Физико-географические факторы и основные фазы водного режима

Географическая зональность. Река является элементом ланд­шафта и ее режим отражает влияние всего комплекса физико-географических и климатических факторов, свойственных данной природной зоне. Среди них главная роль принадлежит осадкам и их распределению в году, режиму температуры воздуха, испа­рению и инфильтрации.

На равнинной территории природные факторы изменяются зо­нально. Соответственно зонально изменяется водный баланс и режим рек. Различают следующие гидрологические зоны (по В. А. Троицкому): очень влажная (тундровая), избыточного ув­лажнения (лесная), переменного увлажнения (лесостепь), полу­сухая (степная и полупустынная) и сухая (пустынная).

В горных областях ясно выражена высотная поясность кли­матов и ландшафтов и соответственно вертикальная гидрологи­ческая зональность. В каждой зоне можно выделить районы, внутри которых одно­родность гидрологического режима проявляется более четко, чем во всей зоне.

В пределах каждой зоны или гидрологического района реки имеют общие черты водного режима, обусловленные общностью условий формирования стока. Эта общность проявляется в зако­номерном чередовании периодов повышенной и пониженной вод­ности внутри года, называемых фазами водного режима. Вместе с тем отдельные реки, протекающие в пределах зоны, мо­гут существенно отличаться по режиму, что обусловлено особен­ностями речного бассейна, являющимися азональными.

Азональные факторы режима рек. К числу их относятся: рельеф бассейна, геологическое строение, степень облесенности, озерность и заболоченность. Известное влияние оказывает также размер бас­сейна, его форма, а в горах — ориентация склонов по отношению к странам света и влагоносным воздушным потокам. Влияние всех этих факторов сказывается на режиме двояко: они изменяют кли­матические условия — осадки, температуру воздуха, испарение, а с другой стороны, влияют на добегание воды со склонов в русла и потери на инфильтрацию. Ниже будет показано влияние факто­ров подстилающей поверхности на отдельные фазы водного ре­жима.

Фазы водного режима. Различают три основные фазы: поло­водье, паводки и межень.

Половодьем называется ежегодно повторяющийся в один и тот же сезон продолжительный и высокий подъем уровня и рас­хода воды, обусловленный поступлением воды от главного источ­ника питания реки. Половодье обычно сопровождается затопле­нием поймы.

Половодье может быть как снегового или снего-ледникового, так и дождевого происхождения. На разных реках земного шара оно проходит в разное время года. На Европейской равнине оно наблюдается весной, в бассейне Амура летом и осенью, а в Среди­земноморье — зимой. Начало половодья обычно определяют по дате устойчивого увеличения расхода воды, обнаруживаемого на гидрографе. Это не представляет трудности. Значительно сложнее определить его конец, особенно для рек с высокой естественной зарегулированностью или при частых дождевых паводках. Правильнее всего за конец снегового половодья принимать момент времени, когда через замыкающий створ пройдет остаток талой воды с наиболее удален­ной части бассейна. Это делается с помощью данных о сходе снега, а также наблюдений за исчезновением ручьев в балках и оврагах.

Паводки в отличие от половодья характеризуются непродол­жительным и быстрым подъемом воды, вызванным ливневыми дождями в теплый период или оттепелями зимой. Они возникают нерегулярно, хотя в некоторых климатических условиях наблю­даются в определенные сезоны года. На реках лесной и лесостеп­ной зоны европейской части России, например, они проходят в осенние месяцы, а на реках северо-востока страны (в бассейнах Лены, Индигирки, Колымы) — с июля по октябрь.

Меженью называется период низкой водности, когда река питается преимущественно подземными водами. Летняя межень наблюдается на реках, где снег сходит весной, а летние дожди не настолько значительны, чтобы вызвать подъем уровня воды. Зимняя межень свойственна рекам районов с устойчивой отрица­тельной температурой воздуха зимой.

Половодье

Особенности прохождения половодья в различных физико-гео­графических условиях.На большей части территории России сток за время половодья составляет свыше 50 % годового стока, а в отдельных районах, как, например, на юго-востоке европейской ча­сти России и в Северном Казахстане, его доля значительно больше. Во время половодья расходы воды обычно достигают максималь­ных в году значений и в несколько раз, нередко в десятки раз, превышают средний годовой расход.

Размеры и время прохождения половодья изменяются по тер­ритории главным образом под влиянием зональных факторов. Каждой географической зоне присущ свой водный режим и харак­тер половодья.

