Мировой речной сток в миллиметрах за год

Реки собирают воду не только с поверхности земли, но и из верхних слоёв литосферы. В соответствии с этим различают поверхностные и подземные водоразделы, которые не всегда совпадают. Существуют четыре источника питания рек: 1) дожди, 2) снежный покров, 3) высокогорные снега и ледники и 4) подземные воды. Все они изначально представляют собой, как мы уже отмечали, атмосферные осадки.

Пресноводный бюджет материкового стока

Водным режимом называется совокупное изменение его элементов: расходов воды, уровней, уклонов и скоростей течения. Фазами водного режима служат: 1) половодье - увеличение водности реки, вызывающее подъём её уровня, 2) дождевые паводки - кратковременные и быстрые подъёмы уровней и увеличение расходов воды под влиянием выпадающих в речном бассейне дождей и столь же быстрый их спад, 3) межень (самый низкий уровень воды) - малая водность вследствие резкого снижения поступления воды с водосборной площади реки.

Влияние геологического строения речного бассейна на сток наиболее отчётливо проявляется при наличии мощных горизонтов хорошо водопроницаемых рыхлых и трещинноватых пород, воды которых дренируются (от англ. drainage - выведение жидкости, осушение, понижение уровня грунтовых вод) речными долинами. В карстовых районах атмосферные осадки поглощаются воронками, польями, просачиваются по трещинам и пополняют запасы подземных вод. При разгрузке артезианских вод случаются безвозвратные потери речного стока на просачивание в глубокие артезианские водоносные горизонты, а в области разгрузки артезианских вод реки получают дополнительное питание. С геологическими факторами стока тесно связано воздействие на величину стока глубины эрозионного вреза, обычно возрастающего с увеличением площади водосбора. Влияние растительности на речной сток заключается в увеличении шероховатости земной поверхности, вследствие чего замедляется стекание воды по поверхности земли и увеличивается возможность инфильтрации влаги в почву. Рельеф местности влияет на сток речных вод по-разному. Особенно значительно влияние стока в горах, где с высотой местности увеличивается годовая сумма осадков, снижается температура воздуха, следствием чего является уменьшение испарения и, соответственно, увеличение стока.

Вертикальная поясность климатических факторов стока обусловливает вертикальную поясность величин стока (в обиходе гидрологов существуют эмпирические зависимости величин годового стока от средней высоты водосборов). В равнинных, особенно степных районах ветер сносит снег с открытых склонов в балки, овраги, речные долины. Аккумуляция снега в гидрографической сети приводит к увеличению поверхностного стока снеговых вод. При наличии бессточных понижений на водосборах снеговые и дождевые воды аккумулируются в них и расходуются в дальнейшем на инфильтрацию и испарение, оказывая таким образом косвенное влияние на сток и его внутригодовое распределение.

По степени минерализации бассейнов гидросферы специалисты выделяют воды: 1) малой, до 0,2 ‰, минерализации (до 200 мг солей на 1 л воды), 2) средней, 0,2-0,5 ‰ (200-500 мг/л), 3) повышенной, 0,5-1,0 ‰ (500-1000 мг/л), 4) высокой, выше 1 ‰ минерализации (более 1000 мг/л). Для речных вод характерны первые две степени. Питание за счёт подземных вод повышает, а дождевые и снеговые воды - понижает минерализацию рек.

