Факторы формирования естественных водных ресурсов

Отличительной особенностью водных ресурсов является их двойственная природа, обусловленная, с одной стороны, динамичностью вследствие постоянного возобновления, а с другой – некоторым постоянством, определяемым подстилающей поверхностью. Объясняется это тем, что гидрологические явления и процессы развиваются под влиянием двух категорий географических факторов, совершенно различных по своей природе.

Первая группа факторов – легко изменяющиеся и быстродействующие климатические условия. Вторая группа факторов рельеф, залесенность, озерность, заболоченность и др., оказывающие свое трансформирующее влияние на осадки и обеспечивающие устойчивость средних величин стока.

Климатические условия являются тем фактором формирования водных ресурсов, без которого появление последних вообще невозможно. В данном случае наиболее значимы термический режим и атмосферные осадки, определяющие условия увлажнения, а следовательно, и речного стока.

Термический режим территории зависит от радиационного баланса, циркуляции атмосферы и сезона года. По данным Уральского территориального управления но гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, годовой радиационный баланс в границах Свердловской области положительный и изменяется от 27 на севере до 32 ккал/см² на юге. В период с ноября по март радиационный баланс отрицательный в связи с сокращением притока солнечной радиации и отражательной способностью снега.

Термические условия территории формируются под воздействием западного и меридионального переноса воздушных масс, связанных с поступлением атлантического, арктического и тропического воздуха и притока воздушных масс из области Сибирского антициклона зимой.

Воздушные массы Атлантики приходят на территорию Свердловской области сильно трансформированными. Зимой влажный и теплый морской воздух поступает охлажденным и потерявшим часть влаги, летом – прогретым, с увеличенным влагосодержанием.

Уральские горы, являясь препятствием на пути преобладающего западного переноса воздушных масс, ослабляют его и изменяют направление движения циклонов и антициклонов. В результате зимой возникает возможность проникновения на территорию области холодного арктического воздуха с севера, а летом – теплых воздушных масс среднеазиатских пустынь с юга.

Из-за существенных различий подстилающей поверхности распределение температуры воздуха по территории дифференцировано. Средняя температура января (самого холодного месяца в году) изменяется на равнине с севера на юг от -19 до -17°. В юго-западной части области, вследствие частого поступления воздушных масс с запада, январь теплее на 1 – 3°. В горных районах в результате стока холодного воздуха в долины наблюдается повышение температуры с высотой (инверсии). Абсолютный минимум на ровных открытых местах меняется от -48 до -50°. В горных долинах и котловинах он ниже на 6 – 8°.

Количество атмосферных осадков и их распределение по территории области определяется главным образом циркуляцией воздушных масс, температурой воздуха и особенностями рельефа. Годовая сумма осадков на вершинах и склонах гор превышает 900 мм, в долинах составляет 600-750 мм, в пониженной части Среднего Урала (юго-запад области) – от 450 до 650 мм. Наибольшие суммы осадков получают кряжи, сопки, увалы. По мере понижения рельефа с запада на восток количество осадков убывает. Наименьшее их количество (400 – 450 мм) выпадает в долинах Тавды, Туры и Ницы.

В годовом ходе минимум осадков отмечается в феврале (10 – 20 мм), максимум – в июле (60 – 85 мм). В отдельные годы в зависимости от условий атмосферной циркуляции как минимум, так и максимум осадков может быть сдвинут на другие месяцы, и месячное количество осадков может существенно отклоняться от многолетнего среднего значения.

Жидкие осадки составляют 75 – 80 % общего количества осадков за год. Однако благодаря положению области в умеренном поясе и континентальности климата значительная часть стока образуется за счет атмосферных осадков холодного периода.

Основное накопление снега происходит в ноябре-декабре. Средняя из наибольших декадных высот снежного покрова на полевых участках в предгорных районах составляет 60 – 50 см, на равнинных – 50 – 40 см, в юго-восточной части – менее 40 см. Снег во всех районах залегает неравномерно.