Сток за период половодья наибольшей абсолютной величины достигает в зоне избыточного увлажнения. К югу, в зоне степей, он уменьшается, а в пустынных областях снижается до нуля. В пределах Восточно-Европейской равнины в лесной зоне он ко­леблется от 40 до 150 мм (без подземного питания), в лесостеп­ной — от 30 до 100 мм, в степной — от 25 до 64 мм и в полупустын­ной не превышает 20-25 мм.

В противоположность этому относительная величина стока за половодье наибольшая в полупустынной зоне — более 80 % годово­го стока, а наименьшая в лесной — в среднем 50-60 %.

В зависимости от географического положения бассейна время прохождения половодья сильно различается: на юге Европейской равнины половодье проходит в среднем в марте — апреле, а на реках севера и северо-востока — в мае — июле.

В горах с повышением местности возрастают осадки и особенно запасы воды в снежном покрове, которые увеличиваются еще и в связи с возрастанием продолжительности холодного периода. Увеличивается и сток за период половодья (как по абсолютной, так и относительной величине). Начало и конец половодья сдви­гаются на более поздние сроки, так как снеготаяние запаздывает.

На большей части территории России весеннее или весенне-летнее половодье образуется главным образом талыми водами сезонных снегов, а в горах — также ледников. Выпадение дождей в период таяния снега и ледников увеличивает сток половодья.

Продолжительность его зависит от дружности таяния снега в бассейне. На равнинах одновременное таяние может охватить бас­сейны площадью до миллиона и более квадратных километров. В этих условиях половодье бывает высоким и продолжается не более 1,5-3 месяцев. С увеличением бассейна длительность его возрастает, так как снег неодновременно тает на всей площади и, кроме того, возрастает время добегания от верхних створов к нижним.

В горах одновременное таяние снега на всей площади бассейна наблюдается редко — только во время интенсивных фенов, когда температура выравнивается в большом диапазоне высот. Обычно же таяние постепенно распространяется вверх по склонам. Ранней весной снег сходит в предгорьях, далее таяние распространяется на средние зоны, а летом, в самые жаркие месяцы тают ледники. Чем больше диапазон высот, тем продолжительнее половодье. Время добегания здесь играет второстепенную роль, так как оно измеряется немногими днями.

Половодье на горных реках длится в течение 3-6 месяцев и в ледниковых бассейнах заканчивается в конце сентября — начале октября. На Кавказе, например, продолжительность его изменяет­ся на разных реках от 100 дней на малых реках Малого Кавказа до 180 дней на Тереке и Кубани. В связи с неравномерным тая­нием снега и выпадением дождевых осадков наблюдается не­сколько пиков, перемежающихся понижениями уровня.

Максимальные расходы половодья.На большинстве рек СССР максимальные расходы формируются талыми водами во время половодья. Но при этом большое влияние могут оказать дожди. Максимумы чисто дождевого происхождения наблюдаются лишь в немногих районах — на Дальнем Востоке, в Карпатах, местами на Кавказе и в Крыму.

На европейской территории страны дождевые максимумы пре­вышают снеговые лишь на реках с малыми водосборами, которые могут быть целиком охвачены интенсивными ливнями. В лесной зоне они преобладают на реках с площадями водосборов менее 200 км², а в лесостепной и степной — лишь в балках и ручьях.

Модули максимального снегового стока 1-2 %-ной обеспечен­ности на малых равнинных реках достигают 1000-1500 л/с ∙ км². Приближенные зональные значения их приведены в табл. 10.

Если рассматривать отдельные реки, находящиеся в пределах какой-либо одной природной зоны, то высота половодья на них будет сильно различаться в связи с местными особенностями водо­сборов — рельефом, почвогрунтами, растительностью, озерностью и заболоченностью и т. д. Различия будут тем больше, чем меньше водосборы.

В бассейнах с густой речной и овражно-балочной сетью стекание воды происходит быстрее, чем в условиях плоского рельефа. Поэтому в расчлененных водосборах половодье проходит более дружно, продолжительность его меньше, а максимальные расходы больше, чем в слабо расчлененных.

