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. В ее основу положено два признака – источники питания и сезонное распределение стока. 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, и ему придается наименование «почти исключительно» (другие виды питания не учитываются). Если на долю данного вида питания приходится от 50 до 80 % стока, то этому виду питания придается наименование «преимущественно» (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 %. Такие же градации приняты для характеристики сезонов года, преобладающих по относительным размерам стока в сравнении с годовым.
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.
Вопросами классификации рек по водному режиму занимались многие исследователи. Широко распространена довольно простая классификация рек по водному режиму Б.Д. Зайкова. В этой классификации все реки бывшего СССР (исключая искусственно или естественно сильно зарегулированные) разделены на три большие группы: с весенним половодьем, с половодьем в теплую часть года и с паводочным режимом. У рек первой и второй групп ежегодно наблюдаются повышенные расходы воды, приуроченные, соответственно, к весне или к теплой части года. В остальную часть года наблюдаются межень и отдельные паводки. У рек третьей группы отмечаются паводки, носящие систематический характер.
Реки с весенним половодьем, обусловленным таянием снежного покрова, наиболее распространены на территории бывшего СССР. Реки этой группы подразделены Зайковым на пять типов. У рек казахстанского типа (рис. 1.7а) наблюдается исключительно резкая и высокая волна половодья, а в остальную часть года сток бывает очень мал, вплоть до полного пересыхания рек. Реки восточноевропейского типа (рис. 1.7 б) характеризуются высоким весенним половодьем, низкой летней и зимней меженью, несколько повышенным стоком осенью. Реки западносибирского типа (рис. 1.7 в) имеют невысокое растянутое весеннее половодье и повышенный летне-осенний сток. У рек восточносибирского типа (рис. 1.7 г) наблюдаются высокое половодье, летне-осенние паводки и низкая зимняя межень. Для рек алтайского типа (рис. 1.7 д) характерны невысокое растянутое весеннее половодье, повышенный летний сток и низкая зимняя межень.
Рис. 1.7. Гидрографы рек с весенним половодьем
типы а – казахстанский, б – восточноевропейский, в – западносибирский, г – восточносибирский, д – алтайский. Изменения расходов воды в течение года даны относительно его среднего годового значения.
Реки с половодьем в теплую часть года встречаются на Дальнем Востоке и в высокогорных областях Средней Азии и Кавказа. Реки этой группы подразделяются на два типа. Для рек дальневосточного типа (рис. 1.8 а) характерны невысокое, растянутое, имеющее гребенчатый вид летнее дождевое половодье и низкий сток в холодную часть года.
Рис. 1.8. Гидрографы рек с половодьем в теплую часть года
типы а – дальневосточный, б – тянь-шанский (I-XII-месяцы)
Реки тянь-шанского типа (рис. 1.8 б) также имеют летнее половодье (только в этом случае оно обусловлено таянием ледников и высокогорных снегов); зимний сток выше, чем у рек предыдущего типа.
Реки с паводочным режимом протекают в горных и предгорных районах Крыма, Кавказа, Карпат. Питание у рек этой группы в основном дождевое. Среди этих рек выделяют три типа. Реки причерноморского типа (рис. 1.9 а) имеют дождевые паводки в течение всего года. У рек крымского типа (рис. 1.9 б) отмечаются зимние паводки и длительные летний (июнь – август) или летне-осенний (май – октябрь) периоды с очень низким стоком (вплоть до полного пересыхания). Для рек северокавказского типа (рис. 1.9 в) характерны паводки в теплую и низкая межень в холодную части года.
Рис 1.9. Гидрографы рек с паводочным режимом
типы а – причерноморский, б – крымский, в – северокавказский (I-XII - месяцы)
П.С. Кузин предложил свою классификацию рек с учетом характера их питания и водного режима. Все реки им подразделены на три типа: с половодьем (снеговое питание), с половодьем и паводками (снеговое и дождевое питание), с паводками (дождевое питание). Заметим, что, по П.С. Кузину, половодье может быть лишь снегового происхождения. Летние половодья рек муссонного климата, вызванные ливневыми дождями отнесены к категории паводков. Внутри упомянутых трех типов выделены еще 14 подтипов [1]. Дополнительно выделен четвертый (азональный) тип – реки с преобладанием подземного питания, характеризующиеся равномерным режимом стока в течение года.
1.6. Основные количественные характеристики речного стока
Рассмотрим теперь основные количественные характеристики самого стока воды, применяемые в гидрологии: расход воды, объем стока, слой стока, модуль стока, коэффициент стока.
Главнейшая характеристика стока воды реки – это расход воды, т.е. объем воды, протекающей через поперечное сечение потока в единицу времени (Q, м3/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, измерение которых трудностей не представляет, и эпизодически измеренных расходов воды. По таким графикам (их называют «кривыми расходов» или графиками Q = f(H)) 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. Такие расчеты оказываются необходимыми при проектировании и строительстве различных гидротехнических сооружений на реках.
В гидрологии широко используют понятие среднего расхода воды за какой-либо интервал времени ∆t (декаду, месяц, сезон, год, ряд лет). Такие расходы воды рассчитывают по формулам вида
, (1.10)
где Qi - средние суточные расходы воды; n - 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.
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. Также можно сказать, что объем стока это количество воды (в м3), стекающее с площади бассейна за год (или часть года). Объем стока воды рассчитывают по формуле:
(1.11)
где W – объем стока, м3; – средний расход воды за интервал времени ∆t (Q в м3/с, ∆t в с). Для больших рек W часто удобнее выразить в км3 (особенно если речь идет о годовых величинах). В этих условиях применяют формулу
W (км3) = ∆t 10-9 (1.12)
В тех случаях, когда интервал времени ∆t – год (в году 31,5•106 с), вместо формул (1.11) и (1.12) записывают
W (м3) = 31,5 106 (1.13)