2. Классификация рек по видам питания

У каждой реки доля отдельных видов питания может быть различной. Определение в каждом конкретном случае вклада раз­личных видов питания в речной сток — задача исключительно слож­ная. Наиболее точно ее можно решить либо с применением «мече­ных атомов», т. е. путем радиоактивной «маркировки» вод различ­ного происхождения, либо путем анализа изотопного состава при­родных вод. Более простой, но приближенный способ выделения различных видов питания — это графическое расчленение гидро­графа (см. разд. 6.8.4).

Известный русский климатолог А. И. Воейков был первым, пред­ложившим классификацию рек земного шара по видам питания. Классификация Воейкова одновременно была и районированием земного шара по характеру питания рек. Были выделены области, где реки получают питание преимущественно от таяния сезонного снега и ледников; области, где реки получают воду преимуществен­но от дождей; области, где постоянных водотоков нет.

В настоящее время более распространена классификация рек по источникам, или видам питания, М. И. Львовича. Для определения степени преобладания того или иного вида питания приняты три градации. Если один из видов питания дает более 80 % годового стока реки, следует говорить об исключительном значении данного вида питания (другие виды питания не учитываются). Если на долю данного вида питания приходится от 50 до 80 % стока, то этому виду питания придается преимущественное значение (другие виды питания учитываются лишь, если на их долю приходит­ся больше 10 % годового стока). Если же ни один из видов питания не дает больше 50 % годового стока, то такое питание называют сме­шанным. Указанные диапазоны градаций (80 и 50 %) относятся ко всем видам питания, кроме ледникового. Для ледникового пита­ния соответствующие диапазоны градаций уменьшены до 50 и 25 %.

Большая часть рек на территории бывшего СССР имеет преоб­ладающее снеговое питание. Почти исключительно снеговое пита­ние имеют реки Северного Казахстана и Заволжья. Реки дождевого питания занимают южную часть территории к востоку от Байкала, а также бассейны Яны и Индигирки, Черноморское побережье Кавказа и Крыма, Северный Кавказ. Ледниковое питание имеют реки на Кавказе и в Средней Азии.

4. Расходование воды в бассейне реки

Поступающие на поверхность бассейна дождевые воды, а также талые снеговые и ледниковые воды частично стекают в виде по­верхностного (склонового и речного) стока, а частично расходуются на испарение и инфильтрацию.

Потери атмосферных вод на испарение признаются для данного речного бассейна безвозвратными, так как считается, что они уносят­ся за пределы бассейна воздушными потоками. Воды, поступившие в грунт в результате инфильтрации, считаются «потерями» лишь для данного участка водосбора и для конкретного дождя или пери­ода снеготаяния. Они затем поступят в речное русло в процессе питания реки подземными водами.

Испарение с водной поверхности по своей величине приближа­ется к испаряемости z₀, т. е. максимально возможному при данных климатических условиях испарению, зависящему от радиационного баланса. Испарение с водной поверхности тем больше, чем меньше влажность воздуха (и больше дефицит влажности) и больше ско­рость ветра.

Величина годового испарения с водной поверхности для терри­тории бывшего СССР зависит от природной зоны и в среднем равна: в тундре 200—350 мм, в лесной зоне 350—650, в степной зоне 650—1000, в полупустыне и пустыне 1000—1800 мм. Эти ве­личины и составляют потери речного стока на испарение с поверх­ности водотоков (рек и каналов) и водоемов (озер и водохранилищ).

Испарение с водной поверхности в конкретных условиях может быть определено с помощью метода водного баланса с учетом ве­личины снижения в результате испарения уровня воды в естествен­ном водоеме или искусственном испарителе (см. разд. 2.2), с по­мощью метода теплового баланса путем расчета теплоты, затрачен­ной на испарение воды (см. разд. 2.4), с помощью эмпирических формул. Среди последних широко используется формула Б. Д. Зай- кова:

Z = 0,14w(e_o- е₂₀о)(1 +0,72Ж₂₀₀), (6.13)

где z — испарение, мм; е₀ — среднее значение максимальной упру­гости водяного пара, вычисленное по температуре поверхности воды в водоеме, гПа; е_ш — средняя упругость водяного пара (абсолютная влажность воздуха) на высоте 200 см над водоемом, гПа; W₂₀₀ — средняя скорость ветра на высоте 200 см над водоемом, м/с; п — число суток в расчетном интервале времени. В формуле (6.13) разность упругостей водяного пара е₀ - е_ш может быть заменена величиной, пропорциональной дефициту влажности воздуха cD_m).

Испарение с поверхности снега и льда зависит от тех же факто­ров, что и испарение с водной поверхности, но вследствие низкой температуры испаряющей поверхности значительно менее интен­сивно. Оно составляет за зиму всего 20—30 мм, т. е. в десятки раз меньше испарения с поверхности воды.

