Континентальный этап. 
Гидрология материков

В глобальном гидрологическом цикле представляет собой процесс перемещения природных вод по поверхности суши (поверхностный сток) и внутри почв и грунтов верхнего слоя литосферы (подземный сток) под действием силы тяжести. Поверхностный сток имеет следующие разновидности: склоновый, русловой и внутриводоемный. В течение года сток имеет многоводные фазы — половодье (повторяется на данной реке из года в год в один и тот же сезон) и паводки (возможны в любое время каждого сезона) и маловодные фазы (межень).

Склоновый сток периодически возникает во время снеготаяния или интенсивных и продолжительных дождей в виде плоскостного стекания воды с относительно ровных, покрытых луговой или лесной растительностью территорий. На оголенных или распаханных склонах оно перестраивается в сток воды по непрерывно изменяющейся микроручейковой сети, переходящий в сеть все более крупных временных ручейков. В этой начальной стадии формирования поверхностного стока его внутрисуточная, синоптическая и сезонная изменчивость изначально определяется неравномерностью выпадения атмосферных осадков вследствие изменения погоды. Сильно изменчив при этом и состав склонового генетического типа вод, обогащающихся смываемыми легко растворимыми солями, минеральными биогенными и органическими веществами (продуктами бактериального разложения отмирающих организмов наземной флоры и фауны), а также минеральными и органическими взвешенными веществами, из-за которых эти воды особенно мутны.

Одновременно на водосборе начинают формироваться и два других генетических типа вод, образующих подземный сток из фильтрующихся сквозь почву и подстилающие ее грунты склоновых вод и изменяющих при этом свои свойства. Образовавшиеся в результате этой трансформации воды почвенного генетического типа, сильнее и продолжительнее контактирующие с почвенным покровом водосбора, отличаются от склоновых вод несколько большей минерализацией, наибольшим содержанием биогенных и органических растворенных веществ и меньшей концентрацией взвесей. А еще глубже проникающие воды грунтового генетического типа из-за еще более медленного водообмена приобретают наиболее высокую минерализацию и жесткость при минимальном содержании органических, биогенных и взвешенных веществ и нередко при полном отсутствии растворенного кислорода. Если в них много растворенного закисного железа, то при выходе на поверхность в виде источников такие воды заметны по ржавому цвету осадка. Он образуется при насыщении подземной воды на воздухе кислородом, превращающим бесцветное Fe (OH)₂ в хлопьевидное Fe (OH)₃.

Русловой сток возникает, когда воды этих генетических типов, объединяясь в первичную речную водную массу (РВМ), формируют русловую сеть, где смешиваются в различных пропорциях в зависимости от фазы гидрологического режима. В половодье при снеготаянии в умеренных и полярных широтах или в сезон интенсивных дождевых осадков в областях муссонного и тропического климата возникающая в русле первичная РВМ состоит в основном из склоновых вод. В эту самую многоводную фазу водного режима вода в реке имеет соответствующие данному генетическому типу вод характеристики своего физического состояния и химического состава. При этом сильный подъем уровня воды в реке с нередким затоплением поймы создает подпор подземных вод, ограничивающий их поступление в реку. На спаде половодья и в паводки преобладающую роль в формировании первичной РВМ играют воды почвенного генетического типа в сочетании с остатками склонового типа вод и все увеличивающегося притока в речное русло вод грунтового генетического типа.

В глубокую летнюю и зимнюю межень, когда реки питаются почти исключительно грунтовым генетическим типом воды из наиболее глубоких водоносных горизонтов грунтовой толщи речного водосбора, солевой состав РВМ подобен химическому составу вод данного генетического типа. Попадая в речную сеть, эти воды быстро насыщаются кислородом. Летом они имеют низкую температуру, вследствие чего растворимость в них атмосферного кислорода велика. В период ледостава они имеют более высокую температуру по сравнению с РВМ, поэтому у их источников часто образуются полыньи — очаги насыщения кислородом зимней речной воды.

По мере продвижения РВМ вниз по реке от истока к устью и изменения расхода воды в потоке непрерывно изменяется в ней соотношение между массой взвешенных и влекомых наносов. Кроме того, от одного речного участка к другому увеличивается объем этой главной РВМ благодаря ее смешению с водными массами все большего числа притоков ее речной системы. Поэтому русловой сток сопровождается как внутримассовой, так и фронтальной трансформацией состава речной воды.

