Водные ресурсы стран мира. Речной сток и его характеристики

В процессе их стекания по водосбору (поверхностным, внутрипочвенным, грунтовым путем) и в сети. Речной сток образуется под влиянием комплекса факторов (климатических и свойств подстилающей поверхности), роль и вклад которых в формирование его различных характеристик неодинаковы, что зависит не только от вида (годовой, сезонный, максимальный, минимальный), но и продолжительности осреднения стока (текущий, средний, многолетний).

Характер распределения поверхностного стока повторяет распределение полного речного стока. На Европейской части России и в Западной Сибири четко выражена широтная зональность поверхностного стока. Величина речного стока убывает от 500 мм на севере и от 300 мм в зоне тундры Европейской части России и Западной Сибири до величин менее 10 мм в районах Черноморского и побережий. На большей части страны основная часть поверхностного стока формируется в период весеннего половодья и стекает в течение одного–двух месяцев. На Дальнем Востоке и в ряде других районов эту часть стока формируют летние осадки.

В Восточной Сибири и на Дальнем Востоке на распределение поверхностного стока оказывает существенное влияние рельеф. Еще в большей мере это относится к Кавказу.

В распределении подземного стока преобладают закономерности широтной зональности и высотной поясности. При этом морфология подземных вод, условия их выхода в речные долины тесно связаны с .

В ряде случаев происходит естественная переброска подземных вод из одного речного бассейна в другой, но масштаб этих нарушений единства вод данного речного бассейна, за отдельными исключениями, невелик. Так, имеющая место значительная утечка воды из бассейна реки Дон в реку Днепр через Донецко-Днепровский арте-зианский бассейн оценивается величиной 6–8 мм, что в целом не выходит далеко за пределы точности расчетов водного баланса.
Зона самых высоких значений подземного стока в реки (более 75 мм) приурочена к средней и северной тайге. Южнее питание рек уменьшается, главным образом, в связи с ростом испарения. На границе сухой степи и полупустыни приток подземных вод в реки практически отсутствует.

Абсолютные значения подземного стока на равнинных территориях Крайнего Севера невелики, особенно в областях сплошного распространения многолет- немерзлых пород - менее 10 мм в год, а его доля в речном стоке не превышает 5 %. В этих областях подземные воды, дренируемые реками, развиты, в основном, в зоне сезонного протаивания и в меньшей мере связаны с подрусловыми таликами речных долин. Разгрузка подмерзлотных вод может происходить только по сквозным таликовым участкам в долинах крупных рек: Обь, Надым, Пур, Таз. Поэтому даже такая большая река, как , зимой пересыхает («промерзает»).

На возвышенностях и в горных районах возрастают осадки и речной сток. Граница между поверхностным и подземным стоком в горных районах выражена менее четко. Появляются такие источники питания как ледники и высокогорные снежники.

В целом средняя многолетняя величина ресурсов речного стока для Российской Федерации составляет около 4348 км3 в год. Большая часть этого объема формируется в пределах территории России и менее 5 % речного стока поступает транзитом с территорий сопредельных государств.

28.07.2015

Колебания речного стока и критерии его оценки. Речным стоком называют перемещение воды в процессе ее кругооборота в природе, когда она стекает по речному руслу. Речной сток определяется количеством воды, протекающим по речному руслу за определенный промежуток времени.
На режим стока оказывают влияние многочисленные факторы: климатические - осадки, испарение, влажность и температура воздуха; топографические - рельеф местности, форма и размеры речных бассейнов и почвенно-геологические, включая растительный покров.
Для любых бассейнов, чем больше осадков и меньше испарение, тем больше сток реки.
Установлено, что с возрастанием площади водосбора продолжительность весеннего половодья также увеличивается, гидрограф же имеет более вытянутую и «спокойную» форму. В легко проницаемых грунтах больше фильтрация и меньше сток.
При выполнении различных гидрологических расчетов, связанных с проектированием гидротехнических сооружений, мелиоративных систем, систем водоснабжения, мероприятий по борьбе с наводнениями, дорог и т. д., определяют следующие основные характеристики речного стока.
1. Расход воды - это объем воды, протекающий через рассматриваемый створ в единицу времени. Средний расход воды Qcp рассчитывают как среднее арифметическое из расходов за данный промежуток времени Т:

