Твёрдый сток реки

Твёрдый сток реки — это совокупность твёрдых частиц различного происхождения и размера, переносимых водным потоком реки. Твёрдый сток является одной из важнейших характеристик гидрологического режима реки наряду с водным стоком и определяет её эрозионную и аккумулятивную деятельность. Количественно твёрдый сток выражается в массе или объёме наносов, проходящих через поперечное сечение русла за определённый промежуток времени (обычно за год, реже за месяц или сезон).

Формы твёрдого стока

Твёрдый сток реки неоднороден по своему составу и способу перемещения. В гидрологии и русловедении выделяют три основные формы твёрдого стока:

Влекомые наносы

Влекомые наносы — это наиболее крупные частицы (песок, гравий, галька, валуны), которые перемещаются в придонном слое потока путём перекатывания, скольжения или сальтации (скачкообразного движения). Скорость их перемещения значительно меньше скорости течения воды. Движение влекомых наносов происходит только при определённых скоростях потока, превышающих так называемую неразмывающую скорость для данного типа грунта. Влекомые наносы составляют обычно от 5 до 10 % общего твёрдого стока равнинных рек, но в горных реках их доля может быть значительно выше.

Взвешенные наносы

Взвешенные наносы — это мелкие частицы (глина, ил, мелкий песок), которые удерживаются во взвешенном состоянии турбулентными пульсациями водного потока. Они перемещаются со скоростью, близкой к скорости течения воды. Взвешенные наносы составляют основную массу твёрдого стока большинства рек мира — от 80 до 95 % и более. Концентрация взвешенных наносов (мутность воды) измеряется в граммах на кубический метр (г/м³) или в миллиграммах на литр (мг/л).

Растворённые вещества

Хотя растворённые вещества (ионы солей, органические соединения) формально не являются твёрдыми частицами, в гидрологии их часто включают в общий твёрдый сток как компонент химического стока. Они переносятся в ионном или молекулярном виде. Масса растворённых веществ может быть сопоставима с массой взвешенных наносов, особенно в реках, питающихся подземными водами, или в засушливых регионах.

Факторы, определяющие твёрдый сток

Величина твёрдого стока реки зависит от комплекса природных и антропогенных факторов. Основными из них являются:

• Водность реки (расход воды). Существует прямая корреляция: чем больше расход воды, тем выше её транспортирующая способность и, как правило, больше твёрдый сток. Однако эта зависимость нелинейна.
• Геологическое строение и рельеф водосбора. Реки, протекающие в горных районах с молодыми, легко разрушаемыми породами (например, лёссы, сланцы), имеют значительно более высокий твёрдый сток, чем реки равнинные, сложенные устойчивыми кристаллическими породами.
• Климат и режим осадков. Интенсивные ливневые дожди вызывают резкое увеличение эрозии почв и, соответственно, рост твёрдого стока. Снеготаяние также может приводить к пикам твёрдого стока, особенно в период весеннего половодья.
• Почвенный и растительный покров. Лесная и луговая растительность защищает почву от эрозии, снижая поступление наносов в реки. Распашка земель, вырубка лесов и перевыпас скота, напротив, многократно увеличивают твёрдый сток.
• Антропогенная деятельность. Строительство плотин и водохранилищ является мощным фактором, задерживающим до 90–99 % твёрдого стока реки. Добыча полезных ископаемых (особенно открытым способом), строительство дорог, урбанизация также существенно влияют на объём и состав твёрдого стока.

Методы измерения и расчёта

Измерение твёрдого стока — сложная задача, особенно для влекомых наносов. Основные методы включают:

• Отбор проб взвешенных наносов. Производится специальными батометрами (например, батометр-бутылка, батометр Жуковского) на разных глубинах и вертикалях живого сечения реки. Пробы фильтруются, высушиваются и взвешиваются. По результатам строится график распределения мутности.
• Измерение влекомых наносов. Используются донные ловушки (батометры для влекомых наносов), которые устанавливаются на дно на определённое время. Также применяются методы мечения (например, окрашивание частиц флуоресцентными красителями) и акустические методы (гидролокаторы).
• Расчётные методы. На основе данных о расходе воды и эмпирических зависимостей (кривых связи «расход воды — расход наносов») вычисляется сток наносов. Для долгосрочных оценок используются эмпирические формулы, учитывающие факторы эрозии (например, универсальное уравнение потерь почвы USLE).