В зависимости от погодных условий устойчивый снежный покров разрушается в самые различные сроки. Окончательно на юге области снег сходит 20 – 25 апреля, на севере в горных районах – 1 – 5 мая. Число дней со снежным покровом уменьшается с севера на юг от 180 до 165.

Наибольшие запасы воды в снежном покрове составляют на большей части территории 100 – 150 мм. В горах запас воды в снеге превышает 300 мм. Величиной снегозапасов с учетом их аккумуляции в зависимости от густоты и ориентировки гидрографической сети определяется сток половодья.

В целом влияние климата на водные ресурсы наиболее полно раскрывается путем характеристики увлажнения территории с учетом атмосферных осадков и испарения.

Общее увлажнение территории Свердловской области определяется соотношением между количеством выпадающих осадков и максимально возможным испарением (испаряемостью) за определенный период. Показатель естественного увлажнения изменяется как внутри года, так и в многолетнем разрезе. Максимум увлажнения на всей территории области приходится на зиму, во второй половине лета наблюдается минимум. Осадки, накопившиеся за зиму в виде снега, положительно влияют на формирование влажности теплого периода. Показатель естественного увлажнения, представляющий отношение годовой суммы осадков к величине испаряемости, на большей части территории равен для того же периода 1,2 – 1,6, что характеризует климат как избыточно-влажный. На юго-востоке этот показатель изменяется от 1,0 до 0,9 – 0,8, т. е. увлажнение здесь неустойчивое и недостаточное. Недостаточное увлажнение характерно и для юго-западной части области.

Показатель увлажнения территории области, помимо климатических условий, в значительной степени определяется рельефом, являющимся результатом противоречивого и сложного взаимодействия эндогенных и экзогенных процессов. В рельефе Свердловской области отчетливо выделяются горная полоса и равнины на юго-западе и востоке.

Горную полосу условно принято делить по линии верховьев р. Ляли на Северный и Средний Урал. Горы Северного и Среднего Урала состоят из коротких, меридионально вытянутых хребтов, массивов, кряжей и гряд, часто с беспорядочно расположенными отдельными понижениями и возвышенностями – с каменными россыпями на вершинах и осыпями по склонам. Средняя высота гор Северного Урала 1000 – 1500 м. Горы Среднего Урала сравнительно невысокие – 500 – 700 м, особенно на широте г. Екатеринбурга: наивысшая точка в этом районе едва достигает 500 м.

К горной полосе с востока примыкают холмисто-увалистые предгорья со средними высотами 250 – 400 м. Затем идет холмисто-волнистая возвышенная равнина Зауралья (высота 200 – 250 м), переходящая в низменную равнину Западной Сибири. Равнина имеет слабо волнистую и даже плоскую поверхность с широкими и слабо углубленными долинами рек. На междуречьях обычны пологие понижения и ложбины, высота междуречий 100 – 150 м на уровне моря, а долин (по рекам Тавде, Туре) – менее 50 м.

Крайний юго-запад области занимает Уфимское плато (высота до 450 м), которое глубоко расчленено долинами Уфы, Бисерти, Серги, Чусовой, Сылвы.

На речной сток рельеф оказывает двойное влияние: изменяет абсолютную величину и перераспределяет его в пространстве. Выпуклые формы рельефа обычно способствуют увеличению, вогнутые – уменьшению стока. Поэтому в горных частях области повышенный сток – закономерное явление. С увеличением высоты местности количество атмосферных осадков в горах нарастает, испарение уменьшается, доля твердых осадков растет. В итоге с повышением высоты речных бассейнов сток нарастает быстрее осадков. В различных горных частях Свердловской области норма стока приблизительно в три и более раз выше средней.

Значительно влияет на формирование речного стока направление горных хребтов, их расположение и экспозиция склонов. Хребты, находящиеся в сфере влияния западных воздушных масс и расположенные меридионально но западной периферии горных систем, всегда на западных склонах имеют повышенную норму стока. Это объясняется более обильным выпадением осадков на наветренных склонах. Такая общая закономерность подтверждается и на горном Урале в пределах Свердловской области.