2. Объем стока V - это объем воды, который протекает через заданный створ за рассматриваемый промежуток времени T

3. Модуль стока M - это расход воды, приходящийся на 1 км2 площади водосбора F (или стекающей с единицы площади водосбора):

В отличие от расхода воды модуль стока не связан с конкретным створом реки и характеризует сток в целом с бассейна. Средний многолетний модуль стока M0 не зависит от водности отдельных лет, а определяется только географическим положением бассейна реки. Это позволило районировать нашу страну в гидрологическом отношении и построить карту изолиний среднемноголетних модулей стока. Эти карты приводятся в соответствующей нормативной литературе. Зная площадь водосбора какой-либо реки и определив для нее по карте изолиний величину M0, можно установить средний многолетний расход воды Q0 этой реки по формуле

Для близко расположенных створов реки модули стока можно принять постоянными, то есть

Отсюда по известному расходу воды в одном створе Q1 и известным площадям водосборов в этих створах F1 и F2, расход воды в другом створе Q2 может быть установлен по соотношению

4. Слой стока h - это высота слоя воды, которая бы получилась при равномерном распределении по всей площади бассейна F объема стока V за определенный промежуток времени:

Для среднего многолетнего слоя стока h0 весеннего половодья составлены карты изолиний.
5. Модульный коэффициент стока К - это отношение любой из выше приведенных характеристик стока к ее среднеарифметическому значению:

Эти коэффициенты могут быть установлены для любых гидрологических характеристик (расходов, уровней, осадков, испарения и т.д.) и для любых периодов стока.
6. Коэффициент стока η - это отношение слоя стока к слою выпавших на водосборную площадь осадков х:

Этот коэффициент может быть выражен также через отношение объема стока к объему осадков за один и тот же промежуток времени.
7. Норма стока - наиболее вероятная средняя многолетняя величина стока, выраженная любой из вышеприведенных характеристик стока за многолетний период. Для установления нормы стока ряд наблюдений должен быть не менее 40...60 лет.
Норма годового стока Q0 определяется по формуле

Так как на большинстве водомерных постов число лет наблюдений обычно менее 40, то необходимо проверить, достаточно ли этого числа лет для получения достоверных значений нормы стока Q0. Для этого вычисляют среднеквадратическую ошибку нормы стока по зависимости

Продолжительность периода наблюдений достаточна, если величина среднеквадратической ошибки σQ не превышает 5 %.
На изменение годового стока преимущественное влияние оказывают климатические факторы: осадки, испарение, температура воздуха и т. д. Все они взаимосвязаны и, в свою очередь, зависят от ряда причин, которые имеют случайный характер. Поэтому гидрологические параметры, характеризующие сток, определяются совокупностью случайных величин. При проектировании мероприятий по лесосплаву необходимо знать значения этих параметров с необходимой вероятностью их превышения. Например, при гидравлическом расчете лесосплавных плотин необходимо установить максимальный расход весеннего паводка, который может быть превышен пять раз за сто лет. Эту задачу решают, используя методы математической статистики и теории вероятности. Для характеристики величин гидрологических параметров - расходов, уровней и т. д. используют понятия: частота (повторяемость) и обеспеченность (продолжительность).
Частота показывает, во скольких случаях за рассматриваемый период времени величина гидрологического параметра находилась в определенном интервале. Например, если среднегодовой расход воды в заданном створе реки изменялся за ряд лет наблюдений от 150 до 350 м3/с, то можно установить, сколько раз значения этой величины находились в интервалах 150...200, 200...250, 250...300 м3/с и т. д.
Обеспеченность показывает, во скольких случаях величина гидрологического элемента имела значения, равные и большие определенной величины. В широком понимании обеспеченность - это вероятность превышения данной величины. Обеспеченность какого-либо гидрологического элемента равна сумме частот вышерасположенных интервалов.
Частота и обеспеченность могут выражаться числом случаев, но в гидрологических расчетах их чаще всего определяют в процентах от общего числа членов гидрологического ряда. Например, в гидрологическом ряду двадцать значений среднегодовых расходов воды, шесть из них имели величину, равную или большую 200 м3/с, это значит, что этот расход обеспечен на 30 %. Графически изменения частоты и обеспеченности изображаются кривыми частоты (рис. 8а) и обеспеченности (рис. 8б).

