Impact of urbanized landscapes on the river flow in Europe

Full Text

Введение

Урбанизация представляет собой исторический процесс разрастания городских территорий, увеличения численности их населения и роли в развитии общества. К урбанизированным территориям часто относят и те, которые заняты сельскими поселениями, дорогами, аэродромами и т.п.

Урбанизированные территории включают в себя как практически водонепроницаемые участки (крыши домов, асфальтированные дороги), так и относительно слабоводопроницаемые участки (газоны, парки), почва на которых сильно уплотнена. Площадь городов, дорог, населенных пунктов и т.п. быстро нарастает во всем мире. Особенно это относится к городам. Урбанизированные территории, как правило, отличаются пониженной инфильтрационной способностью или даже полным ее отсутствием, повышенным поверхностным и полным речным стоком. Долгое время, пока их площадь была сравнительно невелика, гидрологическая роль этих площадей считалась сугубо локальной и в отношении стока средних и крупных речных бассейнов оценивалась как незначительная. Эта точка зрения стала подвергаться сомнению в середине ХХ в. В СССР это особенно связанно с обобщающей работой В.В. Куприянова [7]. В дальнейшем значительные исследования по изучению гидрологической роли урбанизированных земель на примере Курска и Москвы были выполнены в институте Географии АН СССР М.И. Львовичем и его сотрудниками [8–10], в Государственном гидрологическом институте Б.С. Устюжаниным [16], а также сотрудниками других организаций. В самое последнее время авторами данной статьи проведено изучение влияния на водный баланс и сток комплекса факторов, связанных с урбанизацией территории, применительно к бассейну р. Москвы и Московской агломерации [6]. Конечно, имеются различия в структуре российских и зарубежных урбанизированных территорий, но, учитывая точность расчетов, они не очень существенны для оценки общей гидрологической роли городов и других урбанизированных площадей. К тому же в расчеты введены поправки на вероятные отклонения от средних показателей. Разработанные методические подходы и полученные количественные закономерности представляется целесообразным применить к расчету влияния урбанизации территории на сток других европейских речных бассейнов, в первую очередь тех, которые близки по коэффициенту стока к бассейну р. Москвы и в пределах которых расположены крупные городские агломерации.

Для этого выбраны бассейны рр. Шпрее, Темзы, Сены, влияние урбанизации на сток которых сравнивается с аналогичным влиянием на сток р. Москвы. При этом отдельно рассмотрено влияние на сток крупных столичных городов (соответственно Берлина, Лондона, Парижа, Москвы) и нестоличных урбанизированных территорий. Кроме того выполнена ориентировочная оценка общего влияния урбанизированных территорий на годовой сток Зарубежной Европы.

Из различных аспектов урбанизации рассмотрим лишь изменения годового стока в результате увеличения площади указанных выше столиц и урбанизированных территорий в соответствующих речных бассейнах. При этом в данной работе не учитывается возможное влияние городов на количество атмосферных осадков, поскольку этот вопрос во многом остается спорным, хотя большинство авторов считает, что над городами выпадает атмосферных осадков больше, чем над окружающей территорией.

Выделены следующие периоды рассмотрения: период исчисления нормы стока, примерно соответствующий тому, который был принят К.П. Воскресенским [4] для территории СССР, т.е. с конца XIX в. до начала 1960-х годов, и современный период (начало XXI в.). Сделано допущение, что средние многолетние климатические условия при этом не менялись. Это, конечно, не совсем так, учитывая происходящие в самые последние годы изменения климата, но учет климато-обусловленных гидрологических изменений на урбанизированных площадях является задачей дальнейших исследований.

В основу расчетов положены, как указанно выше, разработки авторов, выполненных по территории города Москвы и бассейну одноименной реки. Учитывая различия в природных и хозяйственных условиях рассматриваемых городов и рек, разные оценки площадей урбанизированных земель и водонепроницаемых участков, отсутствие экспериментальных исследований влияния урбанизации на сток на зарубежных территориях, применен вариантный расчет изменения стока.

