2.4. Поверхностный сток

Речной сток, в отличие от других составляющих водного баланса, - интегральная характеристика речного бассейна. Расход воды, определенный в каком-либо створе, представляет собой суммарный сток с площади, расположенной выше данного створа. Впервые измерения речного стока начаты в 1800-1810 гг. на территории Европы. В настоящее время сток изучается примерно на 60000 гидрометрических створах. В среднем на один пост приходится 2650 км² территории (в Северной Америке – 1000, в Европе – 1750, в Африке – 14800 км²). Продолжительность самых надежных стоковых рядов не превышает 100-150 лет. Остальные данные приведены к многолетнему ряду (с 1918 по 1967 г.) Для слабо изученных районов применялись косвенные методы оценки стока по метеорологическим данным. Наиболее широко использовалась зависимость коэффициента стока r=Q/F от индекса сухости E/P, где Q – норма годового речного стока, P – годовая сумма осадков, E_o – годовая испаряемость. Для 45% суши (в основном для умеренных широт) ошибка определения расчетного стока по сравнению с фактическим не превышает 10%. В полярных и некоторых тропических районах ошибка может быть значительно большей. Например, до 1960 г. расход воды в р. Амазонка оценивался в 120 000 м³/с. Первые замеры, выполненные по программе МГД, дали цифру 220 000 м³/с.

Совокупное изменение во времени расходов воды, уровней, уклонов и скоростей течения называется водным режимом реки. Для водобалансовых расчетов и оценки водных ресурсов наибольшее значение имеет изменение расхода воды (в м³/с). Для оценки изменения расхода воды за год (или часть года) используется гидрограф (рис.2). Это календарный (хронологический) график, который строится по данным ежедневных расходов. По гидрографу можно определить характерные расходы для данного створа (наибольшие, наименьшие), вычислить средние за декаду, месяц, год, сопоставить колебания расходов с температурными изменениями, выпадением атмосферных осадков и ледовыми явлениями.

Существуют четыре основных источника питания рек: жидкие осадки; твердые осадки; высокогорные снега и ледники; подземные воды. Соотношения между количествами воды, поступающими в реки из различных источников, изменяются от сезона к сезону для одной реки и неодинаковы в разных районах. Впервые это отметил в 1884 г. русский ученый А.И. Воейков, который писал о том, что «реки суть продукт климата их бассейнов». В настоящее время это положение получило более широкую формулировку, а именно: реки и их режим представляют собой продукт климата на общем фоне воздействия других компонентов ландшафта и хозяйственной деятельности. Источники питания рек количественно легко определить по гидрографу. Подземное питание можно выделить тремя основными методами. Первый – простейший из них: исходят из предположения, что подземное питание фиксируется минимума стока, которые соединяются прямыми линиями. Недостаток способа – недоучет особенностей стока подземных вод в реки в период половодья. Второй способ основывается на предположении, что в период прохождения пика половодья уровни воды в реке поднимаются настолько, что подземные воды перестают питать реку (рис. 2). Третий способ учитывает раздельное питание за счет не напорных подземных вод, гидравлически связанных и не связанных с рекой, а также напорных вод. Снеговое и дождевое питание легко выделяются при совместном анализе данных гидрографа и графика изменения температур. Объем тех или иных видов питания пропорционален площадям геометрических фигур, заключенных между гидрографом, линиями, разделяющими соответствующие виды питания, и координатными осями.

Несмотря не некоторую условность методов количественной оценки роли различных источников питания в годовом стоке их применение позволит провести генетический анализ водного режима рек и классифицировать их ледник по источникам питания.

Удобную классификацию рек по источникам питания (рис.3) предложил М.И. Львович [1]. Ее можно представить в виде простой схемы: соответствующий класс рек находится на пересечении граф и строк табл.2/.

Таблица 2

Классификация рек по источникам питания и водному режиму

В дальнейшем классификация М.И. Львовича была усовершенствована – в нее введены количественные критерии. Для характеристики соотношения различных источников питания и сезонов, превалирующих по относительным размерам стока в сравнении с годовым, приняты следующие характеристики: более 80% - почти исключительное; 50-80% - преимущественное; менее 50% - преобладающее. Источникам питания и сезонам присвоены обозначения по первым буквам их названий на французском языке.

