Вода - одно из самых распространенных на Земле и необычных по своим свойствам химических соединений. Без воды невозможно существование самой жизни. Вода - носитель механической и тепловой энергии играет важнейшую роль в обмене веществом и энергией между геосферами и географическими районами Земли. Этому во многом способствуют и ее аномальные физические и химические свойства. Один из основоположников геохимии, В.И. Вернадский, писал: "Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов. Нет земного вещества - минерала, горной породы, живого тела, которое бы ее не заключало. Все земное вещество - под влиянием свойственных воде частных сил, ее парообразного состояния, ее вездесущности в верхней части планеты - ею проникнуто и охвачено".

Гидрология - комплекс наук, изучающих природные воды на Земле и гидрологические процессы. Термин "гидрология" (гидрос - вода, логос - наука) впервые упомянут в 1694 году в книге, содержащей "начала учения о водах", изданной Мельхиором во Франкфурте-на-Майне, а первые гидрологические наблюдения, по мнению американского гидролога Раймонда Найса, 5000 лет назад проводили на р. Нил египтяне, которые ежегодно фиксировали высоту паводков на скалах, стенах зданий, ступенях береговых лестниц. Но в самостоятельную науку гидрология оформилась лишь в начале XX столетия и продуктивно развивалась, опираясь на фундаментальные науки: физику, химию, математику. Наиболее тесно связана она с метеорологией и климатологией, а также с геологией, биологией, почвоведением и геохимией.

Наибольшее развитие в последние 50 - 60 лет получил раздел гидрологии - гидрология суши. Это является следствием быстро возрастающего использования пресной воды, ее возросшей роли в развитии экономики и жизни человеческого общества. Важнейшей задачей гидрологии суши является оценка изменений водных ресурсов как источника водоснабжения и водопотребления. Особое место занимает количественная оценка изменений во времени и пространстве стока воды рек, который составляет основные, ежегодно возобновляемые водные ресурсы и обеспечивает основной объем возможного водопотребления на хозяйственные нужды. Современные исследования водных ресурсов, особенно в части прогнозирования их на будущее, тесно связаны с учетом глобального изменения климата и влияния на водные объекты хозяйственной деятельности человека.

Результатом не всегда разумной хозяйственной деятельности человека стало увеличение безвозвратного водопотребления (до полного истощения водных источников) и угрожающее загрязнение природных вод, что вносит нередко необратимые изменения в водный баланс и экологические условия обширных районов. Это обусловило возникновение нового направления гидрологической науки - гидролого-экологического, которое является одновременно важной составной частью геоэкологии - науки, изучающей необратимые процессы и явления в природной среде и биосфере, возникающие в результате интенсивного антропогенного воздействия, а также близкие и отдаленные во времени последствия этих воздействий.

Мировые запасы пресной воды составляют 34 980 тыс. км3, а ежегодно возобновляемые (суммарный годовой сток рек) - 46 800 км3 в год. Современное полное водопотребление в мире составляет 4130 км3 в год, а безвозвратное - 2360 км3 в год. Запасы пресных поверхностных и подземных вод на территории Российской Федерации составляют более 2 млн. км3, а ежегодно возобновляемые водные ресурсы - 4270 км3 в год. Средняя обеспеченность водой речного стока каждого жителя России - около 31 тыс. м3 в год, а удельные водные ресурсы, отнесенные на единицу территории (1 км2), превышают 250 тыс. м3 в год. Но в наиболее густонаселенных южных и центральных районах европейской части России водообеспеченность очень мала: в Северо-Кавказском и Центрально-Черноземном районах суммарные водные ресурсы составляют около 90 км3 в год, а воды местного формирования - всего 60 км3 в год.

