Известия РАН. Серия географическая, 2022, T. 86, № 3, стр. 470-480

ВВЕДЕНИЕ

Урбанизация представляет собой исторический процесс разрастания городских территорий, увеличения численности их населения и роли в развитии общества (Реймерс, 1990; и др.). Урбанизированные территории включают в себя как практически водонепроницаемые участки (крыши домов, асфальтированные дороги), так и относительно слабоводопроницаемые участки (газоны, парки), почва 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. Отсутствие инфильтрации или слабая ее интенсивность приводят, как давно уже показали исследования ряда территорий в нашей стране и в мире (Куприянов, 1977; Курбатова, 2004; Львович, 1986; Львович, Черногаева, 1978; Львович, Чернышёв, 1983; Устюжанин, 1989; Angel et al., 2012; Choe et al., 2002; Li et al., 2018; Espey et al., 1966), к увеличению поверхностного стока, снижению подземного, и, в целом, к увеличению суммарного речного стока, хотя оценки у разных авторов существенно отличаются. 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 (Коронкевич, Мельник, 2015, 2019; и др.). В развитие этих работ в (Коронкевич и др., 2020) впервые дана оценка влияния урбанизированных территорий на годовой сток России, крупных регионов мира и мира в целом без учета водопотребления в их пределах. Результаты этого обобщения с некоторыми коррективами использованы в данной статье при оценке суммарного влияния урбанизации на речной сток и качество вод, то есть уже с учетом водопотребления в коммунальном хозяйстве и в промышленности. Заметим, что нам известна только одна работа, посвященная такой комплексной оценке, – это работа Б.С. Устюжанина (1989), выполненная применительно к центральной части Русской равнины. Что касается оценки водопотребления в различных регионах мира, то ей посвящено большое число публикаций. Однако лишь малая часть из них освещает ситуацию в мире в целом и на континентах (частях света), а если освещаeт (Голиков, Казакова, 2018; Калинин, 1968; Львович, 1974; Шикломанов, 1988; Andressian, 1994; Falkenmark and Lindth, 1974; Margat, 1994; Rodda, 1995; World …, 2003; и др.), то, как правило, за далекие от современных годы, с большим расхождением в методике получения результатов и оценках за одни и те же периоды, часто без учета безвозвратного водопотребления (безвозвратного расхода воды).

Цель данной статьи – оценить совокупное влияние двух аспектов урбанизации на изменение речного стока в мире, на континентах и в России, а также их влияние на качество вод в этих регионах.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Материалы и методы оценки влияния урбанизированных ландшафтов на сток подробно изложены в (Коронкевич и др., 2020). Здесь же отметим, что для расчета общей современной площади урбанизированных территорий использованы данные, агрегированные из различных статистических справочников, в том числе данные Института политики землепользования Линкольна¹¹, картографические данные масштабного проекта OpenStreetMap²², снимков Landsat³³ и ряда других, а также графики связи площади урбанизированных территорий с численностью населения.

Расчет изменения стока велся сначала для наиболее обжитой части территории, поскольку к ней в основном приурочены урбанизированные территории. За наиболее обжитую часть в основном приняты территории с плотностью населения более 1 человека на 1 км². Для нее графическим способом по картам изолиний стока, представленным в (Атлас …, 1974), были найдены средний годовой слой и объем стока. В полученные таким образом величины стока с наиболее обжитой части территории вводились поправочные коэффициенты по влиянию урбанизированных ландшафтов (без учета возможного увеличения количества атмосферных осадков). В соответствии с нашими предыдущими исследованиями (Коронкевич, Мельник, 2015, 2019; и др.), принято, что один процент увеличения современной площади урбанизированных территорий увеличивает сток с площади крупных агломераций тоже на один процент, а сток с площади небольших городов и других населенных пунктов и дорог между ними – на 0.5%. Последняя величина использована и для расчета стока с площади урбанизированных территорий до середины ХХ столетия. А для расчета стока с “новой” площади урбанизированных территорий (после середины ХХ столетия) средняя величина увеличения стока принята в размере 0.75% при увеличении соответствующей площади на 1%. По полученным объемам изменения стока для наиболее обжитой территории определялось процентное изменение стока как по отношению к стоку с наиболее обжитой части рассматриваемых регионов, так и к стоку со всей их территории.

В статье (Коронкевич и др., 2020) для мира и континентов оценивалось изменение нормы стока, указанной в (Мировой …, 1974), а для России – в (Воскресенский, 1962). В данной статье использовалась норма стока, приведенная в (Водные …, 2008).

