2.Расчленение гидрографа. Классификация рек по водному режиму.

Расчленение гидрографа по видам питания.

Количественная оценка доли различных видов питания в фор­мировании стока обычно осуществляется с помощью графического расчленения гидрографа по видам питания. В этом случае доля того или иного вида питания (например, снегового, дождевого, подзем­ного на рис. 6.8) определяется пропорционально соответствующим площадям на гидрографе.

Наибольшие трудности возникают при выделении подземного питания в период половодья или крупных паводков. В зависимости от характера взаимодействия поверхностных и подземных вод (см. разд. 5.6, рис. 5.8) Б. В. Поляковым, Б. И. Куделиным, К. В. Воскресенским, М. И. Львовичем, О. В. Поповым и другими исследователями предложен ряд схем расчленения гидрографа. Наи­более общие закономерности следующие. При отсутствии гидрав­лической связи речных и грунтовых вод (см. рис. 5.8, г), что обыч­но характерно для горных рек, подземное питание в период поло­водья или паводка в общих чертах повторяет ход гидрографа, но в более

Рис. 7.2. Схема расчленения гидрографа реки по видам питания:

Питание: I-снеговое, II-дождевое, III-подземное; А, Б и В- нача­ло, конец и пик половодья; 7-5 -линии, разделяющие снеговое и под­земное питание в период половодья при различном характере взаимодей­ствия речных и фунтовых вод (пояснение см. в тексте); 6- ледостав; 7-ледоход

сглаженном виде и с некоторым запаздыванием макси­мума подземного питания по сравнению с максимумом расхода воды (рис. 7.2). При наличии постоянной или временной гид­равлической связи речных и грунтовых вод на подъеме половодья в результате подпора рекой грунтовых вод подземное питание уменьшается и достигает минимума при наи­высшем уровне воды в реке (рис7.2, 3). При длительном стоянии высоких уровней, что более свойственно крупным рекам, проис­ходит фильтрация речных вод в грунт («отрицательное подземное питание», рис. 7.2, 5), а на спаде половодья или в начале межени эти воды возвращаются в реку (береговое регулирование речного стока).

На практике при недостатке сведений о взаимосвязи речных и грунтовых вод часто для равнинных рек условно принимают величину подземного питания в момент пика половодья, равной нулю (рис. 7.2,4). Однако во многих случаях, особенно на малых и средних реках, границу подземного питания на гидрографе проводят просто по прямой линии, соединяющей точки начала и конца половодья (рис. 7.2,2).

Возникают сложности также при разделении дождевого и снегового, ледникового и подземного питания, особенно в весенний и осенний периоды, разделе­нии снегового, ледникового и дождевого питания на горных реках (см. рис. 4.6, а) и т. д. В этих случаях для более надежного расчле­нения гидрографа по видам питания необходимо привлекать дан­ные о дождевых осадках и температуре воздуха.

Классификация рек по водному режиму

Вопросами классификации рек по водному режиму занимались многие исследователи. Рассмотренные в разд. 6.4.5 классификации рек по видам питания А. И. Воейкова и М. И. Львовича являются, по существу, также классификациями рек и по водному режиму. П. С. Кузин предложил свою классификацию рек с учетом харак­тера их питания и водного режима. Все реки им подразделены на три типа: с половодьем (снеговое питание), с половодьем и павод­ками (снеговое и дождевое питание), с паводками (дождевое пита­ние). Заметим, что, по П. С. Кузину, половодье может быть лишь снегового происхождения. Внутри упомянутых трех типов выделе­ны еще 14 подтипов.

Широко распространена довольно простая классификация рек по водному режиму Б. Д. Зайкова. В этой классификации все реки бывшего СССР (исключая искусственно или естественно сильно зарегулированные) разделены на три большие группы: с весенним половодьем, с половодьем в теплую часть года и с паводочным режимом. У рек первой и второй групп ежегодно наблюдаются повышенные расходы воды, приуроченные, соответственно, к весне или к теплой части года. В остальную часть года наблюдаются межень и отдельные паводки. У рек третьей группы отмечаются паводки, носящие систематический характер.

Реки с весенним половодьем, обусловленным таянием снежного покрова, наиболее распространены на территории бывшего СССР. Реки этой группы подразделены Зайковым на пять типов. У рек казахстанского типа (рис. 7.3, а) наблюдается исключи­тельно резкая и высокая волна половодья, а в остальную часть года сток бывает очень мал, вплоть до полного пересыхания рек. Реки восточноевропейского типа (рис. 7.3, б) характеризуют­ся высоким весенним половодьем, низкой летней и зимней меже­нью, несколько повышенным стоком осенью. Реки западносибирского типа (рис. 7.3, в) имеют невысокое растянутое ве­сеннее половодье и повышенный летне-осенний сток. У рек во­сточносибирского типа (рис7.3, г) наблюдаются высокое половодье, летне-осенние паводки и низкая зимняя межень. Для рек алтайского типа (рис. 6.9, д) характерны невысокое растянутое весеннее половодье, повышенный летний сток и низкая зимняя межень.