В истории человечества устьевые области рек всегда были самыми густонаселенными районами планеты. Благоприятные климатические условия, обилие пресной воды, разнообразие растительного и животного мира привлекали поселенцев и способствовали стабилизации ведения хозяйства. Связь с внутренними территориями её бассейна и выход в море обеспечивали разнообразие торговых операций с далеко отстоящими от устьев отечественными населенными пунктами и ещё более далекой заграницей. Природа устьевых областей способствует развитию флоры и фауны. Удобные места зимовок в речных дельтах низких широт и благоприятные условия для размножения и развития потомства млекопитающих и птиц в летнее время в северных дельтах определяют главные черты береговых экосистем. Зоогеографическая особенность устьевых областей заключается в заселении их животными самых разных классов. Устьевые воды служат временным местом обитания проходных рыб, одни из которых выходят на нерест в море, а другие, наоборот, заходят в реки для вымета икры, здесь же можно наблюдать и полупроходных пресноводных рыб, которые для откорма скатываются в море. Одни рыбы приходят в устье на нерест, другие на откорм, третьи на зимовку. Дельты рек служат излюбленным местом для перелетных птиц, которые останавливаются здесь для отдыха и питания, а отдельные стаи присоединяются к местным видам для гнездования и выведения потомства. С 50-х годов ХХ в. устьевые области и дельты рек стали для исследователей самостоятельными водными объектами, такими как река, море, озеро или ледник. С одной стороны, устьевая область реки - это единый водный объект, включающий дельту и взморье, с другой - это район, где взаимодействие между живыми организмами и средой их обитания изменяется в десятки, если не сотни раз быстрее, чем на остальном пространстве суши и воды.

Известно, что реки составляют одну из немногочисленных статей водного и солевого баланса океана. В прибрежных частях океана речные воды создают пресноводный барьер для чисто морских обитателей. В случае полноводных рек, которые имеют к тому же широкое русло, создаются особые условия жизни и даже особый гидрометеорологический режим. В целом, самый большой водосборный бассейн, питающий водами речного стока океаносферу, имеет Атлантический вместе с Северным Ледовитым океаны. В территорию речного водосбора этого суммарного океанического бассейна входят почти полностью материки обеих Америк, Африка и половина Евразии. Стоковые воды, питающие Индийский океан, собираются на территории Евразии, захватывая Казахстан и государства, расположенные к югу от него. Сюда же, в Индийский океан поступают речные воды узкой полосы западного берега Африки и более половины стока Австралии. Тихий океан имеет водосборный бассейн по площади почти такой же как у Индийского океана, но если учесть, что его размеры в два раза больше, то можно заключить, что Тихий океан должен быть самым малоопресняемым океаном. Тогда выходит, что Атлантический океан должен быть самым опреснённым, а Тихий - самым солёным. На самом деле - наоборот. Несмотря на то, что в Атлантический океан попадает 80 % речного стока всех континентов Земли, средняя солёность тихоокеанских вод меньше, чем атлантических: 34,62 против 34,90 ‰. Это объясняется особенностями длительного глобального влагообмена между океаном и атмосферой непосредственно над акваториями океанов, и, конечно, ничтожной долей объёма речных вод по сравнению с объёмом даже лишь верхнего 10-метрового слоя – наиболее чуткого показателя изменчивости бюджета солёности водных масс Мирового океана. Из наиболее популярных в океанографической литературе глобальных схем пресноводно-солоноводного баланса следует привести гипотетическую модель атмосферного переноса влаги из Атлантики в Тихий океан через Панамский перешеек, подтвержденного "языком опреснённой воды" во Внутритропической зоне конвергенции между экватором и 20 ° с. ш. и компенсационным переносом Антарктического Циркумполярного течения через пролив Дрейка.

Сток крупных рек, таких как Ориноко, Амазонка, Парана, Ганг, Брахмапутра, Иравади, Конго и других ощущается за сотни и даже тысячи километров от устьевых участков побережья. Следы распреснения океанских вод Амазонкой в виде огромных изолированных линз опресненной воды (на 3-5 ‰ ниже солёности окружающих вод) наблюдались за 1200 км от дельты. Распреснённые рекой Колумбией воды увлекаются прибрежным течением далеко на юг и формируют в районе апвеллинга у Орегонского побережья Северной Америки тот фон, на котором проявляют себя многочисленные фронты между очень солёными водами открытого океана и опреснёнными речным стоком поверхностными водами.

Массированный речной сток оказывает огромное влияние на вертикальную гидродинамическую устойчивость и химический состав морских вод бассейнов, ограниченных в непосредственном водообмене или вовсе не связанных с Мировым океаном. После открытия в Чёрном море огромных масс сероводорода и обнаружения их в Каспийском и Аральском морях была предложена гипотеза гидрохимической метаморфизации морских водных масс под влиянием речных вод, которая приводит к обогащению моря сульфатами.

