Источники питания рек, условия формирования стока половодья

В зависимости от того, какой источник доминирует в питании, различают реки со снеговым, дождевым, питанием за счет таяния ледников в горах и смешанным питанием. Большая часть годового стока рек Свердловской области формируется весной за счет таяния снега, который накопился на водосборе за зимний период. В южных районах области доля талых вод в суммарном стоке рек достигает 85 – 90 %, в пределах возвышенных частей горного Урала составляет 60 – 65 % – здесь наряду с твердыми осадками большую роль в питании рек играют дожди.

Максимальные расходы паводков на равнинных реках значительно меньше максимальных расходов весеннего половодья, исключая очень маленькие водотоки. В горных районах дождевые максимумы могут превышать снеговые даже на средних реках. Значительные паводки формируются при выпадении сильных ливней, а также при затяжных дождях. Например, после сильных дождей 15 – 18 мая 1964 года и предшествующих им малых осадках на реках Межевой Утке и ее притоках Висиме и Шайтанке в бассейне Чусовой и на р. Баранче наблюдался высокий паводок, приведший к разрушению мостов и других сооружений.

В период весеннего половодья на большей части области роль дождевых осадков незначительна. Однако для водотоков, берущих свое начало с гор (реки Каква, Ляля, Вагран, Лозьва), эта доля может составлять 7 – 10 %. В отдельные годы она достигает 20 – 25 % (р. Сосьва в 1958 и 1965 гг., р. Лозьва в 1955 г., р. Каква в 1993 г.). Выпадение дождевых осадков в период таяния снега в горах иногда приводит к формированию максимальных расходов половодья, превышающих расчетные расходы для уже построенных гидротехнических сооружений (р. Каква, 1993 г.). Это говорит о необходимости повышать надежность долгосрочного и оперативных прогнозов максимальных расходов половодья.

Как известно, величина слоя стока весеннего половодья равна разности между запасами воды в снеге перед снеготаянием и их количеством, затраченным на испарение, пополнение запасов почвенных и грунтовых вод,

Н = Р – (И + W_поч + W_гр),

где Н – слой стока весеннего половодья; Р – запасы воды в снеге перед снеготаянием; И – испарение с поверхности снега; W_поч и W_гр – влага, пошедшая на пополнение влагозапасов почвы и запасов грунтовых вод соответственно.

Согласно приведенной формуле, чем больше запасы воды в снеге перед снеготаянием, тем больший слой стока половодья будет наблюдаться на реке. Однако не всегда данная закономерность соблюдается. Значительную роль играют такие факторы половодья, как возможность почвы впитывать воду при снеготаянии, а также сумма положительных температур периода снеготаяния. При быстром нарастании суммы положительных температур, отсутствии ночных заморозков и возврата холодов потери воды на вымораживание снижаются, водоотдача из снега увеличивается, следовательно, снеготаяние протекает в более короткие сроки. Это приводит к формированию максимальных расходов редкой повторяемости. Учет особенностей снеготаяния конкретного года позволяет корректировать долгосрочные прогнозы слоя стока, а значит, график и объем сработки водохранилищ, необходимый для принятия волны половодья.

Свердловская область относится к территориям с длительно сезонно-мерзлыми почвами, для которых характерно глубокое (до 2 м в северных и восточных районах) промерзание почв, отсутствие зимних оттепелей, а следовательно, формирование стока половодья в основном по мерзлой почве, которая обладает пониженной способностью к фильтрации талых вод. В некоторые годы, когда почвы с осени недостаточно насыщены влагой, а грунтовые воды расположены глубоко, почва может впитать значительное количество талых вод и слой стока будет существенно меньше, чем это прогнозируется исходя из запасов воды в снеге перед снеготаянием. Особенно хорошими фильтрационными свойствами в мерзлом состоянии обладают почвы территорий, занятых лесом.

