Водный режим рек характеризуется совокупным изменением во времени уровней и объемов воды в реке. Уровень воды (Н) – высота водной поверхности реки относительно постоянной нулевой отметки (ординара или нуля графика водомерного поста). Среди колебаний уровней воды в реке выявляются многолетние, обусловленные вековыми изменениями климата, и периодические: сезонные и суточные. В годовом цикле водного режима рек выделяют несколько характерных периодов, называемых фазами водного режима. У разных рек они различные и зависят от климатических условий и соотношения источников питания: дождевого, снегового, подземного и ледникового. Например, у рек умеренно-континентального климата (Волги, Оби и др.) выделяются следующие четыре фазы: весеннее половодье, летняя межень, осенний подъем воды, зимняя межень. Половодье – ежегодно повторяющееся в один и тот же сезон длительное увеличение водности реки, вызывающее подъем уровня. В умеренных широтах оно наступает весной за счет интенсивного снеготаяния.
Межень – период длительных низких уровней и расходов воды в реке при преобладании подземного питании («маловодье»). Летний межень обусловлена интенсивным испарением и просачиванием воды в грунт, несмотря на наибольшее количество осадков в это время. Зимняя межень – результат отсутствия поверхностного питания, реки существуют лишь за счет подземных вод.
Паводки – кратковременные непериодические подъемы уровни воды и увеличение объемов воды в реке. В отличие от половодий они случаются во все сезоны года: в теплое полугодие они вызваны сильными или продолжительными дождями, зимой – таянием снега во время оттепелей, в устьях некоторых рек – за счет нагона воды из морей, куда они впадают. В умеренных широтах осенний подъем воды в реках называют иногда паводочным периодом; он связан с уменьшением температуры и сокращением испарения, а не с увеличением осадков – их меньше, чем летом, хотя осенью чаще бывает пасмурная дождливая погода. Осенние паводки па реке Неве в Санкт-Петербурге вызваны прежде всего нагоном воды из Финского залива западными ветрами; максимально высокое наводнение 410 см произошло в Санкт-Петербурге в 1824 г. Паводки обычно бывают кратковременными, подъем уровня воды ниже, а объем воды меньше, чем во время половодья.
Одной из важнейших гидрологических характеристик рек является речной сток, образующийся за счет поступления поверхностных и подземных вод с водосборной площади. Для количественной оценки стока рек применяется ряд показателей. Основным из них является расход воды в реке – количество воды, которое проходит через живое сечение реки за 1 секунду. Он вычисляется по формуле Q=v*ω, где Q – расход воды в м3/c, v – средняя скорость реки в м/с. ω – площадь живого сечения в м2. По данным ежедневных расходов строится календарный (хронологический) график колебаний расходов воды, называемый гидрографом.
Модификацией расхода является объем стока (W в м3 или км3) – количество воды, протекающее через живое сечение реки за длительный срок (месяц, сезон, чаще всего год): W=Q*T, где Т – период времени. Объем cтока от года к году меняется, средняя многолетняя величина стока называется нормой стока. Например, годовая норма стока Амазонки около 6930 км3, что составляет около >5% общего годового стока всех рек земного шара, Волги – 255 км3. Годовой объем стока подсчитывается не за календарный, а за гидрологический год, в пределах которого завершается полный годовой гидрологический йикл круговорота воды. В регионах с холодными снежными зимами за начало гидрологического года принимается 1 ноября или 1 октября.
Модуль стока (М, л/с км2) – количество воды в литрах, стекающее с 1 км2 площади бассейна (F) в секунду:
M=Q/F*103
(103 – множитель для перевода м3 в литры).
Модуль стока рек позволяет узнать степень водонасыщенности территории бассейна. Он зонален. Наибольший модуль стока у Амазонки – 30 641 л/с км2; у Волги он равен 5670 л/с км2, а у Нила – 1010 л/с км2.
Слой стока (Y) – слой воды (в мм), равномерно распределенный по площади водосборного бассейна (F) и стекающий с него за определенное время (годовой слой стока).
Коэффициент стока (К) – отношение объема стока воды в реке (W) к количеству атмосферных осадков (х), выпадавших на площадь бассейна (F) за одно и то же время, или отношение слоя стока (Y) к слою атмосферных осадков (х), выпавших на эту же площадь (F) за тот же промежуток времени (величина безмерная или выраженная в %):
K=W/(x*F)*100%, или K=Y/x*100%.
Средний коэффициент стока всех рек Земли составляет 34%. т. е. только одна треть осадков, выпадающих на сушу, стекает в реки. Коэффициент стока зонален и изменяется от 75-65% в зонах тундр и тайги до 6-4% в полупустынях и пустынях. Например, у Невы он равен 65%, а у Нила – 4%.
С водным режимом рек связано понятие зарегулированности стока: чем меньше годовая амплитуда расходов воды в реке и уровней воды в ней, тем больше зарегулирован сток.
