Известия Русского географического общества, 2020, T. 152, № 5, стр. 59-68

ВВЕДЕНИЕ

Рост урбанизированных территорий (ландшафтов) характерен практически для всех стран мира. Урбанизация (от латинского urbs – город) представляет собой по [13] исторический процесс разрастания городских территорий, увеличения численности их населения и роли в развитии общества. Урбанизированные территории включают в себя как практически водонепроницаемые участки (крыши домов, асфальтированные дороги), так и относительно слабоводопроницаемые участки (газоны, парки), почва в которых сильно уплотнена. Наличие участков с пониженной инфильтрационной способностью характерно и для сельских населенных пунктов, особенно современных, которые все в большей мере приобретают городские черты. Поэтому мы их тоже включаем в число урбанизированных ландшафтов. Отсутствие инфильтрации или слабая ее интенсивность приводят, как давно уже показали исследования в нашей стране и в мире, к увеличению поверхностного стока, снижению подземного стока, и, в целом, к увеличению суммарного речного стока [7–11, 14, 16, 17, 19, 21]. Существует мнение, что над городами, особенно большими, возрастает количество атмосферных осадков, но этот вопрос остается дискуссионным. Авторами данной статьи также были выполнены расчеты влияния урбанизированных территорий на сток ряда регионов и речных бассейнов [5, 6 и др.]. В настоящей работе на основе накопленного опыта выполнена оценка влияния урбанизированных ландшафтов на годовой сток крупных регионов мира, России и мира в целом без учета водопотребления в их пределах.

АЛГОРИТМ РАСЧЕТОВ

Сначала по данным справочников определяются площади и население рассматриваемых регионов. Затем по карте плотности населения вычисляется площадь наиболее обжитой части этих регионов, исходя из предположения, что к ней в основном приурочены урбанизированные территории (УТ). За наиболее обжитую часть принята территория с плотностью населения более 1 чел./км². Определяется площадь урбанизированных территорий (ПУТ) на современном этапе и в период исчисления нормы стока, за который принят, согласно [12], период до середины ХХ в., а также разница между ними, то есть современное увеличение ПУТ (“новая” ПУТ). Именно с этой разницей в основном связано современное увеличение стока под влиянием УТ, поскольку сток с них за период исчисления нормы стока на обжитой части того или иного региона уже учтен в величине общего стока рассматриваемых регионов. Для расчета общей современной ПУТ использованы данные, агрегированные из различных статистических справочников, в том числе данные Института политики землепользования Линкольна [15], картографические данные масштабного проекта OpenStreetMap [18], снимков Landsat из [20] и ряда других. ПУТ за период исчисления нормы стока находилась по графикам связи современной площади выявленных УТ в отдельных странах в пределах рассматриваемых регионов с современной численностью их населения. Пример такой связи для Зарубежной Европы и России представлен на рис. 1, а соответствующие уравнения для других регионов в табл. 1.

Рис. 1.

Связь численности населения и площади урбанизированных территорий для стран Зарубежной Европы и России. Fig. 1. The relationship between the population and the urbanized area for the countries of Foreign Europe and Russia.

Как указано выше, разница общей ПУТ и рассчитанной по графикам связи с численностью населения ориентировочно характеризует современное увеличение ПУТ (“новую” ПУТ).

Величина среднего многолетнего речного стока большей части рассматриваемых регионов за период исчисления его нормы взята из [12], а с территории России из [2]. При этом сток Зарубежной Европы исчислялся вычитанием из общей величины стока Европы (3210 км³) стока европейской части России (860 км³), а сток Зарубежной Азии – вычитанием из величины ее общего стока (14 410 км³) стока азиатской части России (3143 км³). Сток с выделенной обжитой части рассматриваемой территории находился графическим способом по картам изолиний стока, содержащимся в [1].

Удельная величина стока с ПУТ принята по данным [5, 6]. Согласно этим данным, один процент современного увеличения ПУТ (включая как водонепроницаемые, так и слабоводопроницаемые участки) увеличивает сток с площади крупных столичных агломераций тоже на один процент, а сток с площади небольших городов и других населенных пунктов, дорог между ними – на 0.5%. Последняя величина принята и для расчета стока со “старых” ПУТ (до середины ХХ в.). А для расчета стока с “новой” ПУТ (после середины ХХ в.) средняя величина увеличения стока принята в размере 0.75% при увеличении соответствующей площади на 1%.

