3.2.2. Формування стоку

Дослідження водного балансу тісно пов’язані з дослідженнями стоку, водного режиму. Облік, розрахунки прогнози стоку мають надзвичайно важливе практичне значення. Це головні завдання інженерної гідрології. Основні кількісні показники були наведені у 2.4.6.

Стік води залежить від складної системи факторів. Розглянемо деякі з них. Джерелом, потенціалом стоку є опади. Ступінь їх використання залежить від температурного режиму (випаровування) та характеристик діяльної поверхні (швидкість інфільтрації, концентрації в струмки та річки, інше). Виділяють три основних види опадів: 1) рідкі; 2) тверді; 3) горизонтальні. Роль останніх як правило невелика (але може бути важливою для рослин в умовах сухого клімату).

Рідкі опади, що випадають на поверхню ідуть на її змочування, заповнення мікрозападин, інфільтрацію в ґрунти, випаровування, транспірацію, утворення стоку. Все це крім стоку називають втратами. Кількість втрат до початку утворення стоку називають шаром початкових втрат. Він змінюється по території і в часі. Найбільш характерними його значеннями є 10-30 мм. Всі дощі, шар опадів яких більше шару початкових втрат називаються стокоутворюючими. Таким чином утворення паводків значною мірою залежить від стану поверхні на початок дощу. Зволожена, або замерзла поверхня мають незначний шар початкових втрат, суха пориста і тепла — найбільший.

Дощі прийнято характеризувати наступними показниками: шар опадів (мм), їх інтенсивність (мм/хв., мм/год.), площа зрошення (км²) та іншими. В залежності від них виділяють основні типи дощів:

1) зливи;

2) зливові дощі;

3) обкладні дощі.

Зливи випадають протягом 2-4 годин при середній інтенсивності 10-20 мм/год. Площа зрошення як правило складає десятки, рідко сотні км². Вони найбільш характерні для лісостепової та степової зони. Бувають конвективного та фронтального походження. Найбільші зливи помірного поясу спостерігаються влітку, при проходженні холодних фронтів. Шар опадів при цьому може досягати 100-150 мм. Особливими є зливи екваторіальної області. Вони повторюються щоденно і охоплюють величезні території. Певними особливостями характеризуються також зливи мусонного клімату, особливо над схилами високих гір. Вони мають велику інтенсивність. Зливові дощі випадають протягом від декількох годин до декількох діб. Їх інтенсивність в областях помірного клімату складає до 2-10 мм/год. Екстремальні значення у найбільш дощових місцевостях світу можуть досягати 5-10 мм/год. при майже постійній тривалості (понад 2500 мм на місяць). Зливові дощі розповсюджені в зонах мусонного клімату, а також зонах достатнього зволоження помірного поясу. Площа зрошення може досягати десятків і сотень тисяч км². Зливові дощі можуть давати шар опадів 150-300 мм. В мусонному кліматі часте їх повторення призводить до утворення розтягнутої багатопікової літньої дощової повені на річках. Особливими є зливові дощі пов’язані з тропічними циклонами.

Обкладні дощі можуть випадати тривалий час (декілька діб, більше тижня) з рівномірною інтенсивністю, яка є найменшою серед всіх типів дощів.

Характерною особливістю дощів зливових типів є змінна інтенсивність в часі та по території. Крім того виявлена зворотна залежність між інтенсивністю та інтервалами часу що розглядаються, або площами зрошення. Такі залежності мають стандартний характер для певних територій.

Інтенсивність, тривалість та розповсюдження різних дощів визначають характеристики паводкових хвиль в річкових системах та режим поповнення запасів підземних вод. Окремі різкі зливи можуть формувати високі паводки лише на відносно невеликих річках. Вони також мало впливають на зміни запасів підземних вод. Зливові дощі можуть формувати високі паводки на любих річках, особливо при періодичному повторенні і значних шарах. Вони значно поповнюють запаси підземних вод. Обкладні дощі в теплу пору року як правило не формують паводки на річках. Їх волога в основному витрачається на зволоження ґрунтів та випаровування. Частково вони поповнюють підземні води. Взимку та восени вони можуть сформувати невисокі паводки на середніх, і частково на великих річках.

Для значної частини помірних та субполярних широт основну роль у формуванні стоку води і водного режиму річок грає тимчасовий сніговий покрив. Тверді опади акумулюються в холодну пору року. Навесні за їх рахунок формується водопілля і значно поповнюються запаси підземних вод. У цей період на багатьох річках може проходити від 30-40 до 100% річного стоку води. Для таких річок висоти повеней значно перевищують висоти (максимальні витрати) паводків.

