Питание, водный режим рек, водный баланс речного бассейна

Поступление воды в реки обусловлено выпадением атмосферных осадков в процессе круговорота воды в природе. Вода, образовавшаяся на поверхности суши в результате выпадения дождей, таяния снега и льда, стекая по поверхности земли и фильтруясь через грунт, будет формировать (поверхностный и грунтовый) сток воды рек.

В конкретных природных условиях поступление воды в реку зависит от определенных источников, и будет характеризовать ее питание. В зависимости от источников питания различают дождевое, снеговое и ледниковое питание.

Дождевое питание преобладает в теплом поясе и в районах умеренного пояса с муссонным климатом. Доля стекающих дождевых осадков увеличивается при выпадении на увлажненную почву.

Снеговое питание преобладает в холодном и умеренном поясах. Стеканию снеговых вод способствуют повышенная интенсивность снеготаяния, зимнее промерзание грунта и особенно наличие ледяной корки на почве.

Ледниковое питание происходит в результате таяния ледников. Основные факторы – площадь водосбора, занятая ледниками, и температура воздуха.

Подземное питание – поступление в реку грунтовых и межпластовых вод (сток в реки почвенных вод и верховодки условно относится к поверхностному питанию). Подземное питание зависит от геологического строения, распространения в бассейне водопроницаемых почв, трещиноватых пород, от лесистости.

Поверхностный сток, весьма неравномерный во времени, обычно существенно преобладает над медленным подземным стоком. Периоды максимального поверхностного стока всегда приурочены к определенному времени года. Быстрое поступление в реку огромных масс воды в периоды максимального поверхностного стока вызывает в ней резкое увеличение расходов и соответствующее повышение уровней воды.

Большинство рек Российской Федерации имеют смешанное питание – дождевое и снеговое. В некоторых районах преобладают другие источники. Например, для рек Дальнего Востока преобладающую часть стока составляет дождевое питание. В горных районах – на Алтае, Кавказе преобладающую часть в стоке играет ледниковое питание.

Для большинства равнинных рек Российской Федерации сток весеннего половодья составляет более 50 % суммарного годового стока.

Питание реки поверхностными водами зависит от размеров площади водосбора. Чем она больше, тем больший объем стока стекает с нее в русло реки.

Питание рек подземными водами наиболее устойчиво и равномерно в течение круглого года. Подземное питание в той или иной мере имеют почти все реки, например у Волги оно составляет около 30 %. На некоторых малых реках подземное питание достигает 60 %.

В зависимости от условий питания в режиме рек выделяют: половодье, паводки и межень.

Половодье – фаза водного режима реки, ежегодно повторяющаяся в данных климатических условиях в один и тот же сезон, характеризующаяся наибольшей водностью, высоким и длительным подъемом уровня воды. На равнинных реках половодье вызывается снеготаянием (весеннее половодье), на высокогорных – таянием снега и ледников (летнее половодье), в муссонных и тропических зонах – выпадением летних затяжных дождей.

Паводок – фаза водного режима реки, которая может многократно повторяться в различные сезоны года, характеризуется интенсивным, обычно кратковременным, увеличением расходов и уровней воды и вызывается дождями или снеготаянием во время оттепелей. Выдающийся по величине и редкий по повторяемости паводок, который может вызвать жертвы и разрушения, называют катастрофически паводком. В инженерной практике термин «половодье» часто заменяют термином «паводок».

Межень – фаза водного режима реки, ежегодно повторяющаяся в одни и те же сезоны, характеризующаяся малой водностью, длительным стоянием низкого уровня и возникающая вследствие уменьшения питания рек. К летней (летне-осенней) межени относят период от конца половодья до осенних паводков, а при их отсутствии – до начала зимнего периода, то есть до возникновения на реке ледовых явлений.

Летняя межень может быть устойчивой, продолжительной, а также прерывистой, неустойчивой (периодически нарушаемой дождями). Зимняя межень совпадает обычно с периодом ледостава. Расходы воды от начала замерзания рек постепенно снижаются, достигая минимума перед вскрытием; это связано с истощением запасов подземных (грунтовых) вод.

Летняя межень характерна для рек степной и полупустынной зон, в этот период река питается преимущественно подземными водами.

Зимняя межень типична для рек континентального климата, часто совпадает с периодом ледостава. В этот период река питается грунтовыми водами. В районах с суровым климатом малые реки иногда промерзают до дна.