Реки с половодьем в теплую часть года встречаются на Дальнем Востоке и в высокогорных областях Средней Азии и Кавказа. Реки этой группы подразделяются на два типа. Для рек дальнево­сточного типа (рис.7.4, а) характерны невысокое, растяну­тое, имеющее гребенчатый вид летнее дождевое половодье и низ­кий сток в холодную часть года. Реки тянь-шанского типа (рис. 7.4,б) также имеют летнее половодье (только в этом случае оно обусловлено таянием ледников и высокогорных снегов); зим­ний сток выше, чем у рек предыдущего типа.

Реки с паводочным режимом протекают в горных и предгорных районах Крыма, Кавказа, Карпат. Питание у рек этой группы в основном дождевое. Среди этих рек выделяют три типа. Реки причерноморского типа (рис. 7.5, а) имеют дождевые паводки в течение всего года. У рек крымского типа (рис. 7.5,б) отмечаются зимние паводки и длительные летний (июнь — август) или летне-осенний (май - октябрь) периоды с очень низким стоком (вплоть до полного пересыхания). Для рек севе­рокавказского типа (рис. 7.5,в) характерны паводки в теп­лую и низкая межень в холодную части года.

Рис. 7.3. Гидрографы рек с весенним половодьем:

Типы: а - казахстанский (р. Нура, пос. Самаркандский, 1933 г.); б - восточноевропейский (р. Вят­ка, г. Киров, 1936 г.); в - западносибирский (р. Васюган, пос. Васюган, 1939 г.); г - восточноси­бирский (р. Нижняя Тунгуска, с. Тура, 1940 г.); д -алтайский (р. Томь, г. Кузнецк, 1941 г. ). Здесь и на рис. 6.10 и 6.11 изменения расходов воды в течение года даны относительно его среднего годового значения (I-XII - месяцы)

Рис. 6.10. Гидрографы рек с половодьем в теплую часть года:

Типы: а - дальневосточный (р. Витим, г. Бодайбо, 1937 г.); б- тянь-шанский (р. Терек, с. Казбеги, 1937 г.) (I-XII - месяцы)

Рис. 6.11. Гидрографы рек с паводочным режимом:

Типы: а - причерноморский (р. Сочи, с. Пластунка, 1936 г.); б- крымский (р. Салгир, г. Симфе­рополь, 1936 г.); в - северокавказский (р. Камбилеевка, с. Ольгинское, 1939 г.) (I-XII - месяцы)

3. Сток воды. Количественные характеристики стока. Физико-геогра-фические факторы стока воды. Распределение стока воды по территории СНГ.

Составляющие речного стока.

Сток в широком смысле - это главный элемент материкового звена глобального круговорота вещества и энергии. Сток включает поверхностную и подземную части. Поверхностный сток, в свою очередь, состоит из речного стока и стока льда покровных лед­ников.

Речной сток включает сток воды, сток наносов, сток растворен­ных веществ и сток теплоты.

Сток воды (водный сток) - это одновременно и процесс стекания воды в речных системах и характеристика количеств стекающей воды. Сток воды - один из важнейших физико-геогрл фических и геологических факторов; изучение стока воды - глав­ная задача гидрологии суши. Называть сток воды «жидким стоком» не рекомендуется.

Сток наносов - это процесс перемещения наносов в реч­ных системах и характеристика количества перемещающихся в реках наносов. Сток наносов состоит из стока взвешенных наносов (на­носов, переносимых в толще речного потока во взвешенном состо­янии) и стока влекомых наносов (наносов, переносимых потоком по речному дну во влекомом состоянии). Сток наносов называть «твердым стоком» не рекомендуется.

Сток растворенных веществ - это процесс переноса в речных системах растворенных в воде веществ и характеристика их количества. Растворенные в речных водах вещества — это ионы солей, биогенные и органические вещества, газы и др. Иногда сток растворенных веществ называют ионным стоком или стоком солей (при этом имеется в виду лишь сток растворенных минеральных веществ).

Сток теплоты (тепловой сток) - это процесс переноса вместе с речными водами теплоты и его количественная характе­ристика.