В гидрологических расчетах чаще используют кривую обеспеченности. Из этой кривой видно, что чем больше величина гидрологического параметра, тем меньше процент обеспеченности, и наоборот. Поэтому принято считать, что годы, для которых обеспеченность стока, то есть среднегодовой расход воды Qг, меньше 50 % являются многоводными, а годы с обеспеченностью Qг больше 50 % - маловодными. Год с обеспеченностью стока 50 % считают годом средней водности.
Обеспеченность водности года иногда характеризуют ее средней повторяемостью. Для многоводных лет повторяемость показывает, как часто встречаются в среднем годы данной или большей водности, для маловодных - данной или меньшей водности. Например, среднегодовой расход многоводного года 10%-ной обеспеченности имеет среднюю повторяемость 10 раз в 100 лет или 1 раз в 10 лет; средняя повторяемость маловодного года 90%-ной обеспеченности также имеет повторяемость 10 раз в 100 лет, так как в 10 % случаев среднегодовые расходы будут иметь меньшие значения.
Годы определенной водности имеют соответствующее наименование. В табл. 1 для них приведены обеспеченность и повторяемость.

Связь между повторяемостью у и обеспеченностью р может быть записана в таком виде:
для многоводных лет

для маловодных лет

Все гидротехнические сооружения для регулирования русла или стока рек рассчитываются по водности года определенной обеспеченности, гарантирующей надежность и безаварийность работы сооружений.
Расчетный процент обеспеченности гидрологических показателей регламентируется «Инструкцией по проектированию лесосплавных предприятий».
Кривые обеспеченности и способы их расчета. В практике гидрологических расчетов применяются два способа построения кривых обеспеченности: эмпирический и теоретический.
Обоснованный расчет эмпирической кривой обеспеченности можно выполнить только при числе наблюдений за стоком реки более 30...40 лет.
При расчете обеспеченности членов гидрологического ряда для годового, сезонного и минимального стоков можно использовать формулу Н.Н. Чегодаева:

Для определения обеспеченности максимальных расходов воды применяют зависимость С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля:

Порядок построения эмпирической кривой обеспеченности:
1) все члены гидрологического ряда записываются в убывающем по абсолютной величине порядке;
2) каждому члену ряда присваивается порядковый номер, начиная с единицы;
3) определяется обеспеченность каждого члена убывающего ряда по формулам (23) или (24).
По результатам расчета строят кривую обеспеченности, подобную той, которая представлена на рис. 8б.
Ho эмпирические кривые обеспеченности обладают рядом недостатков. Даже при достаточно длительном периоде наблюдений нельзя гарантировать, что этот интервал охватывает все возможные максимальные и минимальные значения стока реки. Расчетные значения обеспеченности стока 1...2 % не надежны, так как достаточно обоснованные результаты можно получить только при числе наблюдений за 50...80 лет. В связи с этим, при ограниченном периоде наблюдений за гидрологическим режимом реки, когда число лет менее тридцати, или при полном их отсутствии, строят теоретические кривые обеспеченности.
Исследования показали, что распределение случайных гидрологических величин наиболее хорошо подчиняется уравнению кривой Пирсона III типа, интегральное выражение которой является кривой обеспеченности. Пирсоном получены таблицы для построения этой кривой. Кривая обеспеченности может быть построена с достаточной для практики точностью по трем параметрам: среднеарифметическому значению членов ряда, коэффициентам вариации и асимметрии.
Среднеарифметическое значение членов ряда вычисляется по формуле (19).
Если число лет наблюдений менее десяти или наблюдения вообще не проводились, то среднегодовой расход воды Qгcp принимают равным среднему многолетнему Q0, то есть Qгcp = Q0. Величина Q0 может быть установлена при помощи модульного коэффициента K0 или модуля стока M0, определенного по картам изолиний, так как Q0 = M0*F.
Коэффициент вариации Cv характеризует изменчивость стока или степень колебания его относительно среднего значения в данном ряду, он численно равен отношению среднеквадратической ошибки к среднеарифметическому значению членов ряда. На величину коэффициента Cv оказывают существенное влияние климатические условия, тип питания реки и гидрографические особенности ее бассейна.
При наличии данных наблюдений не менее чем за десять лет коэффициент вариации годового стока вычисляют по формуле