Таблица 10

Приближенные значения модулей максимального стока равнинных рек за период половодья 1-2 % - ной обеспеченности (л/с ∙ км²)

Зона	Площадь водосбора, км2
Тундра Лесная зона Степная зона Полупустынная зона	400—600 350—1000 120—1600 1400—2300	350—420 190—600 70—850 600—900	250—280 65—310 30—450 190—320	180—240 35—230 30—300 90—190

В лесу снег тает с меньшей интенсивностью и с некоторым за­позданием по сравнению с полем. Талая вода задерживается на поверхности и затем большей частью фильтруется в почву. Вслед­ствие этого на лесных реках половодье несколько запаздывает, а высота его ниже, чем на открытых. Лес способствует переводу по­верхностного стока в подземный, за счет этого весенний сток пони­жается, а водность летней и зимней межени увеличивается. Однако регулирующая его роль неодинакова в разных климатических зо­нах и зависит, кроме того, от многих факторов: распределения насаждений на водосборе, видового состава, возраста и сомкнуто­сти леса, почво-грунтов и рельефа. Именно поэтому количественная оценка влияния леса на сток половодья у разных авторов сильно расходится. Сложность учета влияния леса объясняется еще и тем, что факторы, связанные с залесенностью, действуют часто в про­тивоположных направлениях, и выделить влияние каждого из них весьма трудно.

Снижение максимальных расходов в лесных бассейнах зависит от степени дренирования подземных вод. В больших бассейнах глубина вреза русел больше, чем в малых. Поэтому можно ожи­дать, что снижение максимумов в малых водосборах больше, чем на больших. При полном облесении в больших бассейнах макси­мальные расходы талых вод снижаются в 2-2,5 раза, а в малых — до 5 и более раз.

Озера и болота также оказывают регулирующее воздействие на режим рек — они способствуют снижению максимального сто­ка и выполаживанию половодья. Влияние болот сказывается глав­ным образом на снижении летних максимумов, когда уровень грун­товых вод в болотных массивах понижается и аккумулирующая емкость их возрастает.

Величина модуля максимального расхода талых вод умень­шается с увеличением площади водосбора и зависит также от направления течения реки. В больших бас­сейнах снеготаяние происходит не одно­временно на всей площади. По этой при­чине талая вода поступает в русло в раз­ное время, и половодье более низкое. Кроме того, выполаживание происходит за счет неодновременности добегания та­лых вод с разных частей бассейна. Если к тому же река течет с севера на юг, т. е. из районов с большими запасами снега в районы с меньшими запасами и в на­правлении, противоположном движению фронта снеготаяния, то половодье еще больше выполаживается и модуль сни­жается, так как поступление талых вод из верховий отстает.

Зависимость половодья от гидромете­орологических факторов.Размеры и фор­ма гидрографа половодья одной и той же реки сильно различаются по годам в зависимости от метеорологи­ческих условий (рис. 19). Главными факторами, влияющими на размеры половодья, являются:

1) запас воды в снежном покрове;

2) осадки, выпавшие на снежный покров и обнажившуюся почву;

3) испарение с почвы и снежного покрова во время снеготаяния;

4) инфильтрация воды в почву.

Рис. 19. Гидрографы р. Угры у с. Товарково за периоды половодья 1937 г. (1) и 1940 г. (2)

Следует отметить также температуру воздуха, которая влияет на испарение, а также на интенсивность таяния снега и ледников. На рис. 19 видим, что, например, на р. Угре в 1937 г. при раннем и дружном таянии половодье началось рано, развивалось интен­сивно и было высоким. В 1940 г. при перебойном затяжном тая­нии наблюдались две сравнительно невысокие волны, и максималь­ный расход примерно при таких же снегозапасах оказался значи­тельно ниже, чем в 1937 г. При больших снегозапасах и бурном таянии иногда формируются катастрофические по размерам поло­водья, как это наблюдалось, например, весной 1908 г., когда очень большое половодье охватило огромную территорию в бассейне Волги, в верховьях Западной Двины, Днепра и Дона.

Осадки и температура воздуха в предзимние месяцы влияют на влагосодержание почвы. А это, в свою очередь, сказывается на потерях воды на инфильтрацию и размерах будущего поло­водья. Вследствие различного увлажнения почвы перед началом половодья водопроницаемость ее колеблется в больших пределах, особенно в зоне недостаточного увлажнения.

Низкие зимние температуры воздуха обусловливают более глу­бокое промерзание почвы и меньшее просачивание воды во время снеготаяния при одинаковом насыщении почвы водой. Необходимо заметить, что колебания глубины промерзания почвы в лесу мень­ше сказываются на величине потерь на инфильтрацию, чем в поле, так как в лесу проникновение воды в почву сильно зависит от некапиллярных пустот, незаполненных льдом. Эту особенность лес­ных почв можно сравнить с горными почвогрунтами, в которых имеется много крупных пустот.

