Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Водные ресурсы, водопотребление и водообеспеченность Северной Америки

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Измайлова, Анна Владиленовна, Санкт-Петербург

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ИЗМАЙЛОВА АННА ВЛАДИЛЕНОВНА

ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, ВОДОПОТРЕБЛЕНИЕ И ВОДООБЕСПЕЧЕННОСТЬ СЕВЕРНОЙ АМЕРИКИ

11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ГЕОГРАФИЧЕСКИХ НАУК

Санкт-Петербург - 1999

Содержание:

Введение 6

Глава 1 Физико-географическая и экономическая

характеристика; гидрологическая изученность территории 12

1.1. Общие сведения 12

1.2. Климат 13

1.3. Население. Экономическое развитие 19

1.4. Гидрологическая изученность 23

1.5. Современные данные о водных ресурсах 26

1.6. Современные данные о водопотреблении 34

Глава 2. Методические подходы использованные для оценки

возобновляемых водных ресурсов. 43

2.1. Существующие методы оценки возобновляемых водных

ресурсов. 43

2.2. Методические подходы, использованные для оценки водных ресурсов. 46

2.2.1. Выбор опорных расчетных створов и метеорологических станций 48

2.2.2. Проверка исходных рядов стока рек на стационарность и наличие трендов 49

2.2.3. Восстановление пропусков в стоковых рядах 55

2.2.4. Удлинение стоковых рядов 55

2.2.5. Восстановление естественного стока 56

2.2.6. Приведение измеренного стока в пункте наблюдений к стоку с

исследуемой площади 57

Гпава 3. Возобновляемые водные ресурсы и их

пространственно-временное распределение. 61

3.1. Исходные данные и предпосылки 61

3.2. Водные ресурсы континента 68

3.2.1. Многолетние колебания водных ресурсов. 68

3.2.2. Значения водных ресурсов. 73

3.3. Потенциальная водообеспеченность континента 82 4. Методические подходы к определению водопотребления. 85

4.1. Сельскохозяйственное водопотребление 87

4.1.1. Факторы определяющие водозабор на орошение 87

4.1.2. Факторы определяющие водозабор на водоснабжение сельского населения

и на животноводство gg

4.1.3. Методические подходы к оценке и прогнозу водозабора на орошение 91

4.1.4. Методические подходы к оценке и прогнозу водозабора на водоснабжение сельского населения и животноводства 95

4.2. Промышленное водопотребление 97

4.2.1. Факторы определяющие водозабор на нужды теплоэнергетики. 98

4.2.2. Факторы, определяющие водозабор для нужд обрабатывающей промышленности 99

4.2.3. Факторы, определяющие водозабор для нужд горно-добывающей промышленности jqj

4.2.4. Методические подходы к оценке и прогнозу водозабора в промышленности 104

4.3. Коммунальное водоснабжение 107

4.3.1. Факторы, определяющие водозабор для нужд коммунального

водоснабжения JQ7

4.3.2. Методические подходы к оценке и прогнозу коммунального водоснабжения 109

4.4. Дополнительные потери воды за счет строительства водохранилищ 111

4.4.1. Природа дополнительных потерь на испарение 1Ц

4.4.2. Расчет дополнительных потерь на испарение с водохранилищ 112

4.5. Расчет удельной водообеспеченности 114

Глава 5. Водопотребление и водообеспеченность на континенте, анализ современных данных и прогноз на

перспективу. 116

5.1. Исходные данные и предпосылки для оценки и прогноза водопотребления. 116

5.2 Динамика водопотребления в течении XX века и прогноз

водопотребления на начало XXI века. 118

5.2.1. Орошение 125

5.2.2. Водозабор на нужды сельскохозяйственного водоснабжения и

животноводства jjy

5.2.3. Промышленность 143

5.2.4. Коммунальное водоснабжение 157

5.2.5. Водохранилища и гидроэнергетика 163

5.2. б. Процент использования водных ресурсов ] 69

5.3. Водообеспеченность регионов и отдельных стран. 170 Заключение 190 Список литературы 197

