Глава 10. Водоносність річок і її коливання
Максимальні і мінімальні витрати води
На річках СРСР розрізняють два види явищ, при яких спостерігаються великі витрати води протягом року, - повінь і паводки.
Під повінню розуміється підвищена водність річок навесні під час сніготанення. Характерною особливістю повені, є його регулярність (щорічне повторення), приуроченість до певного часу (весна) і охоплення одночасно або з невеликим зсувом у часі великих районів.
Паводки - явище дощового, переважно зливового, походження. Вони більш короткочасні, ніж повені, і можуть спостерігатися в будь-який час року. Іноді виділяється один, більш рясний опадами сезон, до якого здебільшого і приурочені паводки.
На переважній більшості річок максимальні витрати води утворюються за рахунок танення снігу, накопиченого за зиму в басейні, і спостерігаються під час найбільш інтенсивного сніготанення. Лише на порівняно невеликій частині території країни вони формуються за рахунок зливових дощів. До них відносяться річки Далекого Сходу, Чорноморського узбережжя Кавказу, Криму і частково Середньої Азії.
Під час весняної повені витрати води в річках збільшуються настільки, що нерідко в десятки і сотні разів перевищують величину середнього річного витрати води. Максимальні модулі стоку для ряду річок Європейської частини СРСР досягають в періоди повені 200-350 л / сек км 2 і більше (табл. 21).
Таблиця 21. Середні річні і максимальні модулі стоку деяких річок Європейської частини СРСР
На річках Азіатської частини СРСР максимальні модулі стоку в період весняної повені досягають приблизно таких же значень.
Як відомо, величина модуля стоку залежить від площі водозбору: чим більше басейн, тим менше його значення. Якщо взяти малі водозбори, наприклад балки степової смуги Європейської частини СРСР (басейн Дона), то найбільші модулі стоку на них в період весняної повені досягають значних величин, причому максимуми стоку можуть в 100 разів і більше перевищувати середній річний витрата; в табл. 22 наведено приклади значення максимальних модулів для двох балок, розташованих на Волго-Донському вододілі.
Таблиця 22. Максимальні модулі стоку двох балок, розташованих на Волго-Донському вододілі
Площа водозбору, км 2
Максимальний модуль стоку, л / сек км 2
У районах, де максимуми стоку формуються за рахунок сніготанення, паводки дощового походження зазвичай по висоті підйому води поступаються весняного водопілля. Це, однак, справедливо тільки щодо великих і середніх річок. Що стосується малих водотоків, то дощові максимуми на них можуть перевищувати підйоми води при весняних повенях. Чим менше площа басейну, тим більше інтенсивним зливою вона може бути охоплена. Існує, отже, певний межа площі водозбору, нижче якого вищими є дощові максимуми, а вище - снігові. У Європейській частині СРСР дощові максимуми можуть переважати, починаючи з наступної зразкових граничних значень площі водозбору:
в лісовій зоні - лише на незначних басейнах, площею в кілька квадратних кілометрів, іноді до 20-30 / км2;
в лісостеповій зоні - на невеликих річках з площею водозбору менше 100 км 2;
в степовій зоні - на річках з площею водозбору до 3000 - 5000 км 2.
На дуже малих водозборах степової зони Європейської частини СРСР зливові максимуми можуть бути досить значними. Як приклад можна навести такі дані про максимальні зливових модулях стоку на півдні України:
балка Вороб'ївка 43 км 2 650 л / с км 2
балка Олександрівна 0,4 29000
без назви 0,4 50000
без назви 0,5 75000
У районах з переважанням дощового харчування, як зазначено вище, найбільший стік в році спостерігається в період проходження дощових паводків. Максимуми снігового походження за своїми розмірами тут значно поступаються зливовим паводків.
В цьому відношенні особливо характерними є річки Далекого Сходу. Літні мусонні дощі, на відміну від злив Європейської частини СРСР, охоплюють тут відразу великі простори, тому дощові максимуми спостерігаються не тільки на малих водотоках, а й на річках з великими площами водозборів, включаючи і найбільшу водну артерію Далекого Сходу - Амур. Максимальні витрати дощових паводків для більшості річок цього району перевищують величину середньорічного витрати води в 6-10 разів, а на малих річках з площею водозбору 3000-5000 км 2 - в 25-50 разів і більше.
