Гидрологи́ческий режи́м – совокупность закономерно повторяющихся изменений гидрологического состояния водного объекта.

Термин «режим» происходит от франц. regime, из лат. regimen – «управление», «правление», regere – «управлять», «направлять», «исправлять» (восходит к праиндоевр. «reg-» «выпрямлять»).

Любой водный объект и его режим могут быть описаны с помощью некоторого набора гидрологических характеристик. Эти характеристики делятся на несколько групп. Приведём основные:

  1. Характеристики водного режима: уровень воды (м абс. или см над 0 гидрологического поста), скорость течения (м/с), расход воды3/с), сток воды за интервал времени (м3, км3), уклон водной поверхности (величина безразмерная) и т.д. Большинство этих характеристик может быть отнесено не только к водотокам и водоёмам, но и к особым водным объектам – ледникам, подземным водам.
  2. Характеристики термического режима: температура воды, снега, льда (°С), теплосодержание водного объекта или тепловой сток за интервал времени (Дж) и т.д.
  3. Характеристики ледового режима: сроки наступления и окончания различных фаз ледового режима (замерзания, ледостава, таяния, вскрытия, очищения ото льда), толщина ледяного покрова, сплоченность льдов и т.д.
  4. Характеристики режима наносов: содержание (концентрация) в воде взвешенных наносов или мутность воды (г/м3, кг/м3), расход наносов (кг/с), распределение наносов по фракциям (крупности) и т.д.
  5. Характеристики формы и размера водного объекта: его площадь (м2, км2), длина (м, км), ширина (м, км), глубина (м), объём воды в объекте (м3, км3) и т.д.

Кроме того, к числу гидрологических обычно относят и очень важные для описания любого водного объекта такие характеристики, как гидрохимические – минерализацию воды (мг/л) или её соленость (г/кг или ‰), содержание отдельных ионов солей, газов, загрязняющих веществ и др.; гидрофизические – плотность воды (кг/м3), вязкость воды и др.; гидробиологические – состав и численность водных организмов (экз/м2) и величину биомассы (г/м3, г/м2) и др.

Совокупность гидрологических характеристик данного водного объекта в данном месте и в данный момент времени определяет гидрологическое состояние этого водного объекта.

Гидрологическое состояние водного объекта подобно погоде применительно к состоянию атмосферы подвержено постоянным пространственно-временным изменениям. Это состояние зависит от множества факторов и определяется характером процессов, происходящих в самом водном объекте, его связью с другими водными объектами, атмосферой, литосферой, влиянием хозяйственной деятельности человека и т. д. Однако вследствие сложности и многофакторности этих процессов и связей и недостаточного знания их природы мы часто вынуждены подходить к оценке гидрологического состояния водного объекта как явлению, подверженному случайным изменениям, которые подчиняются вероятностным законам и поддаются статистическому анализу.

При длительных наблюдениях за любым водным объектом обнаруживаются некоторые закономерности в изменениях его гидрологического состояния, например, в течение года. Совокупность закономерно повторяющихся изменений гидрологического состояния водного объекта – это и есть его гидрологический режим. Некоторым аналогом гидрологического режима применительно к атмосфере можно считать климат.

Сущность гидрологического режима водных объектов – это изменения гидрологических характеристик в пространстве и во времени. Под изменением гидрологических характеристик в пространстве понимают их изменение от места к месту (вдоль, поперёк или по глубине реки, вдоль или по глубине моря или озера и т.д.), от одного водного объекта к другому.

Изменение гидрологических характеристик во времени (временная изменчивость) может быть разных масштабов. Например, выделяют изменчивость вековую (с интервалами времени или периодами, исчисляемыми веками); многолетнюю (периоды колебаний – от нескольких лет до многих десятков лет), внутригодовую, или сезонную (изменения в течение года), кратковременную, имеющую период в несколько суток (например, колебания синоптического масштаба с периодом 3–10 дней), сутки (суточная или внутрисуточная изменчивость), минуты и секунды. Главные причины вековой и многолетней изменчивости гидрологических характеристик – долгопериодные изменения климата, а также воздействие хозяйственной деятельности человека. Основные причины внутригодовых (сезонных) изменений – смена сезонов года; колебаний синоптического масштаба – процессы в атмосфере (перемещение циклонов, антициклонов и атмосферных фронтов), изменчивости суточного масштаба – вращение Земли вокруг оси и сопутствующие ему смена дня и ночи и приливы. Природа колебаний самого малого временного масштаба (минуты, секунды) – волны на поверхности воды, макро- и микротурбулентность в водных потоках.