Всемирные водные ресурсы распределены по территории Земли еще более неравномерно, они не беспредельны и становятся основным фактором, ограничивающим устойчивое экономическое развитие во многих регионах. Повсюду увеличивается потребность в пресной воде для удовлетворения нужд растущего населения, урбанизации, промышленного развития, ирригации с целью получения продовольствия и т.д. Эта ситуация, несомненно, ухудшается при росте народонаселения, загрязнении поверхностных и подземных вод и угрозе изменений климата. Существуют даже прогнозы, что при удвоении народонаселения мира к середине следующего столетия и при стремительно растущих запросах через несколько лет наступит всемирный водный кризис. При этих обстоятельствах мировые ресурсы пресной воды могут стать источником конфликтов на некоторых из 200 международных речных бассейнов. Кроме того, рост населения, концентрирующегося вокруг рек как основных источников воды, неминуемо приведет к существенному увеличению жертв наводнений, количество которых и теперь составляет 25% общего количества жертв всех стихийных бедствий на Земле, а количество людей, ежегодно страдающих от наводнений, равновелико количеству страдающих от засух (32 и 33%). Поскольку страдания от засух усугубляются нехваткой воды, то, следовательно, бедствия, вызванные временным избытком или недостатком воды, составляют в сумме 65% всего пострадавшего населения.

В последние десятилетия во многих странах мира наблюдается ухудшение экологического состояния водных объектов суши (рек, озер, водохранилищ) и прилегающих к ним территорий. Это связано в первую очередь со значительно возросшим антропогенным воздействием на природные воды. Оно проявляется в изменении водных запасов, гидрологического режима водотоков и водоемов, и особенно в изменении качества воды. По характеру воздействия на ресурсы, режим и качество водных объектов суши факторы хозяйственной деятельности объединяются в три группы.

1. Факторы, непосредственно воздействующие на водный объект путем прямых изъятий воды и сбросов природных и сточных вод или за счет преобразования морфологических элементов водотоков и водоемов (создание в руслах рек водохранилищ и прудов, обвалование и спрямление русел рек).

2. Факторы, воздействующие на водный объект посредством изменения поверхности речных водосборов и отдельных территорий (агротехнические мероприятия, осушение болот и заболоченных земель, вырубка и посадка лесов, урбанизация и т.п.).

3. Факторы, воздействующие на основные элементы влагооборота в пределах конкретных речных водосборов и отдельных территорий посредством изменения климатических характеристик в глобальном и региональном масштабах.

Факторы, воздействующие на водные объекты посредством изменения поверхности речных водосборов, особенно ощутимо сказываются на экологическом состоянии малых рек. К малым относятся реки длиной от 26 до 100 км, что соответствует рекам с площадями водосборов от 150 до 1500 км. Малые реки играют решающую роль в формировании водных ресурсов, на их долю в европейской части России приходится около 80% среднего многолетнего стока. В отдельных районах ресурсоформирующая роль малых рек еще более существенна.

Одна из основных особенностей малых рек - тесная связь формирования стока с ландшафтом бассейна. Это обусловливает необычайную уязвимость рек при интенсивном освоении водосбора. Увеличение распаханности земель, отставание почвозащитных мероприятий и распашка до уреза воды, вырубка лесов и осушение болот на их водосборах, строительство крупных животноводческих комплексов, ферм и птицефабрик без проведения сопутствующих природоохранных мероприятий и сброс в реки сточных вод без надлежащей очистки быстро приводят к нарушению экологической обстановки, ускорению старения малых рек. Рациональное комплексное использование ресурсов малых рек, их охрана от загрязнения и истощения требуют безотлагательных мер. Без разумного регулирования возрастающей водохозяйственной нагрузки на малые реки становится все труднее управлять рациональным использованием и охраной больших территорий, больших рек.

Острейшей гидрологической проблемой стало изменение качества природных вод и состояния водных экосистем под влиянием хозяйственной деятельности. Стремительное распространение веществ антропогенного происхождения привело к тому, что на поверхности Земли практически не осталось пресноводных экосистем, качество воды которых не изменилось бы в той или иной степени. Следствием химических и физических воздействий антропогенного происхождения является изменение состава донных отложений и живого вещества водных объектов.

