Понятие питания подземных вод для гидрологии

Для питания подземных вод имеет значение не только количество атмосферных осадков, но и частота их выпа­дения, интенсивность и, наконец, другие климатические и физико-географические условия. Летние ливни не играют большой роли в питании подземных вод, так как они бурно стекают в овраги и реки, очень мало промачивая почву. А осенние мелкие обложные дожди проникают в почву очень глубоко. Снег, выпадающий на мокрую промерзшую почву, не влияет на питание подземных вод, так как при весеннем снеготаянии талая вода не имеет возможности просочиться в глубь почвы. Если снег выпадает на талую или промерзшую сухую почву, то в нее при весеннем снего­таянии обильно просачиваются воды.

Физико-географические условия местности отражаются прежде всего на стоке осадков. Как уже указывалось выше, часть атмосферных осадков испаряется, часть про­никает в почву и питает подземные воды, а часть их стекает по неровностям местности в пониженные участки. Сток атмосферных осадков особенно интенсивен, если рельеф местности обладает значительными неровностями, поверх­ность земли сложена непроницаемыми для воды породами и на них отсутствует растительность. В этих случаях осадки (особенно ливневые) иногда целиком стекают, не успев ни просочиться в землю, ни испариться хотя бы отчасти в воздух. Сток совершается особенно неравномерно, если осадки выпадают в виде снега. В течение зимы часть снега испаряется, не переходя в жидкое состояние. Весной снеготаяние зависит от колебания температуры: если теплые дни сменяются морозными ночами, то сток талых вод затягивается на довольно продолжительное время, и поло­водье на реках бывает продолжительным; если же теплые дни сменяются не морозными ночами, то паводок на реках проходит бурно в короткий срок.

Равнинный ландшафт, сложенный легко впитываю­щими воду горными породами, весьма затрудняет сток, содействуя просачиванию осадков в почву и их испа­рению.

Замеряя систематически сток реки и всех ее притоков, подсчитывают сток с бассейна реки в целом. Не надо при этом забывать, что, кроме поверхностного стока, суще­ствует и подземный сток, при котором бассейн данной реки может либо терять свои воды, отдавая их подземным путем из соседнего бассейна.

Миграция подземного потока воды из одного (расположен­ного выше) речного бассейна в другой

где 1 — водоупорные толщи, 2 — водоносная толща, 3 — направление подзем­ного потока

Испарению содействует прежде всего интенсив­ная инсоляция(нагревание солнцем). В южных странах, где летом поверхность земли нагревается до 70° С и выше, выпавший летний дождик почти весь испаряется. Испарение совершается значительно  сильнее при ветре, нежели в безветренную погоду.

В конечном итоге на просачивание идет сравнительно очень небольшая доля осадков. Для южной половины европейской части России просачивание едва ли превышает 20% годового количества осадков.

Большое значение в смысле изоляции почвы от осадков имеет растительность и в особенности древесная. Некоторые наблюдения показывают, что в хвойных лесах на деревьях задерживается до 68% осадков, а на лиственных дере­вьях — не менее 30%. Если дожди слабые, то и все 100% остаются на листве и хвое.

Роль древесных пород в задержании осадков

Порода деревьев	Выпало по расчету дождя над кроной, л	Из них упало на землю по омброметрическим сред­ним данным, л	По стволу было отведено, л	Всего попало на землю, л	Испарилось, л	Количество воды, попавшее на землю, в про­центах ко всему количеству вы­павшего над кро­ной дождя
						без учета воды, отведенной по стволу	с учетом ее
Бук	3406	1839	260	2099	1307	54,0	61,6
Дуб	3170	1983	200	2183	987	62,5	68,9
Клен	4819	3142	200	3342	1477	65,2	69,4
Сосна	1573	481	16	497	1076	30,6	31,6

Следовательно, по лиственным деревьям до земли дохо­дит вдвое больше влаги, нежели по хвойным.

Тщательные наблюдения над задержанием осадков кро­нами деревьев проводились во многих местах. На терри­тории Центрального лесного государственного заповедника (Нелидовский район Великолукской области) подобные исследования в течение трех лет проводил Н. С. Васильев. Для наблюдений была выбрана площадка сплошного ельника с единичными березами. Возраст деревьев от 90 до 100 лет, средний диаметр 36 см. Во втором ярусе леса — клен, ясень, ильм, липа, в подлеске — лещина, крушина, жимолость, изредка рябина; травяной покров — медуница, ясменик, голубая перелеска, кислица и др. Моховой покров — лиственные зеленые мхи.