Значение и последствия

Твёрдый сток рек играет фундаментальную роль в геологических, экологических и хозяйственных процессах:

• Формирование рельефа. Твёрдый сток является главным агентом эрозии и аккумуляции. Реки переносят огромные массы материала, формируя долины, дельты, поймы и конусы выноса.
• Плодородие почв. Наносы, отлагающиеся в поймах рек (аллювий), являются одними из самых плодородных почв в мире (например, в долине Нила, Ганга, Хуанхэ). Ежегодные паводки приносят свежий слой питательных веществ.
• Заиление водохранилищ. Одна из главных проблем гидроэнергетики и водоснабжения. Водохранилища теряют свою полезную ёмкость из-за осаждения наносов. По оценкам, ежегодно в мире теряется около 1 % общего объёма водохранилищ из-за заиления.
• Деградация русел. Сокращение твёрдого стока ниже плотин (так называемый «голодный» поток) приводит к размыву (деградации) русла реки на десятки километров ниже по течению, что угрожает устойчивости мостов, водозаборов и береговых сооружений.
• Загрязнение. Твёрдый сток часто является переносчиком загрязняющих веществ, сорбированных на поверхности частиц (тяжёлые металлы, пестициды, радионуклиды). Таким образом, наносы могут аккумулировать и распространять загрязнение на большие расстояния.

Примеры рек с наибольшим твёрдым стоком

Крупнейшие реки мира по величине твёрдого стока (в миллионах тонн в год):

1. Хуанхэ (Китай) — исторически рекордсмен, до строительства плотин выносила в море до 1,6 миллиарда тонн наносов в год, что обусловлено протеканием через лёссовое плато. В настоящее время сток наносов резко сократился (до 100–200 млн тонн) из-за зарегулирования.
2. Ганг (Индия/Бангладеш) — около 1,5 миллиарда тонн в год (вместе с Брахмапутрой).
3. Янцзы (Китай) — около 500 млн тонн в год (также сильно снизился после строительства плотины «Три ущелья»).
4. Амазонка (Бразилия) — около 400–600 млн тонн в год, несмотря на огромный водный сток, мутность воды относительно невысока из-за густого тропического леса.

Среди рек России наибольший твёрдый сток характерен для рек Кавказа (Кубань, Терек) и рек, стекающих с гор Южной Сибири (Амур, Енисей, Лена — в период половодья). Однако в целом твёрдый сток рек России относительно невелик по сравнению с реками Азии из-за меньшей эрозионной активности и большей залесённости водосборов.

Критика и современные исследования

В последние десятилетия научное сообщество пересматривает традиционные подходы к оценке твёрдого стока. Основные направления критики и новых исследований:

• Недоучёт влекомых наносов. Традиционные методы измерения часто недооценивают долю влекомых наносов, особенно в горных реках. Современные акустические и радиоизотопные методы позволяют получать более точные данные.
• Влияние антропогенного фактора. Строительство плотин привело к глобальному сокращению твёрдого стока рек в океан на 25–30 %. Это вызывает эрозию дельт и береговой линии по всему миру (например, дельта Нила, дельта Миссисипи).
• Связь с изменением климата. Таяние ледников и вечной мерзлоты может увеличить твёрдый сток в некоторых регионах (например, в Арктике), в то время как учащение засух — снизить его.
• Экологическая роль. Исследования показывают, что твёрдый сток является ключевым фактором для поддержания нерестилищ лососёвых рыб (галька и гравий необходимы для откладки икры), а также для формирования местообитаний донных организмов.

Источники

1. Караушев А. В. Теория и методы расчёта речных наносов. — Л.: Гидрометеоиздат, 1977.
2. Маккавеев Н. И. Сток наносов и эрозия речных русел. — М.: Изд-во МГУ, 1982.
3. Чалов Р. С. Русловедение: теория, география, практика. — М.: ЛЕНАНД, 2019.
4. Виноградов Ю. Б., Виноградова Т. А. Математическое моделирование стока наносов. — СПб.: Изд-во РГГМУ, 2003.
5. Syvitski J. P. M., Vörösmarty C. J., Kettner A. J., Green P. Impact of Humans on the Flux of Terrestrial Sediment to the Global Coastal Ocean // Science. — 2005. — Vol. 308, № 5720. — P. 376–380.
6. Walling D. E. Human impact on land–ocean sediment transfer by the world's rivers // Geomorphology. — 2006. — Vol. 79, № 3–4. — P. 192–216.