Исходные материалы

Использованы данные по площади урбанизированных территорий, включая площади водонепроницаемых участков, агрегированные из различных статистических справочников, в том числе Института политики землепользования Линкольна [20], масштабного проекта OpenStreetMap [19] (картографические данные), снимков Landsat и ряда других [3, 18]. Для периода исчисления нормы стока выполнены ориентировочные оценки, опирающиеся на разрозненные сведения, содержащиеся в разных источниках.

В наших расчетах учитывалась площадь Москвы в размере 1081 км2, что примерно в 2.5 раза меньше современной, так как увеличение площади в 2012 г. произошло в основном за счет естественных и сельскохозяйственных угодий, которые по-прежнему нельзя считать урбанизированными. В табл. 1 приведены сведения об общей площади урбанизированных земель и доле водонепроницаемых территорий в Берлине, Лондоне, Москве, Париже.

Таблица 1. Изменение площади столиц*

* км2, в скобках – % водонепроницаемых участков.

Как видно, по сравнению с периодом исчисления нормы стока наиболее сильно выросла площадь Парижа (в 5.2 раза), а меньше всего Берлина (1.9 раза). Правда, площадь современной Москвы (2511 км2) в 6 с лишним раз больше, чем в период исчисления нормы стока, но, как уже отмечалось, основное увеличение произошло в самые последние годы и не за счет урбанизированных ландшафтов. Площадь водонепроницаемых территорий больше всего (почти в 3 раза) выросла в Москве. В других городах этот рост был значительно ниже. Общая площадь урбанизированных площадей рассматриваемых бассейнов представлена в табл. 2. При этом, для периода исчисления нормы стока, из-за отсутствия точных статистических данных, рассмотрены варианты их возможной площади в прошлом. Подробнее о них будет сказано ниже, как и об использовании данных по численности населения [2, 13, 17], привлекаемых для оценки площади урбанизированных земель.

Таблица 2. Общая площадь урбанизированных площадей в речных бассейнах

* площадь Москвы в границах до 2012 г.

Основные гидрографические и водно-балансовые данные рассматриваемых речных бассейнов представлены в табл. 3. Обращаем внимание на близость коэффициентов стока во всех речных бассейнах, хотя имеются существенные различия в годовых величинах осадков, стока, испарения и их сезонного распределения. Если у Шпрее и особенно у Москвы основным источником питания являются талые снеговые воды, то у Темзы и Сены преобладает дождевое питание. Но именно на дождевом стоке особенно сказывается влияние урбанизированных территорий.

Таблица 3. Основные сведения о рассматриваемых речных бассейнах*

*Водный баланс р. Шпрее определен по картам атласа Мирового водного баланса [1, 11]; р. Москвы – рассчитан авторами [6], рр. Сены и Темзы – дан соответственно по [12, 14].

Общий алгоритм расчетов

Общий алгоритм расчетов для рассматриваемых столичных городов и речных бассейнов выглядит следующим образом:

1) на основе имеющейся информации определяются основные гидрологические характеристики для территорий, занимаемых городами, а также для речных бассейнов, в пределах которых они находятся. За исходный условно-естественный сток принимается зональный сток за период исчисления его нормы;

2) определяются площади урбанизированных территорий в современный период и за период исчисления нормы стока. При этом в их составе выделяются водонепроницаемые участки. Они находятся весьма ориентировочно, особенно для нестоличных территорий. В первую очередь это касается показателей за период исчисления нормы стока, поэтому, как указанно выше, применен вариантный метод расчета урбанизированных площадей. В одном из них принято, что площадь нестоличных урбанизированных территорий нарастала с той же скоростью, что и столичных. В другом варианте темпы роста приняты в 2 раза меньшими;