Введение

Потребление больших объемов пресной воды на различные экономические и социальные нужды стало неотъемлимой чертой современного развития общества. Вода необходима для питья, улучшения санитарных условий, развития сельского хозяйства, промышленности и бесчисленного количества других целей. Растущий спрос на воду создает трудности с обеспеченностью водными ресурсами во многих регионах мира. Сток рек, в бассейнах которых ведется активная хозяйственная деятельность, сильно снижается к устью, во время засушливых периодов значительная часть стока таких рек формируется из сточных вод. В районах активного водопользования ввиду чрезмерной откачки на десятки метров могут уменьшаться уровни подземных вод, что затрудняет и удорожает их дальнейшее использование. Снижение уровней грунтовых вод приводит к таким негативным последствиям, как оседание почвы, осолонение подземных горизонтов в прибрежных регионах. Сокращается меженный сток рек, питание которых происходит за счет грунтовых вод, а в ряде случаев в межень такие реки и вовсе исчезают. Поэтому для разумного использования и охраны водных ресурсов крайне необходима их количественная оценка с учетом современного и перспективного водопользования.

Оценки водных ресурсов Северной Америки производились неоднократно, как в целом по материку, так и по его частям. Что касается оценок водных ресурсов всего континента, то используемые методические подходы, объем привлекаемой информации, и в силу этого, получаемые результаты оценок существенно различались. Наиболее обоснованной представляется оценка водных ресурсов, выполненная в ГГИ при составлении монографии "Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли". Однако, со времени ее опубликования прошло более 20 лет. За это время накопилось большое количество новой гидрометрической и метеорологической информации, которая позволяет в значительной степени уточнить полученные результаты. Что касается

А.Измайлова Водные ресурсы, водопотребление и еодообеспеченность Северной Америки региональных оценок, то наибольшее их количество за последние десятилетия проведено по центральной части континента. На сегодняшний день необходимо признать высоким уровень гидрометрической изученности США и юга Канады, и весьма точными национальные водно-балансовые оценки по этим регионам. Вместе с тем, за последние десятилетия немногое прибавилось в области расчета водных ресурсов по ЦентральноАмериканскому и Карибскому региону. В большинстве международных публикаций водные ресурсы по странам этого региона приводятся на основании давно проведенных оценок. Вместе с тем, на сегодняшний день плотность населения и темпы его прироста здесь наибольшие на континенте, и во многих странах все более остро ощущается водный дефицит.

В силу всего выше изложенного представляется актуальным осуществить новую оценку водных ресурсов Северо-Американского континента, как в целом, так и по его частям, и прежде всего по регионам, расположенным в южной части материка. Такая оценка должна быть выполнена за единый расчетный интервал времени, что позволило бы сопоставлять результаты, полученные по различным районам континента.

Более 1/3 площади Северо-Американского материка получает недостаточное количество годовых осадков и занято районами потенциального водного дефицита. Кроме того, в ряде районов, где изначально имелось достаточное количество водных ресурсов, чрезмерное экономическое развитие привело на настоящий день к возникновению проблем, связанных с нехваткой воды для нужд различных водопотребителей. Для стабильного экономического развития во всех этих районах необходимо осуществлять тщательное водохозяйственное планирование, а следовательно необходим прогноз возможного изменения водопотребления на ближайшую перспективу.

В США оценки водопотребления ведутся с середины XX века. На сегодняшний день по США опубликованы результаты регулярных (с интервалом в 5 лет) оценок по основным видам водопотребления с 1950 по 1990 гг и ретроспективных оценок с 1900 по

А.Измайлова Водные ресурсы. водопотребление и водообеспеченность Северной Америки 1940 гг.. С 1970 года достаточно подробно оценивается водопотребление в Канаде. В странах южной части материка имеется лишь ряд достаточно случайных (за разные годы) оценок по основным водопотребляющим секторам экономики. Поскольку прогноз водопотребления в значительной степени опирается на динамику существующего водопотребления, то для Мексики, стран Центральной Америки и Карибии встает необходимость осуществления также ретроспективной оценки водопотребления по основным секторам экономики.

