Максимальные и минимальные расходы воды
На реках СССР различают два вида явлений, при которых наблюдаются большие расходы воды в течение года, - половодье и паводки.
Под половодьем понимается повышенная водность рек весной во время снеготаяния. Характерной особенностью половодья, является его регулярность (ежегодное повторение), приуроченность к определенному времени (весна) и охват одновременно или с небольшим сдвигом во времени больших районов.
Паводки - явление дождевого, преимущественно ливневого, происхождения. Они более кратковременны, чем половодья, и могут наблюдаться в любое время года. Иногда выделяется один, более обильный осадками сезон, к которому большей частью и приурочены паводки.
На подавляющем большинстве рек максимальные расходы воды образуются за счет таяния снега, накопленного за зиму в бассейне, и наблюдаются во время наиболее интенсивного снеготаяния. Лишь на сравнительно небольшой части территории страны они формируются за счет ливневых дождей. К ним относятся реки Дальнего Востока, Черноморского побережья Кавказа, Крыма и отчасти Средней Азии.
Во время весеннего половодья расходы воды в реках увеличиваются настолько, что нередко в десятки и сотни раз превышают величину среднего годового расхода воды. Максимальные модули стока для ряда рек Европейской части СССР достигают в периоды половодья 200-350 л/сек км2 и более (табл. 21).
Таблица 21. Средние годовые и максимальные модули стока некоторых рек Европейской части СССР
| Река | Пункт | Площадь водосбора, км2 | Число лет наблюдений | Средний годовой модуль стока л/с с км2 | Максимальный модуль стока | Ммакс/М0 |
| Тихвинка | Горелуха | 9,4 | ||||
| Западная Двина | Витебск | 8,3 | ||||
| Волга | Калинин | 7,3 | ||||
| Ока | Орел | 4,2 | ||||
| Днепр | Смоленск | 6,9 | ||||
| Дон | Гремячье | 3,8 |
На реках Азиатской части СССР максимальные модули стока в период весеннего половодья достигают примерно таких же значений.
Как известно, величина модуля стока зависит от площади водосбора: чем больше бассейн, тем меньше его значение. Если взять малые водосборы, например балки степной полосы Европейской части СССР (бассейн Дона), то наибольшие модули стока на них в период весеннего половодья достигают значительных величин, причем максимумы стока могут в 100 раз и более превосходить средний годовой расход; в табл. 22 в качестве примера приведены значения максимальных модулей для двух балок, расположенных на Волго-Донском водоразделе.
Таблица 22. Максимальные модули стока двух балок, расположенных на Волго-Донском водоразделе
| Балка | Площадь водосбора, км2 | Максимальный модуль стока, л/сек км2 |
| № 1 №2 | 9,3 12,8 | 1710 1250 |
В районах, где максимумы стока формируются за счет снеготаяния, паводки дождевого происхождения обычно по высоте подъема воды уступают весеннему половодью. Это, однако, справедливо только в отношении больших и средних рек. Что касается малых водотоков, то дождевые максимумы на них могут превышать подъемы воды при весенних половодьях. Чем меньше площадь бассейна, тем более интенсивным ливнем она может быть охвачена. Существует, следовательно, некоторый предел площади водосбора, ниже которого более высокими являются дождевые максимумы, а выше - снеговые. В Европейской части СССР дождевые максимумы могут преобладать, начиная со следующих примерных предельных значений площади водосбора:
в лесной зоне - лишь на незначительных бассейнах, площадью в несколько квадратных километров, иногда до 20-30 /км2;
в лесостепной зоне - на небольших реках с площадью водосбора менее 100 км2;
в степной зоне - на реках с площадью водосбора до 3000 - 5000 км2.