Для измерения испарения с поверхности снега применяют спе­циальные испарители, при этом используется весовой метод. На практике же обычно применяют эмпирическую зависимость, ана­логичную формуле (6.13).

Испарение с поверхности почвы, не покрытой растительностью, определяется метеорологическими условиями и интенсивностью поступления воды к поверхности почвы из более глубоких слоев грунта. При этом испарение осуществляется не только непосред­ственно с поверхности почвы, но и с частиц ниже поверхности почвы и с «капиллярной каймы». Испарение с поверхности почвы обычно тем больше, чем больше влажность почвы, дефицит влаж­ности воздуха и скорость ветра. Оно возрастает после дождей и при повышении уровня грунтовых вод.

Потери воды на испарение с поверхности почвы могут быть определены с помощью почвенного испарителя. Объем испарив­шейся с почвы воды рассчитывают по изменению массы почвен­ного монолита, помещенного в испаритель.

Физиологическое испарение растительным покровом (транспира­ция) включает три стадии: поглощение корневой системой расте­ний почвенной влаги, подъем воды по стеблям, испарение с поверх­ности листьев. С увеличением глубины корневой системы растений и увеличением размеров листьев и густоты лиственного покрова транспирация увеличивается.

Интенсивность транспирации зависит и от типа растительно­сти. Разные растения расходуют различные объемы воды на испа­рение. У них различно и отношение массы испаряемой ими воды к массе прироста сухого вещества, называемое транспирационным коэффициентом. Этот коэффициент характеризует так называемое продуктивное испарение. Он наибольший у риса, наименьший — у хвойных деревьев.

За вегетационный период растения могут испарять значительные объемы воды. Так, годовой слой испарения для пшеницы составляет 250—300 мм, березы — 150—200, хвойных деревьев — 150—300 мм.

Величина транспирации может быть определена следующим образом с помощью почвенного испарителя. Измеряют отдельно суммарное испарение с поверхности почвы и растительности (в этом случае монолит почвы имеет живые растения) и испарение с поверхности почвы под растениями (в этом случае измеряют испарение с монолита почвы, над которым подвешены срезанные растения, чем достигается естественная затененность почвы). Раз­ница в величинах испарения, определенного двумя описанными способами, даст величину транспирации.

Суммарное испарение складывается из испарения с поверхности почвы, транспирации и испарения с крон деревьев (последние два вида испарения часто учитывают совместно). Суммарное испарение играет наиболее важную роль в определении потерь стока в преде­лах речных бассейнов, и его расчету в гидрологии уделяют наи­большее внимание.

Для определения суммарного испарения используют две группы методов. В первой из них применяют зависимости среднего мно­голетнего годового суммарного испарения z от годовых осадков х и испаряемости z₀- М. И. Будыко предложил максимально возмож­ное испарение, т. е. испаряемость z₀, выражать через среднее мно­голетнее годовое значение радиационного баланса R и удельную теплоту испарения 1_ИСП. Уравнение Будыко связывает величину испарения с величинами осадков, радиационного баланса и тепло­той испарения: z=/(x, R, Ь_исп). Для разных географических пунк­тов такая связь получается разной в зависимости от величины R, определяемой в основном солнечной радиацией, изменяющейся с изменением широты места (см. рис. 3.1).

Вторая группа методов основана на использовании эмпириче­ских связей, например средних годовых и месячных величин сум­марного испарения с соответствующими значениями температуры и влажности воздуха (метод А. Р. Константинова).

На территории бывшего СССР суммарное испарение изменяет­ся в зависимости от климатических условий местности (количества осадков и радиационного баланса). В среднем для различных при­родных зон характерны такие величины годового суммарного испа­рения: тундра и лесотундра — 100—300 мм, лесная зона — 300—500, лесостепь и степь — 300—500, полупустыня — 150—300 мм.

Чем суше климат, тем больше разница между испаряемостью, или предельно возможным испарением, и фактическим суммарным испарением. В тундре испарение приближается к испаряемости, в пустынях при крайне малых атмосферных осадках оно намного меньше испаряемости. В Сахаре, например, при испаряемости 2000— 2500 мм фактическое испарение менее 100 мм.

Инфильтрация в речных бассейнах зависит от поступления дож­девых или талых вод и от фильтрационных свойств подстилающих Фунтов. Механизм инфильтрации был подробно описан в разде­ле 5.4. Роль инфильтрации в водном балансе участка речного бас­сейна была рассмотрена в разд. 5.5.1. В отдельные периоды на инфильтрацию может расходоваться значительно больше воды, чем на испарение. Интенсивность инфильтрации во многом зависит от состояния грунта. Она уменьшается с увеличением влажности грун­та и при его промерзании.