Основные характеристики стока

Об основных природных и антропогенных факторах, опреде­ляющих сток воды, уже много говорилось выше, в частности, когда речь шла о питании рек. Это прежде всего факторы кли­матические, а также факторы подстилающей поверхности и хозяй­ственная деятельность человека. Рассмотрим теперь основные количественные ха­рактеристики самого стока воды, применяемые в гидрологии: рас­ход воды, объем стока, модуль стока, слой стока, коэффициент стока.

Главнейшая характеристика стока воды реки — это расход воды Q м³/с или л/с – количество водыпротекающей через живое сечение потока в единицу времени (сутки, сезон, год и др.).

Q = S ∙ V

где S – площадь живого сечения в м², а V - скорость потока м/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.

Наглядное представление о распре­делении скоростей в жи­вом сечении можно полу­чить построением изотах — линий, соединяющих в живом сечении точки с одинаковыми скоростями (рис. 25). Область макси­мальных скоростей рас­положена обычно на не­которой глубине от по­верхности. Линия, соеди­няющая по длине потока точки отдельных живых сечений с наибольшими скоростями, называется динамической осью потока.

Рис. 25. Изотахи в живом сечении речного потока

Средняя скорость на вертикали вычисляется делением площади эпюры скоростей на глубину вертикали или при наличии измеренных скоростей в характерных точках по глубине (v_пов, v_0,2, v_0,6, v_0,8, v_дон) по одной из эмпирических формул, например

В ряде случаев при измерении расходов воды приходиться иметь дело с «мертвым» сечением – участками речного потока, где движения вод не происходит. Такие площади вычленяются из общей площади сечения русла.

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.

Объем стока W м³ или км³ — количество воды, протекающее в русле реки через данный замыкающий створ за промежуток вре­мени Т суток,

где Q — средний расход в м³/с за время Т суток; 86400 — число се­кунд в сутках.

Модуль стока М л/(с ∙ км²) — количество воды, стекающей с единицы площади в единицу времени,

где F — водосборная площадь в км².

Слой стока Y — слой воды в миллиметрах, равномерно рас­пределенной по площади F истекающей с водосбора за некоторый промежуток времени Т суток,

Слой стока за год в миллиметрах:

Коэффициент стока h — отношение величины (объёма или слоя) стока к количеству выпавших на данную площадь водосбора атмосферных осадков, обусловивших возникновение этого стока:

h = Y/X, 0 ≤ h ≤ 1.

Коэффициент стока — величина безразмерная. Он рассчитывается обычно для средних многолетних величин слоя стока и слоя осадков или для гидрологического года. Иногда расчитыват коэффициент стока 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.

Формирование стока рек

Сток образуется в результате выпадения дождей или таяния снега и льда в горах. В обоих случаях часть воды, поступившей на поверхность земли, затрачивается прежде всего на заполнение отри­цательных форм микрорельефа (углублений) и на впитывание в почву. Только после заполнения отдельных углублений и притом после того момента, как интенсивность дождя или таяния снега и льда станет превосходить интенсивность инфильтрации, возникает сток.

Вода стекает по поверхности земли обычно не сплошным слоем, а в виде отдельных тонких струй или ручейков, которые сливаются вместе, доходят до русел сначала временных водотоков, а потом об­разуют постоянные потоки, несущие свои воды в сформировав­шемся русле. Сток, происходящий по поверхности земли, называется поверхностным или склоновым стоком. Сток, происхо­дящий по русловой сети водосбора, называется русловым или речным стоком. Поверхностный сток не отождествляется с по­нятием поверхностные воды. К поверхностным водам относятся воды рек, озер, водохранилищ.

Во многих местах, как, например, в лесной зоне, поверхностный сток, как правило, невелик, а иногда и отсутствует вовсе. Большая часть дождевых и снеговых вод стекает иными путями. Просачи­ваясь через почву, эти воды пополняют запасы почвенных и грун­товых вод и попадают в речную сеть подземными путями в виде почвенно-грунтового стока из зоны аэрации и собственно грунтового из более глубоких водоносных горизонтов. В связи с этим выде­ляется почвенный (подповерхностный) сток и подземный (грунто­вой) сток. Речной сток является суммарным поверхностным и под­земным стоком.

Суммарный речной сток путем расчленения гидрографа делят на две составляющие: на поверхностный (паводочный) и подземный сток. Последний является наиболее устойчивым.

В различных ландшафтных зонах и внутри зон соотношения ме­жду поверхностным и подземным стоком неодинаковы, что создает специфические особенности режима речного стока и его распреде­ления по территории.

Сток представляет собой сложный природный процесс, обуслов­ленный влиянием комплекса физико-географических факторов и хо­зяйственной деятельности.

Основными факторами стока, определяющими его развитие, яв­ляются климатические. На общем фоне воздействия климата на формирование стока и его величину проявляется влияние других, неклиматических факторов. Влияние их тем заметнее, чем меньше размеры бассейна и чем короче период, за который рассматрива­ется это влияние.

Климат воздействует на сток не только непосредственно, но и через другие природные факторы: почву, растительность, рельеф.

Все эти факторы находятся в постоянном взаимодействии (рис. 26).

Рис. 26. Схема взаимосвязи речного стока с основными физико-географическими факторами (по М. И. Львовичу)

1 — важные воздействия, 2 — второстепенные воздействия.

Действие различных при­родных факторов проявляется по-разному. Одни из них спо­собствуют стеканию атмосфер­ных осадков по земной поверх­ности, другие замедляют сток или вовсе исключают возмож­ность его образования. Одним факторам, а также их взаимо­действию между собой принад­лежит главная роль в процессе формирования речного стока, другим — второстепенная.

Влияние физико-географи­ческих факторов сказывается и на величине годового стока и на его режиме.

Взаимосвязь между стоком и физико-географическими факторами раскрывается при изучении стока как элемен­та водного баланса. Для любого речного бассейна можно составить уравнение водного баланса. Для отдельного конкретнего года это уравнение имеет вид

где X — сумма атмосферных осадков; Y = Y_П+Y_Г— полный речной сток (Y_П — поверхностный сток, Y_Г — грунтовой сток); Z — испаре­ние; U — накопление или расходование влаги в бассейне.

Если в данном году сумма атмосферных осадков больше суммы величин стока и испарения, то происходит накопление влаги в бас­сейне и величина U входит в уравнение со знаком плюс ( + ), в противном случае — со знаком минус (—). Предполагая, что за длительный период времени накопление и расходование влаги взаимно компенсируется, нетрудно получить уравнение водного ба­ланса для среднего года за многолетний период

где X, Y, Z — средние многолетние величины осадков, стока и испа­рения. Это уравнение справедливо для случая, когда поверхностный и подземный водоразделы совпадают. При несовпадении водораз­делов происходит или постоянное поступление вод из соседнего бас­сейна, или отдача их W. В этом случае уравнение водного баланса будет иметь вид