Гидрологический режим водного объекта – хотя и закономерное, но всё же лишь внешнее проявление некоторых более сложных процессов, свойственных водному объекту, или обусловленных его взаимодействием с другими водными объектами, атмосферой, литосферой. Наблюдая за уровнем или расходом воды в реке, например, и выясняя закономерности их изменений, т. е. изучая их режим, мы пока оставляем в стороне причины этих изменений. Для того чтобы их вскрыть, необходимо изучить уже некоторые как внутренние, так и внешние процессы, воздействующие на режим водного объекта. Поэтому гидрологи изучают не только гидрологический режим водных объектов, но и гидрологические процессы, под которыми понимается совокупность физических, химических и биологических процессов, определяющих закономерности формирования гидрологического состояния и режима водного объекта.

Чтобы познать гидрологические процессы в любом водном объекте необходимо изучить, во-первых, явления, происходящие в водной толще рассматриваемого объекта (перемешивание вод, формирование температурной и плотностной стратификации, образование внутриводного льда, продуцирование кислорода благодаря жизнедеятельности зелёных растений и т. д.); во-вторых, процессы на твёрдых границах водного объекта – его дне и берегах (взаимодействие водного потока и грунтов, размыв грунта или аккумуляция наносов и т. д.); в-третьих, явления, происходящие на водной поверхности водного объекта – границе раздела вода–воздух (тепло- и газообмен с атмосферой, испарение воды и конденсация водяного пара, образование или таяние ледяного покрова, возникновение волн и течений под действием ветра и т. д.); в-четвёртых, взаимосвязь данного водного объекта с его водосбором (условия формирования стока воды, наносов, растворённых веществ, теплоты и т. д.).

В качестве примера рассмотрим некоторые характерные черты водного, термического и ледового режима рек в климатических условиях средней полосы России.

   

Водный режим рек

Во внутригодовом (сезонном) режиме таких рек выделяют ряд типичных периодов (фаз). Для большинства рек различают следующие фазы водного режима: половодье, паводки, межень. Эти фазы режима зависят прежде всего от характера водного питания рек. Выделяют четыре вида (источника) водного питания рек: снеговое, дождевое, ледниковое, подземное.

Половодье – это фаза водного режима реки, ежегодно повторяющаяся в данных климатических условиях в один и тот же сезон и характеризующаяся наибольшей водностью, высоким и продолжительным подъёмом уровня воды. Половодье формируется как талыми снеговыми, так и дождевыми водами. Таяние снега на равнинах вызывает весеннее половодье, таяние высокогорных снегов и ледников, а также выпадение длительных и сильных летних дождей (например, в условиях муссонного климата) – половодье в тёплую часть года (т. е. весенне-летнее или летнее половодье). Половодье, особенно обусловленное дождями, нередко имеет многовершинную форму.

Паводок – это фаза водного режима, которая может многократно повторяться в различные сезоны года и характеризуется интенсивным, обычно кратковременным увеличением расходов и уровней воды и вызывается дождями или снеготаянием во время оттепелей. В отдельных случаях расход воды на пике паводка может превысить максимальный расход воды половодья, в особенности на малых реках. Различают однопиковые и многопиковые паводки, одиночные паводки и паводочные периоды, когда на реке проходят серии паводков. Иногда паводок накладывается на волну половодья.

В половодья (как весеннее, так и летнее) часто заливается речная пойма. За исключением катастрофических случаев, заливание поймы – событие обычное, регулярное и поэтому не может стать неожиданным для населения и хозяйства. В отличие от половодья паводки обычно менее регулярны и трудно предсказуемы. Поэтому именно неожиданные дождевые паводки и приводят нередко к катастрофическим последствиям.

Межень – это фаза водного режима, ежегодно повторяющаяся в один и тот же сезон, характеризующаяся малой водностью, длительным стоянием низкого уровня и возникающая вследствие уменьшения питания реки. В межень реки обычно питаются только подземными водами. На многих реках России выделяют два периода пониженного стока – летнюю и зимнюю межень. В условиях холодного климата малые реки зимой могут иногда промерзать до дна. В условиях засушливого климата малые реки в летнюю межень могут пересыхать.