Величина Cv меняется в широких пределах: от 0,05 до 1,50; для лесосплавных рек Cv = 0,15...0,40.
При коротком периоде наблюдений за стоком реки или при их полном отсутствии коэффициент вариации можно установить по формуле Д.Л. Соколовского:

В гидрологических расчетах для бассейнов с F > 1000 км2 также используют карту изолиний коэффициента Cv, если суммарная площадь озер не более 3 % площади водосбора.
В нормативном документе СНиП 2.01.14-83 для определения коэффициента вариации неизученных рек рекомендуется обобщенная формула К.П. Воскресенского:

Коэффициент асимметрии Cs характеризует несимметричность ряда рассматриваемой случайной величины относительно ее среднего значения. Чем меньшая часть членов ряда превышает величину нормы стока, тем больше величина коэффициента асимметрии.
Коэффициент асимметрии может быть рассчитан по формуле

Однако эта зависимость дает удовлетворительные результаты только при числе лет наблюдений n > 100.
Коэффициент асимметрии неизученных рек устанавливается по соотношению Cs/Cv для рек-аналогов, а при отсутствии достаточно хороших аналогов принимаются средние отношения Cs/Cv по рекам данного района.
Если невозможно установить отношение Cs/Cv по группе рек-аналогов, то значения коэффициента Cs для неизученных рек принимаются по нормативным соображениям: для бассейнов рек с коэффициентом озерности более 40 %

для зон избыточного и переменного увлажнения - арктической, тундровой, лесной, лесостепной, степной

Для построения теоретической кривой обеспеченности по приведенным выше трем ее параметрам - Q0, Cv и Cs - пользуются методом, предложенным Фостером - Рыбкиным.
Из выше приведенного соотношения для модульного коэффициента (17) следует, что средняя многолетняя величина стока заданной обеспеченности - Qp%, Мр%, Vp%, hp% - может быть рассчитана по формуле

Модульный коэффициент стока года заданной обеспеченности определяется по зависимости

Определив ряд любых характеристик стока за многолетний период различной обеспеченности, можно по этим данным построить и кривую обеспеченности. При этом все расчеты целесообразно вести в табличной форме (табл. 3 и 4).

Способы расчета модульных коэффициентов. Для решения многих водохозяйственных задач необходимо знать распределение стока по сезонам или месяцам года. Внутригодовое распределение стока выражают в виде модульных коэффициентов месячного стока, представляющих отношения среднемесячных расходов Qм.ср к среднегодовому Qг.ср:

Внутригодовое распределение стока различно для лет разной водности, поэтому в практических расчетах определяют модульные коэффициенты месячного стока для трех характерных лет: многоводного года 10%-ной обеспеченности, среднего по водности - 50%-ной обеспеченности и маловодного - 90%-ной обеспеченности.
Модульные коэффициенты месячного стока можно установить по фактическим знаниям среднемесячных расходов воды при наличии данных наблюдений не менее чем за 30 лет, по реке-аналогу или по типовым таблицам распределения месячного стока, которые составлены для разных бассейнов рек.
Среднемесячные расходы воды определяют, исходя из формулы

(33): Qм.cp = KмQг.ср

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 какой-либо территории;

2) количество воды, протекающее в речном русле за какой-либо период времени, из 47 тыс.км 3 воды, ежегодно стекающей с материков в Мировой океан, 41,7 тыс.км 3 приходится на речной сток (ледниковый 3,0 и подземный 2,2 тыс.км 3);