Наибольшее количество загрязнителей поступает в водные объекты от предприятий нефтеперерабатывающей, химической, целлюлозно-бумажной, металлургической, текстильной отраслей промышленности. Формирование химического состава поверхностных и подземных вод в условиях антропогенного воздействия характеризуется: 1) повышением (или понижением) концентрации тех компонентов природных вод, которые обычно присутствуют в незагрязненной воде; 2) изменением направленности естественных гидрохимических процессов; 3) обогащением вод веществами, чуждыми природной воде. Например, если поверхность воды покрыта пленкой нефти, жирных кислот или других плавающих загрязнителей, поступающих со сточными водами, то многие химические и биохимические процессы существенно изменяются, так как ограничивается поступление в воду кислорода, света, уменьшается испарение воды, меняется состояние карбонатной системы.

Проблема самоочистки и очистки водных систем, охраны вод от загрязнения стала не только гидрологической. В ее решении принимают участие химики, биологи, физики, математики, гидрогеологи.

В 1979 году в Женеве Всемирной метеорологической организацией (ВМО), специализированным учреждением ООН, и другими международными организациями была созвана конференция экспертов, посвященная взаимосвязям климата и деятельности человека. Собравшиеся на конференции специалисты в разных областях знаний пришли к заключению, что наряду с естественными колебаниями климата, связанными с изменением поступления энергии от Солнца, перераспределением ее между основными резервуарами Земли (атмосферой, океанами и ледниками), с выбросами вулканов, существенное влияние на климат стала оказывать деятельность человека. Сжигание ископаемого топлива, сведение лесов и изменения в землепользовании, выбросы двуокиси углерода, метана, окиси азота привели к возрастанию концентрации парниковых газов в атмосфере, что является чрезвычайно важным фактором, определяющим температуру атмосферы Земли. Это обусловливает дополнительные изменения в распределении температуры, осадков и других метеорологических параметров атмосферы, что, сказываясь на локальных изменениях климата, может оказаться благоприятным или неблагоприятным для жизни и хозяйственной деятельности человека.

Анализ стационарных наблюдений и многочисленные научные исследования в последние 15 лет подтверждают антропогенное влияние на изменение климата в XX столетии. Поэтому внимание к влиянию парниковых газов на климат и последствиям его изменений в последние годы настолько усилилось, что стало необходимо принять Международное соглашение об ограничении выбросов отходов производства в атмосферу - рамочную конвенцию по изменению климата.

Достигнуты успехи в разработке прогнозов изменений климата. Они основываются на гипотезе изменения температурного градиента между экватором и полюсами, что обусловливает изменения в циркуляции атмосферы. Если северный полярный район будет охлаждаться сильнее, чем экваториальная область, то пояса муссонов в Азии и Африке и бароклинные зоны умеренных широт, в которых преобладают западные ветры, сместятся к экватору. При относительном повышении температуры на полюсах будет наблюдаться обратная картина. Эта гипотеза подтверждается палеоклиматическими данными и численным моделированием. Изменения зон переноса влажных воздушных масс неизбежно отражаются на количестве и сезонном распределении атмосферных осадков, а следовательно, на стоке воды рек и суммарных водных ресурсах, так как в естественных условиях ежегодное формирование водных ресурсов определяется разностью основных элементов водного баланса - суммы осадков и испарения с водосборов рек.

Глобальное потепление с начала XX столетия к настоящему времени составило около 0,5?С, а локальные изменения количества атмосферных осадков достигают существенных величин. Очевидно, в последующие 50 лет климат Земли будет эволюционировать под влиянием непрерывных естественных вариаций в сочетании с постоянно сохраняющейся тенденцией к потеплению вследствие накопления в атмосфере парниковых газов. Эта тенденция к потеплению замедляется из-за термической инерции океанов, но она будет сохраняться еще длительное время после того, как состав атмосферы стабилизируется. Независимо от того, насколько решительными окажутся действия, предпринимаемые для контроля изменения концентрации в атмосфере газов, вызывающих парниковый эффект, некоторое глобальное потепление в следующем столетии, по-видимому, неизбежно. Поэтому климатические изменения водных ресурсов за последнее столетие и в будущем интересуют водохозяйственные и другие организации.