Тимчасовий сніговий покрив формується поступово, а також трансформується, розвивається за певними законами. Його може доповнювати замерзання вологи в ґрунтах (сезонне промерзання ґрунтів). Крім того потужність снігового покриву змінюється в межах певних місцевостей в залежності від форм рельєфу, розподілу рослинності та інших факторів. Під час хуртовин сніг здувається з вододільних просторів та навітрених схилів і накопичується у від’ємних формах рельєфу, на узбіччях лісів та чагарників. Ступінь нерівномірності розподілу потужності снігового покриву в даній місцевості можна характеризувати за допомогою певних статистичних показників. Для цього необхідно провести вимірювання його параметрів за певною схемою. Для слабко розчленованого рельєфу коефіцієнти варіації складають 0,3-0,5; а для сильного розчленованого 0,5-1,0.

Танення снігового покриву починається при додатньому тепловому балансі його поверхні. Але поступання води в ґрунти та руслову сітку (водовіддача) відбувається не одразу. Сніговий покрив, як рихле середовище, має значну водоутримуючу здатність. Кількісними показниками власне процесу сніготанення є інтенсивність та тривалість.

За комплексом показників сніготанення та водовіддачі (сніготанення в широкому розумінні) час їх прояву поділяють на три характерних періоди:

1) початковий (суцільне залягання снігового покриву майже не порушене);

2) період сходу основної маси снігу (залягання плямисте);

3) період завершення танення снігу.

У перший період вся тала вода утримується в межах снігового покриву. Відбувається танення приблизно 30% снігозапасів, але водовіддачі нема. З’являються перші проталини. Їх загальна площа до 2,5%. Другий період основний у формуванні весняного водопілля і поповнення запасів підземних вод. В цей час проходить танення ще біля 50% снігозапасів і формується потужна водовіддача, яка спочатку поступово перевищує темпи (інтенсивність) сніготанення, а потім вирівнюється з ним. Таким чином вона складає 80% від загальної. В кінці цього періоду приблизно половина площі водозбору звільняється від снігу. Третій період характеризується рівністю сніготанення та водовіддачі. Їх інтенсивність максимальна. До них можуть приєднуватися дощі. Під кінець періоду площа снігового покриву не перевищує 2,5%. Сніг лежить в окремих, захищених від сонця, пониженнях рельєфу. За рахунок невеликих снігозапасів і максимальної інтенсивності їх танення тривалість третього періоду як правило мала.

Для розрахунків закономірностей описаних процесів розроблено цілий ряд методик, підходів, формул та математичних моделей. Вони мають велике практичне значення.

В залежності від переважання певних факторів танення снігу виділяють характерні типи весен:

а) адвективний (характеризується похмурою, хмарною погодою з додатними температурами повітря на протязі доби і відсутністю прямої сонячної радіації);

б) плювіальний (переважання дощових днів);

в) солярний, або радіаційний (переважають сонячні дні з температурами повітря слабовід’ємними, або біля 0°С).

Можна виділяти також деякі перехідні, змішані типи. За тривалістю весни поділяються на: тривалі (ранні) та дружні (пізні). Останні часто пов’язані з адвекцією значних мас теплого повітря. Характеристики весен визначають особливості процесів сніготанення. Їх враховують у дослідженнях цього процесу.

Крім прямого фактору (потенціалу) формування стоку — опадів слід розглянути ряд опосередкованих (непрямих). Найперший — це випаровування. Його ми частково вже розглядали у розділі 3.1. Слід зауважити, що це дуже складний природний (фізичний) процес. Спостереження за ним також малоефективні. Тому його часто оцінюють за допомогою розрахункових методик, які базуються на різних принципах. Важливим методом є оцінка випаровування через рівняння водного балансу (якщо інші складові відомі).

Наступним фактором стоку є характер ґрунтів та порід водозбору. Він у першу чергу впливає на процеси інфільтрації, а також підземного живлення. Тип та механічний склад ґрунтів впливають на їх водопроникність. Це основний фактор інфільтрації. Для помірних та субполярних широт (помірного та холодного клімату) він проявляється в основному влітку. Значну роль грає також водоутримуюча здатність ґрунтів. Склад порід, їх характеристики, геологічна будова басейну впливають на підземне живлення, а деколи і на характер гідрографічної сітки території. Рівномірне та значне підземне живлення річок пов’язане з дренуванням ними добре обводнених горизонтів пористих або тріщинуватих порід. Особливий вплив здійснюють карстові породи. Його значення може бути провідним для відносно невеликих річок. На поверхні карстових плато річкова сітка взагалі може бути відсутня. Джерела та річки можуть з’являтися по їх периферії, там де карстові породи підсилаються водотривкими. В деяких випадках карст може впливати на перерозподіл стоку між сусідніми річковими поверхневими водозборами (неспівпадіння поверхневих та підземних водозборів).