Повышенный сток наблюдается не только в горах, но также па плато и возвышенностях. Одна из причин более густая в этих условиях речная сеть.

Обратное влияние на сток оказывают низменности, а в горах долины и котловины. Если выпуклые формы, ускоряя плоскостной сток, приводят к его повышению, то вогнутые создают застой поверхностных вод, способствуют росту испарения, что в конечном счете вызывает снижение стока. В отдельных случаях на равнинных участках сток может быть повышенным. Обычно это характерно для территорий, хорошо дренируемых оврагами и балками.

Говоря о природных особенностях формирования водных ресурсов Свердловской области, важно отметить значительную роль растительного покрова, который, увеличивая испарение через трансформацию, всюду способствует уменьшению стока. Но интенсивность его влияния на сток различна и определяется зональными и провинциальными особенностями территорий, а также хозяйственной деятельностью человека.

В связи с преобладанием лесов важнейшим фактором формирования водных ресурсов в Свердловской области является залесенность. Средний показатель по территории примерно равен 60 %, однако на севере и западе он составляет около 75 %, к центру и юго-востоку снижается до 40 %, а в лесостепных южных районах падает до 30 и даже до 20 %.

В области доминируют хвойные леса (64 %), которые делятся на сосновые и темнохвойные. Первые занимают восточные предгорья и равнинную часть, вторые, состоящие из сибирских видов ели (18 % всех хвойных пород), пихты (2 %), кедра (5 %), распространены в горной полосе и западных предгорьях, где увлажнение больше.

Лиственные леса (36 %) произрастают главным образом в юго-восточных, южных, юго-западных лесостепных районах и встречаются как примесь в хвойных лесах. Среди лиственных пород распространены береза (33 %), осина (3 %), а также ольха, липа, ива (все вместе менее 1 %).

Облик лесов сильно меняется по мере продвижения с севера на юг области. На самом севере растут редкостойные сосняки. Западные предгорья заняты хвойными лесами с примесью липы. На юго-востоке, в переходной зоне от лесов к лесостепи, преобладают березово-осиновые породы. Юго-восток области входит в пределы лесостепной зоны Западной Сибири. Здесь осиново-березовые рощи и колки чередуются с лугово-степными участками (в большинстве своем распаханными). На самом юго-западе расположена Красноуфимская лесостепь. Здесь остепненные луга чередуются с березовыми колками и рощами, в которых также встречаются липы и дубы. Лесостепная местность сильно распахана, и только часть лесов сохранена в качестве полезащитных участков.

Неоднородностью состава лесов и неравномерностью их распространения обусловлены существенные территориально-временные различия водного баланса лесных водосборов. Установлено, что в целом суммарное испарение лесных массивов возрастает пропорционально густоте насаждений.

Важнейшей статьей водного баланса лесных водосборов являются атмосферные осадки (и перехват их кронами деревьев). Этот показатель существенно отличается в лесах разного состава. По данным работы, лиственные древостой в среднем за год задерживают на кронах не более 15 – 20 % выпадающих осадков, в то время как сосновые – 20 – 25 %, а еловые – 35 – 40 %. Более существенны различия в задержании осадков весной, осенью и зимой, когда лиственные породы сбрасывают листву. Весной и осенью перехват осадков лиственными древостоями не превышает 10 %, а зимой, к началу снеготаяния, под их пологом сохраняется столько же влаги, сколько и на лесных полянах. Ельники в эти периоды задерживают на кронах соответственно 40 и 25 % выпадающих осадков.

В настоящее время леса Свердловской области значительно истощены лесозаготовками. Под влиянием лесохозяйственных мероприятий, и в первую очередь рубок, механизированных лесозаготовок, работ по подготовке почвы при восстановлении леса, особенно искусственным путем, гидрологическая роль лесов резко изменяется.