Установлено 40 типов водного режима. Наиболее суровый водный режим G-E характерен для арктических островов и Антарктиды. К более низким широтам он сменяется режимами S_x-E и S_x-E_y, а затем S_x-P_y. В южном полушарии реки со снеговым питанием имеют небольшое распространение. Для Южной Америки более характерен тип режима s_x-p_y, в северном полушарии наблюдается тип режима, свойственный для запада СССР и юга Канады. В северном Прикаспии, равнинном Казахстане и на севере Крыма развит тип режима S-P. Типы режима рек с дождевым питанием разной степени весьма разнообразны и занимают более 60% суши от высоких широт Северо-Восточной Азии (S_x-E_y) и Южной Африки – Южной Австралии (R_x-H) до низких широт Азии (R-A_x, R_x-H_y) и Америки (R_x-e_y, r_h-h_y) . На формирование режимов рек дождевого питания огромное влияние оказывает особенности воздушной циркуляции, в частности летние муссоны. Для горных районов характерно ледниковое питание (g_x-E_y), снеговое питание (s_x-p_y, s_x-e_y), местами – смешанное снего-дождевое питание (R_x-E_y). Подземное питание (u_x-e_y или u_x-p_y)наблюдается лишь в предгорных районах, сложенных мощной толщей продуктов разрушения горных массивов.

Годовой цикл водного режима рек подразделяется на несколько периодов – фаз водного режима. Выделяются половодье, дождевые паводки, летняя и зимняя межень. Половодье характеризуется повторяющимся в один и тот же сезон длительным значительным увеличением водности; дождевые паводки – относительно быстрыми, но кратковременными подъемами уровня; межень – малой водностью и низкими уровнями воды. В зависимости от типологических особенностей на реках на реках могут наблюдаться все четыре фазы (реки снегового питания) или только некоторые из них (на реках дождевого питания с типами режима RE, RE_y, R_xE_y летняя межень отсутствует). По характеру гидрографа (высота пика половодья или паводка, их продолжительность и положение на временной оси) выделяют группы и типы рек.

Основные характеристики стока: расход Q (м³/с); объем стокаW (м³), подсчитываемый за год, сезон, месяц, фазу водного режима и пр.; модуль стока (м, л/(с·км²)); слой стока А (мм); коэффициент стока η=А/Х. Расход реки в данном створе определяется гидрометрическими методами как произведение площади поперечного сечения ω на скорость потока v. Последнюю определяют с помощью вертушки или другими методами (поплавковый, ионного паводка, ультразвуковой). Остальные характеристики легко вывести расчетным путем, если известна площадь бассейна F (км²) и количество выпадающих осадков X (мм). Из всех характеристик стока только модуль, слой и коэффициент стока поддаются картографированию. При отсутствии достаточно продолжительных наблюдений расчетные значения характеристик стока получают методом продления ряда, используя связи между коэффициентом стока и метеорологическими элементами (дефицитом насыщения и пр.) или по картам изолиний модулей стока и их коэффициентов вариации.

Широтное распределение стока на земном шаре характеризует рис. 4. в основном оно совпадает с широтным распределением осадков, однако имеются и отклонения, объясняющиеся в основном соотношением осадков и испарения (минимум на 10-20⁰ с.ш. и др.).

В зависимости от изменения климатических факторов стока и физико-географических условий его формирования количество воды в руслах рек непрерывно изменяется – от года к году и от сезона к сезону. Эти колебания для разных рек большей частью несинхронны, поэтому одновременный суммарный запас русловых вод может быть определен только по среднему многолетнему расходу. Суммарные единовременные запасы воды в руслах рек мира (рис.5) составляют 2125 км³ (Европа – 80, Азия – 565, Африка – 195, Северная Америка – 250, Южная Америка – 1000, Австралия и Океания – 25 км³).

Большая часть суши (80%) относится к областям внешнего стока: 51% принадлежит бассейнам Атлантического и Тихого океанов, 29% - Северного Ледовитого и индийского океанов. На их долю приходится 93% осадков на суше, 98% объема стока и 88% суммарного испарения. Атмосферные осадки составляют 110 000 км³ 56% их расходуется на испарение, 41% - на формирование речного стока и 2% - на подземный сток в океан. Суммарный объем речного стока областей равняется 45800 км³. Часть речных вод не достигает океана вследствие испарения и разбора воды на орошение. Потери речных вод в областях внешнего стока составляют 1100 км³ в год, т.е. почти равны «внутреннему стоку». Областями внешнего стока принадлежит заметная роль в перераспределении воды на земном шаре. Особенно отчетливо это видно в бассейне Северного Ледовитого океана, сток рек которого формируется в основном за счет атмосферной влаги, поступающей с Атлантического и Тихого океана. Избыточное питание Северного Ледовитого океана обусловливает его «отточный» режим.