На очень малых водосборах степной зоны Европейской части СССР ливневые максимумы могут быть весьма значительными. В качестве примера можно привести следующие данные о максимальных ливневых модулях стока на юге Украины:
балка Воробьевка 43 км2 650 л/сек км2
балка Александровна 0,4 29000
без названия 0,4 50000
без названия 0,5 75000
В районах с преобладанием дождевого питания, как отмечено выше, наибольший сток в году наблюдается в период прохождения дождевых паводков. Максимумы снегового происхождения по своим размерам здесь значительно уступают ливневым паводкам.
В этом отношении особенно характерными являются реки Дальнего Востока. Летние муссонные дожди, в отличие от ливней Европейской части СССР, охватывают здесь сразу обширные пространства, поэтому дождевые максимумы наблюдаются не только на малых водотоках, но и на реках с большими площадями водосборов, включая и самую большую водную артерию Дальнего Востока - Амур. Максимальные расходы дождевых паводков для большинства рек этого района превышают величину среднегодового расхода воды в 6-10 раз, а на малых реках с площадью водосбора 3000-5000 км2 - в 25-50 раз и более.
Особенно высокие максимумы стока характерны для рек Приморья. На реке Майхэ, например, наивысший модуль стока достигал 655 л/сек км2, а на Лянчихэ (43 км2) - 6300 л/сек км2.
Значения максимальных расходов воды весьма колеблются из года в год в зависимости от запасов снега в бассейнах рек, интенсивности его таяния и от других причин. Наблюдения показывают, что более устойчивыми являются максимумы в районах избыточного увлажнения с большой относительной водностью рек, а менее устойчивы они для водотоков засушливых районов. Так, например, в Европейской части СССР коэффициент вариации Сv, являющийся мерилом изменчивости стока, равен:
На севере Европейской части СССР - в бассейнах Печоры и Северной Двины - 0,2
В Центральной части - в бассейне Верхней Волги - 0,4
На юго-востоке - в степных и полупустынных районах - 0,8-1,0
В то время как на севере максимумы из года в год близки между собой, на юге, в степной зоне, максимумы отдельных лет могут весьма разниться.
Увеличение амплитуды колебаний расходов на юге связано с большей изменчивостью условий, определяющих формирование максимумов (запасы снега, интенсивность таяния снега, глубина промерзания и т. д.).
Наинизшие расходы воды на реках СССР наблюдаются в периоды летней и зимней межени. В зимнее время почти все реки переходят в основном на грунтовое питание и в результате постепенного истощения запасов грунтовых вод к концу зимнего периода обладают особенно низкой водностью. Летом большинство рек (за исключением рек с половодьем в теплую часть года, с. преобладанием дождевого и ледникового питания) также прет имущественно питается грунтовыми водами, причем наиболее низкий сток наблюдается обычно в наиболее жаркое время, когда ,особенно велики потери на испарение. Соотношение этих двух минимумов стока - зимнего и летнего - таково, что в северных районах СССР (в тундровой и лесной зонах), как правило, наинизшими в году являются зимние расходы воды, а в южных частях страны (лесостепная, степная и полупустынная зоны) годовой минимум стока падает преимущественно на конец лета и осень. Центральные районы (лесостепь) занимают в этом отношении промежуточное положение. Наинизший годовой сток здесь может быть и летом и зимой. Изложенное можно иллюстрировать на примере некоторых рек Европейской части СССР (табл. 23).
Таблица 23. Минимальные модули стока на некоторых реках Европейской части СССР
| Район | Река | Пункт | Среднемесячный минимальный модуль стока, л/сек км2 | |
| зимний | летний | |||
| Лесная зона То же То же | Суна Мета Ловать | Пор-Порог Потерпелицы Холм | 4,0 1,7 1,4 | 5,9 2,4 1,3 |
| Лесостепная и степная зоны То же | Оскол Сорокине | Бузулук Байгоровка | 1,8 1,3 | 0,13 0,05 |
Относительная величина наименьшего в году расхода рек (величина модуля минимального стока) в равнинных областях, как например в Европейской части СССР, закономерно падает в направлении с севера на юг вместе с уменьшением относительной водности рек. Эту закономерность, так же как и в отношении нормы годового стока, можно представить на карте в виде изолиний минимального стока рек (рис. 32). На территории Европейской части СССР, как показано на этой карте, величина минимального стока закономерно уменьшается от 2 л/сек км2 и более на севере до 1,0-0,5 в центральной части и далее до 0,1 л/сек км2 в степной зоне на юге. В южной части степной зоны и в полупустынной зоне местные реки полностью пересыхают, т. е. минимальный их сток равен нулю. Особенно низким минимальным стоком отличаются реки Восточной Сибири и Дальнего Востока, где при наличии вечной мерзлоты грунтовое питание исключительно мало.
