Влияние физико-географических факторов на величину речного стока

Учение о стоке составляет часть речной гидрологии, в которой рассматриваются процессы, происходящие в бассейне реки и определяющие ее водоносность. Другая часть речной гидрологии, или собственно гидрология рек (потамология), рассматривает процессы, происходящие в русле реки (законы формирования русла, движение паводков, движение наносов и др.).

Сток является результирующим элементом водного баланса, имеющим значение не только для рек, но и для озер и болот. Поэтому учение о стоке можно рассматривать как раздел общей гидрологии суши, в котором исследуются законы, определяющие водность рек, озер и болот [28].

Особенно велика роль учения о стоке в условиях обширной территории России, обладающей огромным количеством рек, непосредственные измерения на которых гидрометрическими методами невозможны. Поэтому важное значение приобретает изучение законов формирования и распределения стока во времени и в пространстве на основе обобщения наблюдений сравнительно небольшого числа опорных гидрометрических пунктов.

Учение о стоке имеет не только большое практическое, но и теоретическое значение.

При изучении сложной проблемы формирования стока приходится сталкиваться с рядом вопросов, охватывающих основные проблемы не только гидрологии, но и смежных с ней дисциплин. К ним относятся вопросы поверхностного и подземного стекания, инфильтрации и питания грунтовых вод, закономерности формирования ливневых осадков, скорости продвижения паводков и др.

Учение о стоке можно по справедливости назвать центральной проблемой гидрологии, имеющей наибольшее как практическое, так и теоретическое значение.

Ещё в 1884 г. в своей известной работе «Климаты земного шара, в особенности России» профессор А. И. Воейков указал на связь водоносности рек с климатическими факторами. «Результатом осадков, – писал он, – являются источники и реки, которые возвращают избыток воды или в океаны, или во внутренние бассейны. С них вода опять испаряется и снова совершает свой круговорот. При прочих равных условиях страна будет тем богаче текучими водами, чем обильнее осадки и чем менее испарение как с поверхности почвы и вод, так и растений. Таким образом, реки можно рассматривать как продукт климата» [28].

Эта формула о связи водоносности рек с климатом была уточнена Э. М. Ольдекопом в работе «Об испарении с поверхности речных бассейнов». На основании анализа данных по ряду бассейнов России и Западной Европы Ольдекоп пришел к выводу, что «формулы более общего характера, которые позволяли бы вычислять на основании данных об осадках и других метеорологических элементах величину испарения и стока для различных бассейнов, не прибегая к непосредственным измерениям стока», возможны и что, «если не требуется особой точности, можно ограничиваться введением в формулу одних лишь климатических факторов, тем более что влияние физико-геологических факторов, по существу дела, трудно поддается математической формулировке» [28].

Однако она относится лишь к одной характеристике стока, именно к норме годового стока, и, следовательно, должна быть дополнена и расширена в отношении влияния географического ландшафта на все прочие характеристики стока.

Что касается нормы годового стока, то утверждение Воейкова-Ольдекопа о преимущественном влиянии климатических составляющих географического ландшафта на средний сток верно лишь для той группы бассейнов, в которых водотоки полностью дренируют осадки, выпадающие на поверхность бассейна и стекающие поверхностным и подземным путем, и к которым применимо уравнение баланса влаги в простейшем виде

у0 = х0 – z0, (1)

где у0, х0 и z0 – средние многолетние величины стока, осадков и испарения.

К этой группе бассейнов, представляющих с точки зрения водного баланса «замкнутые» бассейны, относятся водосборы всех постоянно текущих рек зоны как достаточного, так и недостаточного увлажнения. В этой группе бассейнов средняя годовая величина стока зависит от средних годовых величин осадков и испарения, т.е. от климатических, вернее, гидрометеорологических компонентов географического ландшафта. Все остальные элементы географического ландшафта (почвы, растительный покров, рельеф, озера и болота), а также гидрографические факторы (размер бассейна, его конфигурация), которые можно объединить одним термином – «факторы подстилающей поверхности», влияют на средний сток лишь постольку, поскольку они влияют на осадки и испарение, что непосредственно следует из приведенного уравнения баланса влаги (1).