3) на основании соотношения коэффициентов стока с урбанизированных и неурбанизированных площадей, полученных для территории г. Москвы и бассейна р. Москвы, а также данных по изменению площадей урбанизированных земель в других городах и речных бассейнах находятся изменения стока за рассматриваемые периоды. Вначале рассчитывается влияние на сток столичных городов, а затем прочих урбанизированных территорий:

а) в отношении столичных городов применены два варианта расчетов. Первый исходит из полученного по г. Москве и бассейну р. Москвы соотношения – 1% урбанизированной территории на современном этапе увеличивает годовой речной сток в среднем также на 1% [6], а в более ранние периоды – на 0.8%. Второй вариант расчета опирается на данные по величине водонепроницаемых площадей и коэффициента стока с них, средние для периодов половодья и теплого сезона года, рекомендуемых различными нормативными документами [15]. Первый вариант в применении к городам, в которых площади водонепроницаемых участков меньше, чем в Москве, по-видимому, преувеличивает влияние урбанизированных площадей на сток. Второй вариант, скорее всего, преуменьшает это влияние, поскольку не учитывает, что и на других участках города, помимо водонепроницаемых, сток выше, чем на естественных и сельскохозяйственных угодьях. Хотя, возможно, соотношение коэффициентов стока с водонепроницаемых площадей и зонального в отношении полного речного стока преувеличено. Поэтому рассчитываются и средние значения из этих двух вариантов. Так как значения стока на картах районов расположения городских агломераций, составленных за период исчисления нормы стока, уже учитывают влияние урбанизации за этот период, современные изменения стока находятся по разнице его изменений за эти два периода;

б) в отношении прочих (нестоличных) урбанизированных территорий рассмотрен и вариант меньшего увеличения их влияния на сток – 0.5% при 1% увеличении урбанизированных площадей. Таким образом, для нестоличных урбанизированных территорий приняты 4 варианта расчета: два, учитывающих увеличение стока на 1 и 0.5% при росте площади на 1%, и два, учитывающих разные варианты темпов роста урбанизированных территорий. Находится среднее из этих вариантов;

4) зная объем измененного стока на территории столичных городов и в пределах соответствующих речных бассейнов, определяется их влияние на сток этих бассейнов, в том числе общее для столичных и нестоличных урбанизированных площадей. Для расчетов изменений стока рек зарубежной Европы и России принят упрощенный метод расчета, суть которого в том, что площади урбанизированных территорий зарубежной Европы за период исчисления нормы стока определялись по связи современной их площади с современной численностью населения. Эта связь представлена на рис. 1.

Рис. 1. Связь численности населения и площади урбанизированных территорий для стран Европы.

Поскольку большая часть населения Европы и РФ сосредоточена в наиболее обжитых районах, то и влияние урбанизированных ландшафтов в основном сказывается на стоке, формирующемся в этих районах. Поэтому на основании анализа карт стока [1, 11] из общего стока вычленен сток наиболее обжитых районов. Приводится два варианта расчета – максимального и минимального влияния урбанизированных территорий.

Влияние ландшафтов Берлина, Лондона, Москвы и Парижа на годовой сток рр. Шпрее, Темзы, Москвы и Сены

Объем условно-естественного стока на территории столиц, находимый умножением его слоя (см. табл. 3) на их современную площадь (см. табл. 1), дает следующие величины (в млн м3): Берлин – 100, Лондон – 369, Москва – 195, Париж – 371. По первому варианту расчета (1% роста урбанизированных площадей приводит к такому же росту стока) при 100% урбанизации получаем аналогичную прибавку в увеличении стока. Во втором варианте расчета, ориентированном на учет водонепроницаемых территорий, находим следующее увеличение стока – табл. 4. В табл. 5 представлены результаты осредненного расчета по двум вариантам.

Таблица 4. Современное увеличение стока в результате роста водонепроницаемых площадей по сравнению с естественными условиями его формирования на территории города (2-й вариант расчета)

*в/нп – водонепроницаемые территории.

