
Во'дный режи'м по'чвы,совокупность всех явлений, определяющих поступление, передвижение, расход и использование растениями почвенной влаги. В. р. п. - важнейший фактор почвообразования и почвенного плодородия. Главный источник почвенной влаги - атмосферные осадки; иногда значительную роль играют также близко расположенные грунтовые воды; в районах орошаемого земледелия большое значение имеют поливы. Воды атмосферных осадков и талые воды могут частично стекать, образуя поверхностный сток, а часть воды поступает в почву и расходуется растениями. Глубокая зяблевая пахота поперёк склонов затрудняет поверхностный сток и способствует задержанию и лучшему впитыванию талых вод. Атмосферные осадки, талые и поливные воды проникают в почву вследствие её водопроницаемости (способности почвы пропускать воду). Чем больше в почве крупных (некапиллярных) промежутков, тем выше водопроницаемость. Особое значение имеет водопроницаемость для впитывания талых вод. Если осенью почва замёрзла в сильно увлажнённом состоянии, то обычно её водопроницаемость крайне незначительна. Под лесной растительностью, предохраняющей почву от сильного промерзания, или на полях с рано проведённым снегозадержанием талая вода впитывается хорошо. Поступление в почву влаги из грунтовых вод зависит от глубины их залегания и водоподъёмной способности почв и грунта. Грунтовые воды в глинистых почвах по капиллярам поднимаются на большую высоту (до 4 м), но очень медленно; в почвах лёгкого механического состава - быстрее, но на меньшую высоту.
Влажность почвы, т. е. содержание в ней влаги, обычно выражают в процентах от массы сухой почвы (весовая влажность) или от объёма почвы ненарушенного сложения (объёмная влажность); запас воды в почве - в кубических метрах на 1 гаили в миллиметрах водного слоя. Почвенная влага может находиться в парообразном, жидком и твёрдом (лёд) состояниях. Обычно содержание водяных паров в почвенном воздухе близко к полному насыщению, а их перемещение в почве происходит под влиянием разности температур - от более тёплых слоев к более холодным. Подвижность и доступность влаги для растений зависят от связи с твёрдыми частицами почвы, величины и строения почвенных пор, степени и характера заполненности их водой. Различают воду связанную, удерживаемую сорбционными силами, и свободную, находящуюся в почвенных порах вне влияния сорбционных сил. Связанная (сорбированная) вода удерживается поверхностью почвенных частиц с очень большой силой; эта вода практически недоступна растениям. Свободная почвенная влага может быть гравитационной, передвигающейся под преимущественным влиянием силы тяжести и капиллярных сил. Над грунтовой водой залегает зона капиллярной каймы, влага которой легко перемещается под совокупным влиянием капиллярных сил и тяжести; эта влага легко доступна растениям. Содержание влаги в зоне соответствует капиллярной влагоёмкости почвы. При глубоком залегании грунтовых вод в верхней части почвы обособляется зона подвешенной влаги, максимальное содержание которой соответствует наименьшей влагоёмкости почвы. Часть влаги этой зоны также доступна растениям. Капиллярная и наименьшая влагоёмкость почвы имеют большое агропроизводственное значение, так как определяют максимальную величину прочного запаса почвенной влаги (полевая влагоёмкость).
Растения могут иссушить почву до такого состояния, при котором начинается их завядание. Такую степень увлажнения принято называть почвенной влажностью устойчивого завядания растений, почвенную влагу сверх влажности завядания - продуктивной влагой. Вся влага сверх наименьшей влагоёмкости просачивается до верхней границы капиллярной каймы и далее до уровня грунтовых вод, отток которых происходит по водонепроницаемому ложу-водоупору. Разность в содержании влаги при полном насыщении и наименьшей влагоёмкости называется водоотдачей грунта. Величина водоотдачи колеблется от 5% (в суглинистых и глинистых грунтах) до 20-25% (в песках).
От содержания воды в почве зависят технологические процессы при обработке почвы, снабжение растений водой, физико-химические и микробиологические процессы, обусловливающие превращение питательных веществ в почве и поступление их с водой в растение. Поэтому одной из основных задач земледелия является создание в почве водного режима, благоприятного для культурных растений, что достигается накоплением, сохранением, рациональным расходованием почвенной влаги, а в необходимых случаях орошением или осушением земель.
В. р. п. зависит от свойств самой почвы, условий климата и погоды, характера природных растительных формаций; на обрабатываемых почвах - от особенностей выращиваемых культурных растений и техники их возделывания. В созданий благоприятного В. р. п. большую роль играет поддержание в почве прочной мелкокомковатой структуры. Рациональному использованию запасов почвенной влаги культурными растениями способствуют не только своевременные сроки сева, но и удобрения. Установлено, что при правильном применении удобрений растение расходует меньше воды на каждый центнер сухой массы урожая, т. е. с помощью удобрений можно понизить непроизводительную трату воды растениями. Полезащитные лесные полосы, умеряя силу ветра и повышая относительную влажность приземного слоя воздуха на окаймленных ими полях, также способствуют понижению непроизводительной траты почвенной влаги культурными растениями в засушливых районах.