Солнечная радиация и температура воздуха являются глав­ными факторами, определяющими размеры половодья на реках ледникового питания.

Дождевые паводки

Зависимость высоты паводков от гидрометеорологических фак­торов.Высота паводков различна в разных физико-географиче­ских районах. Она определяется климатом и ландшафтными осо­бенностями территории, но зависит также от площади бассейна — модуль максимального стока уменьшается с увеличением бассей­на. Поэтому, сравнивая модули разных рек, всегда следует учи­тывать размеры бассейна.

В данном бассейне величина паводкового стока зависит: а) от характеристик дождя — слоя выпавших осадков, их интенсивности и продолжительности, б) от влагонасыщенности бассейна к началу дождя — дефицита влаги в почве и наличия воды на поверхности.

При слабых, хотя и продолжитель­ных дождях почва в состоянии погло­щать всю воду и значительные павод­ки не образуются. Наиболее опасными являются интенсивные и продолжи­тельные ливни. Если дожди следуют друг за другом в течение нескольких дней, например в случае прохождения серии циклонов, то каждый последую­щий дождь будет более эффективным с точки зрения формирования стока, так как насыщенность бассейна вла­гой постепенно повышается. Обычно большие паводки как на равнине, так к в горах образуются при продолжи­тельных ливнях.

Основные потери дождевых осадков происходят в результате инфильтра­ции в почву. Часть воды расходуется на смачивание растительности и заполнение бессточных углубле­ний. В лесу вода задерживается в моховом покрове и в подстил­ке, а в болотистой местности идет на насыщение торфяной массы. Испарение играет роль главным образом в промежутках между дождями.

Наиболее благоприятные условия для образования паводков наблюдаются после весеннего снеготаяния, когда почва увлажнена до состояния наименьшей влагоемкости. Летом почва иссушается испарением и транспирацией и способна интенсивно поглощать воду. Осенью вследствие уменьшения испарения и возрастания осадков инфильтрационная способность снова понижается.

В соответствии с ходом влажности почвы изменяется и паводкообразующая эффективность осадков. Сразу же после схода снега коэффициент дождевого стока высок. В горных странах (Кавказ, Алтай, Саяны) в отдельные паводки он может достигать 0,70-0,80, а на водосборах Дальнего Востока, даже залесенных, повышаться до 0,85-0,95. Летом величина его пони­жается, но затем снова возрастает к осени.

В некоторых районах нашей страны наблюдаются зимние паводки, возникающие при сильных оттепелях, иногда сопровождающихся дождями. Интенсивность зимних паводков связана с температурой воздуха, а также жидкими осадками. Наиболее значительные зимние паводки наблюдаются в западной части европей­ской территории страны как в лесной, так и в степной зонах.

Изменение высоты паводков в зависимости от площади водо­сбора.Исследуя распределение максимального (снегового и дож­девого) стока по территории европейской части СССР, Д. И. Кочерин в 1926 г. пришел к выводу, что модули «во всех климатах и районах зависят от площади бассейна, всегда убывая с увеличе­нием площади и возрастая с уменьшением ее». Характер этой свя­зи, как установлено в дальнейшем, меняется по территории. Осо­бенно явно она выражена в южных районах, где паводки обра­зуются от ливней, очень интенсивных, но охватывающих сравни­тельно небольшие площади.

Интенсивность ливня быстро убывает по мере удаления от его центра и тем быстрее, чем больше сама интенсивность. Это и объясняет быстрое убывание модуля паводкового стока с увели­чением водосбора. Кроме того, с возрастанием водосбора усили­вается влияние неодновременности добегания вод с разных его частей.

В более северных районах, где преобладают дожди обложного характера, а также в районах муссонного климата, как например на Дальнем Востоке, связь максимальных дождевых модулей с площадью проявляется слабее.

Паводки на территории СССР.На европейской части СССР значительные дождевые паводки возникают вследствие фронталь­ных дождей и чаще проходят в виде одиночной волны. Они могут образоваться в любое время в течение теплового периода, но чаще всего наблюдаются на спаде снегового половодья и осенью, когда почва увлажнена и потери на испарение и инфильтрацию сравни­тельно невелики.