В основу расчетов водопотребления положены прогнозные оценки полного водопотребления (водозабора) и безвозвратного расхода воды в коммунальном секторе и в промышленности в мире и на континентах, выполненные в ГГИ на 2010 и 2025 гг., для двух сценариев (Водные …, 2008). Один из них, “условный сценарий” (УС), предполагает развитие водопотребления по модели предшествующих десятилетий. Второй сценарий “устойчивого развития” (СУР) исходит из существенного повышения эффективности и более экономного использования водных ресурсов.

Оценка современного водопотребления (на уровне 2017 г.) на континентах и в мире выполнена нами следующим образом. Определены средние значения по каждому сценарию за 2010 и 2025 гг. (варианты 1 и 2), предположительно соответствующие водопотреблению на уровне 2017 г., и вычислено среднее из вариантов 1 и 2 (вариант 3).

Для оценки достоверности наших расчетов привлечены статистические данные по отдельным странам, помещенные в различных ежегодных отчетах международных организаций (WWAP, 2019; United …, 2021), а также в глобальной информационной системе Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО) по водным ресурсам и использованию воды⁴⁴. Эта система предоставляет свободный доступ ко многим показателям и индикаторам по каждой стране с 1960 по 2017 г. В этих данных часто приводятся устаревшие сведения, как правило, не учитываются безвозвратный расход воды, потери воды на дополнительное испарение с акватории водохранилищ. Тем не менее они могут служить ориентиром при оценке достоверности различных обобщений и прогнозов водопотребления.

Водопотребление в России, в том числе на европейской (ЕТP) и азиатской (АТP) ее территориях, определено на основании (Водные …, 2019). При этом полное водопотребление в отдельных секторах экономики находилось по данным об использовании воды с учетом ее потерь на транспортировку к месту назначения, которые составляют в среднем 10% водозабора, а безвозвратный расход воды – исходя из его доли в водозаборе (Водные …, 2008), которая в коммунальном секторе равна 20%, а в промышленности – 11%.

Сопоставлением рассчитанных безвозвратных расходов воды с величиной ресурсов речного стока по (Водные …, 2008) оценивалось изменение годового речного стока в результате безвозвратных изъятий воды. По разнице полного и безвозвратного изъятия воды определялся объем сточных вод.

По разнице увеличения речного стока под влиянием урбанизированных территорий и его уменьшения в результате водопотребления находилось совокупное изменение стока. Суммой стока с урбанизированных площадей и объема сточных вод определялись общий объем вод, оказывающих негативное влияние на водные экосистемы, и общая кратность их разбавления как ориентировочный показатель качества воды в рассматриваемых регионах.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Как видно из табл. 1, современная площадь урбанизированных территорий в мире составляет 4 млн км² (3% общей площади без Антарктиды). Наибольшая площадь урбанизированных территорий располагается в Зарубежной Азии и Северной Америке, наименьшая – в Австралии и Океании, России и Африке. Наиболее высока их доля в Зарубежной Европе (около 12% общей площади и более 14% наиболее обжитой части), а в Австралии и Океании, России и Африке их доля в общей площади относительно мала – около 1%. Общее увеличение стока под влиянием урбанизированных площадей составляет в мире более 760 км³/год, что в три раза превышает сток Волги, хотя по сравнению с общемировым стоком это сравнительно небольшая величина – 1.8%, но 5.7% в наиболее обжитой части. Наибольшее увеличение общего стока под влиянием урбанизированных территорий наблюдается в Зарубежной Азии и Северной Америке (более 200 км³), а в относительном измерении – в Европе (7%). Наименьшее увеличение общего стока – в России, Австралии и Океании, Южной Америке (0.4–0.6%). Сток с наиболее обжитой территории изменился больше всего в Зарубежной Европе (около 11%), в Африке же – менее чем на 1.5%.

Как показано в (Коронкевич, Мельник, 2019) в бассейнах рр. Шпре, Москвы, Сены прибавка стока за счет урбанизации ландшафтов составляет в среднем 10%, а в бассейне Темзы – 20%.

Сведения по водопотреблению в мире в коммунальном секторе и в промышленности в 2000 г. и прогнозируемые ГГИ на 2010 и 2025 гг., а также рассчитанные нами на их основе на 2017 г., представлены в табл. 2. В табл. 3 приведены прогнозные сценарии ГГИ и наши расчеты по трем вариантам для континентов. В Европе и Азии учтено и водопотребление на ЕТP и АТP на основании данных (Водные …, 2019). Отдельно водопотребление в России в 2017 г., в том числе для ЕТP и АТP, представлено в табл. 4. Для сравнения по миру и континентам в табл. 5 приведены данные ФАО по водопотреблению на уровне 2017 г.

Анализ представленного материала свидетельствует о том, что наиболее близкие результаты к данным ФАО по суммарному полному водопотреблению в мире дают второй и третий варианты расчета. Однако и первый вариант расчета не следует игнорировать, тем более что по отдельным континентам имеются существенные расхождения в величине водопотребления. О том, насколько эти расхождения скажутся на величине безвозвратного расхода и кратности разбавления сточных вод, будет сказано ниже.