3) в широком смысле - это сток воды, наносов, растворенных веществ и сток тепла (тепловой сток). Сток наносов состоит из стока взвешенных наносов, ᴛ.ᴇ. 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.). В случае если имеется в виду, лишь сток растворенных минœеральных веществ, употребляют термин "ионный сток". Тепловой сток - это процесс переноса вместе с речными водами тепла и его количественная характеристика. Сток воды - процесс, определяющий всœе 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: объём 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 т.ч. 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 распределœения вероятностей ожидаемых величин стока либо отклонений от оценочных значений, получаемых при учете динамических закономерностей. В практике гидрологических и водохозяйственных расчетов используются характерные расходы или объёмы речного стока определœенной вероятности ежегодного превышения (обеспеченности). Последняя оценивается в результате статистической обработки временных рядов ежегодных фазовооднородных величин стока (к примеру, объём стока половодья - по одному значению за каждый год; минимальный суточный расход за зимний период; максимальный расход дождевых паводков; объём стока за летне-осœенний 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) принято называть "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. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, 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 счёт климатического стока формируется поверхностная составляющая речного стока у пов и питание подземных вод в контурах бассейна U, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ, 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). Учитывая зависимость отконкретной гидрогеологической обстановки знак должна 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 распределœения 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 распределœения 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 базовых 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 исходя из 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 (ᴦ. Москва - в 1,5 раза) за счёт 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 распределœение оказывает строительство водохранилищ.

Водные ресурсы составляют национальное богатство нашей страны. По суммарному годовому стоку Россия занимает одно из ведущих мест в мире.

Для выполнения расчетов водопотребления, распределения водных ресурсов между различными отраслями народного хозяйства и при решении других практических задач в гидрологии используются следующие количественные характеристики стока.

Объем стока W , м 3 – это количество воды, протекающее через рассматриваемый створ водотока за какой либо период времени Т . Наибольший интерес представляет объем годового стока, для которого Т=31.56  10 6 с .

Слой стока y, мм – количество воды, стекающей с водосбора за какой либо промежуток времени, выраженное в виде слоя, равномерно распределенного по площади бассейна.

Расход воды Q, м/c – объем воды, протекающей через поперечное сечение потока (живое сечение ) за единицу времени. Средний расход воды за время Т определяется выражением

(2.7)

Модуль стока М, л/c/км – есть частное от деления расхода воды на площадь водосборного бассейна. Модуль стока показывает, какой объем воды стекает с единицы площади водосбора за единицу времени

(2.8)

Коэффициент стока – отношение слоя стока к слою осадков

(2.9)

Из этих характеристик в практике инженерных расчетов наиболее широко применяются расход воды Q и норма стока W о – средний за многолетие годовой объем стока. Измерения стока, выполняемые на реках длительное время (более 100 лет ), показывают, что его величина подвержена значительным колебаниям. При этом расход воды в реке изменяется как в течение календарного года – т.е. существует внутригодовое распределение стока, так и из года в год. Первый вид колебания стока обусловлен в основном питанием реки и будет рассмотрен ниже.

Режим стока определяется климатом и группой физико-географических факторов. К ним относятся рельеф, почвенно-грунтовый и растительный покров, наличие озер и болот на территории бассейна. В последнее время сток испытывает все большее влияние человеческой деятельности.

Основным фактором формирования стока являются климатические условия. Размеры стока и его изменения в течение года и за многолетний период в основном определяются количеством осадков, испарением, влажностью воздуха и др. В областях избыточного увлажнения осадки имеют определяющее значение в формировании годового стока (р. Нева имеет коэффициент стока 0.70 ). В районах со значительным испарением зависимость стока от осадков выражается слабее (р. Дон – коэффициент стока 0.16 ).

Ежегодно речной сток проходит один и тот же цикл изменений. Между тем, даты наступления фаз колебаний и значения расходов воды изменяются в многолетнем ряду. Изменяется вместе с ними годовой объем стока. Эти колебания обусловлены значительным числом факторов и сток может рассматриваться как случайный процесс. Для определения характерных расходов воды – максимального, минимального и среднегодового используется аппарат математической статистики.

Влияние человеческой деятельности – антропогенное воздействие на природу приводит к нарушению естественных процессов формирования стока. Водохранилища вносят сильные изменения во внутригодовое распределение стока. Однако при этом уменьшается также средний годовой сток за счет испарения с поверхности воды. Наиболее ощутимо изменение годового стока после создания водохранилищ в засушливых районах. Еще больше потери стока в районах орошаемого земледелия. Сток снижается в результате коммунального и промышленного водоснабжения, а также за счет агротехнических и лесомелиоративных мероприятий.