При определении количественного влияния факторов подстилающей поверхности на величину среднего годового стока речных бассейнов с полным, или замкнутым, водным балансом нужно различать, с одной стороны, реки, расположенные в зоне достаточного увлажнения, и, с другой стороны, реки, расположенные в зоне неустойчивого и недостаточного увлажнения [20].

Хотя в обеих зонах преобладает влияние климатических факторов, но в зоне недостаточного увлажнения небольшое изменение величины испарения (на 5 – 10 мм за весенний или годовой период) под влиянием местных факторов подстилающей поверхности (например, под влиянием характера почв или агротехники) может оказаться значительным по отношению к величине стока, которая в полупустынных районах часто снижается до 10 – 20 мм и ниже. Поэтому в зоне недостаточного увлажнения, и особенно в засушливых районах, влияние местных физико-географических факторов, или факторов подстилающей поверхности, на величину среднего годового или весеннего стока даже относительно больших по размеру бассейнов может быть весьма существенным и во многих случаях может выражать явную зависимость от уклона, характера почв и других местных факторов. Однако во всех этих случаях влияние рельефа или среднего уклона и характера почв на норму годового или весеннего стока, по существу, является косвенным, так как выражается изменением величины среднего стока благодаря изменению величины снегозапасов и потерь на испарение и инфильтрацию в грунт.

К другой группе речных бассейнов, именно бассейнов, в которых водотоки питаются только поверхностными водами и не дренируют осадков, стекающих в виде подземных вод, уравнение водного баланса в простейшем виде (1) неприменимо, так как на связь стока с гидрометеорологическими факторами в этих бассейнах накладывается непосредственное влияние факторов подстилающей поверхности, часто маскирующее влияние климатических факторов.

Таким образом, средний многолетний речной сток в замкнутых речных бассейнах является функцией средних многолетних величин осадков и испарения, т.е. гидрометеорологических компонентов географического ландшафта, отражающих то соотношение тепла и влаги, которое свойственно данной географической зоне. Все остальные элементы ландшафта или факторы подстилающей поверхности, влияют на средний сток лишь постольку, поскольку они влияют на величину осадков и испарения, автоматически учитывающих влияние этих факторов. Как правило, изменение величины среднего стока под влиянием подстилающей поверхности, особенно в районах достаточного увлажнения, не превышает ±(10 ÷ 25) %.

Сказанное относится в основном к среднему годовому стоку за многолетний период и в некоторой степени к среднему сезонному стоку, т.е. к средним характеристикам стока за такие отрезки времени, на которые не влияет время добегания поверхностного стока и для которых разность запасов влаги на начало и конец периода может быть принята в среднем равной нулю.

В остальных характеристиках стока по мере уменьшения периода осреднения (например, при переходе от года к сезону, месяцу и суткам) все более заметна роль подстилающей поверхности, определяющей время добегания осадков к замыкающему створу. Поэтому чем меньше период осреднения стока, тем большее число факторов влияет на сток. Так, например, на величину стока за отдельный годовой период или сезон влияют, кроме климатических элементов, также и другие физико-географические составляющие ландшафта, определяющие время добегания подземных вод к створу и величину разности запасов влаги в бассейне на начало и конец периода [28].

Влияние этих факторов усиливается по мере уменьшения периода осреднения стока, и уже на максимальный или минимальный суточный сток (а тем более мгновенный) влияние прочих (кроме климатических) элементов географического ландшафта является преобладающим и непосредственным.

Таким образом, следует дать более расширенную формулировку влияния географического ландшафта на речной сток.

Речной сток является функцией комплекса условий, составляющих географический ландшафт. Соотношение влияний различных элементов ландшафта (т.е. климатических и подстилающей поверхности) на сток зависит как от характера водотока и его географического положения, так и от характеристики стока, о которой идет речь, и периода осреднения.