Речной сток
Тема: ФАКТОРЫ РЕЧНОГО СТОКА
Лекция №5
1) перемещение воды в процессе ее круговорота в природе в форме стекания по речному руслу. Речной сток — главный элемент материкового звена глобального круговорота воды, основной показатель возобновляемых водных ресурсов той или иной территории;
2) количество воды, протекающее в речном русле за какой-либо период времени, из 47 тыс.км3 воды, ежегодно стекающей с материков в Мировой океан, 41,7 тыс.км3 приходится на речной сток (ледниковый 3,0 и подземный 2,2 тыс.км3);
3) в широком смысле — это сток воды, наносов, растворенных веществ и сток тепла (тепловой сток). Сток наносов состоит из стока взвешенных наносов, т.е. переносимых в толще речного потока во взвешенном состоянии, и стока влекомых наносов, переносимых потоком по речному дну во влекомом состоянии. Сток растворенных веществ— процесс переноса в речных системах растворенных в воде веществ и характеристика их количества (ионы солей, биогенные и органические вещества, газы и др.). Если имеется в виду, лишь сток растворенных минеральных веществ, употребляют термин "ионный сток". Тепловой сток — это процесс переноса вместе с речными водами тепла и его количественная характеристика. Сток воды — процесс, определяющий все другие виды перемещения вещества и энергии в речных системах, их носитель. В гидрологических исследованиях и расчетах расход воды — главная характеристика речной сток наряду с экстремальными значениями (максимальными и минимальными) часто используются расходы воды, осредненные за различные периоды времени (сутки, месяц, сезон, год и т.д.). Все остальные характеристики речной сток являются призводными от соответствующих расходов воды. Наиболее часто употребляются: объем стока, модуль стока, слой стока. Важной характеристикой в гидрологическом анализе служит коэффициент стока, представляющий собой отношение слоя стока к слою осадков, обусловивших возникновение стока. Р.с. является итогом взаимодействия сложного комплекса процессов, составляющих наземную часть круговорота воды в природе (см. речной бассейн). Ход во времени речной сток зависит от выпадения осадков и режима метеорологических элементов, формирующих состояние поверхности и почвогрунтов бассейна при относительно неизменных условиях, выражающих физико-географический характер водосбора. Ход во времени осадков и других метеорологических элементов отражает непрерывный процесс преобразования состояний атмосферы над речным бассейном. Турбулентность разного масштаба происходящих в атмосфере движений вызывает крайнюю неустойчивость метеоэлементов во времени и пространстве, что является, в конечном итоге, причиной вероятностного характера гидрометеорологических процессов, в том числе и речной сток. Вероятностная природа колебаний стока не исключает присутствия в них вполне выраженных динамических составляющих, связанных главным образом с годовым циклом метеорологических элементов, вызывающим ежегодное чередование гидрологических сезонов.
Динамические составляющие проявляются также и в многолетних колебаниях стока в связи с продолжительными тенденциями в изменении климата, а также в результате хозяйственной деятельности на водосборе. Динамические закономерности учитываются в виде зависимости стока от координаты времени (периодические сезонные колебания стока, долговременные тенденции повышенной или пониженной водности рек). Вероятностные закономерности отражаются в виде функций распределения вероятностей ожидаемых величин стока либо отклонений от оценочных значений, получаемых при учете динамических закономерностей. В практике гидрологических и водохозяйственных расчетов используются характерные расходы или объемы речного стока определенной вероятности ежегодного превышения (обеспеченности). Последняя оценивается в результате статистической обработки временных рядов ежегодных фазовооднородных величин стока (например, объем стока половодья — по одному значению за каждый год; минимальный суточный расход за зимний период; максимальный расход дождевых паводков; объем стока за летне-осенний сезон и т.д.).
В задачах, связанных с водообеспечением, основное значение имеют характеристики годового стока, используемые для оценки потенциальных водных ресурсов реки. Норму годового стока понимают как его среднее значение за многолетний период с неизменными ландшафтно-географическими условиями и с одним уровнем хозяйственной деятельности в бассейне реки. Норма стока имеет значение не только как показатель водных ресурсов речного бассейна или экономического района; являясь функцией среднемноголетних значений осадков и испарения, она представляет собой одну из важнейших гидрометеорологических характеристик географического ландшафта, отражающих свойственное ему соотношение тепла и влаги. Уравнение водного баланса речного бассейна относительно среднемноголетнего годового слоя стока
y = P – E ± DELTA U,
где Р и Е — среднемноголетние слои годовых осадков и испарения, у — русловой сток в замыкающем створе;
DELTA U — средняя многолетняя величина водообмена со смежными водосборами, не контролируемая гидрометрически (в размерности слоя стока).