В данной статье в отличие от наших предыдущих публикаций учтено и то, что сток со “старых” ПУТ стал выше за счет возросшей антропогенной нагрузки на них, особенно на слабоводопроницаемых участках, более качественного покрытия дорог, улиц и площадей, развития и совершенствования ливневой канализации. Сток с них на современном этапе приравнен к современному стоку с “новых” ПУТ. Учитывая полученные соотношения ПУТ и увеличения стока, а также ПУТ и ее динамику, определено процентное изменение стока в наиболее обжитой части в рассматриваемых регионах. Зная величину среднего многолетнего стока, несложно выразить это увеличение в км³/год и мм слоя, а сопоставляя его с общим средним многолетним стоком рассматриваемых регионов – процентное изменение последнего. Суммируя полученное изменение стока со стоком, формируемым на “старой” ПУТ, находим общий сток на современной ПУТ. О правомерности принятия одинаковых коэффициентов стока под влиянием УТ в разных регионах, как и о других допущениях, сказано в следующем разделе. Основные результаты примененного алгоритма расчетов приведены в табл. 2.

Для расчета будущего стока на урбанизированных территориях целесообразно ориентироваться на динамику численности населения, особенно городского.

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Прежде всего, отметим, что впервые выполнена оценка величины стока с площади наиболее обжитой части рассматриваемых регионов, которая для всего мира (без Антарктиды) составляет 30% от общего стока, изменяясь от почти 15% в Австралии с Океанией до 66% в Африке. Общая современная ПУТ больше всего в Зарубежной Азии (1.37 млн км²), на которую приходится треть общей ПУТ в мире (свыше 4 млн км²). Больше всего доля ПУТ в общей площади Зарубежной Европы (около 12%), наименьшая доля ПУТ – в Австралии с Океанией (0.6%), составляя в среднем по миру 3%. Также в Зарубежной Европе наиболее велика доля ПУТ в площади наиболее обжитой части – 14.4%, наименьшая она в Африке (1.8%) при средней мировой 7.2%. Самый значительный прирост ПУТ по сравнению с периодом нормы исчисления стока произошел в Африке (в 9 раз), наименьший − в Зарубежной Европе и России (менее чем в два раза).

Наиболее велик средний многолетний сток (норма стока) в обжитой части Зарубежной Азии и Африки – более 3 тыс. км³/год, составляя суммарно около 45% стока в наиболее обжитой части мира. Наименьший он в Австралии и Океании – менее 3% стока в наиболее обжитой части мира и в России – около 5.2%. А вот слой стока в наиболее обжитой части мира довольно близок во всех рассматриваемых регионах, изменяясь в среднем менее чем в два раза – от немногим более 160 мм в России до 300 мм в Южной Америке, составляя в среднем по миру 240 мм.

На “новой” ПУТ, то есть, по существу, с середины ХХ в., сток возрос больше всего в Зарубежной Азии (почти на 200 км³/год) и Северной Америке (164 км³/год). Прибавка в стоке за счет этих регионов составила суммарно 67% общего увеличения стока на “новой” ПУТ (более 540 км³/год). Наименьшая она в Австралии с Океанией и России – немногим более 1 и 2% соответственно от суммарной прибавки стока в мире. С учетом же увеличения стока на “старой” ПУТ общий мировой сток возрастает более чем на 615 км³/год. При этом долевой вклад в эту сумму рассматриваемых регионов приблизительно сохраняется, хотя и несколько снижаясь для Зарубежной Азии и Северной Америки до 65%. Слой стока на общей ПУТ возрос в мире в среднем в 1.7 раза. Самая весомая прибавка к среднему многолетнему стоку в наиболее обжитой части имеет место в Зарубежной Европе, Азии и Северной Америке (порядка 7%), наименьшая в Африке (1.3%). Примерно на одном уровне (несколько более 2%) произошло увеличение стока в России, Австралии с Океанией и Южной Америке. Если сравнивать изменение стока в наиболее обжитой части с общим стоком, то самая значительная прибавка имеет место в Зарубежной Европе (около 4%), далее следуют Зарубежная Азия и Северная Америка (приблизительно 2%) при 1.4% в среднем для всего мира.