На характер підземного живлення річок може також впливати розташування їх басейнів відносно артезіанських басейнів. В областях живлення останніх частини вод може не попадати в річки, або навіть відтікати (фільтруватися) з них. За дослідженнями Б. Куделіна втрати річкового стоку в басейнах річок Дніпровсько-Донецької западини (верхня течія р. Сейм) досягають 1-2 л/с. км² в середньому за рік.

З геологічними факторами тісно пов’язаний вплив ерозійного врізу долин річок, а також рельєф водозбору. Вплив рельєфу найбільше здійснюється через такі характеристики: висотне положення водозбору, розчленованість території, експозиція схилів відносно сонячного проміння, а також відносно вологоносних вітрів.

Збільшення висот водозборів в межах рівнин як правило призводить до збільшення опадів та загальних величин стоку. Гори повністю змінюють всі фактори стоку. Тут проявляється висотна поясність фізико-географічних умов. На рівнинних просторах, або плато певну роль грають також локальні від’ємні форми рельєфу. Вони можуть частково сприяти живленню підземних вод, а частково випаровуванню.

Розчленованість територій впливає як на величини врізу, так і на швидкості поверхневого стікання, тобто на співвідношення між інфільтрацією, випаровуванням та поверхневим стоком. Розчленованість також впливає на характер тимчасового снігового покриву.

Різниця в експозиції схилів до сонячного проміння впливає в основному в помірних та субполярних широтах, а також у горах — на особливості сніготанення та танення льодовиків. Вплив цього фактора може призводити до змін у випаровуванні та накопиченні вологи у ґрунтах. Експозиція відносно вологих вітрів (потоків повітря) впливає на кількість опадів. Це стосується як гір так і височин та кряжів в межах рівнин. В деяких випадках навітрені схили можуть бути обводнені, а підвітрені — напівпустельними.

Ще одним важливим фактором стоку є рослинність. Вона впливає на просочування води, випаровування (траспірацію), частково на опади (ліс). Вплив лісу вивчали провідні вчені географи, ґрунтознавці, гідрологи. Але виявилось, що він неоднозначний і сам залежить від інших факторів. Ліси та лісосмуги затримують взимку сніг. Лісові ґрунти як правило добре водопроникні. Таким чином можна стверджувати, що ліс впливає на поповнення ґрунтових вод і відповідне живлення річок. Ліс протистоїть ерозійним процесам і формуванню різких паводків. Хоча ступінь такого впливу в різних умовах — різний.

На особливості формування стоку впливають також озера, болота, льодовики, наледі та інші природні об’єкти. Цей вплив частково вже був розглянутий у другій частині підручника. Нагадаємо, що озера в основному зарегульовують стік, а в зонах недостатнього зволоження зменшують його. Вплив боліт залежить від природних умов. Льодовики та наледі живлять річки влітку і накопичують власну масу взимку. Наледі можуть поєднуватися з повним перемерзанням річок. В умовах досить плоского, слабо розчленованого рельєфу, при наявності в басейні річки значної кількості безстічних озер, її стік зменшується. Тут яскраво проявляється різниця між поняттями «басейні» та «водозбір».

Цілу окрему, специфічну і важливу групу факторів формування стоку складають різні види антропогенного впливу на водозбір та на водні об’єкти. Це побудова водосховищ, зміни характеру поверхні водозбору, гідрографічної сітки, відбори та скидання води, міжбасейнове перекидання вод (перерозподіл стоку), будівництво зрошувальних систем та каналів, осушення боліт та переволоження земель та інші.

Деякі автори окремо виділяють умовні фактори стоку. Це конкретні кількісні показники, які використовують у його розрахунках: площі водозборів, їх середні висоти, кути нахилу поверхні, густина та глибина розчленування, параметри форм водозборів та інші. Особливо слід відзначити перший параметр. Він пов’язаний, зокрема, із загальними фізико-географічними умовами. Малі річки можуть бути зональними або азональними (специфічними, під впливом локальних, особливих умов). Середні за площею водозбору річки як правило зональні, характерні для даного типу ландшафтів. Великі річки часто полізональні. Процеси формування стоку і водний режим тут неоднорідні і складні.