В связи с этим важным показателем формирования потерь талых вод является аккумулирующая емкость почвенного профиля, т. е. способность почвы впитать определенный объем талых или дождевых вод, зависящая от типа почвы и ее влажности. Максимальная аккумулирующая емкость определяется почвенной константой, которую называют полной влагоемкостью (ПВ). Полная влагоемкость (выражается в мм) характеризует максимальное количество влаги, которое может впитать почва при полном заполнении пор водой. Каждый тип почвы имеет определенное значение полной влагоемкости. Наибольшие ее величины свойственны почвам с хорошей структурой и большой мощностью гумусового горизонта. Для Свердловской области это черноземные и темно-серые лесные (мощность гумусового горизонта до 30 – 40 см). Наименьшей аккумулирующей емкостью обладают дерново-подзолистые почвы, мощность гумусового горизонта которых составляет 15 – 20 см.

Анализ значений полной влагоемкости почв на различных агрометеостанциях Свердловской области показал, что для метрового слоя дерново-подзолистых почв ПВ составляет 316 мм (среднее из 15 почвенных разрезов), серых лесных – 330 мм (среднее из 25 почвенных разрезов). Максимальные запасы воды в снежном покрове перед снеготаянием (10 %-й обеспеченности) в зависимости от природной зоны колеблются по территории области от 300 (Предуралье) до 120 мм (Зауралье). То есть можно сказать, что теоретически при хороших фильтрационных свойствах почв и большом бассейновом дефиците влаги весь весенний запас воды в снеге даже самых редких обеспеченностей будет аккумулирован в метровом слое почв. Однако в ряде районов влажность почвы перед снеготаянием иногда может достигать наименьшей влагоемкости (НВ). Данная почвенная константа равна примерно 0,8 ПВ. Влажность почвы перед снеготаянием определяется количеством осадков, выпавшим в предзимний период (за три- четыре месяца до начала промерзания почв).

Анализ предзимней увлажненности почв по конкретным агрометеостанциям показал, что она подчинена общим закономерностям выпадения осадков на территории Свердловской области. Уральские горы вызывают азональность выпадения осадков: в Предуралье в течение всего года их выпадает больше, чем в Зауралье. Разница составляет 100 – 200 мм. Особенно заметна разница в увлажнении западных и восточных склонов Уральских гор в холодный период.

Для Предуралья (табл. 1, ст. Михайловск) в течение всего года, в том числе и перед зимним промерзанием, характерна высокая влажность почв, а следовательно, незначительные дефициты бассейновых запасов почвенной влаги. Дефицит влаги в почве по рассматриваемой агрометеостанции колеблется от 182 (обеспеченность 10 %) до 43 мм (обеспеченность 95 %). При относительно больших запасах воды в снеге, которые изменяются от 96 (95 %-я обеспеченность) до 315 мм (10 %-я обеспеченность), лишь часть из них расходуется на пополнение бассейнового дефицита влажности, а остальное идет на испарение и формирование поверхностного стока. То есть в районах со значительной предзимней увлажненностью почв даже при хороших фильтрационных свойствах величина слоя стока весеннего половодья будет находиться в тесной зависимости от запасов воды в снеге.

Таблица 1

Характеристика предзимней увлажненности и запасы воды в снеге перед снеготаянием по агрометеостанциям Свердловской области

Станция или пост	Обеспеченность, %	Влагозапасы в почве перед промерзанием		Дефицит влажности, мм	Запасы воды в снеге перед снеготаянием, мм
		доли ПВ	мм
Верхотурье	10	0,74	215	198	277
	50	0,56	163	128	101
	95	0,32	93	76	51
Гари	10	0,69	207	213	229
	50	0,50	150	150	110
	95	0,29	87	93	55
Туринск	10	0,88	194	143	208
	50	0,63	139	81	122
	95	0,35	77	26	42
Артемовский	10	0,60	166	207	130
	50	0,44	121	155	90
	95	0,25	69	110	43
Красноиолянское	10	0,69	191	190	132
	50	0,52	144	133	81
	95	0,32	87	86	60
Алапаевск	10	0,44	143	248	208
	50	0,34	110	216	122
	95	0,24	78	183	42
Тугулым	10	0,59	160	199	122
	50	0,43	117	155	82
	95	0,27	73	112	35
Камышлов	10	0,58	169	210	122
	50	0,42	122	170	82
	95	0,28	82	123	35
Михайловск	10	0,86	274	182	315
	50	0,66	210	109	175
	95	0,45	137	45	96