Внутриклассовая трансформация РВМ проявляется:

• • в колебаниях температуры речной воды вследствие ее теплообмена с атмосферой, изменяющегося в безледный период года в зависимости от смены погоды;
• • в колебаниях концентрации взвешенных веществ и прозрачности речной воды вследствие ее обмена наносами с русловыми отложениями в плесовых лощинах и на перекатах, у абразионных и аккумулятивных участков речного берега. Направленность этого обмена и его интенсивность изменяются в зависимости от расхода воды и наносов в реке. Особенно сильна такая трансформация в случае выхода воды на пойму, когда происходит заиление ее поверхности и смена водных масс в расположенных на ней нередко многочисленных пойменных озерах и низинных болотах;
• • в постепенном увеличении минерализации речной водной массы в местах дренирования руслом все более глубоких водоносных горизонтов грунтовой толщи речного водосбора;
• • в постепенном росте биомассы фитои зоопланктона, количества рыбы по мере увеличения времени существования и размера РВМ, в колебании видового состава и численности водных организмов планктона в зависимости от развития в русле высшей водной растительности и ихтиофауны, изменений водности реки и погодных условий в вегетационный период.

Фронтальная трансформация РВМ происходит в участках русла, расположенных ниже устьев притоков. В русловой сети каждого из них формируются свои речные водные массы со специфическими характеристиками водности и состава воды, соответствующими ландшафтным условиям формирования стока на водосборе того или иного притока.

В пределах участка смешения водных масс притока и главной реки (начало такого участка — в створе устья притока) выделяются по минерализации воды и другим гидроэкологическим характеристикам три зоны (рис. 1.3).

Две из них, сужающиеся вниз по течению, расположены у противоположных берегов реки, а между ними находится третья — расширяющаяся вниз по течению фронтальная зона. У берега, противоположного устью притока, находится зона, в которой расположена струя главной РВМ, все большая часть которой с удалением от устьевого створа вовлекается во фронтальную зону. У другого берега реки прослеживается струя все более трансформирующейся водной массы притока вследствие смешения с водой расширяющейся фронтальной зоны. А в этой зоне с удалени;

Рис. 1.3. Схема фронтальной трансформации речной водной массы (а), по материалам русловой съемки в летнюю межень 1975 г. участка смешения (6) речных водных масс Волги (расход Вм, 34 м³/с) и ее притока Вазузы (расход вм, 4 м³/с):

Тр — зона трансформации водной массы притока; Фр — фронтальная зона; 1 —VII— номера поперечных створов наблюдений (протяженность участка.

4,5 км) ем вниз по течению от устьевого створа все меньше становятся значения поперечного градиента характеристик состава воды. Этот градиент практически совсем исчезает в створе полного смешения обеих РВМ, на нижней границе участка фронтальной трансформации главной водной массы реки.

Гидрологическая структура участка смешения РВМ (т.е. соотношение размеров трех зон) и его протяженность до створа полного смешения зависит от руслового рельефа, соотношения расходов воды сливающихся рек и в особенности от водности реки. Чем больше расход воды в ней, тем длиннее этот участок смешения, несмотря на то, что с увеличением расхода нередко возрастает скорость течения и турбулентное перемешивание водных масс. Тем не менее при повышенных скоростях течения возрастает удаленность створа полного смешения от устьевого створа. Концентрацию любой консервативной характеристики Ссостава речной водной массы в створе полного смешения рассчитывают по формуле смешения.

где С_Вм и Q_Bm — концентрация вещества и расход воды в главной реке выше устья притока; С_вм и Q_bM — то же, в приустьевом участке русла притока; Q = 0_Вм + 0_ВМ — расход реки в створе полного смешения.

Наименее консервативна в этом процессе концентрация взвешенных наносов, осаждение и взмучивание которых зависит от изменения динамического режима потока в узле слияния рек.

Таким образом, с позиций структурной гидрологии каждая речная водная масса — это смесь генетических типов воды, поступивших в речную систему с ее водосбора в одну из фаз стока. И только в русле главной реки крупной речной системы на стыке фаз стока может наблюдаться явление вытеснения вод прошедшей маловодной фазы водной массой наступившей многоводной фазы (например, вытеснение вниз по реке вод зимней межени водной массой начавшегося половодья).