Рис. 32. Минимальный сток рек Европейской части СССР (в л/сек км2) (по В. А. Урываеву).
Исследования показывают, что минимальный сток реальных речных бассейнов часто очень сильно отличается от стока, полученного по карте изолиний минимального стока. Эти отклонения объясняются тем, что минимальный сток, помимо климатических факторов, тесно связан с другими особенностями водосбора и в первую очередь с геолого-почвенными условиями или точнее - с условиями подземного питания. Чем более водоносными являются породы, слагающие водосбор, тем при прочих равных условиях больше (выше) будет минимальный сток. Из двух одинаковых рек, расположенных в одних и тех же климатических условиях, бассейн с песчаными почво-грунтами будет иметь более высокие минимумы по сравнению, например с бассейном, сложенным глинистыми и суглинистыми породами.
Не совсем точным является принятое при построении карты изолиний положение о независимости величины минимального стока от площади водосбора. В действительности размер водосбора заметно влияет на величину минимального стока: Qмин = f(F). Эта зависимость проявляется в том, что с увеличением площади водосбора, как правило, увеличивается глубина эрозионного вреза рек. Понятно, что чем глубже река врезается в поверхность земли, тем более возрастает доля грунтового питания. Характер зависимости Qмин = f(F) таков, что вначале минимальный сток резко возрастает с увеличением площади водосбора, затем, достигнув некоторого предела (различного в тех или иных условиях), величина водосбора почти не влияет на изменение стока.
Минимальный сток малых рек, в отличие от больших и средних, часто бывает равен нулю вследствие их перемерзания зимой и пересыхания в летние периоды. Вероятность пересыхания или перемерзания водотоков является большей у рек с меньшими водосборами; большое значение также имеет и длительность данного явления.
Рассматривая распространение явления пересыхания и перемерзания рек на территории СССР, можно выделить три характерные области: северную, среднюю и южную.
Северная область, соответствующая примерно лесной и тундровой зонам, отличается тем, что здесь преобладает перемерзание рек, тогда как пересыханию подвержены лишь мелкие водотоки. В пределах данной области на территории Европейской части СССР перемерзают реки с площадями водосбора до 100 км2. Широко распространено явление перемерзания также и в Азиатской части СССР, в зоне вечной мерзлоты. Так, на территории Восточной Сибири перемерзают до дна не только малые реки, но даже такие, как Яна, Индигирка, Вилюй, имеющие площади водосбора до 200000 км2 и более. На Дальнем Востоке перемерзает Шияка у г. Сретенска (F = 172000 км2) и ряд других рек, причем продолжительность явления достигает 6-7 месяцев.
Не следует думать, однако, что в зоне вечной мерзлоты зимою перемерзают и прекращают сток сплошь все малые и средние реки.
В действительности, даже в условиях сурового климата Восточной Сибири, встречаются реки не только не перемерзающие, но даже и не замерзающие в течение всей зимы. Такое, на первый взгляд парадоксальное явление связано с выходами относительно теплых подмерзлотных вод, приуроченными к районам сравнительно молодых разломов земной коры. В средней из трех выделенных областей, приблизительно соответствующей лесостепной зоне, явления перемерзания и пересыхания наблюдаются примерно в одинаковой мере. Эти явления отмечаются здесь на реках с площадями водосборов до 500-1000 км2.