Очевидно, что из перечисленных четырех составляющих речно­го стока главнейшая - сток воды, без которого невозможны и другие виды стока. Сток воды - процесс, определяющий все другие виды перемещения вещества и энергии в речных системах, их движущая сила. Сток же наносов, растворенных веществ и теплоты зависит как от стока воды (носителя других компонентов речного стока) и его количественных характеристик, так и от содержания наносов, растворенных веществ и теплоты в единице стока воды.

Факторы и количественные характеристики стока воды

Основные природные и антропогенные факторах, опреде­ляющие сток воды, рассмотрены выше при изучении питания рек. Это прежде всего, факторы кли­матические, факторы подстилающей поверхности и хозяй­ственная деятельность человека. Количе­ственные характеристики физико-географических и геологических условий речных бассейнов, влияющих на сток, были рассмотрены при изучении характеристик рек.

Рассмотрим теперь основные количественные ха­рактеристики самого стока воды, применяемые в гидрологии: рас­ход воды, объем стока, слой стока, модуль стока, коэффициент стока.

Главнейшая характеристика стока воды реки - это расход воды, т. е. объем воды, протекающей через поперечное сечение потока в единицу времени (Q, м³/с). Измерениями определяют лишь сред­ний расход воды в данном гидрометрическом створе за время из­мерения (на больших реках это может быть интервал времени, измеряемый часами). Процесс измерения расходов воды на реках довольно трудоемок, и поэтому число измерений в течение года обычно ограничено. Для расчета средних суточных величин расхода воды в практической гидрологии обычно используют графики свя­зи уровней, измерение которых трудностей не представляет, и эпи­зодически измеренных расходов воды (разд. 6.9). По таким графи­кам (их называют «кривыми расходов» или графиками Q=f(H)) расходы воды могут быть определены по данным об уровнях для любого дня вне зависимости от того, измерялся в этот день сам расход воды или нет. По полученным таким образом средним су­точным расходам воды можно построить гидрограф, как, например, на рис7.3-7.5.

К числу характерных расходов воды относят расходы различ­ных фаз водного и ледового режима реки, например максималь­ные (пиковые) расходы воды половодья и паводков, минимальные расходы воды межени, расходы воды в начале весеннего ледохода и т.д.

Расходы воды реки подвержены непрерывным изменениям. В гидрологии рек существуют два основных подхода при анализе их изменений. При первом - генетическом - анализируют при­чины изменения стока, выявляют связь колебаний стока с опреде­ляющими, в основном климатическими факторами. При втором - вероятностном - оценивают вероятность наступления на дан­ной реке тех или иных расходов воды: чем больше отличается расход воды реки в данный момент в большую или меньшую сто­рону от некоторой средней величины («нормы»), тем меньше веро­ятность такого явления. В гидрологии разработана целая система специальных методов статистической и вероятностной оценки ко­лебаний речного стока при наличии, недостатке и отсутствии дан­ных наблюдений. Такие расчеты оказываются необходимыми при проектировании и строительстве различных гидротехнических со­оружений на реках.

В гидрологии широко используют понятие среднего расхода воды за какой-либо интервал времени t (декаду, месяц, сезон, год, ряд лет). Такие расходы воды рассчитывают по формулам вида

, (7.1)

где Qi- средние суточные расходы воды;

n - число суток в рас­сматриваемом интервале времени.

Так, например, средний годовой расход воды в обычный (невисокосный) год определяют путем суммирования всех средних суточных расходов воды за год и деле­ния суммы на 365.

Точно так же средний многолетний расход воды (его часто называют «нормой стока» и обозначают через Q₀) определяют по формуле

, (7.2)

где Q_i - средние годовые расходы воды; N- число лет.

Объем стока воды - это объем воды, прошедшей через данное поперечное сечение речного потока за какой-либо интервал времени. Расход воды поэтому можно считать объемом стока воды за 1 с. Объем стока воды рассчитывают по формуле

W = Qt, (7.3)

где W- объем стока, м³; Q - средний расход воды за интервал времени t (Q в м³/с, t в с). Для больших рек W часто удобнее выразить в км³ (особенно если речь идет о годовых величинах). В этих условиях применяют формулу

W = Qt 10^-9. (7.4)

В тех случаях, когда интервал времени t - год (в году 31,5  10⁶ с), вместо формул (6.20) и (6.21) записывают

W =Q 31,510⁶ ; (7.5)

W = Q 31,510^-3, (7.6)

где в первом случае W в м³, во втором - в км³.