20% суши относится к областям внутреннего стока. Наиболее значительны такие области в Азии (12,3 млн.км²), Африке (9,6 млн.км²) и Австралии (3,9 млн.км²). Все они располагаются в аридных и полуаридных засушливых пустынных, полупустынных и сухостепных районах (Америка, Африка, Азия).

Многолетние колебания речного стока имеют сложный циклический характер. Многоводные и маловодные годы длительностью 3-5, реже 10 лет охватывают как континенты, так и всю сушу в целом. Однако на разных континентах они асинхронны и не всегда совпадают по знаку. Синхронны колебания стока рек Азии и Северной Америки, асинхронны – Северной и Южной Америки. Совпадают по знаку колебания стока рек Азии и Австралии, противоположны – Европы и Австралии. Цикличность стока следует учитывать при составлении хозяйственных планов отдельных стран и их частей на многолетие.

Термический режим рек формируется в результате теплообмена между водой, атмосферой и ложем русла. При наличии ледяного покрова интенсивность теплообмена с атмосферой резко снижается, а при формировании 10-20 см снежного покрова практически прекращается. В живом сечении рек обычно наблюдается гомотермия распределения температуры, нарушаемая приточностью. По длине рек температура: остается почти неизменной (реки субширотной ориентировки), повышается (реки, текущие на юг), повышается, а затем понижается (реки текущие на север). На температуру рек большое влияние оказывают озера (влияние Байкала сказывается по р. ангара на 1200 км) и хозяйственная деятельность человека (сброс тепловых вод ТЭЦ).

В ледовом режиме рек выделяются фазы замерзания, ледостава и вскрытия. На многих реках образуется внутриводный и донный лед, а на горных и северных реках – шуга. Во время весеннего (реже – осеннего) ледохода на определенных участках рек возникают заторы, представляющие большую опасность для мостов и береговых сооружений.

Вода, переносимая реками, обладает энергией, зависящей от расхода воды и перепада высот. Она затрачивается на трение между частицами воды, трение о дно, истирание твердых частиц, их перенос во взвешенном и влекомом состоянии и перенос растворенных частиц. Режим речных наносов зависит от типа водного режима реки и геологических особенностей ее бассейна. Минимальные расходы взвешенных наносов наблюдаются в период питания рек грунтовыми водами, максимальные – во время паводков и половодья (причем их пики могут не совпадать). Из всех рек земного шара наибольший сток взвешенных наносов имеет Амазонка (2,4-3 млрд.т в год). Суммарный сток взвешенных наносов по подсчетам, выполненным в рамках МГД, составляет 15700 млн.т.; 67% твердого стока дают реки Азии, 15,5% - Южной Америки, 7,1% - Северной Америки, 6,3% - Африки, 2,8% - Европы, 1,3% - Австралии и Океании.

Влекомые наносы перемещаются в придонном слое потока. Масса влекомой частицы согласно формуле Эри пропорциональна шестой степени скорости потока. Количество влекомых частиц в равнинных реках мало. В горных реках доля влекомых наносов при высоких скоростях составляет основную часть твердого стока. На небольших реках или временных водотоках часто возникают кратковременные грязевые, грязе-каменные и водно-каменные паводки (сели). Изучение режима твердого стока представляет огромное практическое значение, поскольку позволяет предсказать или предупредить последствия катастрофических паводков, приводящих к переформированию русел, разрушению береговых сооружений, мостов и плотин.

Сток растворенных веществ также зависит от типа водного режима и геологических особенностей бассейна. Большинство рек земного шара имеет воду гидрокарбонатного класса, значительно меньше рек сульфатного и хлоридного классов. При переходе на подземное питание минерализация рек повышается. Реки, собирающие воду с заболоченных водосборов, содержат большое количество гуминовых веществ. Повсеместно в разных количествах присутствуют биогенные вещества (соединения азота и фосфора), микроэлементы, органические вещества. Общая величина полного стока для земного шара составляет 2680 млн.т в год. 32,6% полного стока дают реки Азии, 18,5% - Южной Америки, 18,0% - Северной Америки, 17,8% - Африки, 8,9% - Европы, 4,2% - Австралии и Океании. Общий сток растворенных и взвешенных веществ в акваторию Мирового океана составляет 18 380 млн.т, что соответствует среднему смыву твердого материала с поверхности суши 175 т/км² или 0,12 мм.