Наиболее близкие значения увеличения стока по обоим вариантам расчета получены для Берлина и Москвы (по Москве – 100% совпадение), что объясняется близкой величиной доли водонепроницаемых территорий (половина всех урбанизированных площадей) и относительно близкими природными условиями. Для Лондона и Парижа, доля водонепроницаемых площадей в которых значительно ниже, различия довольно существенны (соответственно в 1.5 и 1.7 раза).

Аналогичные расчеты для периода исчисления нормы стока дали следующие результаты. По первому варианту расчета увеличение стока по сравнению с условно-естественными условиями его формирования составило (в млн м3): для Берлина – 43, Лондона – 77, Москвы – 57, Парижа – 59. В табл. 6 и 7 представлены соответствующие варианты расчета для водонепроницаемых территорий и среднее для двух вариантов. Подчеркнем, что для этого периода приняты более низкие значения (0.8%) увеличения стока при росте урбанизированных площадей на 1% и несколько пониженные коэффициенты стока с водонепроницаемых площадей, что объясняется менее эффективной системой отвода воды с этих территорий. Значительно больше различия между первым и вторым вариантами расчета из-за гораздо меньшей точности определения площадей за этот период (особенно водонепроницаемых) по сравнению с современным периодом. Но в любом варианте налицо гораздо меньшее увеличение стока по сравнению с современным периодом.

Таблица 5. Современное увеличение стока под влиянием столичных городов на их территории и в речном бассейне по сравнению с естественными условиями его формирования (среднее по двум вариантам расчета)*

*Площадь городов в современных границах, Москва в границах до 2012 г.

Таблица 6. Увеличение стока в результате роста столичных городов в период исчисления нормы стока по сравнению с естественными условиями его формирования (2-й вариант расчета)

Таблица 7. Увеличение стока в результате роста столичных городов за период исчисления нормы стока по сравнению с естественными условиями его формирования (среднее по двум вариантам расчета)

Вычитанием из величин современного увеличения стока их аналогичных значений за период исчислений нормы (см. табл. 5 и 7) находим осредненное современное его изменение под влиянием столичных городов. Как видно из табл. 8, наибольшее влияние на сток основной реки, на которой располагается город, оказал Лондон в связи со своими самыми крупными размерами и почти четырехкратным увеличением площади по сравнению с периодом исчисления нормы стока, а также из-за сравнительно скромных размеров стока р. Темзы. Наименьшее влияние на речной сток оказал Париж из-за малой (всего 2%) его доли в общей площади водосбора и большого объема стока Сены.

Таблица 8. Современное увеличение стока в результате роста столичных городов по сравнению с периодом исчисления его нормы

Необходимо отметить, что для всех городов осредненное по двум вариантам современное процентное увеличение стока соответствует соотношению – 1% роста урбанизированных площадей и такое же увеличение стока. Так, для Берлина рост процента урбанизированных площадей (Fy.) c 4 до 9%, т.е. на 5%, привел к увеличению стока Шпрее на 6.3%, для Лондона – рост Fy. на 14%, увеличивает сток Темзы на 12.6%, для Москвы увеличение Fy. на 5%, дает прирост стока ровно на такую же величину. Наконец, для Сены увеличение площади урбанизированных площадей с 0.5 до 2.4% (1.9%) приводит к росту ее стока на 1.7% (см. табл. 8).

Современное увеличение годового речного стока под влиянием нестоличных урбанизированных площадей и всех урбанизированных территорий в бассейнах рр. Шпрее, Темзы, Москвы, Сены

Как уже отмечено, расчет проводился для двух вариантов темпов развития урбанизированных площадей (см. табл. 2 – варианты А и Б) и двух вариантов увеличения стока – 1 и 0.5% на 1% роста урбанизированных территорий. Результаты представлены в табл. 9, в которой дана оценка и общего влияния на сток всех урбанизированных площадей в бассейнах рассматриваемых рек.