Для полностью замкнутых водосборов у = Р – Е, для большинства бассейнов средних и больших рек это равенство соблюдается лишь как приближенное. Разница (Р – Е) называется "климатическим стоком", ее географические закономерности отражают более или менее плавные пространственные изменения гидротермических условий, что служит методической основой построения карт изолиний нормы годового стока (в слое или модуле стока) для средних рек.
С другой стороны, (Р – Е) выступает как климатический потенциал водных ресурсов, точнее ежегодно возобновляемых ресурсов поверхностных и подземных вод рассматриваемого речного бассейна или любой другой территории. Таким образом, фоновой (исходной) величиной водных ресурсов бассейна является климатический сток у, представляющий собой балансовую разницу между атмосферными осадками Р и суммарным испарением с поверхности водосбора Е, отражающий условия тепловлагобаланса территории. За счет климатического стока формируется поверхностная составляющая речного стока у пов и питание подземных вод в контурах бассейна U, которое, в свою очередь, формирует подземную составляющую речного стока у подз (дренируемая речной сетью бассейна часть подземных вод) и питание глубоких подземных вод в пределах рассматриваемого водосбора (– DELTA U). В зависимости от конкретной гидрогеологической обстановки знак может быть и положительным (+ DELTA U) — разгрузка глубоких подземных вод, область питания которых находится за пределами контура бассейна. Все факторы формирования речного стока по степени устойчивости относительно антропогенных воздействий можно разделить на консервативные, отражающие глобальные, крупнорегиональные, зональные и региональные закономерности пространственно-временного распределения элементов водного баланса речных бассейнов, и изменчивые локальные (местные), отражающие ландшафтную структуру бассейна и наиболее подверженные изменениям под влиянием антропогенной деятельности на водосборе. К консервативным относятся глобальные и крупнорегиональные климатические закономерности распределения тепла и влаги (термический режим тропосферы, перенос воздушных масс, адвекция тепла и влаги синоптических масштабов, интенсивность циклонической циркуляции); орографические особенности территории (экспозиция и диспозиция орографических структур, высота местности, пересеченность рельефа, уклоны склонов и др.); геологическое строение территории (фильтрационные свойства водовмещающих пород и их ярусность, плановое и высотное положение геологических структур, тип и распространение гидрогеологических структур и др.). К изменчивым факторам с большей или меньшей степенью условности можно отнести следующие компоненты ландшафтной структуры бассейна: растительность, почвы и всю зону аэрации, микрорельеф, гидрографическую сеть.
Антропогенные воздействия на ресурсы речного стока можно разделить на 4 основных типа:
1. Непосредственное изъятие русловых вод и сбросы использованных вод (коммунальное, промышленное и сельскохозяйственное водоснабжение, межбассейновые переброски стока). Водоснабжение, как правило, приводит к безвозвратным потерям стока небольших размеров, переброски — к увеличению или уменьшению в зависимости от их направления.
2. Изменение ландшафтной структуры бассейна, в основном приводящее к изменению суммарного испарения (агротехнические мероприятия и полезащитное лесоразведение, лесохозяйственные мелиорации, осушение болот и заболоченных земель, изменение гидрографической сети — пруды, водохранилища, каналы). Агротехнические мероприятия и полезащитное лесоразведение приводят к снижению стока на 1—5% на крупных реках, средних — до 25%, лесохозяйственные мелиорации — к снижению стока на 2—10%, осушение болот — к увеличению или уменьшению стока на средних реках до 10%. 1—2. Непосредственное изъятие русловых вод, сбросы в русловую сеть возвратных вод и изменение ландшафтной структуры бассейна (орошение земель). Масштабы снижения годового стока от нескольких процентов до его полного исчерпания.
3. Изменения ресурсов подземных вод и их взаимосвязей с речным стоком (водозаборы подземных вод, горнорудные разработки). Порядок изменений на малых и средних реках от нескольких процентов до нескольких десятков процентов — уменьшение или увеличение стока. 1—2—3.
4. Все типы воздействий (урбанизация территории). Влияние урбанизации, как правило, приводит к увеличению речного стока, масштабы — до нескольких десятков процентов (г. Москва — в 1,5 раза) за счет резкого улучшения условий стекания поверхностных вод, сбросов использованных подземных вод в русловую сеть, увеличения атмосферных осадков. Размеры антропогенных изменений отдельных характеристик речного стока, минимальный и максимальный сток приходится рассматривать дифференцированно из-за различий влияющих факторов. Для минимальных расходов более важны условия формирования и динамики подземного стока в реки, для максимальных — условия водообразования, стекания по склонам и добегания вод по русловой сети до замыкающего створа. Наиболее сильное влияние на экстремальные величины речного стока и его внутригодовое распределение оказывает строительство водохранилищ.