Выделяют следующие семь типов водного режима почв: мерзлотный, промывной (пермацидный), периодически промывной, непромывной (импермацидный), десуктивно-выпотной, выпотной и ирригационный. Мерзлотный формируется на территории распространения многолетнемёрзлых горных пород. Особенность его - наличие на некоторой глубине постоянно мёрзлого слоя, над которым в тёплое время года образуется надмерзлотная верховодка. Промывной, при котором почва возвращает в атмосферу меньше влаги, чем её получает (избыток влаги просачивается в грунтовые воды); свойствен таёжной зоне с подзолистыми, дерново-подзолистыми и подзолисто-болотными почвами. При периодически промывном типе лишь в отдельные годы возврат влаги в атмосферу меньше её поступления; типичен для лесостепной зоны с серыми лесными почвами. Непромывной В. р. п. отличается тем, что количество возвращаемой в атмосферу влаги приблизительно равно поступлению её с осадками. Осадки промачивают почву не на всю глубину; причем между промоченным слоем почвы и зоной капиллярной каймы возникает горизонт с постоянной низкой влажностью (близкой к влажности завядания), называемый мёртвым горизонтом иссушения. Встречается в степной зоне (с чернозёмными и каштановыми почвами) и в полупустынях. Десуктивно-выпотной и выпотной водные режимы наблюдаются в условиях сухого климата; в почвах, которые питаются не только атмосферными осадками, но и влагой неглубоко расположенных грунтовых вод. Десуктивно-выпотной В. р. п. возникает в тех случаях, когда поднимающаяся грунтовая влага почти целиком перехватывается корнями растений. При выпотном режиме грунтовые воды достигают поверхности почвы и испаряются, что часто приводит к засолению земель. Ирригационный режим создаётся в условиях поливного земледелия; многократные поливы промачивают почву на всю глубину проникновения корней, а иногда (при необходимости промывки почвы от избытка солей) и глубже.
Регулирование В. р. п. преследует цель - поддерживать в корнеобитаемом слое в течение всего вегетационного периода достаточное количество продуктивной влаги. При этом очень важно, чтобы часть почвенных пор оставалась занятой воздухом, необходимым для жизни растений и нормальной деятельности микроорганизмов. Достигается это системой агротехнических и агромелиоративных мероприятий.
Лит.:Долгов С. И.. Основные закономерности поведения почвенной влаги и их значение в жизни растений, в сб.: Биологические основы орошаемого земледелия, М., 1957; Роде А. А., Основы учения о почвенной влаге, т. 1, Л., 1965.
С. И. Долгов.
Водный режим растений
Во'дный режи'м расте'ний,водообмен, поступление воды в растение и отдача её растением, необходимые для его жизнедеятельности (обмена веществ, роста, развития, размножения), В. р. р. складывается из трёх последовательно протекающих и тесно связанных между собой процессов: поступления воды в корни растений из почвы; поднятия воды по корням и стеблям в листья и в расположенные на стеблях растущие эмбриональные ткани, точки роста; испарения избыточной воды из листьев в окружающую атмосферу. Общее количество воды, проходящей через растение, чрезвычайно велико. В умеренно влажном климате за вегетационный период одно растение кукурузы или подсолнечника расходует до 100 лводы, а один гектар посева пшеницы испаряет за лето 2-3 тыс. м 3воды. В среднем на создание каждого килограмма урожая сухой массы растение расходует около 250-300 кгводы, а в засушливом климате - до 500-600 кг.
Вода, получаемая растением из почвы, поглощается не всей поверхностью корней, а только молодыми их окончаниями, так называемыми корневыми мочками и корневыми волосками. Клетки всасывающей зоны корня обладают по отношению к воде своеобразной полярностью. Наружная их сторона всасывает воду, а внутренняя выталкивает её в сосуды корня. Так в растений создаётся корневое давление , нагнетающее воду вверх по корню и стеблю с силой 2-3 и более атмосфер. С такой же примерно силой корень растения сосет воду из почвы и преодолевает сопротивление почвенных частиц, удерживающих воду на своей поверхности силами адсорбции и набухания почвенных коллоидов. По мере уменьшения толщины слоя воды, облекающей почвенные частицы, силы адсорбции, удерживающие воду, быстро возрастают и становятся равными, а затем и большими, чем всасывающая сила корневых клеток, поэтому корни растений не могут отнять от почвы всю находящуюся в ней воду и в почве всегда остаётся некоторое количество недоступной для растения воды. В таком случае дальнейшая потеря растением воды уже не может возмещаться за счёт поступления её из почвы: содержание воды в растении падает и оно увядает.
Лист растений обладает рядом физиологических особенностей, позволяющих ему в значительной степени регулировать отдачу воды. Испарение воды с поверхности растений получило название транспирации . Понижая содержание воды в клетках листовой мякоти и создавая состояние ненасыщенности водой, транспирация способствует возникновению значительной сосущей силы, обеспечивающей ток воды из сосудов листовых жилок в клетки. Это обусловливает движение воды вверх по растению, нередко значительно превосходящее по скорости накачивание воды клетками корневых мочек. В силу свойственного молекулам воды сцепления друг с другом вода, переходящая из сосудов в живые клетки мякоти листа тянет за собой весь столб воды, заполняющей проводящую систему вплоть до самого корня. В результате во всём растений создаётся натяжение воды в сосудах, способствующее поступлению воды из почвы в корень.