Атмосферные осадки

Общее количество осадков ежегодно составляет в пределах; океанов 412 тыс. м³, на поверхности суши — 100 тыс. м³ воды. Наи­большее количество атмосферных осадков выпадает в экваториаль­ной зоне и в прилегающих к ней областях в Южной Америке, Аф­рике, на о-вах Малайского архипелага, на п-овах Индостан, Малак-ка и Индокитай. Средняя годовая сумма осадков в этих районах 2000—4000 мм, в отдельных местах еще больше. В районе Черра-пунджи (Индия) сумма осадков в некоторые годы достигает 10—12 тыс. мм; в 1918 г. здесь выпало рекордное количество осад­ков — свыше 20 тыс. мм, что соответствует норме осадков во Фран­ции за сорок лет.

Минимумы осадков приурочены к тропической зоые, включаю­щей огромные области пустынь Африки, Внутренней Австралии, Аравии, а также к некоторым внутренним областям материков, окруженным высокими горными цепями. Средняя годовая величина осадков здесь падает до 100 мм и ниже. В средней части пустыни Такла-Макан (Северо-Западный Китай) годовая величина осадков не превышает 10 мм, в долине р. Нил (Тахрир) 27 мм, Ливийской пустыне (Дахла, Карга) 10—15 мм, пустыне Атакама 0—2 мм.

В течение года осадки распределяются неравномерно. Так, на­пример, в Черрапундже за один день— 14 июня 1876 г. — выпало 1036 мм осадков, в мае 1956 г. — более 1000 мм, а в июне 1958 г. — около 2100 мм. В то же время в декабре и январе здесь часто вовсе не бывает осадков. Очень неравномерно в году распределяются осадки и в жарких странах с сухим климатом. Так, в отдельных пунктах Северной Африки в июле — августе количество осадков, как правило, не превосходит 10—15 мм, а в ноябре — январе дости­гает 100—120 мм.

21

На территории СССР наибольшее количество осадков выпада­ет на южных склонах Главного Кавказского хребта, в районах Поти и Батуми, на Черноморском побережье Кавказа, где годовая сумма осадков достигает 2400 мм. В июне 1972 г. в Тбилиси во вре­мя катастрофического ливня в течение одного часа выпало 14 мм осадков. В средней полосе европейской части Советского Союза количество осадков составляет 500—600 мм в год, в северных обла­стях оно снижается до 400—500 мм, в пустынных районах Туркме­нии — меньше 100 мм в год. Весьма разнообразно количество осад­ков в азиатской части Советского Союза. В Центральной части Западной Сибири оно составляет 300—500 мм, Иркутской и Читин­ской областях — 200—400 мм, а в приморских районах Дальнего Востока превышает 600 мм. Вместе с тем на крайнем северо-восто­ке Сибири, в бассейнах рек Яны, Индигирки и Колымы, имеется область со среднегодовым количеством осадков 150—200 мм. Ми­нимум годовых осадков отмечается в центральных районах Якут­ской АССР — около 100—150 мм. Такое же количество осадков характерно для засушливых и пустынных областей Туркмении, Ка­захстана и для Астраханской области. В районе Мургабского оазиса (Каракумы) количество годовых осадков не превышает 120—180 мм, из которых значительная часть выпадает с января по май, и осенью — с октября по январь. В течение летнего периода количество осадков снижается до 0—5 мм.

Количество осадков увеличивается с высотой. Отмечено, что в горных районах на каждые 100 м приращения высоты величина осадков повышается на 10—12 мм в год, а в районе Туркмении — на 20 мм. Увеличение количества осадков наблюдается до высоты не более 5000 м.

Для определения количества атмосферных осадков пользуются -специальным прибором — дождемером. Дождемер представляет •собой металлическое ведро цилиндрического сечения, диаметром 250,3 мм и высотой 40 см (рис. 8, А). Внутри цилиндра на высоте 17 см от дна имеется второе воронкообразное дно с небольшими отверстиями внизу для стока жидких осадков. Второе дно предназ­начается для предохранения жидких осадков от испарения. Сбоку ведра имеется носик для слива воды в мерный стеклянный цилиндр (рис. 8, Б). На стенке цилиндра нанесены деления (от 0 до 100), причем каждому делению цилиндра соответствует слой воды в до­ждемере в 0,1 мм (объем 5 см³, масса 5 г). Дождемерное ведро устанавливают на деревянном столбе (рис. 8, В) с таким расчетом, чтобы верхний край ведра находился на расстоянии 2 м от поверх­ности Земли. На метеорологической станции должно быть два вед­ра для того, чтобы наполнившееся ведро можно было немедленно заменить другим. Для предохранения дождемерного ведра от вет­ра вокруг него устанавливают экран из листового железа в виде обращенного вершиной вниз конусовидного козырька с углом на­клона 60° (защита Нифера) или в виде отдельных лепестков, скреп­ленных между собой кольцами (защита Третьякова). Экран и ведро укрепляют на одном и том же столбе.

