Стоком в гидрологии называют движение воды по поверхности земли, а также в толще почв и горных пород в процессе ее круговорота в природе.
Формирование стока на водосборе – сложный многофакторный процесс. Он складывается из большого числа частных процессов, регулируемых прямыми и обратными связями и локализованных в границах речного бассейна.
Речной бассейн со своими орографией, горными породами, подземными водами, почвенным и растительным покровами, гидрографической сетью, водоемами и объектами, созданными рукой человека, в отношении попадающей в его пределы воды выполняет двойную функцию: с одной стороны, он наряду с погодой определяет соотношение между осадками, стоком и испарением (водный баланс), с другой – осуществляет перераспределение стока во времени (трансформация).
Сток обычно подразделяют на талый и дождевой. Формирование второго из них – относительно более стремительно и бурно протекающий процесс, чем первого. Важным является тот факт, что оба вида стока взаимодействуют и дополняют друг друга.
Следует различать еще два вида стока – поверхностный и подземный. Последний, в свою очередь, может быть подразделен на несколько категорий
в зависимости от глубины проникновения талых и дождевых вод в толщу почвы и горных пород (ярусность подземного стока), а, следовательно, по степени их зарегулированности.
Перечислим частные процессы, которые составляют комплекс явлений, называемый «формированием стока» [4].
1. Процессы и явления на поверхности бассейна.
1.1. Выпадение осадков. Их фазовое состояние определяет различия
в поведении воды в начальный период ее пребывания в пределах речного бассейна.
1.2. Обмен тепловой энергией поверхности бассейна с атмосферой и космическим пространством.
1.3. Перехват дождевых капель и снега растительным покровом.
1.4. Формирование снежного покрова. Этот комплексный процесс отображается изменением четырех его переменных состояния – толщины, плотности, соотношения количества «жидкой» и «твердой» воды и температуры.
1.5. Снеготаяние и разрушение снежного покрова.
1.6. Водоотдача из снега.
1.7. Инфильтрация и формирование поверхностного стока.
1.8. Задержание части поверхностного стока в бессточных отрицательных формах микрорельефа склонов.
1.9. Дорусловая трансформация поверхностного стока вследствие накопления и стекания воды на поверхности склонов.
1.10. Испарение (безвозвратные потери стока).
2. Процессы и явления в почве и приповерхностной толще горной породы.
2.1. Динамика тепловой энергии
2.2. Динамика почвенных вод – один из важнейших и сложнейших процессов, складывающийся из задержания воды в толще почвы и реголита, ее расходования на испарение и формирование почвенного и подземного стока.
2.3. Испарение.
2.4. Почвенный сток и его дорусловая трансформация, сказывающаяся
в распределении последнего по ярусам геологических структур приповерхностной толщи земной коры в пределах речного бассейна и последующей разноскоростной разгрузке подземных емкостей в русловую сеть.
3. Русловая трансформация и перемещение в замыкающий створ воды, находящейся в гидрографической сети речного бассейна.
4. Сток воды в замыкающем створе – итог взаимодействия рассмотренного комплекса процессов.
На процессы формирования стока оказывают влияние факторы, связанные с климатическими, морфометрическими и морфологическими характеристикам водосборных бассейнов. Они вносят региональные особенности в формирование гидрологического режима водных объектов и называются факторами формирования стока:
1. Климатические и метеорологические факторы: количество солнечной радиации, температура воздуха, дефицит влажности воздуха, количество осадков, скорость ветра в среднем многолетнем разрезе и
в определенный момент времени. От них, прежде всего, зависят климатические условия территории.
2. Факторы подстилающей поверхности:
Географическое положение. Расположение бассейна на континенте (вблизи крупных акваторий или в центральной части материка), по отношению к преобладающему направлению движения воздушных масс, по отношению к крупным горным системам (являются барьером для влаги) определяет режим увлажнения бассейна. Экспозиция бассейна (особенно крупного)
по отношению к частям света, которая часто определяет направление течения рек, может оказывать влияние на снеготаяние и ледовые процессы.
Размер и форма бассейна. Чем больше бассейн, тем больше глубина вреза речного русла и объем подземного стока.
Рельеф. Характеризуется уклоном поверхности, который непосредственно определяет скорости текущей воды. При высоких скоростях поверхностного стекания уменьшаются потери воды на испарение и фильтрацию, а, следовательно, при прочих равных условиях увеличивается сток рек. Чем больше уклоны склонов бассейна, тем меньше на них замкнутых микропонижений, которые задерживают и затем расходуют на испарение и фильтрацию стекающую по поверхности воду. Вертикальная расчлененность рельефа влияет на глубину залегания подземных вод.