Влияние лесов на выпадение осадков по существу еще не вполне выяснено. Есть данные, которые указывают, что над лесами выпадает значительно больше осадков, нежели над полями. В некоторых случаях превышение количества осадков над лесом по сравнению с полем дости­гает 43% и более. Однако если брать поверхность Земли в общем, то количество осадков, выпадающих над боль­шими лесными массивами, превышает не более чем на 5% количество осадков, выпадающих на открытых местах.

Карта модулей речного стока

где а — изолинии модулей речного стока, б — то же, пред­положительно

Колебания расходов реки Бугуни с преобладающим снежным питаниемъ

Часть выпадающих осадков стекает по поверхности земли, питая так называемый речной сток. Гидро­метрические исследования показали, что в Причерноморье и Прикаспии с 1 км² площади попадает в реки только 1 л/сек, в Подмосковье — 6 л/сек, а в Прионежье — 10 л/сек. Режим речного стока меняется в течение года. Основные этапы режима: половодье, прихо­дящееся на весну и часть лета, и межень — в остальное время года. Весенне-летнее половодье и последующая межень нарушаются паводками, под которыми под­разумевают быстро наступающее повышение уровня воды в реке и быстрый его спад. Особенно высокими бывают паводки весенние. Дружное снеготаяние после многоснежной зимы дает огромные количества талой воды, бурно стекающей по реке и вызывающей иногда ката­строфические наводнения. При паводках, вызываемых летними и осенними ливнями, уровень воды в больших реках не поднимается очень высоко, но на маленьких реках или на суходолах с относительно большим водо­сборным бассейном паводки проходят бурно и иногда бывают разрушительными. Нередко образуются грязевые и грязекаменные потоки, известные под названием силей. Сили часты на Кавказе и в Средней Азии. От подобного паводка пострадал в 1922 г. г. Алма-Ата.

Карта коэффициентов подземного стока

где 1 - изолинии коэффициентов подземного стока, 2—то же. предположительно

Часть выпавших, как уже говорилось, осадков прони­кает в землю и стекает подземным путем, образуя под­земный сток, который частично также возвращается в реку. Таким образом, реки питаются и поверхностным и подземным стоками. Доля последнего в питании рек не одинакова и колеблется в отдельных речных бассейнах в пределах от 10 до 40% от годового стока реки и даже более в реках так называемого подземного питания. Процент подземного питания рек также подвер­гается колебаниям: в засушливые годы он иногда резко падает, а в годы с обильными осадками повышается.

Между осадками, испарением, поверхностным и под­земным стоками существуют закономерные взаимоотно­шения:

осадки = испарению + поверхностный сток + подзем­ный сток.

Осадки и испарение достаточно точно измеряются метео­рологическими методами, поверхностный сток также хоро­шо измеряется гидрометрическими методами; для изме­рения подземного стока было предложено много методов, но почти все они вызывали существенные возражения.

Летние ливни интенсивно питают поверхностный сток, кратковременные дожди расходуются главным образом на испарение, а обложные дожди при низких температурах (например, осенью) интенсивно питают подземный сток. Роль леса в питании рек поверхностным стоком отрица­тельна. С другой стороны, способствуя накоплению грунто­вых вод, а следовательно, и увеличению подземного пита­ния рек, он играет положительную роль. Очевидно, что в отдельные годы та или иная сторона значения леса может преобладать или быть преуменьшенной.

Для подсчета и составления карт подземного стока в настоящее время используется метод, предложенный Б. И. Куделиным. Он положен в основу составлен­ных карт подземного стока европейской части России, с его помощью уточняются методы составления таких же карт для азиатской части России.

Свойство лесной растительности способствовать накоп­лению грунтовых вод используется в практике сельского хозяйства. В засушливых областях создаются лесостепные полосы. Они смягчают действие суховеев летом и способ­ствуют снегонакоплению зимой. В первом случае снижается испаряемость, во втором — улучшается питание грунтовых вод при снеготаянии. И то и другое способствует повыше­нию урожайности сельскохозяйственных культур.

Обширные научные исследования по проблеме связи атмосферных осадков и поверхностного и подземного стока ведутся Государственным гидрологическим институтом: под его методическим руководством прово­дятся опытные работы на специально организованных опытных станциях, в частности на Валдайской станции.