Оценка последствий влияния изменений климата на водные ресурсы основывается на детерминистическом моделировании изменения составляющих водного баланса и комплексном статистическом анализе данных многолетних (не менее 30 лет) непрерывных наблюдений за стоком воды рек. С использованием, созданного при участии автора банка гидрологических данных по пунктам наиболее продолжительных гидрологических наблюдений (150 - 60 лет) на реках земного шара, сток которых не искажен непосредственной хозяйственной деятельностью, произведен комплексный статистический анализ величин среднего месячного и годового стока воды. Основными показателями изменения стока под влиянием климата или хозяйственной деятельности являются нарушения стационарности рядов данных наблюдений - существенные изменения (переломы) в направленности изменений, наличие устойчивых трендов - односторонних отклонений величин от среднего их значения.

Для оценки пространственных закономерностей направленности и интенсивности изменений стока использованы результаты расчетов только за 35-летний (1951 - 1985 годы) период наблюдений по несколько упрощенной методике, которая основывается на специальном испытании на тренд. Выделение тренда и его анализ осуществлены методом наименьших квадратов. Необходимые для анализа статистические параметры получены после предварительного функционального сглаживания временных рядов.

Более детальное изучение направленности изменений стока по данным наблюдений почти на 450 реках за 1951 - 1985 годы позволило оценить причины и территориальные закономерности их пространственного распределения. Наиболее подробные исследования проведены на территории Евразии. Изменения стока воды рек Западной и Центральной Европы во второй половине XX столетия характеризуются преобладанием положительных тенденций, вероятность которых возрастает с запада на восток и с юга на север. Исключение составляют реки Альпийского региона, где отмечаются отрицательные тенденции или изменения несущественны. В стоке рек Восточных Карпат, на территории Польши, Румынии, Украины, наоборот, отмечается повышенная вероятность положительных изменений среднего годового, весеннего и летнего стока.

На европейской территории России в стоке большинства рек бассейнов Волги (кроме Камы и ее притоков), Дона, Днепра отсутствуют значимые изменения среднего годового стока. Но сток в период весеннего половодья уменьшается, а в летне-осенний и зимний периоды увеличивается. На реках бассейна р. Камы и других реках, стекающих с западных склонов Северного Урала, отмечаются положительные изменения стока, а на реках Среднего и Нижнего Поволжья изменения среднего годового и сезонного стока несущественны, с некоторым увеличением в зимние месяцы. На реках севера европейской части России наблюдается уменьшение стока в многоводный период весеннего половодья и его увеличение в зимние месяцы. На рис. 3 показан многолетний ход среднего годового стока на реках Волга (в верхнем течении), Северная Двина и Большой Нарын (Средняя Азия).

На реках Сибири в пределах 50 - 60? с. ш. отмечаются положительные изменения среднего годового стока и многоводного весеннего периода, что свидетельствует об увеличении количества осадков в зимние месяцы. К северу от 60? с. ш. и южнее 40? с. ш. изменения стока или несущественны, или отрицательны. На реках Дальнего Востока, формирующих сток в условиях муссонного климата, отмечается его увеличение в зимний и весенний периоды, но уменьшение в многоводные летние периоды.

Для выяснения причин изменений стока воды во второй половине XX столетия произведены испытания на тренд сумм средних годовых и сезонных атмосферных осадков по 150 метеостанциям на территории СНГ. Анализ результатов свидетельствует о том, что в годовых и зимних суммах осадков на большей части территории в пределах 50 - 60? с. ш. наблюдались положительные изменения, кроме северо-западной части территории. А севернее и южнее изменения либо несущественны, либо отрицательны (в Казахстане, Средней Азии, Приморье, Прибалтике). Учитывая то обстоятельство, что для большинства рек рассматриваемой территории основным источником формирования стока являются накапливаемые за зиму осадки в виде снежного покрова, вполне можно объяснить, почему положительные изменения стока воды приходятся на территорию в пределах 50 - 60? с. ш., а отрицательные наблюдаются на юге Дальнего Востока, северо-западе европейской территории СНГ и в Средней Азии, где количество годовых и сезонных осадков во второй половине столетия имело тенденцию уменьшения.