В настоящее время особую тревогу вызывает не ограниченность водных ресурсов в целом по стране, а резкое ухудшение качества воды. Ответственность за это несут практически все водопользователи: промышленность, транспорт, сельское хозяйство и другие отрасли. Поэтому проблема обеспечения человека чистой водой и проблема сохранения фауны рек, озер и морей приобрели сейчас глобальный характер. Охрана водных ресурсов является одной из важнейших задач в охране окружающей среды.

Сток в широком смысле - это главный элемент материкового звена глобального круговорота вещества и энергии. Сток включает поверхностную и подземную части. Поверхностный сток, в свою очередь, состоит из речного стока и стока льда покровных ледников.

Речной сток включает сток воды, сток наносов, сток растворенных веществ и сток теплоты.

Сток воды (водный сток) - это одновременно и процесс стекания воды в речных системах и характеристика количества стекающей воды. Сток воды - один из важнейших физико-географических и геологических факторов; изучение стока воды - главная задача гидрологии суши. Называть сток воды «жидким стоком» не рекомендуется.

Сток наносов - это процесс перемещения наносов в речных системах и характеристика количества перемещающихся в реках наносов. Сток наносов состоит из стока взвешенных наносов (наносов, переносимых в толще речного потока во взвешенном состоянии) и стока влекомых наносов (наносов, переносимых потоком по речному дну во влекомом состоянии). Сток наносов называть «твердым стоком» не рекомендуется.

Сток растворенных веществ - это процесс переноса в речных системах растворенных в воде веществ и характеристика их количества. Растворенные в речных водах вещества - это ионы солей, биогенные и органические вещества, газы и др. Иногда сток растворенных веществ называют ионным стоком или стоком солей (при этом имеется в виду лишь сток растворенных минеральных веществ).

Сток теплоты (тепловой сток) - это процесс переноса вместе с речными водами теплоты и его количественная характеристика .

Очевидно, что главнейшая составляющая речного стока - сток воды, без которого невозможны и другие виды стока. Сток воды - процесс, определяющий все другие виды перемещения вещества и энергии в речных системах, их движущая сила. Сток же наносов, растворенных веществ и теплоты зависит как от стока воды (носителя других компонентов речного стока) и его количественных характеристик, так и от содержания наносов, растворенных веществ и теплоты в единице стока воды.

Об основных природных и антропогенных факторах, определяющих сток воды, уже много говорилось выше, в частности, когда речь шла о питании рек. Это, прежде всего, факторы климатические, а также факторы подстилающей поверхности и хозяйственная деятельность человека. Рассмотрим основные количественные характеристики самого стока воды, применяемые в гидрологии: расход воды, объем стока, слой стока, модуль стока, коэффициент стока, модульный коэффициент.

Главнейшая характеристика стока воды реки - это расход воды , т. е. объем воды, протекающей через поперечное сечение потока в единицу времени (Q , м 3 /с). Измерениями определяют лишь средний расход воды в данном гидрометрическом створе за время измерения (на больших реках это может быть интервал времени, измеряемый часами). Процесс измерения расходов воды на реках довольно трудоемок, и поэтому число измерений в течение года обычно ограничено. Для расчета средних суточных величин расхода воды в практической гидрологии обычно используют графики связи уровней воды и расходов воды. По таким графикам (их называют кривыми расходов, или графиками Q =fiji )) расходы воды могут быть определены по данным об уровнях для любого дня вне зависимости от того, измерялся в этот день сам расход воды или нет. По полученным таким образом средним суточным расходам воды можно построить гидрограф. К числу характерных расходов воды относят расходы различных фаз водного и ледового режима реки, например максимальные (пиковые) расходы воды половодья и паводков, минимальные расходы воды межени, расходы воды в начале весеннего ледохода и т. д.