Как видно из табл. 2, около 2/3 суммарного мирового водопотребления (без учета сельского хозяйства, потерь воды на дополнительное испарение с акватории водохранилищ) приходится на нужды промышленности, а несколько более 1/3 – коммунального хозяйства. По сравнению с уровнем 2000 г. полное водопотребление в коммунальном секторе возросло к 2017 г. по разным вариантам расчетов в 1.1–1.4 раза, а в промышленности по первому и третьему вариантам – в 1.1–1.3, снизившись по второму варианту за счет мер по экономии воды в 1.1 раза.

По всем вариантам расчетов первое место по всем показателям водопотребления занимает Азия. На нее приходится более 40% полного мирового водопотребления на промышленные и коммунальные нужды, а также безвозвратного расхода и объема сточных вод, далее следуют Северная Америка и Зарубежная Европа. Доля России составляет примерно 3% полного мирового водопотребления и 2–3% безвозвратного расхода воды.

Для суждения о влиянии на величину годового стока наиболее важны данные по безвозвратному расходу воды. Они свидетельствуют о том, что безвозвратно на нужды коммунального хозяйства и промышленности изымается сравнительно небольшая часть мировых водных ресурсов. В мире в целом – 0.4–0.5% среднего многолетнего стока, в Зарубежной Европе – 2.4–2.6%, в Зарубежной Азии – 0.6–0.9%, в Северной Америке – около 0.3%. Еще меньше эта доля на других континентах. В России она составляет немногим более 0.1%. Несколько больше эта доля по отношению к стоку с наиболее обжитой части регионов. Посмотрим, насколько расхождения (см. табл. 2, 3, 5) между результатами прогнозных расчетов и данными ФАО в оценке полного водопотребления оказывают влияние на величину безвозвратного расхода воды. Так, по третьему варианту, при разнице водопотребления по сравнению с данными ФАО по миру суммарно в коммунальном секторе и в промышленности – 230 км³ (1360–130) и доле безвозвратного водопотребления 13% (см. табл. 2) разница составляет около 32 км³/год (13.9% от 230 км³). Следовательно, по отношению к речному стоку мира (42782 км³/год) это меняет нашу оценку всего на 0.008%. Аналогичные расчеты для отдельных континентов дают тот же порядок расхождения, кроме Европы, где оно оценивается в 0.53%. Расхождение данных ФАО с другими вариантами, особенно со вторым, дают близкие величины, которые не влияют сколько-нибудь существенно на наши оценки изменения стока в результате водопотребление на коммунальные и промышленные нужды, а также на кратность разбавления сточных вод.

При оценке влияния водопотребления на сток следует иметь в виду, что часть воды изымается не из рек, а из подземных горизонтов, из морей, бессточных водоемов. Но, как представляется, это не очень существенно влияет на приведенные оценки изменения стока, поскольку в значительной мере, если не полностью, компенсируется тем, что в районах подземного водозабора происходит усиленная фильтрация речных вод, а оценки безвозвратного изъятия занижены из-за не учета дополнительного испарения обычно нагретых сточных вод. Впрочем, данный вопрос нуждается в специальном исследовании.

Сопоставление безвозвратного расхода воды с воздействием на сток урбанизированных ландшафтов свидетельствует о значительном превышении доли последнего, то есть о преобладающей его роли в изменении стока, а, следовательно, об общем увеличении стока под влиянием урбанизации. Итоговое изменение стока представлено в табл. 6. Как видно, общее мировое увеличение стока в результате урбанизации оценивается в диапазоне от 553 до 596 км³/год (1.3–1.4% общего сока и 4.1–4.4% стока с наиболее обжитой части территории). По объему изменения стока выделяются Зарубежная Азия и Северная Америка (от 165 до 191 км³/год). Наибольшее увеличение стока в процентах от общего имеет место в Зарубежной Европе (4.4–6.4) и Северной Америке (2.3–2.4), как и в процентах от стока наиболее обжитой территории (соответственно 6.9–7.3 и 7.0–7.1). Остальные континенты и Россия характеризуются значительно меньшим влиянием урбанизации на годовой сток, хотя в отдельных их районах оно может быть очень существенным.