С продвижением на юго-восток области (Камышловский, Тугулымский и Талицкий районы) годовое количество осадков уменьшается, снижаются максимальные запасы воды в снеге, растет бассейновый дефицит влажности перед снеготаянием (см. табл. 1). По агрометеостанции Камышлов при дефиците влажности 95 %-й обеспеченности, равном 123 мм, запас воды в снеге перед снеготаянием 10 %-й обеспеченности составляет 120 мм. То есть даже при значительной предзимней увлажненности почв весь запас воды в снеге редкой повторяемости при определенных условиях может быть аккумулирован. В данном случае на первый план выступают такие факторы формирования стока половодья, как фильтрационные свойства почв и характер снеготаяния, определяемый интенсивностью нарастания положительных температур.

Для остальных станций и постов соотношение между запасами воды в снеге перед снеготаянием и предзимней увлажненностью почв водосборов занимает промежуточное положение. В зависимости от условий года главенствующую роль в формировании слоя стока половодья могут играть либо запасы воды в снеге перед снеготаянием (при предзимней увлажненности почв редкой повторяемости), либо интенсивность снеготаяния.

По соотношению бассейновых дефицитов влажности и запасов воды в снеге перед снеготаянием можно выделить три типа почвенно-гидрологических условий, присущих определенным природным зонам Свердловской области. В соответствии с ними в пределах области выделяются три крупных района, которые будут отличаться ведущими факторами формирования стока половодья. Первый из них занимает юго-восток области и включает Камышловский, Тугулымский, Талицкий, Пышминский и Байкаловский районы. В данном почвенно-гидрологическом районе бассейновые дефициты влажности в год любой обеспеченности значительно выше, чем запасы воды в снеге перед снеготаянием. Основную роль в формировании максимальных расходов будут играть фильтрационные свойства почвы, которые зависят от глубины ее промерзания и предзимней влажности ее верхнего слоя, определяющих возможность образования запирающего непроницаемого слоя (слоя почвы, насыщенного замерзшей влагой).

Второй почвенно-гидрологический район охватывает территорию Предуралья в пределах Шалинского, Ачитского, Артинского, Нижнесергинского административных районов. Для данной территории запасы воды в снеге перед снеготаянием всех обеспеченностей значительно выше, чем бассейновый дефицит влажности. Основным фактором формирования стока половодья здесь будут запасы воды в снеге, поскольку лишь незначительная их часть пойдет на пополнение почвенного дефицита влажности, а больший объем талых вод будет формировать сток половодья. Этому способствует и полугорный характер рек, а следовательно, значительные скорости талых вод на склонах и небольшое время склонового добегания. Для данной части области надежность прогноза стока половодья определяется точностью снегосъемки.

Довольно большую часть области занимает почвенно-гидрологический район, являющийся переходным между двумя перечисленными выше. Здесь бассейновый дефицит влажности в зависимости от увлажненности конкретного года может превосходить запасы воды в снеге, а может быть и меньше; в данном случае при прогнозах стока половодья важно учитывать запасы воды в снеге, предзимнюю увлажненность почв и глубину промерзания.

Анализ соотношения значений бассейновых дефицитов влажности и запасов воды в снежном покрове перед снеготаянием различных обеспеченностей позволяет определить, к какому типу формирования стока половодья относится та или иная территория, и выделить в каждом из почвенно-гидрологических районов ведущие факторы формирования стока, а значит, более точно прогнозировать половодье.

В отдельные годы для второго и третьего почвенно-гидрологических районов возможна отрицательная связь слоя стока половодья некоторых малых и средних рек с запасами воды в снеге. Это происходит тогда, когда, несмотря на большие запасы воды в снеге перед снеготаянием, возникает значительный бассейновый дефицит влажности. Причем чем больше высота снежного покрова, а с нею и запас воды в снеге, тем выше температура почвенного профиля и тем меньше вероятность образования запирающего слоя. Следовательно, на лесных водосборах в годы со значительными запасами воды в снеге перед снеготаянием можно ожидать больших потерь, чем в годы с меньшими запасами.

Поскольку наблюдения за влажностью почвы ведутся на небольшом количестве агрометеостанций, для территории Свердловской области предзимнюю увлажненность косвенно можно определить как разницу между суммой осадков, выпавших за июль – октябрь, и испарением за тот же период.