Краткие сведения из истории гидрологии
Развитие гидрологических знаний всегда стимулировалось, во-первых, извечным стремлением людей познать неизвестное, в частности законы природы, и, во-вторых, практическими потребностями.
Первые примитивные гидрологические наблюдения люди стали проводить еще в глубокой древности. Вместе с тем гидрология как самостоятельная наука еще очень молода. Это кажущееся противоречие объясняется тем, что действительно активное использование водных ресурсов, потребовавшее прогресса в гидрологических знаниях, началось всего 70—80 лет назад. И большинство крупных достижений в гидрологии было сделано совсем недавно, причем именно для решения конкретных и важных в хозяйственном отношении проблем.
История гидрологии суши. В глубокой древности жизнь человека вблизи воды, особенно если эта вода использовалась им для орошения полей, во многом зависела от режима водных объектов. Человек вынужден был следить за этим режимом, вести наблюдения. К числу самых ранних гидрологических наблюдений относятся наблюдения древних египтян за колебаниями уровня воды на Ниле с помощью «ниломеров» — первых гидрологических постов.
Одновременно с началом развития других наук в Древней Грециивозникли и некоторые гидрологические представления. Древнегреческий философ Фалес считал, что в основе всех явлений лежит «влажная природа», т.е. вода: все возникает из воды и в нее превращается.Другой древнегреческий философ-материалист Гераклит полагал, что в основе всего сущего лежит круговорот веществ(стихий) — огня, воздуха, воды и земли. Гераклиту принадлежит знаменитый образ реки, в которую нельзя войти дважды, поскольку она все время изменяется. Гидрологические явления вызывали большой интерес древнегреческого историка и путешественника Геродота. Он провел первые исследования древнего Нила и Дуная (Истра). К воде проявляли интерес и другие мыслители Древней Греции — Платон и Аристотель (они задумывались о происхождении рек и источников).
Вклад в развитие гидрологических знаний внесли древнеримские мыслители. Витрувий интересовался поиском подземных вод, Герон Александрийский первым предположил, что расход воды равен произведению площади поперечного сечения потока на скорость течения. О познаниях древних римлян в гидрологии и гидротехнике свидетельствуют и акведуки — водопроводы Рима — удивительные сооружения древнего мира.
Новый толчок в развитии гидрологических знаний приходится на эпоху Возрождения. Леонардо да Винчи (1452—1519) одним из первых нашел правильное толкование происхождения рек, отметив роль и дождевых, и подземных вод. Леонардо да Винчи провел первые наблюдения за динамикой водного потока и может считаться основоположником речной гидравлики.
Дальнейший прогресс в гидрологических знаниях приходится на XVII в. Гидрологическими явлениями интересовался французский философ и математик Декарт. Первые количественные оценки в гидрологии принадлежат Пьеру Перро (брату более известного Шарля Перро, поэта и автора сказок). Рене рассчитал, что дождевой воды вполне достаточно для поддержания стока рек. Подобные вычисления продолжил и развил французский физик Эдм Мариотт. Оценку роли испарения в гидрологических процессах впервые сделал английский геофизик и астроном Эдмунд Галлей, друг и соратник Исаака Ньютона. Галлей первым дал четкое представление о круговороте воды в природе и его приближенную количественную оценку.
XVIII и XIX вв. ознаменовались быстрым развитием гидравлики. Здесь необходимо упомянуть французов Антуана Шези и Анри Дарси, швейцарца Даниила Бернулли (почетного члена Петербургской академии наук), ирландца Роберта Маннинга. Достижения в области гидравлики предопределили в последующем прогресс и в различных разделах гидрологии.
Начало гидрологических наблюдений в России относится к XV— XVI вв.: в записях русских летописцев сохранились сведения о наводнениях, паводках, замерзании и вскрытии рек. Много данных о реках и озерах приведено в «Книге Большому чертежу» — приложении к одной из первых карт России (1552). В 1773 г. эти сведения были переизданы Н.И. Новиковым под заглавием «Древняя Российская Идрография, содержащая описание Московского государства рек, протоков, озер, кладезей и какие по ним города и урочища и на каком они расстоянии».
В XVII в. начались наблюдения за уровнем воды на р. Москве. При Петре I проводились первые гидрологические изыскания на Дону, Оке, Волге с целью использования этих рек для судоходства. В 1715 г. были организованы постоянные наблюдения за режимом р. Невы у Петропавловской крепости. В изучение рек заметный вклад внесли русские землепроходцы и географы XVIII в.