Общее увеличение стока на современной ПУТ, включая ту его часть, которая формировалась до середины ХХ в., оценивается в 763 км³/год, что в три с лишним раза превышает сток Волги, из которых более 470 км³/год или 62% приходится на Зарубежную Азию и Северную Америку (рис. 2). Воздействие урбанизированных территорий на мировой речной сток составляет более 1/3 общего антропогенного воздействия на него, приведенного в [3], но с обратным знаком.

Рис. 2.

Вклад отдельных регионов в общий сток с площади урбанизированных территорий в мире. Fig. 2. Contribution of individual regions to the total runoff from urbanized areas in the world.

Таким образом, получены весьма ощутимые в абсолютном измерении величины стока, формирующегося на УТ, хотя относительно общей величины стока (нормы) на рассматриваемых территориях они в целом сравнительно невелики, особенно если сопоставить с нормой только увеличение стока под влиянием ПУТ, которое для всего мира оценивается менее чем в 5% от величины стока в наиболее обжитой части и менее 1.5% от общемирового стока. Вместе с тем, эта прибавка, как отмечено выше, составляет примерно 7% стока в наиболее обжитой части в Зарубежной Европе, Азии и Северной Америке. В бассейнах рр. Шпрее, Москвы, Сены прибавка стока за счет урбанизации ландшафтов составляет в среднем 10%, а в бассейне Темзы – 20% [6].

Надо признать, что полученные результаты весьма ориентировочны, учитывая целый ряд принятых допущений. Но эти допущения, на наш взгляд, неоднозначно влияют на оценку гидрологической роли урбанизированных территорий. Преувеличивает ее допущение о том, что практически все урбанизированные площади находятся в наиболее обжитой части рассматриваемых регионов, так как средняя величина стока с наиболее обжитой части мира (240 мм) существенно ниже величины нормы мирового стока (322 мм). Соответственно, ниже и атмосферные осадки, значительная часть которых преобразуется в сток на урбанизированных площадях. Конечно, принятая граница наиболее обжитой части мира – в среднем более 1 чел./км² − весьма условна, но на территориях со значением плотности выше этого показателя находится большинство населенных пунктов. Скорее всего, преувеличивает прибавку ПУТ в современный период, а, следовательно, и прибавку стока под влиянием УТ расчет площади урбанизированных территорий за период исчисления нормы стока по графикам связи современной ПУТ с современной численностью населения. В последние десятилетия новое строительство более экономно в целом расходует земельные ресурсы в расчете на душу населения. Вместе с тем, рост городского населения происходил более высокими темпами, чем общее население. Рассчитанная нами общая площадь урбанизированных территорий в мире (4.04 млн км²) ниже получившей широкую известность оценки Н.Ф. Реймерса (4.69 млн км² на 1980 г.) [13], которая представляется завышенной из-за того, что включает часть земель, используемых в сельском хозяйстве и в других целях, не связанных с уплотнением почв и увеличением стока. В РФ, согласно [4], в 2018 г. населенные пункты занимали 0.205 млн км², еще 0.175 млн км² отведено на нужды промышленности и иного специального назначения (всего 0.380 млн км²). Но примерно на половине этой площади территорию тоже нельзя отнести к водонепроницаемой или слабоводопроницаемой. Остается 0.190 млн км², которые можно считать реально урбанизированными, что близко, хотя и несколько выше нашей оценки 0.170 млн км², что составляет от общей площади РФ 1.1 и 1.0% соответственно. При оценке достоверности полученных нами результатов важно еще раз отметить, что в наших расчетах не учтено и весьма вероятное увеличение атмосферных осадков над городами и, следовательно, увеличение стока с их территории.

