Вода - первоначало всего.
Фалес |
Британский климатолог Г.Харст более 60 лет провел в
Египте, где участвовал в гидротехнических проектах на
Ниле. В 1951 г. он опубликовал работу, в которой
описал неожиданный эффект в поведении среднегодовых колебаний стока этой и ряда
других рек1. Чтобы понять его суть, давайте сначала
предположим, что расход воды в реке во все годы одинаков. Тогда суммарный расход
за много лет был бы пропорционален полному времени: Q~t. Однако на основе
этого предположения еще никому не удалось предсказать сток реки в наступающем году
по значениям расхода воды в предыдущие годы.
Если же считать, что расходы воды в каждом году - последовательность
случайных величин, не связанных друг с другом, то
суммарный расход воды Q окажется пропорционален t0.5.
Именно так и полагал Харст, приступая к статистической обработке
временного ряда расходов
(паводков) на Ниле с 622 по 1469 гг.
Однако подсчеты, выполненные ученым, опровергли и эту гипотетическую зависимость.
Оказалось, что суммарный сток Нила
соответствует соотношению Q~t0.7.
Это соотношение и получило название закона Харста,
а показатель степени H - показателя Харста.
Немного забегая вперед, отметим, что этот показатель непосредственно определяет
важные характеристики и других случайных процессов:
дисперсию, низкочастотную
асимптотику спектра и т.д. Существует целый ряд способов
нахождения величины H, причем анализируемая
физическая величина совсем не
обязательно должна быть аддитивной, как в данном примере.
Мы вычислили показатели Харста для некоторых
гидрологических и климатических
временных рядов
(за период инструментальных наблюдений более 100 лет).
Для стока Волги этот показатель составляет 0.752,
Днепра - 0.621, Немана - 0.647,
Дуная - 0.837; для годовых поступлений воды в
Каспийское море - 0.767,
оз.Балхаш - 0.711,
Большое Соленое - 0.682, Чад - 0.690,
Чаны - 0.813;
для ширины годовых колец сосны и дуба
соответственно - 0.764 и 0.676;
для среднегодовых температур воздуха
Северного полушария - 0.825, температур
Москвы и Санкт-Петербурга
соответственно - 0.749 и 0.653.
Интересно отметить близость величин Н для стока Волги и
приращений уровня Каспийского моря (0.752 и 0.767), что объясняется очень высокой
корреляцией
(0.86) между соответствующими временными рядами. Косвенно это
указывает на правильность оценок.
Анализ других временных рядов, связанных с
климатом, например
урожайности пшеницы, привел к следующим значениям показателя Харста:
во Франции - 0.5,
Германии - 0.82, Великобритании - 0.67,
Канаде - 0.76, США - 0.72.
Вот уже 50 лет гидрологи всего мира не могут ответить на вопрос: каков
физический механизм эффекта Харста?
Не случайно в докладе одного из ведущих
ученых в области геофизики В.Клемеша на
Международном конгрессе по
стохастической гидрологии (Москва, ноябрь 1998 г.)
прозвучал вопрос: "Феномен Харста - загадка?"2.
Попробуем разобраться в этом явлении, которое,
судя по всему, имеет глобальный характер в геофизике,
обратившись к некоторым примерам, начиная с половодий Нила.
Диодор Сицилийский, путешествуя по Египту, дивился паводку на
Ниле (шириной до 100 км) как явлению просто "невероятному":
"Около времени летнего солнцестояния, когда во всех реках уровень понижается
(следует понимать во всех реках средиземноморского бассейна. - В.Н., И.К.),
в Ниле вода начинает прибывать3. Это явление
объясняется тем, что река берет начало
очень далеко от Средиземного моря и Египта.
В верхней половине течения Нил (здесь на протяжении 900 км он носит название
Бахр-Эль-Джебель) пересекает зоны влажных, типичных
и опустыненных саванн, где принимает крупные притоки; слева -
Эль-Газаль,
справа - Асва, Собат,
Голубой Нил
и Атбара. Далее Нил течет по тропической и субтропической
полупустыне, не имея ни
одного постоянного притока на протяжении 3000 км, и, естественно, беднеет из-за
сильного испарения. В пустынной, сахарской зоне реки вся жизнь людей была тесно
связана с паводками "отца вод". Египет был полностью "порабощен" рекой, бывшей в
то же время благословенным даром природы, без которого само существование страны
стало бы невозможным. Режим Нижнего Нила зависит
исключительно от расхода двух
главных рукавов его верхнего течения: Белого и Голубого Нила.
 |
| Рис. 1. Нил и его притоки. |
Белый Нил наполняет нижнее течение реки относительно
небольшим количеством воды, но непрерывно, в течение всего года.
Голубой Нил (точнее совокупность всех
эфиопских водотоков), наоборот, представляет собой мощный,
но сезонный фактор и главную причину половодий. В северной части Эфиопского массива
бывает только один значительный период дождей (их приносят
муссоны с Индийского океана) - с июня по
сентябрь, с максимумом в июле-августе. Из-за конденсации паров на прохладных
вершинах массива эти осадки исключительно обильны. Мощные потоки влаги стекают в
Нижний Нил не только по руслам Голубого Нила и его прямых притоков, но по всей
системе рек Собата и Атбары.
В январе, когда обычно заканчивается прохождение вод Голубого Нила, среднее и нижнее
течение реки зависят исключительно от расхода Белого Нила. Объем воды,
переносимой паводками, превышает три четверти всего стока за год
(90 из 120 млрд м3). В разгар половодья расход Нила в Нижнем Египте
достигает 13 тыс. м3/с. Ежегодно в долине реки на всей затопляемой
территории откладывается плодородный красный аллювий - 1.5 кг
на 1 м2 (он и придает красноватый цвет водам
Нила). Его толщина достигает 10-15 м. Во время паводка через этот слой
просачивается вода, благодаря чему образовался горизонт грунтовых вод, служащий
постоянным источником питания реки, расход которой даже в месяцы наиболее низкого
уровня вод составляет 900 м3/с.
 |
| Рис. 2. Типичный гидрограф р.Нил за 20-летний период (1956-1976).
Отчетливо видно быстрое повышение расхода воды с последующим, более медленным спадом.
До построения Асуанской плотины отношение максимального расхода воды к минимальному
достигало 15, что значительно превосходит этот показатель для других рек Африки,
например Конго. После пуска Асуанской ГЭС (1967) гидрологический режим реки резко
изменился. На врезке: средний уровень вод Нила в Нижнем Египте в год нормального
половодья. Понижение уровня реки в годы нормального и сильного половодья начинается
в середине октября, поскольку максимум дождевых осадков в Эфиопии приходится на
середину августа. К концу ноября половодье заканчивается и начинается постепенное
снижение уровня воды, река пополняется только небольшим количеством вод
Белого Нила. |
Длительность времени добегания воды до русла Нила, задержка ее в почвах, грунтах,
подземных водоносных горизонтах - вот причины медленного спада половодий, который
продолжается восемь месяцев, в то время как подъем - всего четыре.
Мы предположили, что именно продолжительный спад воды и является причиной
эффекта Харста. Для того чтобы это доказать, нам понадобятся некоторые сведения
из теории случайных процессов.
1Hurst H.//Trans. Amer. Soc. of Civil Eng.
1951. V.116. P.770-808.
2Klemes V. Geophysical time series and climatic
change//Stochastic mоdels of hydrological processes and their applications to
problems of environmental preservation. Moscow, November 23-27. 1998. P.127-130.
3См.: Моретт Ф. Экваториальная Восточная и
Южная Африка. М., 1951.
Назад | Вперед
|