В XIX в. изыскания, связанные с улучшением судоходных условий на реках России, были расширены. Крупные гидрографические работы на реках провела созданная в 1875 г. при Министерстве путей сообщения Навигационно-описная комиссия. В 1881 г. были впервые опубликованы данные наблюдений за уровнем воды на реках.
Ценные материалы по гидрографии дали экспедиции П.П. Семенова-Тян-Шанского и Н.М. Пржевальского. В конце XIX в. в России были опубликованы крупные обобщающие работы известных естествоиспытателей В.М. Лохтина, Н.С. Лелявского, В.В. Докучаева, А.И. Воейкова, заложившие основы учения о реках.
Широкое развитие гидрологических изысканий и исследований в нашей стране началось в 20-х годах прошлого столетия. Эти исследования были направлены на комплексное использование водных ресурсов страны (не только для судоходства, но и для гидроэнергетики и орошения). В 1919 г. был создан Российский гидрологический институт, который в 1926 г. преобразуется в ныне существующий Государственный гидрологический институт (ГГИ). В 1920 г. был принят план электрификации России (план ГОЭЛРО), выполнение которого потребовало проведения широких гидрологических исследований.
В 1929 г. был учрежден Гидрометеорологический комитет при Совете Народных Комиссаров СССР, на который возлагалось проведение гидрологических наблюдений и исследований. В 1933 г. этот комитет был преобразован в Центральное управление Единой гидрометеорологической службы СССР (ЦУЕГМС), а в 1936 г.— в Главное управление гидрометеорологической службы (ГУГМС) при Совете Министров СССР. В 1931 г. в нашей стране начались работы по составлению «Водного кадастра СССР» — систематизированных сведений о режиме рек, озер, морей, ледников, подземных вод.
В предвоенный период усилиями крупных ученых В.Г. Глушкова, Д.И. Кочерина, М.А. Великанова, С.Д. Муравейского, Б.В. Полякова, Е.В. Близняка и многих других были разработаны теоретические основы гидрологии суши. Таким образом, гидрология суши как самостоятельная наука оформилась в Советском Союзе в 20—30-е годы прошлого столетия.
В послевоенные годы восстановление и дальнейшее развитие народного хозяйства страны потребовали существенного расширения гидрологических изысканий и исследований. Ведутся гидрологические работы для крупного гидроэнергетического строительства на Днепре и Волге, мелиоративных мероприятий на юге Европейской территории Союза и в Средней Азии, улучшения судоходных условий на Волге и сибирских реках. Помимо перечисленных выше ученых крупный вклад в развитие гидрологии суши внесли Б.А. Аполлов, Б.Д. Зайков, П.С. Кузин, Л.К. Давыдов, Г.В. Лопатин, А.В. Огиевский, Д.Л. Соколовский, Г.П. Калинин, М.И. Львович, Г.Г. Сванидзе, А.В. Караушев, И.А. Шикломанов и многие другие.
Исследования озер проводились Л.С. Бергом, Г.Ю. Верещагиным, Л.Л. Россолимо, Б.Б. Богословским, А.И. Тихомировым и др. В изучении новых объектов гидросферы — водохранилищ — участвовали С.Л. Вендров, А.Б. Авакян, Н.В. Буторин, В.С. Вуглинский, В.М. Широков, Ю.М. Матарзин, К.К. Эдельштейн и др. Ледники изучали С.В. Калесник, Г.К. Тушинский, В.М. Котляков и др. Режим подземных вод изучался А.Ф. Лебедевым, О.К. Ланге, Б.И. Куделиным, О.В. Поповым, В.А. Всеволожским и др. В исследование водного режима болот большой вклад внесли А.Д. Дубах, К.Е. Иванов и др.
В 1979 г. Главное управление гидрометеорологической службы преобразовано в Государственный комитет СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды, а в 1988 г.— в Государственный комитет СССР по гидрометеорологии (Госкомгидромет). В это время велись крупные гидрологические исследования по всей территории Советского Союза. Заметными вехами в развитии гидрологии суши стали пять Всесоюзных и один Всероссийский гидрологические съезды (в 1924, 1928, 1957, 1973, 1986 и 2004 гг.).
