Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес
оригинального документа
: http://temporology.bio.msu.ru/RREPORTS/shamov_svyaz.htm
Дата изменения: Fri Feb 28 01:00:32 2014 Дата индексирования: Fri Feb 28 01:17:02 2014 Кодировка: Windows-1251 Поисковые слова: релятивистское движение |
УДК 551.48:626.80
ї
В.В.ШамовСВЯЗЬ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ СТРУКТУР ВЛАГООБОРОТА НА СУШЕ
В.
В. ШамовАнализируются связи между временными и пространственными интервалами оптимального замыкания водного баланса малого речного бассейна в зависимости от задач. Дана оценка интенсивности влагооборота на суше. Показан опыт применения элементов псевдоэвклидовой геометрии в водно-балансовых исследованиях.
При решении теоретических и практических задач в гидрологии, в сфере водного хозяйства, когда необходим расчет приходных и расходных составляющих водного баланса (ВБ), границы областей пространственного и временного замыкания ВБ задаются, как правило, произвольно, независимо от специфики протекающих в данной области процессов. Иногда эти границы назначаются исследователем в соответствии с общефизическим принципом экстремальности, то есть в местах и в моменты наименьшей интенсивности потоков влаги (водообмена). В рамках методологии системного подхода в ВБ-исследованиях [1-4] произвольность в задании граничных условий, в частности, означает, что 1) ВБ-объект выделяется не зависимо от его ведущего процесса (основной функции), либо 2) исследуемая ВБ-функция морфологически определенного ВБ-объекта не совпадает с его основной функцией. Здесь в качестве ВБ-объекта рассматривается любая географическая система с точки зрения влагооборота, а под основной ВБ-функцией такого объекта подразумевается такой гидрологический процесс, который определяет формирование ведущего элемента системы и тем самым обеспечивает представление объекта в форме развивающейся относительной целостностности. Ярким примером ВБ-объекта может служить малый речной бассейн (МРБ), основная функция которого заключается в формировании стока в замыкающем створе, в связи с чем данный объект был обозначен в пределе своего насыщения как стокоформирующий [3]. При этом характеристика 'малый' распространяется на речные бассейны с площадью водосбора менее 1-2 тыс. км
2 [5-7].Формы проявлений указанных выше несоответствий различны и обусловлены целым рядом исторических и методологических причин [3]. Вместе с тем, реальное или модельное (теоретическое) нарушение эквивалентности функциональной и пространственно-временной структур ВБ-системы заслуживает специального рассмотрения в связи с тем, что анализ данной эквивалентности представляется одним из необходимых элементов системного исследования любых объектов [3, 8, 9].
I
. Рассмотрим общий случай эпизодического или регулярного 'нарушения' соответствия функциональной и пространственно-временной структур и последующего восстановления баланса данных структур.Ранее отмечалось [1-3], что принцип баланса масс для описания круговорота воды недостаточен, поскольку в одинаковых климатических условиях сосуществуют различные формы организации водных масс. Последние отражают внутреннюю неоднородность насыщаемой водой среды, или азональность гидрологических условий. Геолого-геоморфологические особенности в пределах одной климатической зоны определяют разделение масс воды на конкретные ВБ-объекты с различными основными ВБ-функциями. Поскольку высшей формой водообмена выступает формирование руслового стока [1], то исходным для анализа объектом логично принять МРБ. Совокупность (ряд) сочетаний объектов и функций удобно представить в виде некоторой таблицы, или матрицы Мсф (табл. 1). В ее основу положена предложенная в работе [4] инвариантно-генетической последовательность1 (ИГП) состояний (форм организации) водных масс в МРБ, а также исследования ВБ и процессов водообмена рядом авторов.