Поставленные вопросы определяют основное содержание данной диссертационной работы, подготовленной в Государственном Гидрологическом институте в рамках МГП-IV темы 1.1.6.1, которая была завершена в 1998 г. подготовкой к печати монографии "Мировые Водные Ресурсы на рубеже XXI века". Детальные оценки водных ресурсов и водопотребления, полученные в данной диссертационной работе по странам Центральной Америки и Карибии, могут представлять интерес для ЮНЕСКО и других межправительственных организаций в связи с усиливающимся их вниманием к проблеме водных ресурсов стран данного региона и принятием в последнее десятилетие ряда международных программ по его изучению.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения.

В первой главе приводятся общие сведения по Северо-Американскому континенту: его физико-географические особенности, климатические условия, экономическая характеристика, степень гидрологической изученности. В конце главы дается обзор современной литературы по вопросам, касающимся оценки водных ресурсов и их использования на континенте и в отдельных его странах.

Во второй главе на основе анализа существующих методов оценки водных ресурсов, предлагается описание методических подходов к оценке водных ресурсов СевероАмериканского континента. В основу оценки положен метод линейных уравнений стока. В главе описываются приемы удлинения стоковых рядов, приведения их к единому

А.Измайлова Водные ресурсы. водопотребление и водообеспеченность Северной Америки расчетному периоду, восстановления естественных значений стока в районах со значительным влиянием хозяйственной деятельности. Предлагаются способы определения коэффициентов линейных уравнений стока.

Результаты расчета водных ресурсов по районам, странам и континенту в целом приведены в третьей главе. Для пяти регионов материка проанализирована динамика среднего годового стока за 65-летний интервал времени. В заключении этой главы приводится карта потенциальной водообеспеченности Северной Америки, составленная для водно-ресурсных районов Канады, США, Мексики и стран Центральной Америки и Карибии.

Четветая глава посвящена описанию методических подходов к определению водопотребления. Анализируются факторы, определяющие водозабор на нужды орошения, животноводства, теплоэнергетики, обрабатывающей и горно-добывающей промышленности, городского и сельского водоснабжения. Для оценки и прогноза каждого из перечисленных видов водопотребления предлагается комплексный подход, предполагающий совместный учет с одной стороны всех факторов, определяющих потребности в воде, и с другой стороны, возможностей для сокращения водозабора (уменьшение потерь при водоподаче, введение водосберегающих технологий, использование альтернативных источников воды и т.д.). Поскольку кроме вышеперечисленных видов водопотребления, значительные потери воды возникают за счет дополнительного испарения с поверхности водохранилищ, в этой главе рассматривается также методика расчета этих потерь.

В пятой главе анализируется динамика водопотребления в Северной Америке в XX веке и предлагаются результаты ее прогноза на три расчетных уровня: 2000, 2010 и 2025 гг. На основе данных по водным ресурсам, численности населения и безвозвратному водопотреблению расчитаны значения реальной удельной водообеспеченности по 50 водно-ресурсным районам США, Канады и Мексики, а также по странам Центральной

А.Измайлова Водные ресурсы, водопотребление и водообеспеченность Северной Америки Америки и Карибии. Построены карты водообеспеченности на современный уровень хозяйственного развития (1995 г) и на прогнозный уровень - 2025 г. На основе анализа полученных величин водообеспеченности на континенте выявлены районы реального водного дефицита и для этих районов произведен дополнительный расчет возможных изменений водообеспеченности в годы низкой водности.

В заключении к работе описаны основные выводы, полученные в процессе данного диссертационного исследования..

Подводя итог выше сказанному, можно сформулировать, что предметом защиты являются предложенные автором методические подходы к оценке водных ресурсов Северо-Американского континента и ее результаты, а также методические подходы и результаты расчета и прогноза водопотребления и водообеспеченности на континенте на рубеже XX - XXI веков.