В настоящее время руководство наблюдениями и исследованиями в области гидрологии суши в Российской Федерации возложено на Федеральную службу по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). Росгидромету подчинены региональные управления гидрометеослужбы (УГМС), а им — местные центры по гидрометеорологии (ЦГМС) и разветвленная сеть гидрометстанций и постов. По состоянию на январь 2004 г. в эту сеть входили 3068 гидрологических постов, в том числе 2717 речных и 351 — на озерах и водохранилищах. В систему Росгидромета входят крупные научно-исследовательские учреждения в области гидрометеорологии: Государственный гидрологический институт (ГГИ) в Санкт-Петербурге, Государственный океанографический институт (ГОИН) в Москве, Государственный гидрохимический институт (ГХИ) в Ростове-на-Дону, Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации (Гидрометцентр России) в Москве, Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова (ГГО) в Санкт-Петербурге, Всероссийский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации — Мировой центр данных (ВНИИГМИ — МЦЦ) в Обнинске, Арктический и антарктический научно-исследовательский институт (ААНИИ) в Санкт-Петербурге и др.
В 1960-е годы значительный импульс получило международное сотрудничество в области гидрологии суши. Большой вклад в развитие гидрологии внесло Международное гидрологическое десятилетие (МГД), учрежденное ЮНЕСКО на 1965—1974 гг. С 1975 г. осуществляется постоянно действующая Международная гидрологическая программа (МГП) ЮНЕСКО, в которой активно участвуют ученые-гидрологи нашей страны из различных учреждений (Государственного гидрологического института; Института водных проблем, Института географии и Института озероведения РАН; Московского, Санкт-Петербургского университетов и др.). Важным вкладом советских ученых-гидрологов в МГП стал капитальный труд «Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли» (1974).
В последние десятилетия важной частью гидрологических исследований в России стали, изучение реакции вод суши на глобальное потепление и оценка изменений режима водных объектов суши под влиянием хозяйственной деятельности.
Особо следует сказать о долгой и сложной истории исследований ледников Антарктиды. Первым, кто предположил, что «острова и матерая земля» вблизи Южного полюса покрыта снегами и льдом, был М.В. Ломоносов. Его предсказания подтвердились, когда ледяной покров Антарктиды был открыт в январе 1820 г. русской экспедицией под командованием Ф.Ф. Беллинсгаузена и М.П. Лазарева. Позже началось уже наземное изучение льдов Антарктиды американскими, французскими, английскими, норвежскими экспедициями. 14 декабря 1911 г. Р. Амундсен впервые достиг Южного полюса. Широкомасштабные исследования ледников Антарктиды начались в 50-х годах XX в. Совместные исследования гляциологов СССР, США, Англии и других стран были начаты в Антарктиде во время Международного геофизического года (1957—1959 гг.). Советский Союз взял на себя исследование самых труднодоступных и совершенно неизученных районов Антарктиды. На берегу моря Дэвиса были построены поселок и обсерватория Мирный. Позже на склоне ледникового купола Восточной Антарктиды была создана первая внутриконтинентальная научная станция «Пионерская». Исследования, проведенные на ней, позволили получить представление о природе внутренней части Антарктиды и условиях жизни и работы людей во время южной полярной ночи. Затем были созданы научные станции «Восток» на геомагнитном полюсе (эта станция работает и в настоящее время), «Полюс недоступности» и др. На станции «Восток» была измерена самая низкая температура воздуха на планете — минус 89,2 °С. В Антарктиде работает ряд научных станций других стран, в том числе станция «Амундсен— Скотт» на Южном полюсе.
С 1978 г. в СССР введен Государственный водный кадастр (ГВК), представляющий собой систематизированный, постоянно пополняемый и уточняемый свод сведений о водных объектах, составляющих единый государственный водный фонд, о режиме, качестве и использовании вод. ГВК состоит из трех разделов:
1) поверхностные воды (реки и каналы; озера и водохранилища; качество вод суши; селевые потоки; ледники; моря и морские устья рек),
2) подземные воды;
3) использование вод.
Данные ГВК подразделяются на архивные материалы (книжки наблюдений, таблицы и др.); долговременные технические носители информации (микрофильмы, магнитные ленты); публикуемые материалы (каталоги водных и водохозяйственных объектов, ежегодные и многолетние данные о режиме и др.). «Ежегодные данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши» служат продолжением издававшихся до 1978 г. «Гидрологических ежегодников» и «Материалов наблюдений на озерах и водохранилищах». В рамках Государственного водного кадастра в настоящее время создаются банк данных о водных ресурсах и автоматизированная информационная система (АИС ГВК).