Приведем наиболее примечательные случаи исследования ВБ различных природных объектов, модели которых составляют элементы Мсф
.II
. Рассмотрим теперь случай теоретического (модельного) несоответствия пространственно-временной и функциональной структур ВБ-объекта. Совокупность состояний системы ВМ-МРБ [4] и совокупность исследуемых ВБ-функций данной системы формируют 9-элементную матрицу Мсф*. Матрица Мсф* позволяет подобрать модель реального ВБ-объекта с учетом исследуемой ВБ-функции, в общем случае не совпадающей с его ведущей функцией (табл. 2). Следует подчеркнуть, что матрица описывает явления в зоне (в период) устойчивых положительных температур и суточной смены дня и ночи. Каждый элемент данной матрицы представляет собой абстрактный ВБ-объект, или модель, характеризующуюся специфическими временными и пространственными интервалами 'естественного' замыкания ВБ. Диагональные элементы 1, 5 и 9 матрицы также составляют последовательность моделей, описывающих ИГП состояний системы <водные массы - МРБ> [4]. Приведенная в ячейках степень увлажнения - здесь кажущаяся, относительная характеристика, обусловленная по той или иной причине несоответствием исследуемой и ведущей функций объекта.Ниже приведены различные формы указанного выше несоответствия структур, нашедшие отражение в виде элементов Мсф
*.Размеры СРБ в данном случае соизмеримы с бассейнами средних рек, указанных А.И. Чеботаревым [6] (т.е. изменяются от 2 до 50 тыс. км
2) и Л.М. Корытным [7] (диапазон 2,1 - 20 тыс. км2). Анализ гистограммы распределения рек российской части системы Амура по площади водосбора позволяет выделить как минимум две моды: 1) подавляющая часть рек (свыше 95 %) имеет площадь до 1000 км2, 2) второй 'всплеск' числа бассейнов приходится на более узкий диапазон площадей - 10-30 тыс. км2. Появление второй моды на гистограмме может быть обусловлено характером влагооборота, соответствующим данным масштабам, и выражено в понятии СРБ. Подобный анализ для цельных речных бассейнов в других регионах позволит, на наш взгляд, уточнить данное понятие. Следует отметить, что Б.И. Гарцманом [28] выявлены фрактальные свойства структуры речной сети и характеристик речных бассейнов Приморья.Существенной чертой реальных СРБ представляется простирание их как минимум в двух ландшафтно-гидрологических зонах. В частности для Приморского края Б.И. Гарцманом [28] выделены зоны формирования и зоны транзита водных ресурсов, включающие преимущественно стокоформирующие и транзитные ландшафты [9]. Указывается, что в пределах зоны транзита расположены средние участки долин средних и крупных рек, которые служат каналами передачи поверхностного стока из горной территории на равнину; поток подземных вод частично перехватывается глубоко врезанными долинами и межгорными котловинами, обеспечивая значительное водное питание водотоков. В данном контексте исследование эвапотранспирационного цикла означает исследование процессов трансформации паводочного стока, сформировавшегося в верхних частях СРБ. Задача представляется трудной без учета подземного питания транзитных потоков. В.С. Ковалевский [29] оценивает время полного водообмена грунтовых вод в горных районах от нескольких месяцев до одного года, реже 2-3 года. По обобщенным данным экспериментальных исследований в различных странах [24] период полного подземного водообмена на МРБ, характеризуемых различной средней высотой водосборов и площадью водосборов от 0,053 до 43,3 км
2, изменяется от 1,5 до 10 лет (в среднем 4-6 лет). R.F. Mu ftu oglu [30] также отмечает необходимость учитывать 'память' длиной в 1 год и более при анализе бассейнов, имеющих водоносные горизонты большой емкости. Указанные временные интервалы близки к приведенным в таблице 2.Проведенный анализ Мсф
* позволяет сформулировать два обобщенных положения, дополнительная проверка которых представляется целесообразной.Первое положение. Пусть задан ВБ-объект, характеризующийся относительной целостностью, т.е., по определению Б.И. Гарцмана, сущностью, которая выражается в ее инварианте, проявляется в ее морфогенетической определенности и реализуется через эквивалентность функциональной и пространственно-временной структур [4]. Тогда существует некоторое устойчивое (инвариантное) соотношение, связывающее величины пространственных и временных интервалов оптимального замыкания ВБ данного объекта независимо от свойств его как целого.