Внутриводоемный сток. Еще большей трансформации подвергаются континентальные водные массы, поступающие в водоемы суши — пресноводные озера, водохранилища и пруды. Подавляющее большинство таких водоемов проточны, т. е. из них вытекает вода в расположенные ниже участки речной сети. Процесс стока в каждом таком водоеме представлен медленным транзитным стоковым течением, направленным от устьев рек, втекающих в водоем, к истоку вытекающей из него реки.

Вследствие замедленного водообмена в водоеме происходит смешение РВМ не только разных рек, но и различных фаз их водного режима (половодья, межени, паводков). В результате их фронтальной трансформации образуется основная (озерная) водная масса (ОВМ), отличающаяся от речных водных масс прежде всего комплексным генетическим составом. Это означает, что каждая водная масса озерного типа представляет собой смесь множества объемов разнородных генетических типов воды, возникших в различных ландшафтах одного или нескольких речных водосборов в 2 — 3 фазах и более данного года или даже многих предшествующих лет. Благодаря длительному воздействию многообразных внутриводоемных динамических процессов ОВМ даже в самых крупных водоемах мира приобретают пространственно однородные физические, химические и биологические свойства в поверхностном перемешанном слое (эпилимнионе) и глубинном слое (гиполимнионе). Различие неконсервативных характеристик качества воды в этих слоях возникает благодаря внутримассовой трансформации лишь в сезоны летней или зимней стагнации. Эти различия исчезают в периоды полной конвективной циркуляции вод в другие сезоны.

Таким образом, чем меньше интенсивность внутриводоемного стока, т. е. проточность водоема, тем более продолжительно время пребывания ОВМ в водоеме, тем сильнее ее внутримассовая трансформация и больше отличие состава воды, вытекающей из водоема в речное русло, по сравнению с составом РВМ, питающих водоем. При этом трансформируются (сильно сглаживаются) и внутригодовые колебания характеристик водного, теплового, химического стока и стока наносов. Поэтому для озерных рек, вытекающих из слабопроточных озер, характерны следующие черты озерного регулирования стока:

• а) отсутствие в их внутригодовом водном режиме многоводных и маловодных фаз;
• б) постоянство минерализации и химического состава воды, ее большая прозрачность из-за малой концентрации минеральных взвесей.

В водообмене озер мира участвует в среднем за многолетний период более 2,2 тыс. км³/год речных вод и атмосферных осадков, образующих ежегодно возобновляющиеся динамические водные ресурсы озер. Они составляют всего 1% суммарного объема аккумулированной в озерах воды, равного 176 тыс. км³. Остальные 99% этого объема представляют собой вековые стационарные озерные ресурсы (водные и биологические). Время пребывания воды в озерах разных морфогенетических типов варьирует очень сильно — от нескольких месяцев в сильно проточных водоемах до 300 лет в оз. Байкал, выделяющемся самым замедленным водообменом среди проточных водоемов Земли. Среднее значение времени пребывания воды в озерах мира — около 80 лет.

В каждой реке, вытекающей из озера, по мере впадения в нее все большего количества РВМ ее притоков с незарегулированным русловым стоком озерные воды, вследствие фронтальной трансформации, приобретают черты, более свойственные речной водной массе — внутригодовое чередование многоводных и маловодных фаз стока с генетически обусловленным изменением в реке физических, химических и биологических характеристик воды.

Завершается континентальный этап ГГЦ метаморфизацией РВМ в устьевой области, где пресная речная вода смешивается с морской водной массой (МВМ). Здесь на стыке континентального и океанического звеньев ГГЦ главную роль в коренном изменении свойств воды играют следующие процессы:

• • прекращение перемещения влекомых наносов и осаждение большей части взвешенных наносов вследствие уменьшения уклона речного потока и скорости течения;
• • фронтальное смешение РВМ с намного большим объемом соленой морской воды, сопровождающееся ее пересыщением карбонатными ионами, кристаллизацией СаС0₃ и его осаждением (при участии водных организмов) на дно приустьевого взморья.

Аналогичные процессы метаморфизации состава пресных РВМ протекают и в аридных областях внутреннего стока — в солоноватоводных озерах и приустьевых заливах минеральных озер, куда впадают питающие их реки. Здесь особенно ярко проявляется роль испарения в повышении солесодержания ОВМ (до 100 — 300 %о и более), превращающейся в рапу, из которой происходит осаждение на дно различных по химическому составу солей.