Анализ баланса влаги на сплошных вырубках показывает, что поскольку осадки не задерживаются кронами деревьев и не расходуются на транспирацию, то почва получает больше влаги, и это в ряде случаев приводит к заболачиванию лесосек.

После рубки древостоя увеличивается плотность почвы, снижается ее инфильтрационная способность; снег сходит значительно раньше, чем в лесу, и обычно до оттаивания почв. По сравнению с лесом интенсивность снеготаяния на вырубках в 1,5 – 2 раза больше.

Исследования, выполненные в темнохвойных лесах Свердловской области, показали, что с покрытых лесом водосборов весенний поверхностный (склоновый) сток начинается на одну-две недели позднее, чем с водосборов, где леса вырублены, но его продолжительность на 8 – 30 суток больше. Коэффициент максимального стока на сплошных вырубках в среднем в 3 – 4 раза выше, чем на лесных водосборах.

Согласно наблюдениям Уральской лесной опытной станции, и елово-пихтовых лесах Среднего Урала коэффициент поверхностного стока при выборочных и постоянных рубках слабой интенсивности существенно не отличается от коэффициента стока на участках, не пройденных рубкой.

На изменения поверхностного стока влияют не только способы рубок, но и размещение сплошных лесосек по площади водосбора. Если оно осуществляется без учета границ водосборов, то лесов на них часто совсем не остается, что, в свою очередь, приводит к увеличению весенних паводков и пересыханию в летний период ручьев и небольших речек.

Установлено, что самую большую стокорегулирующую роль играют полосы леса вдоль рек. Поэтому эти участки при отводе лесосек необходимо относить к особо защитным.

Важнейшими факторами, определяющими условия формирования водных ресурсов Свердловской области, являются также озерность и заболоченность.

В пределах территории области насчитывается более 2,5 тыс. озер с общей площадью зеркала 1100 км². Наиболее крупные из них – Пелымский Туман (65,7 км²), Большая Инда (32,2 км²),

Вагильсий Туман (31,2 км²), Исетское (24,0 км²), Таватуй (21,2 км²). Сосредоточены озера в основном в восточных предгорьях Урала, на возвышенном Зауралье и в бассейне р. Тавды. В горной полосе и юго-западе области озера встречаются редко.

По своему происхождению озера области можно разделить на тектонические котловины, которые заложены среди древних кристаллических массивов (Таватуй, Балтым, Шарташ); остаточные – от древней речной сети (Исетское); долинные (Чусовское, Глухое); озера-старицы; карстовые (Чатлыкские, Бездонное). Глубина озер не превышает 6 – 8 м (средние глубины 1 – 2 м).

Озера несут на себе следы влияния зонально-провинциальных особенностей природы области. С увеличением возраста озер это воздействие усиливается.

В питании озер значительное участие принимают, наряду со снеговыми, дождевые воды. Гидрологический режим озер тесно связан не только с увлажненностью территории, но и с их проточностью. Многие озера, находящиеся в верховьях рек, имеют через них сток. Наиболее высокий уровень воды в озерах бывает весной и ранним летом. Амплитуда колебаний уровней воды из-за небольших размеров озер значительна (3 – 5 м). Дно озер часто заилено.

Чаши большинства озер, располагаясь в пределах аккумулятивных участков бассейнов рек, активно пополняются продуктами эрозионной деятельности. В условиях накопления органики происходит их зарастание (евтрофикация, заболачивание).

Естественный режим многих рек области изменен строительством искусственных водоемов – прудов и водохранилищ. Большие пруды имеют площадь 8-15 км² и служат источниками водоснабжения (например, Верх-Исетский, Нижнетагильский, Невьянский). В результате строительства плотин в истоках рек, вытекающих из озер, некоторые озера из таких озер превращены в водохранилища (Исетское озеро, Таватуй с Верх-Нейвинским прудом, Черноисточинское водохранилище). В связи со строительством ГЭС сооружены крупные водохранилища, такие, как Белоярское на Пышме, Широковское на Косьве, Качканарское на Вые.