22

При изучении атмосферных осадков важно знать не только их количество, но также и характер. Осадки могут быть жидкие (дождь) или твердые (град, снег, крупа). Изучается также интен­сивность выпадения осадков. В пустынных районах СССР, Африки, Аравии характерны редкие осадки в виде ливней. В странах, нахо­дящихся у экватора, несмотря на большое количество осадков в году, они выпадают в течение 50—60 дней (тропические ливни). В этих районах 90% всех осадков выпадает с июня по октябрь. В долинах Конго и Замбии сезон дождей начинается с декабря и кончается в апреле. Во впадинах в этот период в среднем 10—11 дождливых дней в месяц. В Западной Африке (подножье горы Ка­мерун) количество осадков за 6—7 месяцев достигает 10 170 мм.

Рис. 8. Схема устройства дождемера (Л), мерный цилиндр (Б) и установка

дождемера (В)

В зависимости от температуры в атмосфере летом могут выпадать твердые осадки.

Для питания подземных вод наиболее благоприятны длитель­ные, не очень интенсивные дожди, выпадающие весной, осенью и во время оттепелей зимой. При замерзании почвы осадки не просачи­ваются в грунт, а стекают в реки и озера. Летом при высокой тем­пературе они в основном испаряются.

сток

Количество воды, стекающей по дневной поверхности в откры­тые водоемы и водотоки, зависит от рельефа местности, раститель­ности, состава горных пород и климатических условий. В районах с сильно расчлененным рельефом сток больше, чем в районах со спокойным рельефом. Лесная, кустарниковая и травянистая расти­тельность задерживает сток и увеличивает испарение. Испаряется большая часть осадков и в областях с сухим и жарким климатом.

23.

На участках, сложенных водонепроницаемыми породами (глины и т. д.), величина поверхностного стока больше, чем на участках развития водопроницаемых пород (пески, известняки закарстован-ные и т. п.). В районах развития карста преобладает подземный сток.

О величине стока в бассейне той или иной реки судят по рас­ходам воды в заранее выбранных сечениях реки. Сначала опреде­ляют сечение реки и скорость течения воды. Зная водное сечение реки в том или ином пункте, а также скорость течения, определя­ют расходы воды Q в реке по формуле

q=f.v, (H-2)

где F—-площадь водного сечения реки в м²; v — скорость течения воды в м/с.

Объем ежегодного стока со всей поверхности земли достигает 37 тыс. км³, в том числе в пределах СССР — около 4700 км³. Из этого количества на долю Атлантического склона (с Северным Ле­довитым океаном) приходится 21 700 км³, на долю Тихоокеанско-Индийского — 14 500 км³ и 800 км³ относятся к бессточным обла­стям. Ежегодно реки выносят в море около 16 млрд. т различного материала как в виде раствора, так и механических примесей, в том числе 320 млн. т кальция, 560 млн. т кремнезема. Годовой сток взвешенных наносов р. Евфрат составляет 86 900 млн. м³, р. Нила у Асуана — 62 млн. м³, из которых 24 млн. м³ остается в долине. Ве­личина взвешенного ила в нильской воде составляет 1,6 кг/м³ воды. Река Амазонка приносит ежегодно в океан около 6109 т взвешен­ных частиц. Твердый сток Амударьи и Сырдарьи составляет 91, реки Хуанхе — 66% от общего стока. Река Миссисипи за одни сут­ки выносит в океан до 2 млн. т взвешенных наносов и более 200 тыс. т влекомых по дну. Река Мургаб в 1 м³ воды содержит 1,5 кг ила, Амударья — 2,3 кг и Артек— 1,8 кг. Для многих рек •земного шара поверхностный сток изменяется в течение года. Так, на реках южных районов европейской части СССР 75—95% годо­вого стока проходит в 1—3 месяца. Из общего стока рек СССР на долю южных и центральных районов приходится 14% годового стока.

