Поверхностный и подземный сток. Уравнение водного баланса

Под стоком понимают часть атмосферных осадков, которые стекают с определенной площади в реку по склонам и в виде подземного потока движутся от места инфильтрации до места естественной разгрузки в виде источников. Сток разделяют на поверхностный и подземный.

Поверхностный сток — один из важнейших элементов круговорота воды в природе. Количество осадков, идущих на поверхностный сток, зависит от климатических условий, вида осадков, рельефа местности, водопроницаемости горных пород, растительности и искусственных факторов (создание водохранилищ на реках, оросительных системах, лесных полос и т. п.). Чем больше выпадает осадков, меньше испарение и более расчленен рельеф местности, тем больше поверхностный сток.

Подземный сток — это количество подземной воды, стекающей в реки с определенной площади подземными путями.

Лесная растительность увеличивает подземный и уменьшает поверхностный сток, замедляя темпы весеннего половодья и снижая эрозионную активность стекающей воды. В засушливых районах, где осадков выпадает мало, а испарение велико, многие реки летом не имеют стока, пересыхают. В суровые зимы также наблюдается уменьшение речного стока, поскольку он формируется только за счет питания рек подземными водами. Осенью на некоторых реках бывает второй, меньший по величине, чем весенний, паводок, связанный с уменьшением испарения с почвы и растительности. Выход на поверхность земли водопроницаемых пород, способствуя просачиванию атмосферных осадков, повышает подземный сток и снижает поверхностный.

Подземные воды поступают в реки в результате дренирования водоносных горизонтов пересекающими их речными долинами. Равнинные реки весной, летом и осенью питаются одновременно поверхностными (за счет дождей) и подземными водами, а зимой и в период засухи — почти исключительно подземными.

Величину стока на площади всего бассейна реки или части его определяют замерами расхода речного стока на гидрометрических станциях и постах, организованных в устье или на другом участке реки. Под расходом реки понимают количество воды, протекающей в единицу времени через поперечное сечение потока. Чтобы определить расход воды Q (м3/с) в том или ином сечении, необходимо знать среднюю скорость движения воды в реке v (м/с) и площадь водного потока F (м2):

Скорость движения воды в реке по створу измеряют на определенных расстояниях и глубинах гидрометрической вертушкой или поплавком. Количественно величина стока характеризуется коэффициентом и модулем стока.

Коэффициентом стока η (%) называют отношение количества воды h, стекающей с площади водосборного бассейна за определенный период, к количеству осадков x, выпавших за тот же период в бассейне реки:

Модуль стока М — это количество воды Q (л), стекающей за 1 с 1 км² водосборной площади F бассейна реки:

Модуль стока в течение года не остается постоянным: максимальное значение его характерно для периода весеннего паводка, а минимальное — для летнего или зимнего периодов, когда имеет место в основном подземное питание реки. Обычно для характеристики стока в районе работ пользуются средним многолетним значением модуля стока.

Общий модуль стока включает модули поверхностного и подземного стоков. Для характеристики величины стока и разделения его на поверхностный и подземный необходимо знать площади водосбора поверхностных и подземных вод. Водосборную площадь поверхностного стока можно определить по горизонталям на топографической карте. Нередко ее считают и водосборной площадью подземного стока, хотя это неточно, потому что размеры площади водосбора подземных вод определяются геологическим строением местности.

Величину подземного стока характеризует расход реки в летний (меженный) период года при отсутствии дождевого паводка и в зимнее время при отсутствии значительных оттепелей. Подземный сток составляет 20–60% общего стока. Например, подземное питание Днепра составляет 33% общего стока или 8,5% выпавших осадков. По данным Б. В. Полякова, для малых рек подземный сток не превышает 30% общего стока. В карстовых районах, где условия для просачивания воды очень благоприятны, подземный сток очень велик: так, в Крыму в районе карстового источника Аян на подземный сток приходится 93% выпадающих осадков.

Модуль подземного стока служит надежным показателем при оценке водоносности горных пород, распространенных на площади водосборного бассейна реки, и используется при гидрогеологических расчетах.

Осадки, сток и испарение, участвующие в круговороте воды в природе, являются элементами водного баланса того или иного района. Уравнение водного баланса суши имеет вид: 

О (осадки) = С (поверхностный сток) + Ин (инфильтрация) + И (испарение). 

Объединяя поверхностный и подземный стоки в речной сток, уравнение водного баланса можно представить следующим образом: 

О (осадки) = С (речной сток) + И (испарение).

Располагая метеорологическими данными, в том числе картами осадков, стока и испарения, можно составить уравнение водного баланса интересующего района.

Атмосферные осадки существенно влияют на водоприток в открытые горные выработки. Приток формируется непосредственно за счет атмосферных осадков, стекающих в карьер с водосборной площади в период снеготаяния и ливней, и подземных вод, поступающих в карьер при осушении водоносных горизонтов, залегающих на месторождении, основным источником питания которых являются инфильтрующие атмосферные осадки. Водообильность карьеров и неглубоких шахт в районах с большим количеством осадков больше, чем в недостаточно увлажненных и засушливых.