Реки с весенним половодьем по своему водному режиму классифицируют на типы:

- Казахстанский – характеризуется очень высокой волной половодья и низким (до полного пересыхания) стоком в остальную часть года. Сток дают почти исключительно зимние осадки, быстрое таяние которых вызывает высокое, но не продолжительно е половодье.

- Восточноевропейский – характеризуется высоким весенним половодьем, летней меженью, прерываемой эпизодически ливнями, низкой зимней меженью и повышенным осенним стоком. Некоторые реки этого типа имеют два максимума: весной и осенью.

- Западносибирский – имеет небольшое, растянутое половодье, повышенный летне-осенний сток и низкую зимнюю межень. Наличие в бассейнах рек этого типа болт, озер, обширных, заливаемых пойм оказывает регулирующее влияние на сток. Длительная зима предопределяет низкий зимний сток.

- Восточносибирский – характеризуется высоким половодьем, систематическими летне-осенними паводками и очень низким зимним стоком. Этот тип рек связан с обильными дождями летом и осенью и ограниченностью подземного питания.

- Алтайский – отличается невысоким, растянутым, гребенчатовидным половодьем, повышенным летне-осенним стоком и низким зимним стоком. Характер половодья рек этого типа обуславливается особенностями таяния снега в горах. На снеговое половодье накладываются дождевые паводки. Устойчивый зимний сток обусловлен запасом подземных вод.

Реки с половодьем в теплую часть года по своему водному режиму классифицируют на типы:

- Дальневосточный – имеет растянутое, гребенчатовидное половодье и низкий сток в холодное полугодие (зимних осадков мало). Подземное питание ограничено вследствие наличия вечной мерзлоты.

- Тяньшанский – распространен в горах Средней Азии, Большого Кавказа и Камчатки, отличающийся от предыдущего более высоким зимним стоком. Питание рек ледниковое.

Реки с паводочным режимом классифицируют на типы:

- Причерноморский – характеризуется паводочным режимом в течение всего года. Основной источник питания – дожди. Частично питание происходит за счет снега, выпавшего в горах и быстро растаявшего.

- Крымский – отличается от предыдущего низким стоком летнего сезона.

- Северокавказский – распространен в восточной части северного склона Большого Кавказа, характеризуется паводками в теплое время и устойчивой меженью в холодное (подземное питание незначительно).

Колебания водности рек тесно связаны с понятиями водный режим и водность.

Водный режим – это закономерные изменения стока, скорости течения, уровней воды и уклонов водной поверхности во времени и вдоль реки, зависящие, прежде всего, от метеорологических и климатических факторов.

Водность реки – это относительная величина речного стока за определенный период по сравнению со средним многолетним стоком этой же реки. Следует отличать понятия водность и водоносность реки.

Водоносность реки – это абсолютная средняя многолетняя величина стока реки.

В зависимости от масштаба времени виды колебаний водности рек могут быть следующими:

- Вековые – отражают вековые и тысячелетние изменения климатических условий и увлажнения материков.

- Многолетние – имеют метеорологическую природу и периодичность в десятки лет.

- Сезонные – обусловлены сезонными изменениями элементов водного баланса бассейна реки в течение года.

- Кратковременные – обусловлены метеорологическими факторами (ливневые дожди), геологическими процессами (прорыв морен, горные обвалы) и антропогенными (сброс воды в гидроузлах, плотинах).

Чередование на реках маловодных и многоводных периодов стока является объективным и объяснимым свойством рек, в конечном счете, оказывающем существенное влияние на работу дорожных водопропускных сооружений и мостовых переходов.

Естественный водный баланс речного бассейна записывается в виде равенства:

x + ω ₁ = z + y + ω ₂ ± Δ U, (12)

где x – осадки, выпадающие на поверхность речного бассейна;

z – суммарное испарение с поверхности речного бассейна;

y – речной сток;

ω ₁ – приток подземных вод, получающих питание за пределами данного бассейна;

ω ₂ – отток подземных вод, сформировавшихся в данном бассейне, за его пределы не в составе речного стока;

± Δ U – изменение запасов воды в бассейне, содержащейся в подземных водоносных горизонтах, в почве, в водоемах и русловой сети, в снежном покрове и ледниках.