Воды поверхностного стока оказывают размывающее действие на почвы и грунты. Этот процесс носит название водной эрозии. В некоторых странах она приносит огромные убытки, уничтожая во многих случаях верхний культурный слой почвы. В северных и северо-западных районах Пакистана водной эрозией охвачена пло­щадь порядка 600 тыс. км². В бассейнах отдельных рек в резуль­тате водной эрозии сносится от 1000 до 4000 т грунта с 1 км² еже­годно. В Ливии, Бирме, Сирии, южных районах Испании и Фран­ции интенсивность водной эрозии достигает 400—800 т/км². Водная эрозия имеет место и в некоторых районах СССР.

Для характеристики стока используются коэффициент стока и модуль стока.

24

, Коэффициентом стока (а) называется отношение годового ко­личества осадков У, идущих на сток, к общему количеству осад­ков X, выпавших за год:

Эта величина выражается в долях единицы или процентах. Как видно из приведенного соотношения, коэффициент стока не может быть больше единицы или больше 100%.

Модуль стока (ц) представляет собой количество воды Q в литрах, стекающей с 1 км² поверхности водосбора в 1 с:

Модуль стока для различных бассейнов колеблется в широких пределах. Например, для р. Оки выше города Орла максимальный модуль стока равен 24,8, минимальный — 0,02 и среднегодовой — 3,6 л/с. У Рейна среднегодовой модуль стока равен 11,7 л/с при коэффициенте стока 44,2%, у Вислы соответственно — 5,7 л/с и 25,5%, для Дуная (до Вены) — 7,8 л/с и 32,5%. Общий объем сто­ка горных рек, впадающих в Средиземное море со стороны Север­ной Африки, составляет около 15 млн. м³. Для некоторых рек Алжи­ра, стекающих в это море, средний модуль стока колеблется от 0,35 до 2,43 л/с, а минимальный — от 0,29 до 0,76 л/с. Для рек бас­сейна Мраморного моря среднегодовая величина модуля стока со­ставляет 4,9 л/с, Эгейского моря — 4,25, Персидского залива — 5,47, Мертвого моря — 2,25 л/с.

^ Общий модуль стока включает модули поверхностного и под­земного стоков. В зимнее время, а также при длительном отсутст­вии осадков река получает питание в основном за счет подземных вод, которые выносят большое количество растворенных солей (хи­мическая суффозия). Величина модуля химического стока в. Балтий­ском и Черноморском бассейнах отличается мало и колеблется в среднем в пределах 38,0 т/км². Средний модуль химического стока по рекам Западной Европы составляет 36 т/км². При больших ско­ростях движения подземная вода выносит из массива горных пород взвешенные мельчайшие частички (механическая суффозия) , кото­рые увеличивают общий твердый сток в открытые водоемы. Во время весенних паводков и сильных ливней модуль подземного сто­ка составляет лишь небольшую часть общего модуля стока. Для речных бассейнов Европы подземный сток в реки в среднем равен 20—25%, Азии 18—22, Африки 22—25 и Латинской Америки до 25 — -30% от общего стока.

Среднегодовые модули подземного стока в северной части Бело­руссии достигают 3 л/с с км², в южной снижаются до 1 л/с (Лав­ров, 1967).

Модуль стока можно вычислить по количеству осадков', идущих на сток. Если, например, величину стока для р. Оки выше г. Орла

25

принять равной 114 мм, то среднегодовой модуль стока будет равен:

где 1000² — площадь 1 км² в м; 114/1000 — высота стока в м.

Рис. 9. Совпадающие бассейны поверхностного и подзем­ного стока

При оценке величины стока и разделении его на поверхностный и подземный необходимо знать размеры бассейнов поверхностного и подземного стоков. Площадь бассейна поверхностного стока реки можно определить по топографической карте; размеры площадей подземного стока зависят от геологического строения района и мо­гут быть иногда определены только по материалам геологических исследований.

Рис. 10. Несовпадающие бассейны подземного и поверх­ностного стока

Можно выделить следующие случаи соотношения рельефа по­верхности с характером залегания водоносных пород.

1. Бассейны поверхностного (АБ) и подземного (аб) стоков совпадают, река имеет поверхностный и подземный сток с двух сто­ рон (рис. 9).