Для характеристики сезонных изменений водного режима рек обычно строят графики изменения расходов воды в течение года (гидрографы) для типичных по водности лет: самого многоводного и самого маловодного года за весь период наблюдений и года, близкого по водности к средней.

В нашей стране широко распространена довольно простая классификация рек по водному режиму Б.Д. Зайкова. В этой классификации все реки бывшего СССР (исключая искусственно сильно зарегулированные) разделены на три большие группы: с весенним половодьем, с половодьем в тёплую часть года и с паводочным режимом.

На первом рисунке приведен схематический гидрограф – график изменения расхода воды в течение года (от января до декабря), типичный для рек с весенним половодьем и осенними паводками. Здесь же показано расчленение гидрографа на три вида водного питания: снеговое (в период половодья), дождевое (при паводках) и подземное (грунтовыми водами) (в зимнюю и летнюю межень). У разных рек или даже разных участков одной и той же реки разделение снегового и подземного питания во время половодья представляет сложную гидрологическую задачу. Это разделение зависит от гидрогеологических условий ближайших к реке территорий: водопроницаемости грунтов, высоты залегания водоупора и др. Поэтому в разных условиях возможно разное сочетание снегового и подземного питания и во время половодья. У некоторых рек на пике половодья подземное питание вообще прекращается, и речные воды в это время питают водоносные горизонты. В других случаях в период половодья подземное питание реки, наоборот, возрастает. Возможны и промежуточные ситуации.

   

Термический режим рек

Поскольку на температуру воды в реке влияют изменения температуры воздуха, основная причина временных изменений температуры воды в реках – метеорологическая.

В условиях умеренного климата наиболее типичны сезонные изменения температуры воды в реках, показанные на втором рисунке. Зимой под ледяным покровом вода у поверхности реки имеет температуру около 0°С. Весной в период повышения температуры воздуха и осенью в период её понижения изменения температуры воды следуют с некоторым отставанием за изменениями температуры воздуха. Максимальная температура воды по величине меньше максимальной температуры воздуха (например, на реках Подмосковья эти температуры соответственно равны приблизительно 22–24 и 28–30°С). Максимум температуры воды наступает несколько позже максимальной температуры воздуха. В связи с тем, что температура воды в реках, как правило, не может приобретать отрицательные значения, среднегодовая температура воды в реках заметно выше, чем среднегодовая температура воздуха.

Помимо сезонных колебаний температура воды в реках обычны и её суточные изменения, которые также отстают от изменения температуры воздуха. Минимальная температура воды обычно наблюдается в утренние часы, максимальная – в 15–17 часов (максимум температуры воздуха обычно наступает на 1–2 ч раньше). На больших реках суточные изменения температуры воды обычно не более 1–2°С, на малых реках они могут быть заметно больше. Суточные колебания температуры воды хорошо выражены на реках, берущих начало из ледников.

Температура речной воды имеет и пространственные изменения. Хорошо известно подчиняющееся широтной зональности изменение температуры воды вдоль крупных рек, текущих в меридиональном направлении. У таких рек наибольшее различие температуры воды вдоль реки отмечается в период нагревания. Часто температура воды в реках изменяется ниже впадения крупных притоков. В летнее время существенно уменьшается температура воды в реках ниже водохранилищ, что объясняется поступлением в нижние бьефы гидроузлов глубинных вод из водохранилищ, имеющих пониженную температуру.

  

Ледовый режим рек

Все реки по характеру ледового режима делятся на три большие группы: замерзающие, с неустойчивым ледоставом, незамерзающие. Реки в условиях умеренного климата, как правило, зимой замерзают. На таких реках выделяют три характерных периода: замерзания, или осенних ледовых явлений; ледостава; вскрытия, или весенних ледовых явлений. Замерзание и вскрытие реки происходит через несколько дней после перехода температуры воздуха через 0ºС.

В периоды осенних и весенних ледовых явлений обычно наблюдаются осенний и весенний ледоходы, заторы и зажоры.

В.Н. Михайлов, М.В. Михайлова