Заметим, что принятое количество секунд в году (31,510⁶) вполне достаточная с точки зрения точности величина для многих гидро­логических вычислений. Но в тех случаях, когда требуется большая точность, надо учитывать, что в обычном году 31,5410⁶ с, в висо­косном - 31,62  10⁶ с, в «среднем» - 31,56  10⁶ с. Точно так же по­лезно помнить, что в январе, марте, мае, июле, августе, октябре, декабре 2,6810⁶ с, в апреле, июне, сентябре, ноябре 2,5910⁶ с, в феврале в обычный год 2,4210⁶ с, в високосный - 2,51  10⁶ с, а в сутках 8,64  10⁴ с.

Слой стока - это количество воды, стекающее с водосбора за какой-либо интервал времени, равное толщине слоя, равномерно распределенного по площади водосбора и выраженного в милли­метрах:

. (7.7)

Здесь у в мм, F в км².

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

, (7.8)

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

Сравнивая формулы (7.4), (7.7) и (7.8), легко получить со­отношение между модулем и слоем стока:

у = Мt10^-6, (7.9)

где у и М- слой и модуль стока за любой интервал времени t. Если t - год, то получим

у = М 31,5. (7.10)

Коэффициент стока - отношение величины (объема или слоя) стока к количеству выпавших на площадь водосбора атмосферных осадков, обусловивших возникновение этого стока:

 = у/х= Y/X. (7.11)

Здесь у и х в мм, У и X в м³ или км³. Коэффициент стока обычно рассчитывают для средних многолетних величин слоя стока и слоя осадков, либо для гидрологического года. Иногда рассчиты­вают коэффициент стока и за половодье; в этом случае слой стока за половодье делят на слой воды, складывающийся из атмосферных осадков на период половодья и запасов воды в снежном покрове, накопившемся за предшествующую зиму. Напомним, что коэффи­циент стока - величина безразмерная, изменяющаяся от 0 до 1.

Приведем пример расчета характеристик стока воды. Средний многолетний годовой расход воды Волги у с. Верхнее Лебяжье (вершина дельты) за весь ряд наблюдений 1881-2002 гг. составил 7780 м³/с. Площадь бассейна Волги 1 360 000 км², осадки на поверх­ность бассейна в среднем равны 660 мм в год. По формуле (7.6) рассчитываем средний многолетний объем стока воды: он равен 245 км³ в год. Средние многолетние годовые величины слоя стока и модуля стока определим по формулам (7.7) и (7.8): они соста­вят соответственно 180 мм и 5,7 л/(с-км²). Коэффициент стока, рассчитанный по формуле (7.11), равен 0,27.

Пространственное распределение стока воды на территории СНГ

Поскольку сток воды - результат сложного влияния физико-географических (прежде всего климатических) и геологических усло­вий, а эти условия изменяются в пространстве, то и величина стока воды распределена по территории Земли неравномерно. Получить объективное представление о пространственном распределении стока можно двумя путями: 1) анализируя изменение расхода воды или объема стока вдоль реки; 2) рассматривая распределение по терри­тории характеристик стока, не зависящих от площади бассейна и поэтому допускающих их картографирование, т. е. слоя, модуля и коэффициента стока. В качестве примера первого подхода к ана­лизу пространственного распределения стока можно привести бас­сейн Волги, а второго подхода - распределение среднего многолет­него слоя стока (в мм) по территории СНГ.

Характерными особенностями изменения стока воды вдоль те­чения Волги является скачкообразное увеличение стока после впа­дения таких крупных притоков, как Молога, Кострома, Унжа, Ока, Сура, Ветлуга и особенно Кама.

Наиболее характерные особенности распределения среднего многолетнего годового слоя стока по территории СНГ следующие: 1) широтная зональность, особенно хорошо выраженная в равнин­ных областях СНГ и проявляющаяся в закономерном уменьшении слоя стока с севера на юг, например, от 300-400 мм на севере Европейской территории России до 5-20 мм в Прикаспии и Сред­ней Азии (исключение составляют лишь районы Крайнего Севера, где вместе с уменьшением осадков отмечается и некоторое умень­шение стока); 2) уменьшение величины стока с удалением от ис­точников влаги - от Атлантического океана, а на Дальнем Востоке от Тихого океана, проявляющееся, в частности, в уменьшении стока с запада на восток на большей части территории (от 200-300 до 50-100 мм) и в увеличении стока в приморских районах Дальнего Востока (до 400-600 мм, а на Камчатке и до 1800 мм); 3) увели­чение стока в горных и предгорных районах, например, до 1000 мм на Карпатах, 1200 мм на Урале, 3000 мм на Кавказе, 1000-1500 мм на Памире и Тянь-Шане, 800 мм на Алтае и т.д., а также и на небольших возвышенностях.