Таблица 9. Современное увеличение годового стока под влиянием нестоличных урбанизированных площадей и всей урбанизированной территории по сравнению с периодом исчисления его нормы, %

Как видно, наибольший вклад нестоличных урбанизированных территорий в общее увеличение стока вносит бассейн Сены, что объясняется (см. табл. 2) в 9 раз большей их площадью по сравнению с площадью Парижа, наименьший вклад – в бассейне Темзы, где это соотношение близко к единице. Для Темзы получается и наибольшее общее увеличение стока – более 20%, для остальных бассейнов оно почти одинаково – 9–11%.

Влияние урбанизированных ландшафтов на сток рек зарубежной Европы и России

Современное увеличение годового речного стока зарубежной Европы и РФ под влиянием урбанизированных территорий представлено в табл. 10.

Таблица 10. Среднегодовой сток с территории зарубежной Европы и РФ

Обратим внимание, что доля урбанизированных территорий от общей площади в РФ примерно в 10 раз ниже, чем в зарубежной Европе, а от площади обжитой части – в 3 с лишним раза ниже. Современное увеличение общего годового стока по сравнению с периодом исчисления его нормы составляет для зарубежной Европы 2.2–4.5%, а для РФ – 0.2–0.3%, а по отношению к стоку с наиболее обжитой части – соответственно 3.5–6.9% и 1–2%. В км3 это выражается в следующих величинах – 44.9–89.8 (зарубежная Европа) и 7.2–14.3 (РФ). Учитывая, что население Европейской части страны составляет около 80% от населения страны, можно полагать, что рост урбанизированных территорий здесь приводит к увеличению стока на 5.8 и 11.6 км3 в год. Для всей же Европы, включая ЕТР, сток возрастает на 50–100 км3 в год или почти на 2–4%. В процентном отношении это сравнительно небольшое влияние, хотя в объемном выражении приведенные величины в среднем почти соответствуют стоку такой реки, как Нева. Вместе с тем, как было показано выше, для целого ряда крупных речных бассейнов доля увеличения стока гораздо выше.

Заключение

Выполненные выше расчеты носят ориентировочный характер. Полученные величины влияния урбанизированных площадей на сток нуждаются в уточнении, особенно в отношении площади нестоличных урбанизированных территорий в прошлом и стока с них. Вместе с тем, полученные величины изменения стока скорее преуменьшают гидрологическую роль урбанизированных территорий, поскольку, как уже отмечалось, в наших расчетах не учитывалось увеличение осадков над городами, приняты скорее завышенные значения стока с урбанизированных территорий в прошлом по сравнению с современной ситуацией. Но даже с учетом принятых допущений, полученные результаты свидетельствуют о том, что урбанизация становится одним из важных факторов роста речного стока, что 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 городских территорий).

Важно подчеркнуть, что урбанизация территории – не единственный антропогенный фактор изменения стока. И при общей оценке изменения современного стока рассматриваемых рек следует иметь в виду и роль других ландшафтных изменений (особенно сельскохозяйственных и лесохозяйственных ландшафтов), влияние гидротехнических и водохозяйственных мероприятий, не говоря уже о климатических воздействиях. Гидрологическая роль всех этих факторов во многих случаях существенно превышает гидрологическую роль урбанизированных ландшафтов.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РНФ № 17-17-01-262 и РФФИ № 18-05-00479, а также в рамках Госзадания №0148-2019-0007.

Funding

This study was supported by the Russian Science Foundation, project no. 17-17-01-262, by the Russian Foundation for Basic Research, project no. 18-05-00479, and within the framework of the state-ordered research theme of the Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences, no. 0148-2019-0007.

About the authors

N. I. Koronkevich

Author for correspondence.
Email: hydro-igras@yandex.ru
Russian Federation, Moscow

K. S. Melnik

Email: hydro-igras@yandex.ru
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Communication population and area of urbanized areas for Europe.

Download (171KB)

Indexing metadata