Значення максимальних витрат води вельми коливаються з року в рік в залежності від запасів снігу в басейнах річок, інтенсивності його танення і від інших причин. Спостереження показують, що більш стійкими є максимуми в районах надмірного зволоження з великою відносною водністю річок, а менш стійкі вони для водотоків посушливих районів. Так, наприклад, в Європейській частині СРСР коефіцієнт варіації Сv. є мірилом мінливості стоку, дорівнює:
На півночі Європейської частини СРСР - в басейнах Печори і Північної Двіни - 0,2
У Центральній частині - в басейні Верхньої Волги - 0,4
На південному сході - в степових і напівпустельних районах - 0,8-1,0
У той час як на півночі максимуми з року в рік близькі між собою, на півдні, в степовій зоні, максимуми окремих років можуть вельми відрізнятися.
Збільшення амплітуди коливань витрат на півдні пов'язано з більшою мінливістю умов, що визначають формування максимумів (запаси снігу, інтенсивність танення снігу, глибина промерзання і т. Д.).
Наїнізшие витрати води на річках СРСР спостерігаються в періоди літньої і зимової межені. У зимовий час майже всі річки переходять в основному на грунтове харчування і в результаті поступового виснаження запасів ґрунтових вод до кінця зимового періоду мають особливо низькою водністю. Влітку більшість річок (за винятком річок з повінню в теплу частину року, с. Переважанням дощового і льодовикового харчування) також пре майново харчується ґрунтовими водами, причому найбільш низький стік спостерігається зазвичай в найбільш спекотний час, коли, особливо великі втрати на випаровування. Співвідношення цих двох мінімумів стоку - зимового і літнього - таке, що в північних районах СРСР (в тундрової і лісової зонах), як правило, наинизшими в році є зимові витрати води, а в південних частинах країни (лісостепова, степова і напівпустельна зони) річної мінімум стоку падає переважно на кінець літа і осінь. Центральні райони (лісостеп) займають в цьому відношенні проміжне положення. Щонайнижчий річний стік тут може бути і влітку і взимку. Викладене можна ілюструвати на прикладі деяких річок Європейської частини СРСР (табл. 23).
Таблиця 23. Мінімальні модулі стоку на деяких річках Європейської частини СРСР
Відносна величина найменшого в році витрати річок (величина модуля мінімального стоку) в рівнинних областях, як наприклад в Європейській частині СРСР, закономірно падає в напрямку з півночі на південь разом зі зменшенням відносної водності річок. Цю закономірність, так само як і щодо норми річного стоку, можна уявити на карті у вигляді ізоліній мінімального стоку річок (рис. 32). На території Європейської частини СРСР, як показано на цій карті, величина мінімального стоку закономірно зменшується від 2 л / сек км 2 і більше на півночі до 1,0-0,5 в центральній частині і далі до 0,1 л / сек км 2 в степовій зоні на півдні. У південній частині степової зони і в напівпустельною зоні місцеві річки повністю пересихають, т. Е. Мінімальний їх стік дорівнює нулю. Особливо низьким мінімальним стоком відрізняються річки Східного Сибіру і Далекого Сходу, де при наявності вічної мерзлоти грунтове харчування виключно мало.
Мал. 32. Мінімальний стік річок Європейської частини СРСР (в л / сек км 2) (по В. А. Уриваєва).
Дослідження показують, що мінімальний стік реальних річкових басейнів часто дуже сильно відрізняється від стоку, отриманого по карті ізоліній мінімального стоку. Ці відхилення пояснюються тим, що мінімальний стік, крім кліматичних факторів, тісно пов'язаний з іншими особливостями водозбору і в першу чергу з геолого-грунтовими умовами або точніше - з умовами підземного живлення. Чим більше водоносними є породи, що складають водозбір, тим за інших рівних умов більше (вище) буде мінімальний стік. З двох однакових річок, розташованих в одних і тих же кліматичних умовах, басейн з піщаними грунтово-грунтами матиме більш високі мінімуми в порівнянні, наприклад з басейном, складеним глинистими і суглинними породами.