2. Бассейн поверхностного стока (АБ) не совпадает с бассей­ ном подземного стока (аб) (рис. 10). Бассейн подземного стока правого склона больше поверхностного. Иногда подземный сток может быть направлен в бассейн другой реки (рис. 11 и 12).

Размеры бассейнов многих крупных рек исчисляются сотнями тысяч и миллионами квадратных километров. Например, площадь бассейна Оби составляет около 2,8 млн. км². Енисея — 2,7, Лены — 2,4, Нигера — 2,1, Амура—2,05, Волги — 1,5, Днепра — 0,5, Ама­зонки — 7,0, Конго и Заира—3,7, Миссисипи — 3,25, Ганга —1,8, Дуная —0,82, Сенегала — 0,39, Рейна —0,22, Евфрата—0,15, Вислы — 0,19, Эльбы — 0,15 млн. км² и т. д.

26

Рис. 11. Сток поверхностного (АБ) и подземного (аб) бассейнов направлен в разные стороны

Рис. 12. Сток поверхностного бассейна (АБ) направлен к реке, сток подземного бассейна (аб) от реки

Гидрографом называется кривая изменения расхода реки во времени:

Вполне понятно, что точно определить взаимоотношения между­бассейнами поверхностного и подземного стока и их размерами на таких площадях чрезвычайно трудно. Только в немногих хорошо изученных в геологическом отношении районах удается это сделать. В большинстве случаев определение подземного стока в реки про­изводится гидрогеологическими методами. Для этих целей, напри­мер, используют гидрограф реки.

где Q — расход воды в м³/с; t — время.

Грунтовое (подземное) питание на гидрографе реки в средней полосе выделяется в виде плавной кривой, почти прямой, проведен­ной по ординате последнего зимнего расхода перед весенним павод­ком, и далее по ординатам летней межени, конца осеннего паводка и зимних расходов. Таким образом, во все указанные периоды ве­сенней, летне-осенней и зимней межени реки питаются в основном за счет грунтового стока. Над этой кривой выделяются повышенные части гидрографа, характеризующие снеговое, дождевое и ледни­ковое питание. На рис. 13 приведены гидрографы рек Шилки и Те­река. Площадь каждого заштрихованного участка равна общему объему воды, получаемому рекой за счет соответствующего источ­ника.

Иногда производят более подробное расчленение гидрографа с выделением подземного питания за счет стока из глубоких водо­носных горизонтов и за счет стока из первого от поверхности гори­зонта грунтовых вод. Такое расчленение было сделано для бассей­на Волги Б. В. Поляковым. Б. И. Куделин (1960) разработал более

27

совершенную методику оценки естественных ресурсов подземных вод по данным гидрографа с выделением роли отдельных водонос­ных горизонтов в питании открытых водотоков.

Учитывая, что в межень река питается в основном подземными водами, можно приближенно определить величину подземного сто­ка непосредственно из данных гидрометрических наблюдений. Для.

Рис. 13. Гидрографы рек (по М. А. Велика-нову):

/ — грунтовое питание, 2 — снеговое питание, 3 — дождевое питание, 4 — ледниковое и высокогор­ное питание

этого выбирают на реке два пункта и замеряют расходы воды. Раз­ность расходов в выбранных сечениях, деленная на расстояние ме­жду ними, и есть величина питания реки на изучаемом участке:

где q — приток воды в реке с 1 м длины берега в л/с; Qi — расход в нижнем сечении в л/с; Q — расход в верхнем сечении в л/с; / — расстояние между сечениями в м.

Если на участке / река имеет притоки, то расход последних сле­дует вычесть из разности Qi—Q.

Разность расходов реки, замеренных в межень в указанных се­чениях, деленная на площадь прилегающей части подземного бас-

28

сейна (определяется на основе геологической съемки и разведоч­ных работ), дает модуль подземного стока\/

Если реки вскрывают водоносный пласт на небольшую глубину, то модуль подземного стока, определенный по расходу реки, будет заниженным, так как часть подземного потока движется ниже уре­за реки и в нее не поступает (рис. 14). Исследованиями на гидрав-

Рис. 14. Схема зон поперечного и продольного стока грунтовых вод в долине реки:

/ — направление движения продольного стока вниз по уклону долины, 2 — направление движения в сечении, перпендикулярном долине

лическом интеграторе установлено, что река полностью дренирует водоносный пласт, если ширина ее долины не менее '/з мощности водоносного пласта.