Растительность. Растительность изменяет шероховатость склонов, и влияет на скорость движения воды по поверхности. Снижение скорости ведет
к дополнительным потерям на испарение и фильтрацию в почву. Корни растений рыхлят почву, создавая дополнительные условия для увеличения фильтрации воды. Кроме того, растения задерживают осадки, которые затем испаряются с листьев. При этом растения сами испаряют влагу в процессе транспирации. Растительность также оказывает влияние на накопление снежного покрова. В массивах кустарников снега накапливается больше, чем
в открытом поле. Начало снеготаяния в поле начинается в среднем на декаду раньше, чем в лесу. Кроме того рыхлая лесная подстилка хорошо впитывает воду, благодаря чему практически не образуется поверхностный сток.
Почвы. Влияние на формирование поверхностного стока определяется воднофизическими свойствами почв: водопроницаемостью, водоудерживающей способностью и водоотдачей, которые в свою очередь определяются гранулометрическим составом. При малой водопроницаемости грунтов увеличивается поверхностный сток, и ухудшаются условия пополнения грунтовых вод. При большой водоудерживающей способности почв большая часть проникшей в них влаги может затем расходоваться на испарение.
Фильтрационные свойства почвогрунтов изменяются также при их сезонном промерзании. В это время пополнение запасов подземных вод прекращается.
3. Наличие других водных объектов. На территории речных бассейнов могут существовать другие водные объекты: озера, болота, ледники, наледи.
Озера. Важная роль принадлежит сточным озерам, как регуляторам речного стока. В них накапливается избыток стока половодий и паводков, который затем, медленно стекая из озера, повышает сток озерной реки в период межени. В южных районах за счет испарения с озер сток реки снижается.
Болота. Влияние заключается в естественном регулировании. Вода аккумулируется деятельным слоем торфяной залежи, затем медленно стекает
с болотного массива. При этом снижается величина максимального стока
с заболоченных территорий. С понижением уровня болотных вод сток с болота может прекратиться полностью.
Ледники. Внутригодовое распределение стока рек со значительной степенью оледенения их бассейнов характеризуется большой неравномерностью. На короткое лето здесь приходится до 90% и более общего годового стока. Зимой сток очень мал или отсутствует вовсе. Особенность – резкие внутрисуточные колебания стока, благодаря внутрисуточному ритму стаивания ледника. В годы с очень интенсивным таянием снега и льда или
с сильными ливнями могут формироваться катастрофические паводки
из-за прорыва внутриледниковых полостей и приледниковых плотин.
4. Геологическое строение. Определяет чередование водоупорных и водопроницаемых пород, характер водоносных горизонтов и глубину залегания подземных вод, от чего в свою очередь зависит связь поверхностных и подземных вод.
Минеральный состав горных пород влияет на их растворимость.
С хорошо растворимыми породами (известняк, мел, гипс, доломит, ангидрид, каменная соль) связано такое явление как карст. Для закарстованных районов характерно поглощение поверхностного стока понорами и карстовыми воронками, наличие в период межени сухих участков русел малых рек и общей разреженности гидрографической сети, а также более высокий подземный сток крупных рек, дренирующих закарстованные толщи.
5. Вечная мерзлота. Наибольшее влияние оказывается в зоне сплошного распространения вечной мерзлоты. Подземные воды в этих районах разделяются на надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные, при этом многолетнемерзлые породы выступают в качестве водоупора. Это возможно
в условиях переувлажненных грунтов, где все поры заполнены льдом. Многие реки в этих условиях перемерзают. Но даже в этих условиях происходит частичный водообмен поверхностных и подземных вод через талики, расположенные под руслами крупных рек.
6. Антропогенные факторы. В современных условиях широкого использования водных ресурсов и проведения агрономических, агролесомелиоративных и гидромелиоративных мероприятий – хозяйственная деятельность человека воздействует как непосредственно на сток, так и
на условия его формирования.
Создание водохранилищ увеличивает озерность бассейна, перераспределяет сток во времени, уменьшает речной сток в засушливых районах.
Искусственное орошение в зоне недостаточного увлажнения способствует дополнительному забору воды из рек, изменяет водный режим почв и вызывает увеличение расхода воды на испарение и транспирацию, что уменьшает величину стока рек.
В зоне недостаточного увлажнения все мероприятия направленные на увеличение влажности почвы изменяют соотношения элементов водного баланса. В результате склоновый сток уменьшается от 1,3 раза в лесной зоне,
до 5 раз в степной зоне.
Отрицательное влияние на водный режим почв оказывает нерегулируемый выпас скота. Увлажнение таких почв меньше, инфильтрация меньше, сток с поверхности увеличивается.
В зоне избыточного увлажнения большее влияние на сток оказывает мелиоративные мероприятия, в т.ч. осушение земель. Изучение влияния этих мероприятий на водный режим рек является одной из современных проблем гидрологии.