В комплексе мер, осуществляемых в России по защите водных ресурсов от истощения и загрязнения, особая роль принадлежит введенной еще в 1970-х годах системе мониторинга качества поверхностных вод. Такой мониторинг осуществляет Государственная служба наблюдений и контроля за загрязнением объектов природной среды (ГСНК).
В настоящее время в проведении исследований в области гидрологии суши помимо уже упоминавшихся выше российских организаций участвуют также Российский государственный гидрометеорологический университет (бывший Ленинградский гидрометеорологический институт), Институт географии Сибирского отделения (СО) РАН (г. Иркутск), Институт водных и экологических проблем СО РАН (г. Барнаул), Лимнологический институт СО РАН (г. Иркутск), Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов (РосНИИВХ) (г. Екатеринбург), Пермский, Иркутский, Башкирский, Дальневосточный (г. Владивосток) государственные университеты и др.
История гидрологии морей (океанологии). Начальные сведения о морях и океанах получили первые мореплаватели на Земле — полинезийцы, финикийцы, шумеры, египтяне, позже греки и римляне. Первые письменные документы об океане и карты появились в древней Греции (V-IV вв. до н. э.). В работах Геродота, Посидония описывались приливные колебания уровня; Аристотель указывал на различия в температуре воды и глубинах морей, течениях в проливах. Однако более систематические океанографические наблюдения в океанах связаны с эпохой Великих географических открытий XV и XVI вв. (с экспедициями Колумба, Магеллана и др.), когда были открыты основные течения Атлантического океана.
В XVIII—XIX вв. были проведены первые специальные экспедиции В. Беринга, Г.И. Чирикова, X.П. Лаптева, С.И. Челюскина, Дж. Кука, Ж.Ф. Лаперуза, И.Ф. Крузенштерна и Ю.Ф. Лисянского, Ф.Ф. Беллинсгаузена и М.П. Лазарева, О.Е. Коцебу и Э.X. Ленца, Ф.П. Литке и многих других. Благодаря этим экспедициям уточнялась карта Мирового океана, и накапливались сведения о свойствах его вод — температуре, удельном весе (плотности), прозрачности, в том числе и на глубинах. Этому способствовали появление специальных термометров и батометра — устройства, приносившего пробу воды с глубин (его впервые использовал Э.X. Ленц). Систематические наблюдения над уровнем моря в России были начаты в 1752 г. в Кронштадте.
Появляются и первые научные обобщения полученных данных — «Физическая история моря» Марсильи (1725), классификация морских льдов М.В. Ломоносова, теория приливов П.С. Лапласа, описания ветров и течений М.Ф. Мори, труды А. Гумбольдта и Э.X. Ленца, впервые высказавших мысль о формировании глубинных вод океанов.
Первой в полном смысле научной океанологической экспедицией считают кругосветную экспедицию на английском корвете «Челленджер» в 1872—1876 гг., когда были проведены комплексные исследования в Мировом океане на 362 станциях, на которых получены новые данные о физических, химических, биологических характеристиках морских вод и геологических особенностях дна океана. Обработку уникальных результатов этой экспедиции проводили 76 ученых более 20 лет, издав собрание трудов в 50 томах.
Выдающуюся роль в становлении океанологии сыграл адмирал С.О. Макаров. Во время кругосветного плавания на корвете «Витязь» (1886—1889) на 262 станциях им были проведены определения температуры и удельного веса воды, измерения течений, брались пробы с глубин. Результаты были обобщены им в капитальной монографии «Витязь» и Тихий океан» (1902). Кроме того, С.О. Макаров первым определил скорости течений и водообмен в проливе Босфор.
В дальнейшем крупный вклад в развитие океанологии внесли В. Бьеркнес, В. Экман, М. Кнудсен, Ф. Нансен. Авторами одних из первых обобщающих научных трудов по океанологии были в Германии О. Крюммель, в России И.Б. Шпиндлер и Ю.М. Шокальский.
В России в 1874 г. при Главной геофизической обсерватории открылось Морское отделение, создавшее на всех морях службу штормовых предупреждений.