Реки являются наиболее мобильной частью гидросферы. Их сток представляет собой интегральную характеристику водного баланса территории суши.
На величину стока рек и его распределение в течение года влияет комплекс природных факторов и хозяйственная деятельность человека. Среди природных условий основным является климат, особенно осадки и испарение. При обильных осадках сток рек большой, но надо учитывать их вид и характер выпадения. Например, снег даст больший сток, чем дождь, поскольку зимой меньше испарение. Ливневые осадки увеличивают сток по сравнению с обложными при одинаковом их количестве. Испарение, особенно интенсивное, уменьшает сток. Помимо высокой температуры, ему способствуют ветер и дефицит влажности воздуха. Справедливо высказывание русского климатолога А. И. Воейкова: «Реки – продукт климата».
Почвогрунты влияют на сток через инфильтрацию и структуру. Глина увеличивает поверхностный сток, песок его сокращает, но увеличивает подземный сток, являясь регулятором влаги. Прочная зернистая структура почв (например, у черноземов) способствует проникновению воды вглубь, а на бесструктурных распыленных суглинистых почвах часто образуется корка, которая увеличивает поверхностный сток.
Весьма важно геологическое строение речного бассейна, особенно вещественный состав пород и характер их залегания, поскольку они определяют подземное питание рек. Водопроницаемые породы (мощные пески, трещиноватые породы) служат аккумуляторами влаги. Сток рек в таких случаях больше, так как меньшая доля осадков затрачивается на испарение. Своеобразен сток в карстовых областях: рек там почти нет, так как осадки поглощаются воронками и трещинами, но на контакте их с глинами или глинистыми сланцами наблюдаются мощные родники, питающие реки. Например, закарстованная Крымская яйла сама по себе сухая, но у подножия гор бьют мощные родники.
Влияние рельефа (абсолютной высоты и уклонов поверхности, густоты и глубины расчленения) велико и разнообразно. Сток горных рек обычно больше, чем равнинных, так как в горах на наветренных склонах обильнее осадки, меньше испарение из-за более низкой температуры, за счет больших уклонов поверхности короче путь и время добегания выпавших осадков до реки. Из-за глубокого эрозионного вреза обильнее подземное питание сразу из нескольких водоносных горизонтов.
Влияние растительности – разных типов лесов, лугов, посевов и т. д. – неоднозначно. В целом растительность регулирует сток. Например, лес, с одной стороны, усиливает транспирацию, задерживает осадки кронами деревьев (особенно хвойные леса снег зимой), с другой стороны, над лесом обычно выпадает больше осадков, под пологом деревьев ниже температура и меньше испарение, дольше снеготаяние, лучше просачивание осадков в лесную подстилку. Выявить влияние разных типов растительности в чистом виде весьма трудно ввиду совместного компенсирующего действия разных факторов, особенно в пределах крупных речных бассейнов.
Влияние озер однозначно: они уменьшают сток рек, поскольку с водной поверхности больше испарение. Однако озера, как и болота, являются мощными естественными регуляторами стока.
Влияние хозяйственной деятельности на сток весьма значительно. Причем человек воздействует как непосредственно па сток (его величину и распределение в году, особенно при постройке водохранилищ), так и на условия его формирования. При создании водохранилищ меняется режим реки: в период избытка вод происходит накопление их в водохранилищах, в период недостатка – использование на различные нужды, так что сток рек оказывается зарегулированным. Кроме того, сток таких рек в общем сокращается, ибо увеличивается испарение с водной поверхности, значительная часть воды расходуется на водоснабжение, орошение, обводнение, уменьшается подземное питание. Но эти неизбежные издержки с избытком перекрываются пользой от водохранилищ.
При переброске вод из одной речной системы в другую сток видоизменяется: в одной реке уменьшается, в другой – увеличивается. Например, при постройке канала имени Москвы (1937) в Волге он сократился, в реке Москве возрос. Другие транспортные каналы для переброски воды обычно не используются, например Волго-Балтийский, Беломорско-Балтийский, многочисленные каналы Западной Европы, Китая и др.
Большое значение для регулирования речного стока имеют мероприятия, выполняемые в бассейне реки, ибо его начальным звеном является склоновый сток на водосборе. Основные проводимые мероприятия следующие. Агролесомелиоративные – лесопосадки, гидромелиоративные – плотины и пруды в балках и на ручьях, агрономические – осенняя вспашка, снегонакопление и снегозадержание, пахота поперек склона или поконтурная на холмах и увалах, залужение склонов и др.
Помимо внутригодовой изменчивости стока, происходят его многолетние колебания, связанные, по-видимому, с 11-летними циклами солнечной активности. На большинстве рек отчетливо прослеживаются многоводные и маловодные периоды родолжительностью около 7 лет: в течение 7 лет водоносность реки превышает средние значения, половодья и межень высокие, столько же лет водоносность реки меньше среднегодовых значений, расходы воды во все фазы водного режима малы.