Всего на реках области построено 134 водохранилища емкостью более 1,0 млн. м³ каждое с общим суммарным объемом воды 2445 млн. м³ и более 1200 прудов емкостью от 50 до 700 тыс. м³.

Влияние озер и водохранилищ на речной сток однозначно во всех частях области: они, временно задерживая сток, увеличивают водную поверхность и тем самым испарение, а следовательно, уменьшают объем стока. Воздействие озер на норму годового стока сказывается в ее уменьшении пропорционально разности испарения с водной поверхности и поверхности суши. Поэтому более заметно озера влияют на годовой сток рек в южных районах территории. Наблюдения показывает, что снижение речного стока под воздействием озер достигает 25 – 30 % при озерности водосбора порядка 10 – 20 %.

Болота формируют гидрологический режим, влияют на характер стока и уровень грунтовых вод прилегающих территорий, служат аккумуляторами влаги. Накапливая воду до полной влагоемкости мохового слоя торфа, болота расходуют на сток протекающую через них транзитом непоглощенную часть грунтовой и атмосферной воды и перераспределяют поступающую влагу между поглощением торфяным слоем, испарением в атмосферу и стоком.

Важную роль в качестве аккумуляторов пресной воды играют олиготрофные болота. Полная влагоемкость различных видов сухого сфагнового мха колеблется в пределах 1680 – 3880 %. Этот мох может удерживать объем воды, в 16 – 38 раз превышающий его собственный вес. В естественно-влажных болотах содержание влаги поддерживается на уровне 900 – 1200 % по отношению к сухому торфу.

Влияние болот на сток изучается уже много десятилетий. Одна группа ученых считает, что болота уменьшают сток, всасывая в себя с соседних территорий часть вод поверхностного и подземного стока, которая потом испаряется. Другие исследователи полагают, что болота не оказывают заметного влияния на объем речного стока. Наконец, имеется третья точка зрения, отличная от первых двух: в разных физико-географических условиях болота по-разному влияют на средний сток в зависимости от своего типа, степени увлажненности территории, сезона года.

Третью точку зрения надо считать наиболее обоснованной, поскольку ее сторонники учитывают некоторые принципиальные отличия водного режима болот в различных природных зонах и в разные сезоны года.

В настоящее время можно считать доказанным, что в сравнимых условиях травяные болота испаряют больше влаги, чем сфагновые.

Низинные болота зоны недостаточного увлажнения перехватывают и испаряют грунтовые воды, снижая речной сток. По данным исследований, коэффициенты стока с заболоченных территорий составляют 0,19 – 0,28, со слабозаболоченных – 0,32 – 0,4.

В Свердловской области болота в общей сложности занимают около 15 % территории. Больше всего они распространены на севере и востоке, где в условиях избыточного увлажнения процессы заболачивания развиваются в понижениях низменных равнин. Заболоченность в северных районах области достигает 20 – 30 %, на востоке – 40 %. На плоских междуречьях Пелыма и Лозьвы находятся огромные (80 – 100 км²), питающиеся атмосферными осадками верховые болота, покрытые мхами. В широких долинах рек, по берегам озер много низинных травяно-осоковых болот, питание которых осуществляется за счет грунтовых вод.

На юге области в условиях недостаточного атмосферного увлажнения заболоченность снижается до 9 %. Здесь встречаются низинные болота, расположенные в западинах и речных поймах, где грунтовые воды подходят близко к поверхности.

В горной части болот мало, хотя днища межгорных депрессий бывают заболочены, если сток поверхностных вод затруднен.

Таким образом, водные ресурсы Свердловской области формируются под влиянием комплекса взаимосвязанных природных факторов. Знание этих факторов позволяет четче выделить закономерности этого процесса и способствует эффективности мероприятий по использованию и охране вод.