5. Питание и водный режим рек

1. Количественные характеристики стока воды

Сток воды (водный сток) – один из важнейших физико-геогра­фических и геологических факторов, без которого невозможны сток наносов, растворенных веществ и тепловой сток.

Сток наносов – это процесс перемещения наносов в водных системах. Сток наносов состоит из стока взвешенных наносов, переносимых в толще речного потока, и стока влекомых (донных) наносов, переносимых потоком по речному дну.

Сток растворенных веществ – это процесс переноса в речных системах растворенных в воде веществ (ионы солей, биогенные и органические вещества, газы и др.).

Тепловой сток – это процесс переноса вместе с речными водами теплоты.

Очевидно, сток воды определяет все другие виды перемещения вещества и энергии. Он является носителем механической и тепловой энергии, транспортирует вещества, тем самым играет важную роль в формировании облика поверхности Земли.

Основные количественные ха­рактеристики стока воды, применяемые в гидрологии – это рас­ход воды, объем стока, слой стока, модуль стока, коэффициент стока.

Исходная характеристика стока воды, которая положена в основу расчета всех остальных – это расход воды, т. е. объем воды, протекающей через поперечное сечение потока в единицу времени (Q, м³/с). Процесс измерения расходов воды на реках требует значительных затрат труда и времени, особенно зимой при наличии ледяного покрова. Поэтому число измерений расхода в течение года ограничено. Для расчета ежедневных средних суточных величин расхода воды используют графики свя­зи эпи­зодически измеренных расходов с уровнями воды (так называемые «кривые расходов» Q=f(H)). По таким графи­кам расходы воды могут быть определены по данным об уровнях воды, которые измеряются ежедневно.

Вслед за изменениями погоды, расходы воды в заданном поперечном сечении реки подвержены непрерывным колебаниям во времени. Расходы воды для различ­ных фаз водного и ледового режима реки, например максималь­ные расходы воды половодья и паводков, минимальные расходы воды межени, расходы воды в начале весеннего ледохода и т.д., называются характерными.

В инженерной гидрологии широко используется понятие среднего расхода воды за какой-либо интервал времени t (декаду, месяц, сезон, год, ряд лет)

(3.20)

где Q_i – средние суточные расходы воды; п – число суток в рас­сматриваемом интервале времени. Так, например, средний годовой расход воды в определяют путем суммирования всех средних суточных расходов воды за год и деле­ния суммы на число дней в году (365 дней в невисокосный год).

Средний многолетний расход воды , определяемый соотношением средних многолетних годовых осадков и испарения на водосборе, рассчитывается по формуле

= , (3.21)

где – средний годовой расход воды за i-ый год, N – число лет наблюдений. Если вычисляется за многолетний период N такой продолжительности, при увеличении которой его значение существенно не меняется, то устойчивое значение часто называют «нормой стока».

Объем стока воды (W, м³) – это объем воды, прошедшей через данное поперечное сечение потока за какой-либо интервал времени. Объем стока воды рассчитывают по формуле

W = Q t, (3.22)

где Q – средний расход воды за интервал времени t (Q в м³/с, t в с). Заметим, что если объем стока рассчитывается за годовой период, то для обычного года t=31,54·10⁶ с, висо­косного – 31,62·10⁶ с, «среднего» – 31,56·10⁶ с. Для месячного интервала t=n·864010 с, где n– количество суток в рассматриваемом месяце, а 86400 – число секунд за одни сутки.

Для больших рек W часто удобнее выразить в км³. Тогда

. (3.23)

167

Рисунок 3.16. Схематическая карта нормы модуля годового стока рек СНГ

Слой стока (у, мм) – это слой воды в миллиметрах, который получается, если объем стока равномерно распределить по площади водосбора:

, (3.24)

Здесь площадь водосбора F выражена в км², объем стока в м³.

Модуль стока воды (М, л/с·км²) – это количество воды, стекающее с едини­цы площади водосбора в единицу времени. Модуль стока воды обозначают через М, л/(с-км²), и рассчитывают по формуле

(3.25)

где Q – расход воды (как мгновенный, например макси­мальный, так и средний за интервал времени t).

На основе двух последних формул легко получить со­отношение между модулем и слоем стока:

, (3.26)

где у – слой за любой интервал времени t (секунд), М – модуль стока, средний за интервал t.

Коэффициент стока – отношение величины слоя стока за рассматриваемый период к количеству выпавших на площадь водосбора атмосферных осадков, обусловивших возникновение этого стока:

a = y/x. (3.27)

Коэффи­циент стока величина безразмерная, изменяется от 0 до 1.

Получить объективное представление о пространственном распределении стока можно, рассматривая распределение по терри­тории слоя, модуля и коэффициента стока, – характеристик, не зависящих от площади бассейна и поэтому допускающих их картографирование. Наиболее характерные особенности распределения среднего многолетнего годового модуля (слоя) стока по территории СНГ (рис. 3.16) следующие:

• широтная зональность, хорошо выраженная на равнинах и проявляющаяся в закономерном уменьшении слоя стока с севера на юг (исключение составляют лишь районы лесотундры и тундры, где вместе с уменьшением осадков отмечается и некоторое умень­шение стока;

• уменьшение величины стока с удалением от океанов;

• увели­чение стока на обращенных к влагоносным ветрам горных склонах, например, до 32 л/с·км² на Карпатах, 38 л/с·км² на Урале, 95 л/с·км² на Кавказе, 32 – 48 л/с·км² на Памире и Тянь-Шане, 25 – 35 л/с·км² на Алтае, Кузнецком Алатау, Саянах, в горах Путорана и др., а также на небольших возвышенностях.