Определение основных факторов, формирующих сток рек и его изменчивость

 

В соответствии с классификацией физико-географиче­ских факторов основными в формировании расходов воды являются стокообразующие, находящиеся, однако, под непо­средственным влиянием косвенных факторов. Годовой сток фор­мируется жидкими и твердыми осадками и подземными водами. Последние тоже формируются осадками, но временной период, за который осадки формируют поверхностный и подземный сток, может быть различным. Это определяется, прежде всего, глуби­ной зоны дренирования и скоростью стекания подземных вод.

Осадки являются климатическим фактором, и их распреде­ление по территории подчиняется законам географической зональ­ности. Но для равнинных территорий на одной и той, же широте в направлении с запада на восток количество осадков меняется более резко, чем температура. Следовательно, на одной широте расположены зоны с различным количеством осадков, но с близ­кой температурой. Вследствие этого испарение может быть при­мерно одинаковым по широте, а сток будет отличаться значи­тельно больше, так как определяется разностью между осадками и испарением. Поэтому одно и то же количество осадков может дать разные значения стока и испарения в зависимости от изме­нения температурных условий.

На большей части территории СНГ основное количество осадков выпадает в теплый сезон. Однако большая их часть, осо­бенно в зонах переменного и недостаточного увлажнения, уходит на испарение и инфильтрацию, поэтому увеличение годовой суммы осадков (за счет летних) совсем не обязательно должно повлечь за собой такое же увеличение годового стока в рассматриваемом календарном году.

Следует отметить, что использовать календарный год (или дру­гие календарные периоды) при анализе гидрологических явлений далеко не всегда правомерно, поскольку сопоставлять надо однофазовые, односезонные или генетически однородные процессы и явления. Последнее особенно важно. Так, годовой сток рек зоны достаточного увлажнения формируется в большой мере за счет половодья, которое в свою очередь формируется осадками за хо­лодный период, т. е. начиная с предшествующего года. Естест­венно, что и связь годового стока следует искать с осадками за годовой период, определенный со сдвижкой назад. Вместе с тем, учитывая участие подземных вод в формировании годового стока эта сдвижка может еще увеличиться на время добегания подзем­ных вод до русла реки.

Исследования последних лет (К.П. Воскресенский и др., 1986г.) показывают, что при сложном рельефе водосборов (на­личие равнин и возвышенностей или гор) годовые осадки следует рассматривать как комплексную характеристику, расчленяя их на фоновую, высотную и барьерную составляющие. Фоновые осадки являются функцией от широты и долготы рассматриваемой тер­ритории, высотные зависят от высоты местности (по связи фоно­вых осадков с высотой), а барьерная составляющая определяется ее орографией и устанавливается как остаток от разницы между общим количеством осадков и суммой фоновых и высотных. Та­кое расчленение общего количества осадков на генетические со­ставляющие позволяет лучше учесть общетерриториальные и ме­стные условия. Таким образом, годовую норму осадков можно записать так:

 

(3.6)

 

где и – широта и долгота места измерения осадков; H – его высота.

Выпавшие на водосбор осадки частично теряются на испаре­ние, а та их часть, которая формирует речной сток, значительно трансформируется во времени и по территории, что определяется факторами подстилающей поверхности. Наибольшая трансформа­ция осадков во времени происходит обычно в результате влияния факторов, аккумулирующих какую-либо часть жидких (или рас­таявших) осадков. К этим факторам относятся озера, болота, ледники.

Озера перераспределяют сток во времени, аккумулируя вы­павшие на их поверхность осадки и часть стока с водосбора, а также увеличивают потери на испарение. Поэтому примени­тельно к годовому стоку влияние озер будет сказываться в случае способности их к многолетнему регулированию стока, а также при потерях на испарение с зеркала озера, сопоставимых с объемом аккумулируемой озером воды в сливной призме. В результате регулирования стока по годам среднегодовой сток будет умень­шаться в многоводные годы, и увеличиваться в маловодные по сравнению с окружающими не озерными реками.

В зонах избыточного и достаточного увлажнения испарение с суши и воды различается всего в 1,5-2,0 раза, в зоне недоста­точного увлажнения – в 4-7 раз. Поэтому в зоне тундры и тайги дополнительные потери воды на испарение с площади зеркала озер могут составлять лишь несколько процентов от зонального годового стока (чем меньше площадь, тем меньше потери). В степ­ной зоне уменьшение годового стока вследствие увеличения испа­рения с поверхности озер может достигать 100 % зонального стока. Следовательно, река ниже озера может пересохнуть на длительный период, так как само озеро может превратиться в бес­сточное.

Таким образом, влияние озер на годовой сток в зонах избыточ­ного и достаточного увлажнения несущественно, исключая круп­ные озера, перераспределяющие сток по годам. В зонах перемен­ного и недостаточного увлажнения роль озер возрастает, и они мо­гут значительно уменьшать годовой сток по сравнению с безозер­ными реками этого же района. Особенно сильное снижение стока происходит в маловодные годы вследствие уменьшения осадков и резкого увеличения испарения, что ведет к возрастанию колебаний стока во времени, т. е. к увеличению коэффициента вариа­ции годового стока.

Влияние озер на годовой сток становится существенным при озерности водосбора более 2–5%. Наибольшее влияние на сток рек оказывают крупные озера и озера, расположенные в низовьях речного бассейна, т. е. вблизи расчетного створа, поскольку они собирают сток с большей (или со всего) части площади водо­сбора.

Влияние болот на годовой сток неоднозначно. Оно зависит от климатических и гидрогеологических условий, в которых на­ходится болото, от типа болот (верховые, низинные) и стадии развития болотных массивов, от характера поверхности болот и наличия на них пространств открытой воды (озерца, мочажины), а также от степени заболоченности водосборов данной терри­тории.