Под термином устьевой области реки принято понимать часть нижнего её течения, на которой сказывается воздействие моря, а также прилегающую к устью прибрежную зону моря, где заметно опресняющее влияние речных вод. С точки зрения наиболее тесного и масштабного взаимодействия океана и гидросферы наиболее интересными являются эстуарии (от лат. aestuarium - затопляемый) - воронкообразные, суживающиеся к вершине залива устья реки, образующиеся в результате затопления низовьев речных долин при одновременном воздействии на них абразии и приливо-отливных течений. Сравнительно короткий приморский отрезок речной магистрали образуют приустьевой и устьевой участки реки. Далее идёт устьевое взморье. Граница взморья (зона наибольших градиентов солёности) довольно подвижна, так как зависит от величины стока, сгонно-нагонных и приливо-отливных явлений. В приливных морях принято выделять участки рек: 1) морской (до границы распространения приливной волны), 2) приливный (до створа, где в период межени при приливе наблюдается обратное течение реки), 3) осолонённый (до пределов проникновения солёных вод взморья).

Образование устьевой области зависит от половодья, размывов и углублений дна русла - приустьевых ям, которые образуются глубже базиса эрозии тоже эродирующими потоками вод выше верхней части дельты вследствие вымывания мелкого и тонкого обломочного материала. Сток рек формирует аккумулятивные формы - бары, косы, острова, дельты (дробление русла реки на рукава). Морское волнение стремится подобно денудации (§ 7.1) выровнять подводный склон берега. Вдольбереговые потоки доставляют из смежных районов морские наносы, что способствует выдвижению прибрежной зоны в море. При этом возможно отгораживание реки от моря и поворот реки вдоль блокирующей косы. Несмотря на большую роль морских переносов, основным источником поступления наносообразующего материала в береговую зону моря составляет твёрдый сток рек в виде взвешенных и осаждающихся частичек минерального и органического происхождения. Так называемая гидрофильная (водолюбивая) растительность способствует росту аккумулятивных форм, уменьшает скорости течений, благоприятствует осаждению и накоплению наносов, защищают от морского волнения.

Скорость накопления осадков на барьере река-море в 100 раз выше, чем в открытом океане и составляет более 60 мм в год, причём проникновение речных взвесей происходит главным образом не в поверхностном, а в придонном слое. Самая многоводная в мире река Амазонка образовала конус выноса, мощность терригенной толщи которого превышает 5, а местами 10 км, а терригенные выносы реки Конго не только интенсивно накапливаются на шельфе и в каньоне материкового склона, но и достигают глубоководных областей Ангольской котловины у подножья Срединно-Атлантического хребта. Сильные придонные течения образуют авандельты - осадочные поля, мощность которых достигает нескольких сотен метров.

Климатические особенности морских устьев рек зависят от размеров и географического положения дельты. Особенно большие различия гидрометеорологических характеристик наблюдаются в устьях крупных рек пустынь. В северных районах, при отсутствии ледового покрова, различие в условиях теплообмена воздуха над водой и сушей создает здесь сложную систему меняющихся в течение суток вертикальных потоков воздуха, что вызывает появление бризовых ветров (дневной или иначе морской бриз дует с моря на нагретое побережье, ночной береговой бриз - с охлаждённого побережья на море), конвективных осадков, туманов (см. § 8.3). Конвективные, преимущественно кучево-дождевые осадки носят здесь ливневой характер, часты местные туманы. Зимой, естественно, такая зональность сглаживается. В крупных дельтах наблюдается несколько микроклиматических зон. Особенно резко они проявляются в засушливых зонах (Амударья и Сырдарья), где дельта представляет собой оазис в пустыне.