Базовым количественным соотношением матриц Мсф и Мсф
* является выражение для инвариантного интервала D S в псевдоевклидовом (лоренцевом) пространстве (Х, t) [32]:(D S)2 = (D X)2 - cw2(D t)2,
где D
X - пространственный интервал замыкания ВБ, размерность длины; D t - временной интервал замыкания ВБ, размерность времени; cw - константа, вероятно, имеющая смысл предельной интенсивности глобального влагооборота и размерность скорости.Эквивалентность пространственно-временной и функциональной структур означает в пределе равенство нулю инвариантного интервала D
S. Нарушение же данного условия порождает рост числа компонентов ВБ и соответствующих трудностей расчетов [3]. Здесь уместно провести обобщение осуществленного Б.И. Гарцманом преобразования координат при расчетах приточности в русловую сеть [33] с учетом рассуждений в [3]. Для любого ВБ-объекта процесс водообмена определяется уровнем Нw влагосодержания характеризующих объект высших форм организации водных масс, обусловленным характером глобального влагооборота, и уровнем влагосодержания ключевого элемента объекта, который обеспечивает ведущую функцию последнего и постоянно изменяется (в рассматриваемых здесь вариантах: реально или теоретически). Тогда существует предельная скорость cw изменения Нw, а любой ВБ-объект находится в движущейся системе координат, что позволяет применять преобразования, аналогичные лоренцевым. Произвольное задание граничных условий ВБ предполагает, что динамика влагосодержания происходит при бесконечном значении cw , т.е. как бы мгновенно, причем компоненты ВБ, имеющие различный морфогенез, просто суммируются. Автору известно, что вывод И.Г. Мещенина [34] о существенной нелинейности их связи основывался именно на попытке учесть различный генезис этих компонентов.Анализ имеющихся сведений о результатах исследований ВБ различных объектов дает основание полагать, что величина
cw изменяется в сравнительно узком диапазоне и не зависит от форм влагооборота. Оперирование 'естественными', т.е. специфическими пространственно-временными интервалами замыкания ВБ того или иного объекта позволяет говорить о них как аналогах светоподобных интервалов в релятивистской механике, характеризующих движение объекта со скоростью cw [35]. Формально это означает равенство инвариантного интервала D S нулю. Тогда из вновь полученного по приведенной формуле соотношения собственно пространственной и временной проекций данного интервала, привлекая имеющиеся данные исследований ВБ на объектах различного масштаба, можно оценить величину предложенной константы. Предварительный расчет дает сравнительно небольшой диапазон ее колебаний (0,001¸ 0,010 м/с) при сильном варьировании пространственно-временных масштабов самих ВБ-объектов. Непосредственным определением величины cw, очевидно, следует признать оценку скорости вертикального движения пара в тропосфере, поскольку этот перенос представляет собой морфогенетически первичное звено влагооборота в системе <водные массы - тропосфера - кора выветривания> [1]. Ранее была получена оценка скорости вертикального перемещения пара, изменяющаяся в пределах 0,0028¸ 0,0050 м/с в зависимости от условий переноса [36]. По другим оценкам [13], средняя дневная вертикальная скорость переноса влаги в приземном слое изменяется от 0,001 до 0,008 м/с. Движение единичной молекулы воды в воздухе при этом может быть условно интерпретировано как простейший водообменный акт: заполнение водой и опорожнение емкости воздушного пространства размерами в 1 молекулу воды. Соответствующий ВБ-объект условно обозначен нами как 'гидрофлуктуон'.Второе положение
. Условие эквивалентности функциональной и пространственно-временной структур заданного ВБ-объекта предполагает пропорциональное расширение пространственно-временных границ оптимального ('естественного') замыкания баланса при детализации (сужении) функционального описания объекта. Наоборот, попытки описать ВБ-объект с помощью функции, присущей более высокой форме организации водных масс, приводят к необходимости в соответствующей пропорции уменьшить шаг пространственно-временной сетки для обеспечения минимальной невязки ВБ.Данное положение опирается на представление гидросферы как системы водных объектов G, взаимодействующих в рамках метасистемы G-U с некоторым объектом U, в общем случае произвольной природы [1]. В указанной работе механизм самоорганизации гидросферы рассматривается в процессе насыщения U элементами из G. Детализация (сужение) функционального описания ВБ-объекта в системе <ВМ - МРБ> заключается в исследовании процесса, который выступает ведущим для объекта, стоящего на более низкой ступени организации системы в соответствии с ее ИГП (более низкая средняя степень насыщения влагой). Для оптимизации водного баланса, что означает приведение в соответствие функциональной и пространственно-временной структур объекта, необходимо пропорционально расширить рамки расчетных интервалов обобщенного пространства, чтобы тем самым как бы снизить степень его насыщения (ячейки 2, 3 и 6 в табл. 1; ячейки 4, 7, 8 в табл. 2). Аналогичны рассуждения для случая интеграции, когда рассматриваемая функция заданного объекта отвечает объекту более высокой организации (степени насыщения фрагмента суши). Формально оба случая означают приближение инвариантного интервала D S, отличного в общем случае от нуля, к нулю.
Общие выводы имеет смысл конкретизировать в следующей форме.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