Гораздо более заметно влияние урбанизации на качество вод. Если ориентироваться на третий, осредненный, вариант водопотребления и сложить объем сточных вод и величину стока с урбанизированных площадей, то их годовая сумма в мире составит 1935, в Зарубежной Азии – 752, Северной Америке – 537, Зарубежной Европе – 323, Южной Америке – 154, Африке – 98, России – 60, Австралии и Океании – 19 км³, что значительно превышает объем годового изменения стока в результате урбанизации и, главное, резко ухудшает качество воды рек и водоемов, поскольку как сточные воды, так и сток с урбанизированных площадей в значительной мере загрязнены, оказывают негативное влияние на водные экосистемы, несмотря на частичную их очистку. Более очевидно, что загрязнены сточные воды от точечных источников, но и сток с урбанизированных площадей также существенно загрязнен и, как правило, в меньшей степени очищается. О загрязнении вод, стекающих с этих площадей, можно судить, например, по работам (Барымова, Чернышев, 1982; Гордин, Кирпичникова, 1992; Диффузное …, 2020; Черногаева и др., 2019).

В первом приближении о степени загрязнения природных вод сточными водами и стоком с урбанизированных территорий можно судить по кратности разбавления их суммарного объема ресурсами речного стока (рис. 1). Наиболее неблагоприятная ситуация по этому показателю складывается в Зарубежной Европе – кратность разбавления общим стоком составляет 6 раз, а стоком с наиболее обжитой части – лишь 4 раза. Иными словами, в последнем случае четверть стока с наиболее обжитой территории Зарубежной Европы представляет собой в той или иной степени загрязненные воды. Немногим лучше положение в Зарубежной Азии и Северной Америке, да и в мире в целом (разбавление общим стоком – 22 раза, а стоком с наиболее обжитой части – 7 раз). Относительно более благополучное положение в Южной Америке, Африке, Австралии и Океании, России за счет главным образом больших ресурсов речного стока. Аналогичный расчет кратности разбавления с использованием данных по сточным водам в других вариантах мало меняет представленную ситуацию. Конечно, представлена весьма общая картина, в отдельных же районах и речных бассейнах она может существенно отличаться от этих общих оценок как за счет размеров урбанизированных площадей и водопотребления, так и за счет имеющихся ресурсов речного стока и степени очистки загрязненных вод.

Рис. 1.

Кратность разбавления суммарного объема сточных вод и стока с урбанизированных площадей ресурсами среднего годового речного стока с общей территории (1) и с наиболее обжитой части (2).

Выполненные в данной статье разработки дают ориентировочное представление о влиянии урбанизации на речной сток и качество вод. Оно может быть существенно скорректировано за счет более детальных исследований влияния на сток урбанизированных ландшафтов в различных природных и хозяйственных условиях, более точного определения площади урбанизированных и наиболее обжитых территорий и стока с них, а также объема водопотребления, степени загрязнения сточных вод и т.д. Но, как нам представляется, порядок приведенных величин влияния урбанизации на сток и качество вод при этом не должен кардинально измениться.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из двух аспектов влияния урбанизации на годовой сток – его увеличения за счет роста урбанизированных площадей и уменьшения в результате водопотребления, первый преобладает, что обусловливает общее увеличение стока, особенно в наиболее обжитой части рассматриваемых регионов. Так, увеличение мирового годового стока в результате роста площади урбанизированных ландшафтов составляет на современном этапе более 760 км³/год при безвозвратном расходе по трем рассматриваемым вариантам на уровне 2017 г. от 167 до 210 км³/год. То есть, общее увеличение стока в результате урбанизации превышает 550 км³/год, что в два с лишним раза больше среднего годового стока Волги. Хотя по отношению к общему годовому стоку это составляет лишь 1.3–1.4%, а к стоку с наиболее обжитой территории немногим более 4%. Наибольший объем увеличения стока имеет место в Зарубежной Азии и Северной Америке (от 165 до 191 км³/год), а относительно общего стока – в Зарубежной Европе (4.4–6.4%) и Северной Америке (2.3–2.4%), относительно же стока с наиболее обжитой территории – 6.9–7.3 и 7.0–7.1% соответственно. Для остальных континентов и России характерно значительно меньшее влияние урбанизации на сток. Вместе с тем, в отдельных частях рассматриваемых регионов это влияние в процентном отношении может быть значительно выше.

Намного более ощутимо влияние урбанизации на качество вод рек и водоемов. Если судить о нем по кратности разбавления речным стоком суммарного объема сточных вод и стока с урбанизированных площадей, как правило, загрязненного, то выявляется весьма неблагополучная картина. Кратность разбавления общим стоком в Западной Европе по осредненному варианту расчетов составляет всего 6 раз, а стоком с наиболее обжитой ее части – 4 раза. Немногим лучше положение в Зарубежной Азии и Северной Америке, как и в мире в целом (разбавление стоком с наиболее обжитой его части всего 7 раз). Несколько лучше ситуация на других континентах и в России. Но ее тоже нельзя считать благополучной, особенно в местах наибольшего сосредоточения населения и промышленности.

Выполненные расчеты носят ориентировочный характер, нуждаются в уточнении по мере поступления новой информации, но в целом свидетельствуют о том, что в гидрологических и гидроэкологических расчетах следует считаться с гидрологической ролью урбанизации.