Научная новизна выполненного исследования состоит в следующем:

> Осуществлена новая, за единый период времени, оценка водных ресурсов отдельных государств и всего Северо-Американского континента.

> Восстановлен и проанализирован годовой ход водных ресурсов по регионам материка за период 1921-1985 гг.

> Предложен ряд новых методических подходов к оценке различных видов водопотребления на континенте.

> Для Мексики, стран Центральной Америки и Карибии произведена ретроспективная оценка водопотребления по основным секторам экономики на вторую половину XX века

> Для всего Северо-Американского континента осуществлен прогноз водопотребления на три расчетных уровня: 2000, 2010 и 2025 гг.

> Расчитаны значения удельной водообеспеченности по водно-ресурсным районам Канады США и Мексики и странам Центральной Америки и Карибии на два

расчетных уровня: современный (экономическое развитие на уровень 1995 г.) и прогнозный (экономическое развитие на уровень 2025 г.). На основе выполненных оценок построены две карты водообеспеченности и выявлены районы наибольшего водного дефицита.

> Для всех районов водного дефицита на территории Северной Америки расчитаны значения удельной водообеспеченности в годы низкой водности. Определены значения обеспеченности стока, выше которых водообеспечение не может происходить лишь за счет возобновляемых водных ресурсов.

Оценка и прогноз водных ресурсов, водопотребления и водообеспеченности на всем континенте Северная Америка позволяют расширить представление о современном состоянии водных ресурсов на глобальном уровне и уже нашли свое применение при расчетах и прогнозах состояния мировых водных ресурсов на рубеже ХХ-ХХ1 веков.

Оценка и прогноз водных ресурсов, водопотребления и водообеспеченности на региональном уровне (страны и водно-ресурсные районы) могут позволить осуществлять более обоснованное и тщательное водо-хозяйственное планирование в ряде стран СевероАмериканского континента и обеспечить лучшую сохранность имеющихся запасов пресных вод. Полученные результаты должны были бы привлечь внимание соответствующих ведомств тех стран, по которым уже на сегодняшний день выявлено состояние водного дефицита.

Разработанные методические подходы к определению водных ресурсов и водопотребления могут быть использованы также для расчетов по другим регионам мира.

Полученные в результате продления и восстановления стоковых рядов данные по нормам годового стока рек Мексики, Центральной Америки и Карибии могли бы лечь в основу составления новой уточненной карты стока этого региона.

Глава 1 Физико-географическая и экономическая характеристика; гидрологическая изученность территории

1.1 .Общие сведения

Северная Америка является третьим по величине (после Евразии и Африки) материком.

л 2

Ее площадь составляет 20.36 млн км , а с прилегающими островами — 24.25 млн км . Гигантским треугольником она простирается от Северного Ледовитого океана на юг, где Панамским перешейком смыкается с Южной Америкой. К северной Америке относятся острова Гренландия, Ньюфаундленд, Ванкувер, группы островов Канадского Арктического архипелага, Антильские и Алеутские острова, а также ряд небольших островов Тихого и Атлантического океана.

Очертания материка довольно сильно изрезаны. В окружающие океаны вдаются крупные полуострова: Лабрадор, Аляска, Калифорнийский, Юкатан, Флорида и др. Северное и южное побережье расчленены Гудзоновым и Мексиканским заливами, глубоко врезающимися в материк и оказывающими большое влияние на его природные условия. Горные территории сосредоточены преимущественно вдоль западного Тихоокеанского побережья. В центральной части материка широкое развитие платформенных структур способствовало формированию крупных плоскогорий и равнин. Восточная окраина в основном приподнята: здесь расположены невысокие герцинские структуры Аппалачей и глыбовые поднятия Канадского щита. На формирование рельефа материка сильно повлияло плейстоценовое оледенение, захватившее более половины площади материка и простиравшееся до 38° с.ш. Как результат в северной части материка почти повсеместно распространена вечная мерзлота; невысокие холмы, чередуются с многочисленными озерами, с