В статье сделано допущение, что в рассматриваемых регионах, отличающихся генезисом и сезонностью формирования стока, приняты практически одинаковые значения увеличения стока за счет урбанизированных территорий (в среднем в 1.7 раза). На территории России, значительной части Зарубежной Европы и Северной Америки сток, как известно, формируется в период весеннего половодья и на неурбанизированных территориях коэффициент стока достигает высоких значений – 0.6–0.7 и выше. Прибавка стока здесь за счет УТ сравнительно невелика. Основной прирост стока достигается в летне-осенний, отчасти в зимний, период, когда коэффициенты стока, особенно поверхностного, на неурбанизированных площадях невелики. В районах с преобладающей дождевой составляющей речного стока, к которым относятся наиболее обжитые районы Зарубежной Азии, Южной Америки, Африки, Австралии с Океанией, да и основная часть Зарубежной Европы и Северной Америки, прибавка стока за счет урбанизированных ландшафтов сравнительно невелика в период обильных ливней, как и в период весеннего половодья в районах с преобладающим снеговым питанием, а основная прибавка стока на ПУТ происходит в засушливые периоды. То есть и в том, и в другом случае на большей части наиболее обжитой территории, за исключением ряда областей, расположенных около экватора, выделяются два периода – относительно высокой водности, когда влияние УТ на коэффициент стока сравнительно невелико, и низкой водности особенно в отношении поверхностного стока, когда это влияние наиболее ощутимо. В итоге коэффициент годового стока на наиболее обжитой части всех рассматриваемых регионов довольно близок, составляя в среднем около 0.3, хотя и изменяясь в довольно широких пределах в отдельных их частях. Относительно равные коэффициенты годового стока на неурбанизированных площадях дают основание полагать, что урбанизированные ландшафты оказывают на них приблизительно одинаковое воздействие. Конечно, данный вопрос, как и указанные выше другие допущения в расчетах, а также оценка влияния климатических изменений, нуждаются в дальнейшем изучении, но, как представляется, это не должно кардинально повлиять на полученные результаты влияния урбанизированных ландшафтов на годовой речной сток рассматриваемых крупных регионов.

Заметим, что полученное увеличение стока под влиянием УТ нередко перекрывается гораздо более существенным изменением стока под влиянием других антропогенных факторов (антропогенные изменения климата, лесное и водное хозяйство, богарное земледелие, гидротехническое строительство). Поэтому влияние урбанизированных территорий на сток трудно уловить, анализируя временные гидрологические ряды, и представление о размерах этого влияния, как и влияния многих других отдельных антропогенных факторов, дают, как в нашем случае, в основном балансовые расчеты.

Очевидно, что в будущем площадь урбанизированных территорий будет расти. Н.Ф. Реймерс [13] предположил, что практически все население мира к 2030 г. будет жить в поселениях городского типа, а к 2070 г. площадь урбанизированных территорий возрастет до 19 млн. км², то есть почти в 5 раз по сравнению с современным периодом. В таком случае приблизительно в такое же число раз возрастет и сток, формирующийся на площади урбанизированных территорий. Представляется, однако, что такое увеличение ПУТ является завышенным. Если считать, что рост ПУТ будет примерно соответствовать росту численности населения в мире, то можно ожидать, что площадь УТ и сток, формируемый на ней, возрастет в 1.13 раза к 2030 г., в 1.25 раза к 2050 г. и в 1.5 раза к 2100 г. по сравнению с 2015 г. Более быстрым может быть прирост ПУТ и стока, если ориентироваться на увеличение городского населения – в 1.3 раза к 2030 г. и в 1.7 раза к 2050 г. Данные оценки нуждаются, конечно, в более детальной проработке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты свидетельствуют о том, что урбанизация ландшафтов становится одним из важных факторов роста речного стока. Общее увеличение стока, формируемого на площади урбанизированных территорий в мире, составляет, по нашим расчетам, более 760 км³/год. В настоящее время под влиянием урбанизации средний многолетний сток (норма стока, рассчитанная за период до середины XX в.) с площади наиболее обжитой части мира возрос на 4.6%, а общий средний мировой сток – на 1.4%. В наиболее обжитых частях Зарубежных Европы и Азии, а также Северной Америки увеличение стока составило порядка 7%, в отдельных же речных бассейнах он вырос на 10–20%. Еще бóльшим сток с урбанизированных территорий может стать в будущем.

Рост речного стока имеет как позитивные последствия (увеличение доступных водных ресурсов), так и негативные (рост паводочного стока с сопутствующими ему наводнениями, загрязнением рек и водоемов водой, стекающей с территории населенных пунктов и дорог). Увеличение стока в результате урбанизации территории соизмеримо по величине с влиянием других антропогенных факторов, которые часто действуют в сторону уменьшения стока и перекрывают это увеличение.

Еще раз отметим, что приведенные в статье результаты расчетов носят ориентировочный характер, особенно в отношении площади урбанизированных территорий в разные периоды и стока с них в различных природно-климатических условиях.

Работа выполнена в рамках Государственного задания Института географии РАН № 0148-2019-0007 (методические подходы) и при финансовой поддержке гранта РФФИ № 18-05-00479 (результаты расчетов).