Вещественный состав вод определяет условия жизни животных и растительных организмов, а следовательно, его биологическую продуктивность. То есть воду можно сравнить с почвой, плодородие которой также зависит от наличия в ней питательных веществ. Воды устьевых областей - результат взаимодействия химически разнородных морских и речных вод. В морской воде преобладают легко растворимые хлориды щелочных металлов. Для речной воды характерны значительно хуже растворимые карбонаты и сульфаты щелочноземельных металлов, содержание которых редко превышает 1 г/л (в отличие от морской воды, солёность которой около 35 ‰). Живые организмы сыграли здесь свою геологическую, точнее геохимическую роль стабилизаторов солевого состава океанских водных масс. Миллионы лет они используют карбонаты для построения своих скелетов, которые отмирая осаждаются на дно, создавая "кальциевый покров" нашей планеты.

Границы флористических и фаунистических царств: I - Голарктическое, II - Неотропическое, III - Афро-мадагаскарское, IV - Индо-малайское, V - Австрало-папуасское, VI - Полинезийское и VII -Антарктическое.

В настоящее время установлено, что во фронтальной зоне между речными и морскими водными массами осаждается 90-93% взвешенного и около 40 % растворённого вещества речного стока. Для геологических масштабов времени процесс речного выноса взвешенных, коллоидных и растворённых веществ стал причиной формирования главных концентраций осадочного вещества на планете, а также основным фактором скопления органического вещества, нефти и газа.

На взморье устьевых участков рек происходит смешение речных вод с морскими. В прибрежной полосе, ширина которой в зависимости от объёма стока реки и крутизны шельфа достигает нескольких километров, солёность увеличивается от 0 до 10-15 ‰, а иногда и до 30 ‰. Обычно зона наибольших градиентов солёности находится непосредственно на взморье, и только когда морская вода входит в русло, она смещается в устьевой участок. Вертикальные градиенты солёности на приглубом взморье довольно значительны, а слой скачка солёности находится близко к поверхности моря (от 1 до 3 м). Градиент солёности воды в половодье достигает экстремально больших величин - до нескольких промилле на 1 м.

В устьях рек происходит своеобразное биологическое извлечение химических элементов: реки выносят на взморье большое количество питательных веществ, солей фосфора, азота и кремния, необходимых для развития фито- и зоопланктона. Планктон, поглощая эти элементы, служит естественным улавливающим регулятором – фильтром, препятствующим непосредственному распространению биогенных веществ в море.

Обобщая процессы, происходящие при встрече речных и морских вод, фронтальную зону между ними охарактеризовали как маргинальный (от лат. marginales - находящийся на краю) фильтр. Здесь наблюдается не только уменьшение взвесей и форм элементов, связанных с взвесью, но и переход к преобладанию растворённых и коллоидных веществ. Экосистемы морских прибрежий представляют собой самые масштабные маргинальные фильтры и аккумуляторы антропогенных загрязнений, в том числе и радиоактивных; наиболее очевидную фильтрующую функцию выполняет пояс макрофитов на арктической литорали и сублиторали.

Выделяют три ступени в схеме действия маргинального фильтра: 1) гравитационная, когда накапливаются обломочные формы элементов, 2) коллоидно-сорбционная, когда осуществляется новообразование взвеси, которой не было ни в речной, ни в морской воде; здесь идёт генерация свежих сорбентов и захват ими малых элементов, в том числе и загрязнений тяжёлыми металлами, радиоактивными элементами и пр., 3) биологическая - сначала фитопланктонная, когда происходит удаление растворённых форм элементов, оставшихся после сорбционной ступени, преобразование углекислоты в новое органическое вещество, затем биофильтрационная - с удалением почти всей оставшейся взвеси (биогенной, минеральной, ледяных кристаллов). При общих для всех рек закономерностях работы маргинальных фильтров, барьерные зоны река-море отличаются друг от друга по географическому, климатическому и региональному признакам, которые пока изучены недостаточно. Актуальность их исследования возрастает в связи с ростом антропогенного загрязнения окружающей среды, в которой речной сток является наиболее деятельным, а потому самым уязвимым природным звеном.

Среди выносимых рекой взвесей находится большое количество продуктов распада органических остатков. Они образуют водный гумус, умеренное количество которого способствует плодородию фотического слоя. Как и в водах открытого моря, весной и летом подверженных интенсивной фотосинтетической деятельности растений, содержание биогенов в прибрежной зоне резко уменьшается. Соединения азота и фосфора, а также растворённая углекислота идут на развитие растительных клеток, определяющих первичную биопродуктивность водоёма.