Расходы воды реки подвержены непрерывным изменениям. В гидрологии рек существуют два основных подхода при анализе их изменений. При первом - генетическом - анализируют причины изменения стока, выявляют связь колебаний стока с определяющими, в основном климатическими, факторами. При втором - вероятностном - оценивают вероятность наступления на данной реке тех или иных расходов воды: чем больше отличается расход воды реки в данный момент в большую или меньшую сторону от некоторой средней величины («нормы»), тем меньше вероятность такого явления. В гидрологии разработана целая система специальных методов статистической и вероятностной оценки колебаний речного стока при наличии, недостатке и отсутствии данных наблюдений . В гидрологии широко используют понятие среднего расхода воды за какой-либо интервал времени At (декаду, месяц, сезон, год, ряд лет). Такие расходы воды рассчитывают по формулам вида:

где Qi - средние суточные расходы воды; п - число суток в рассматриваемом интервале времени. Так, например, средний годовой расход воды в обычный (невисокосный) год определяют путем суммирования всех средних суточных расходов воды за год и деления суммы на 365. Точно так же средний многолетний расход воды (его часто называют «нормой стока» и обозначают через Q 0) определяют по формуле:

где Qi - средние годовые расходы воды; N- число лет.

Предполагается, что норма стока представляет собой устойчивую величину, т. е. средняя арифметическая величина, вычисленная за достаточно длительный период, остается постоянной независимо от прибавления новых членов к вариационному ряду. Понятие об устойчивости нормы стока является не совсем верным . Климатические факторы на больших пространствах не остаются неизменными в течение длительных периодов, не только доисторических, но и исторических. Эти колебания носят циклический характер с длительностью циклов около 1800 лет; влажные циклы сменяются засушливыми и на смену последним вновь приходят влажные. Помимо циклических колебаний стока, вызванных циклическими же колебаниями климатических факторов, изменения стока вызываются хозяйственной деятельностью человека. Эти изменения носят обычно односторонне направленный характер. Учитывая циклические колебания стока, принято считать нормой годового стока среднюю арифметическую его величину, вычисленную за длительный период, включающий не менее двух полных циклов колебаний стока. Цикл состоит из двух фаз водности - многоводной и маловодной.

Объем стока воды - это объем воды, прошедшей через данное поперечное сечение речного потока за какой-либо интервал времени. Расход воды поэтому можно считать объемом стока воды за 1 с.

Объем стока воды рассчитывают по формуле:

где W - объем стока, м 3 ; Q - средний расход воды за интервал времени At (Q в м 3 /с, At в с). Для больших рек W часто удобнее выразить в км 3 (особенно если речь идет о годовых величинах).

Слой стока - это количество воды, стекающее с водосбора за какой-либо интервал времени, равное толщине слоя, равномерно распределенного по площади водосбора и выраженного в миллиметрах. Эту величину удобно представлять как количество воды, численно равное толщине слоя, который получится, если объем стока за какой-либо период равномерно распределить по площади бассейна. В зависимости от единиц измерения объема стока рассчитывается следующим образом:

где у - слой стока, мм; F - площадь бассейна, км 2 .

Модуль стока воды - это количество воды, стекающее с единицы площади водосбора в единицу времени. Модуль стока воды обычно обозначают через М, л/(с-км 2), и рассчитывают по формуле:

где Q - любой расход воды (как мгновенный, например максимальный, так и средний за интервал времени At)

Коэффициент стока - отношение величины (объема или слоя) стока к количеству выпавших на площадь водосбора атмосферных осадков, обусловивших возникновение этого стока:

где у и х в мм, 7и1вм 3 или км 3 . Коэффициент стока обычно рассчитывают для средних многолетних величин слоя стока и слоя осадков, либо для гидрологического года. Иногда рассчитывают коэффициент стока и за половодье; в этом случае слой стока за половодье делят на слой воды, складывающийся из атмосферных осадков на период половодья и запасов воды в снежном покрове, накопившемся за предшествующую зиму. Коэффициент стока величина безразмерная, изменяющаяся от 0 до 1.

Модульный коэффициент К может быть получен из отношений:

K,=Q,/Q a =M i /M 0 =W l /W 0 = /у 0 , (2.19)

где соответственно Q h M h W h y t - сток за какой-либо период; Q 0 , М 0 , W 0 , уо - сток за многолетний период, или норма стока. В маловодные годы К К > 1. Характеристики стока могут быть рассчитаны отдельно для подземной и поверхностной составляющих, например модуль поверхностного стока и модуль подземного стока .