Очень высокие, подчас катастрофические паводки проходят на малых водотоках юга европейской территории. В балках и ручьях на юге Украины максимальные модули ливневого стока могут до­стигать 20 м³/с ∙ км² и более. На реках Черноморского побережья Кавказа ливневые максимумы 1 % -ной обеспеченности составляют 1200-2000 л/с ∙ км².

На реках Дальнего Востока, где муссонные дожди могут одно­временно покрывать площади в десятки и сотни тысяч квадратных километров, большие паводки возможны не только на малых, но и на больших реках. В бассейне Амура в водосборах площадью до 5000 км² максимальные модули достигали 600 л/с ∙ км², а в При­морье на малых водотоках они превосходят указанную величину в 10-15 раз.

В горах южных широт дожди возникают в связи с интенсивной термической конвекцией, но наиболее мощные бывают при вторже­ниях холодных воздушных масс. В этом случае дождями ороша­ются большие территории.

В горных лесных водосборах благодаря высокой проницаемо­сти почвы паводки образуются лишь в случае очень интенсивных ливней. Но и здесь в отдель­ных случаях они могут быть весьма значительными. В во­досборах площадью порядка 10-20 км² модуль максималь­ного стока может достигать 10 м³/с ∙ км² и более.

Межень

Условия питания реки в межень.Летняя и зимняя межень не­сколько различаются по условиям питания. Летом, после оконча­ния половодья, в подземном питании участвуют не только глубин­ные, более устойчивые по запасам подземные воды, но и воды сезонного накопления, более динамичные во времени. Последние накопились в грунте за период снеготаяния и выпадения жидких осадков весной. Кроме того, в летнюю межень реки могут получать дополнительное питание от дождей. Роль дождей возрастает в бо­лее северных районах. В лесной зоне, особенно на северо-востоке азиатской части страны (в бассейнах Лены, Яны, Колымы), лет­ние паводки настолько часты, что летняя межень иногда почти не выражена.

Зимняя межень на большинстве рек страны совпадает с ледо­ставом. Поверхностный приток в это время ничтожно мал, и река питается преимущественно глубокими подземными водами. В не­которых районах наряду с подземными водами в питании участ­вуют талые воды зимних паводков. Последние особенно часты на северо-западе европейской части России — в бассейнах верхней Волги, Днепра, Западной Двины. То же наблюдается в низкогорьях Кавказа.

Уменьшение водности в летнюю межень происходит, как пра­вило, быстрее, чем зимой.

Географическая зональность меженного стока.Зональные чер­ты межени проявляются как в величинах удельного стока, так и в продолжительности летнего и зимнего меженных периодов.

В тундровой и лесной зонах летняя межень часто прерывается паводками. Зимняя межень ниже летней, за исключением западных районов европейской части, где вследствие зимних оттепелей зим­няя водность не уступает, а в бассейнах рек Припяти, Немана и на малых реках, впадающих в Балтийское море, даже превышает летнюю.

В северной полосе широко распространено перемерзание рек, причем на европейской территории перемерзают реки с водосбо­рами 100-200 км², а на территории Восточной Сибири — в от­дельные годы даже реки с площадями бассейнов до 200 тыс. км² (Яна, Индигирка и др.). Летнее пересыхание здесь наблюдается лишь на малых реках.

В степной и полупустынной зонах летне-осенняя межень сли­вается с зимней, но годовой минимум стока нередко приходится на конец лета, когда наиболее интенсивно испарение. В отличие от северных районов, здесь распространено пересыхание рек. Пе­ресыхают реки с водосборами до 5-10 тыс. км².

Летний и зимний сток резко убывает с севера на юг, причем особенно резкое уменьшение наблюдается при переходе от степной к полупустынной зоне. На европейской территории страны мини­мальный сток в среднем уменьшается от 2,5 л/с∙км² в тундровой и лесной зонах, до 0,7-1,0 в степной и до 0,05-0,06 л/с∙км² в полупустынной. В Западной Сибири и Казахстане при переходе от лесной зоны к полупустынной меженный сток падает от 2,0 л/с∙км² практически до нуля. Значительное уменьшение модулей мини­мального стока наблюдается с севера на юг и в пределах таежной зоны в междуречье Енисея и Лены.

В горных странах минимальный сток особенно сильно изме­няется по территории вследствие изменений геологического строе­ния водосборов. Но в целом наблюдается тенденция увеличения его с повышением местности вслед за увеличением количества осадков и снегозапасов. Модули меженного стока колеблются в широких пределах и в наиболее увлажненных зонах доходят до 6-10 л/с ∙ км².