Определяющим фактором при оценке влияния болот на годо­вой сток является, как и в предыдущем случае, соотношение испа­рения с суши и с водной поверхности. В зоне избыточного увлаж­нения наблюдается конденсация воды на поверхности болотных массивов в результате особого микроклимата над ними, поэтому в этой зоне, возможно, некоторое увеличение (иногда значитель­ное – до 30 %) годового стока за счет конденсации влаги. В зоне достаточного (умеренного) увлажнения годовой сток с заболочен­ных водосборов приблизительно равен зональному стоку. В зоне недостаточного увлажнения наблюдается некоторое снижение го­дового стока с заболоченных водосборов за счет увеличения по­терь на испарение.

Влияние леса на годовой сток обычно проявляется в сравне­нии с необлесенными водосборами. Исследования 70-80-х годов показали, что, хотя и по­явилась большая определенность в рассматриваемой проблеме, окончательного ее решения ещё нет.

Таким образом, влияние леса на годовой сток рек надо рас­сматривать в двух аспектах: влияние на суммарный сток данного года и на среднемноголетний (норму) сток. В первом случае ва­риации этого влияния будут наибольшими. Во втором - влияние может быть несущественным или практически отсутствовать, осо­бенно для больших и средних рек.

Площадь бассейна реки отражает зависимость ее водно­сти от глубины эрозионного вреза русла. Чем больше последняя, тем интенсивнее питание реки подземными водами, и чем быст­рее река начинает дренировать основные водоносные горизонты, тем меньше площадь бассейна, при которой перестает изменяться удельное питание реки (модуль стока) [1].

В пустынях и полупустынных зонах, а в некоторых южных районах и в степной зоне грунтовые воды залегают очень глубоко и, как правило, не дренируются руслами даже сравнительно больших водосборов. В этих районах реки имеют пониженный сток по сравнению с малыми водотоками вследствие увеличения потерь на испарение с водосборов и плесов, дренирования воды из русел на периферию и питания ею грунтовых вод, а также за счет того, что сток рек задерживается в разобщенных плесах и в многочисленных прудах-водохранилищах, создаваемых в речных системах для хозяйственного использования.

На повышенных приводораздельных пространствах выпадает несколько больше осадков и при большей их расчлененности снегозапасы увеличиваются благодаря миграции снега переноса его с плоских территорий в овражно-балочную сеть. Если учесть, что годовой сток этих территорий очень мал и определяется талыми водами, то даже незначительное увеличение снегозапасов на малых водосборах существенно повышает их сток относительно стока рек [2].

В горных районах годовой сток зависит в большей степени от высоты водосбора, чем от его пло­щади. Высотная поясность в горных областях определяет распре­деление удельной водности горных рек. В связи с этим годовой сток в замыкающем створе горной реки часто отражает лишь среднее значение стока по всему водосбору, не показывая его из­менения по высотным зонам. Это необходимо учитывать при ис­следовании стока рек горных районов.

Влияние хозяйственной деятельности на годовой сток является результирующей этого влияния на элементы вод­ного баланса речного водосбора. Исключение составляют осадки. Основными видами хозяйственной деятельности, которые могут оказывать влияние на годовой сток и его норму, являются: со­оружение водохранилищ и прудов, развитие орошения, перерас­пределение (переброска) стока, потребление воды для промышленно-коммунальных и сельскохозяйственных нужд, осушение бо­лот и заболоченных земель, агролесомелиоративные мероприятия на водосборах рек, а также вырубка и восстановление лесов.

Изменение годового стока может наблюдаться при сооружении водохранилищ в руслах рек, когда затапливаются большие мас­сивы земель. При создании водохранилищ из озер в результате их подпора изменения водных ресурсов обычно незначительны и их можно не учитывать.

Изменение суммарного испарения является постоянно дейст­вующим фактором на годовой сток, а сработка вековых запасов подземных вод происходит в период проведения мелиоративных работ и в течение 3-5 лет после их завершения.

Уменьшение годового стока в лесостепной и степной зонах на водосборах, сложенных легкими почвами, составляет 4-6 %, на остальных до 10-20 %, однако посадка лесополос снижает эту величину до 6-10 % [1].

Рельеф речных бассейнов определяется сочетание форм земной поверхности, высотным их расположением, степенью расчлененности и изрезанности, крутизной и экспозицией склонов, уклонами водотоков.

Прямое влияние рельефа на средний многолетний сток имеет место только в малых бассейнах, которые питаются поверхностными водами, а в их многолетнем стоке подземные воды не принимают участия или составляют ничтожную долю [2].

Таким образом, были построены графики изме­нения нормы годового стока от средней высоты водосборов (рис.3.1), от широты центров тяжести водосборов (рис.3.2), от залесенности (рис.3.3) и заболоченности водосборов (рис.3.4). После анализа графиков можно сказать, что величина стока зависит как от высоты, так и от широты центров тяжести водосборов, что дает основания для построения карты нормы стока.

Рис. 3.1. Изменение среднего многолетнего модуля стока от средней высоты водосборов для рек левобережных притоков р. Припять

 

Что же касается графиков зависимости нормы стока от залесенности и заболоченности (рис.3.3 и 3.4), то видно, что в первом случае характеристика не влияет на годовой сток, а вот от заболоченности связь присутствует.

Рис. 3.2. Изменение среднего многолетнего модуля стока от широты центров тяжести водосборов для рек левобережных притоков р. Припять

Рис. 3.3. Изменение среднего многолетнего модуля стока от залесенности водосборов для рек левобережных притоков р. Припять

Рис. 3.4. Изменение среднего многолетнего модуля стока от заболоченности водосборов для рек левобережных притоков р. Припять