Не зовсім точним є прийняте при побудові карти ізоліній положення про незалежність величини мінімального стоку від площі водозбору. Насправді розмір водозбору помітно впливає на величину мінімального стоку: Qмин = f (F). Ця залежність проявляється в тому, що зі збільшенням площі водозбору, як правило, збільшується глибина ерозійного врізу річок. Зрозуміло, що чим глибше річка врізається в поверхню землі, тим більше зростає частка грунтового харчування. Характер залежності Qмин = f (F) такий, що спочатку мінімальний стік різко зростає зі збільшенням площі водозбору, потім, досягнувши певної межі (різного в тих чи інших умовах), величина водозбору майже не впливає на зміну стоку.
Мінімальний стік малих річок, на відміну від великих і середніх, часто буває дорівнює нулю внаслідок їх перемерзання взимку і пересихання в літні періоди. Імовірність пересихання або перемерзання видатків є більшою у річок з меншими водозборами; велике значення також має і тривалість цього явища.
Розглядаючи поширення явища пересихання і перемерзання річок на території СРСР, можна виділити три характерні області: північну, середню і південну.
Не слід думати, однак, що в зоні вічної мерзлоти зимою перемерзають і припиняють стік суцільно все малі і середні річки.
Насправді, навіть в умовах суворого клімату Східного Сибіру, зустрічаються річки не тільки не перемерзає, але навіть і не замерзають протягом всієї зими. Таке, на перший погляд парадоксальне явище пов'язане з виходами щодо теплих подмерзлотних вод, приуроченим до районів порівняно молодих розломів земної кори. У середній з трьох виділених областей, приблизно відповідної лісостеповій зоні, явища перемерзання і пересихання спостерігаються приблизно в однаковій мірі. Ці явища відзначаються тут на річках з площами водозборів до 500-1000 км 2.
Нарешті, південна область, відповідна приблизно степовій і напівпустельній зонам, відрізняється широко поширеним явищем пересихання річок. В її північній частині пересихають річки з площами водозборів в 500-1000 км 2. а в південній - до 3000-5000 км 2. У посушливих степах і напівпустельних районах пересихають такі річки, як Великий і Малий Узені, Кума і навіть Емба з площами водозборів до 50 000 км 2.
Розглянута в найзагальніших рисах закономірність зміни мінімального стоку річок СРСР найтіснішим чином пов'язана з зональністю грунтових вод.
Великі річки, що протікають через посушливі напівпустельні і пустельні простору, як-то: Урал, Аму-Дар'я, Сирдар'я, що не пересихають, але по дорозі втрачають значну частину свого стоку на випаровування і фільтрацію. Так, наприклад, Аму-Дар'я втрачає близько 25% своїх вод на шляху через Кара-Куми (включаючи і розбір на зрошення).
Різниця між найвищими і наинизшими витратами води за багаторічний період характеризує розмах коливань - амплітуду коливань витрат води, або ступінь природної зарегульованості стоку річок. Очевидно, що чим більш рівномірно розподілений стік в році, тим менше амплітуда коливань витрат води, і навпаки. Амплітуду коливань витрат води в річках можна характеризувати відношенням найбільшого наблюденного витрати до мінімуму: Qнаіб / Qнаім = К; величину К можна назвати коефіцієнтом природної зарегульованості.
У табл. 24 наведені дані про амплітудах коливань витрат води ряду великих річок СРСР і відповідні їм значення коефіцієнта К; ці дані показують, що в більшості випадків річки мають вкрай нерівномірний стік. Найбільшим розмахом коливань витрат води відрізняються річки зони вічної мерзлоти, де К досягає особливо великих значень; для Зеї, наприклад, він становить близько 9000. Це цілком зрозуміло, тому що тут Перемерзання піддаються навіть річки значних розмірів (Яна і ін.), а тому і мінімальний стік мізерно малий або дорівнює нулю; в останньому випадку величина К стає нескінченно великою або взагалі невизначеною.
Таблиця 24. Багаторічні амплітуди коливань витрат води деяких річок СРСР