В конце XIX в. экспедиционные исследования океанов и морей стали дополняться стационарными, были созданы биологические станции в Севастополе, на Соловецких островах.
В советские годы морские гидрологические исследования расширились, особенно в связи с освоением Северного Ледовитого океана и Северного морского пути. В 1921 г. по декрету, подписанному В.И. Лениным, было создано первое в СССР крупное научное океанологическое учреждение — Плавучий морской научный институт (Плавморнин). Систематические исследования полярного района начали вести экспедиции на судах «Персей», «Литке», «Красин», а также научно-исследовательские дрейфующие на льду станции «Северный Полюс» (первая из них под руководством И.Д. Папанина работала в 1937—1938 гг.). Крупный вклад в становление советской океанологии, которое также можно отнести к 20—30-м годампрошлого столетия, внесли Н.М. Книпович, Ю.М. Шокальский, В.Ю. Визе, Н.Н. Зубов, В.Б. Штокман, В.В. Шулейкин.
После Второй мировой войны начался новый этап развития океанологии. С 1948 г. в СССР начало работать новое научно-исследовательское судно «Витязь», позволившее проводить экспедиционные исследования в открытом океане. Проведены крупные океанологические работы во всех океанах и во многих морях. Особую роль в послевоенные годы сыграли исследования приантарктических частей океанов, ежегодно проводившиеся во время антарктических экспедиций. Все большую роль в океанологических исследованиях стали играть исследования с воздуха, подо льдами с подводных лодок, с подводных обитаемых аппаратов, из космоса, с помощью автономных заякоренных станций и буйков нейтральной плавучести. Развитие компьютерных технологий привело к развитию математического моделирования океанологических процессов.
В последнее время целенаправленные океанологические исследования в России ведут Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН (ИОРАН) и его отделения в Санкт-Петербурге, Калининграде, Геленджике, Государственный океанографический институт (ГОИН), Арктический и антарктический научно-исследовательский институт (ААНИИ), Всероссийский научно-исследовательский институт морского рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО), Московский, Санкт-Петербургский, Калининградский, Дальневосточный государственные университеты и др. Отечественными учеными подготовлены и изданы крупные труды в области океанологии: Морской атлас, Атласы океанов, десятитомное издание «Океанология», семитомное издание «География Мирового океана».
Как и в гидрологии суши, в последние десятилетия в океанологии широко развернулось международное сотрудничество с активным участием российских ученых. Здесь следует упомянуть Международный геофизический год и Год международного геофизического сотрудничества (МГГ — МГС, 1957—1959). Это были согласованные исследования по всем направлениям геофизики, в том числе и по океанологии. Они охватывали весь Мировой океан и проводились силами многих государств, но наиболее интенсивно велись работы кораблями СССР, США, Японии. Опыт такой международной кооперации стал развиваться, появились новые проекты. Очень крупной была Программа изучения глобальных атмосферных процессов (ПИГАП). Большая часть исследований по этой программе проходила на океанах. Громадный материал для познания океана дали исследования на особых полигонах, первым из которых стал район исследования океанских вихрей в Саргассовом море. Изучение велось на основе советско-американской программы «ГТОЛИМОДЕ» на протяжении 1974—1979 гг. на девяти кораблях СССР и на девяти — США. Осуществление международных программ продолжается. В 1980-х и 1990-х годах была проведена программа ТОГА (тропический океан — глобальная атмосфера) по изучению явления Эль-Ниньо, в 1990—2000 гг. проводилась программа ГЭЦО (глобальный эксперимент по циркуляции океана). Была разработана объединенная глобальная система океанографических станций (ОГСОС).
В настоящее время большое внимание международного сообщества уделяется океанскому компоненту изменений климата (программа КЛИВАР — климатические вариации), исследованию потоков химических элементов и соединений в океане, рациональному использованию морских биологических ресурсов; есть международные программы по мониторингу загрязнения океана и др.
В 1990-е годы в России произошло резкое уменьшение экспедиционных исследований в океанах, вызванное экономическими причинами. Большее внимание стало уделяться исследованиям прибрежной зоны морей, освоению их ресурсов. В последние годы возросло понимание важности океанологических исследований, была принята Федеральная целевая программа «Мировой океан» и Морская доктрина России, предусматривающие повышение роли нашей страны в изучении океана и освоении его ресурсов.
Глава 1