Наконец, южная область, соответствующая приблизительно степной и полупустынной зонам, отличается широко распространенным явлением пересыхания рек. В ее северной части пересыхают реки с площадями водосборов в 500-1000 км2, а в южной - до 3000-5000 км2. В засушливых степях и полупустынных районах пересыхают такие реки, как Большой и Малый Узени, Кума и даже Эмба с площадями водосборов до 50 000 км2.
Рассмотренная в самых общих чертах закономерность изменения минимального стока рек СССР теснейшим образом связана с зональностью грунтовых вод.
Большие реки, протекающие через засушливые полупустынные и пустынные пространства, как-то: Урал, Аму-Дарья, Сыр-Дарья, не пересыхают, но по пути теряют значительную часть своего стока на испарение и фильтрацию. Так, например, Аму-Дарья теряет около 25% своих вод на пути через Кара-Кумы (включая и разбор на орошение).
Разница между наивысшими и наинизшими расходами воды за многолетний период характеризует размах колебаний - амплитуду колебаний расходов воды, или степень естественной зарегулированности стока рек. Очевидно, что чем более равномерно распределен сток в году, тем меньше амплитуда колебаний расходов воды, и наоборот. Амплитуду колебаний расходов воды в реках можно характеризовать отношением наибольшего наблюденного расхода к наименьшему: Qнаиб/Qнаим = К; величину К можно назвать коэфициентом естественной зарегулированности.
В табл. 24 приведены данные об амплитудах колебаний расходов воды ряда больших рек СССР и соответствующие им значения коэфициента К; эти данные показывают, что в большинстве случаев реки имеют крайне неравномерный сток. Наибольшим размахом колебаний расходов воды отличаются реки зоны вечной мерзлоты, где К достигает особенно больших значений; для Зеи, например, он составляет около 9000. Это вполне понятно, так как здесь перемерзанию подвергаются даже реки значительных размеров (Яна и др.), а потому и минимальный сток ничтожно мал или равен нулю; в последнем случае величина К становится бесконечно большой или вообще неопределенной.
Таблица 24. Многолетние амплитуды колебаний расходов воды некоторых рек СССР
| Река | Пункт | Площадь водосбора км2 | Расход воды, м3/сек | |||
| средний годовой | наибольший | наименьший | Qнаиб/Qнаим | |||
| Северная Двина | Абрамково | |||||
| Печора | Оксино | |||||
| Волга | Ярославль | |||||
| Реки, сток которых зарегулирован озерами | ||||||
| Нева | Петрокрепость | 6,5 | ||||
| Свирь | Мятусово | |||||
| Волхов | Гостинополье | |||||
| Вуокса | Иматра | 5,6 | ||||
| Ангара | Пашки | 5,9 |
В засушливых районах значения К также велики; так, например, у Южного Буга величина этого коэффициента равна 1612. Объясняется это малым летним стоком и пересыханием малых рек (Большой и Малый Узени, Эмба, Кума и др.); и в этом случае значение К становится неопределенным.
Наименьшим размахом колебаний расходов обладают реки лесной зоны (вне распространения вечной мерзлоты), где наблюдается относительно высокий сток в летнюю и зимнюю межень, например Волга. Относительно невелики колебания расходов на горных реках, особенно у тех, которые имеют ледниковое питание.
Огромное регулирующее влияние на сток оказывают озера, сильно уменьшая размах его колебаний. Под влиянием озерного регулирования максимальный сток весьма снижается, а минимальный, наоборот, повышается, в результате чего величина К резко уменьшается. Это особенно отчетливо видно не примере таких типичных озерных рек, как Нева, Свирь, Вуокса, Ангара, у которых максимальный расход воды всего в 5-10 раз больше минимального за многолетний период. При уменьшении степени озерности бассейна регулирующее влияние на сток сильно падает. Примером может служить р. Волхов, вытекающая из значительно меньшего по размерам площади и мелководного оз. Ильмень, регулирующее влияние которого незначительно.