Весной и летом воды прогреваются и насыщаются кислородом, необходимым для жизнедеятельности живых организмов. В эти самые продуктивные периоды времени повышенные градиенты ("скачки") температуры (термоклин) и солёности (галоклин), зависящие от величин пресного стока и прогрева, создают единый слой скачка плотности воды - пикноклин. И если в открытых морских водах вклад термоклина в величину скачка плотности преобладает, то в местах впадения рек, наоборот, увеличивается роль солёности. Кроме вертикального разделения водной толщи на слои, фактору солёности приписывают ещё одну роль - дополнительного природного фильтра, не допускающего взаимопроникновения пресноводных и морских организмов. По данным морских биологов, резкая граница выпадения морской фауны проходит по изогалине 10 ‰, а речные организмы не выходят за пределы 6 ‰. Распространение морского бентоса ограничено солёностью 3 ‰, морской планктон не встречается в водах , солёность которых ниже 5-7 ‰. Однако в целом в устьевых участках создаются очень благоприятные условия для органического мира: питательные соли, прогрев и солнечное освещение способствуют формированию обильной кормовой базы для простейших водных организмов, которые вместе с донными животными служат пищей для рыб, что приводит к большим скоплениям её в приустьевых районах.

Естественно, что самую главную роль во всех видах режима морских, речных и смешанных вод имеют горизонтальные подвижки водных масс, совершенно разных по генезису и по раскладу сил, которые в устьевых областях образуют самый обширный комплекс, объединяющих взаимодействие всех геосфер, которые упоминались нами ранее, за исключением внутриземного тепла литосферы. Речной поток, скользя по клину солёной морской воды, выносит часть её обратно в море, а у дна возникает компенсационное противотечение морской воды вверх по реке. В период половодья морские воды полностью вытесняются из реки. Отрыв речного потока от дна происходит на взморье, мористее гребня бара. Проникновение морской воды в реку наиболее вероятно во время низкой межени, при минимальных расходах реки.

Ветровые течения, которые создают наклон водной поверхности, вызывают течения, называемые градиентными. Характерные для взморья плотностные течения, возникают за счёт неравномерности поля плотности в зоне взаимодействия более плотных морских и менее плотных речных вод. Встречные течения увеличивает высоту и уменьшает длину (оба параметра могут изменяться в два раза) волн, в результате чего они становятся круче. Попутные течения сглаживают волнение.

В заливах и устьях рек скорость приливных течений достигает 5-10 м/с. Когда энергия приливной волны велика, формируется так называемая прерывная волна, фронт которой представляет собой как бы отвесную стену в виде крутого вспененного вала. Это явление имеет разные местные названия: бор - в эстуариях рек Англии (р. Северн), поророка - на Амазонке, маскаре - на Сене, впадающей в пролив Ла Манш и Жиронде, впадающей в Бискайский залив. Китайцы называют бор "чау", что означает прилив или чау дау - большой прилив. Наибольшую известность приобрел бор на китайской реке Тзиен-Танг-Кианг, где он достигает высоты 3 м, распространяется со скоростью 10 уз. (18,5 км/час) и переносит 1,75 млн т воды в одну минуту. Бор концентрируется при уменьшении сечения реки вследствие сужения русла или подъёма ложа реки или вследствие обеих причин. Фронт бора перемещается вверх по реке со скоростью, большей, чем скорость приливного течения, входящего в реку. Благодаря той энергии, которую сообщает прилив речной воде, она может подняться выше чем там, откуда поступает импульс, кроме того, здесь возникает сдвиг фаз между моментами малой и полной воды и приливными течениями, им соответствующими. Бор никогда не образуется во время квадратурных приливов. Обычно он появляется приблизительно за четыре дня до сизигии или через четыре дня после неё. Изобретательные жители прибрежья используют бор как "бесплатное" транспортное средство для доставки малых судов вверх против течения реки.