Водоносность рек не остается постоянной, она меняется из года в год в зависимости от режима атмосферных осадков. Различают многоводные годы, когда водность рек выше средней, средние и маловодные годы, когда она ниже нормы. Разность между наибольшим и наименьшим среднегодовыми расходами воды за достаточно длительный промежуток времени (20, 30, 50 и более лет) составляет многолетнюю амплитуду колебаний водоносности рек.
Изменчивость годового стока обычно принято характеризовать с помощью коэффициента вариации Cv; чем больше значение этого коэффициента, тем большей является изменчивость стока.
Для отдельного года уравнение водного баланса имеет вид х = у + z + u или у = х - z + u. Изменчивость годового стока, "как остаточного члена уравнения водного баланса, определяется изменчивостью х, z и u. В северных районах, где осадков выпадает сравнительно много, а потери на испарение невелики, разность х - z весьма значительна и сравнительно мало колеблется из года в год. В южных районах она мала и колеблется в значительно больших пределах. Изменчивость стока, таким образом, находится примерно в обратной зависимости от относительной водности, или нормы стока.
В равнинных районах, например в Европейской части СССР, коэффициент вариации меняется следующим образом: в лесной зоне Сv равен 0,15-0,20. Характерные примеры: р. Уса - с. Нисогоры (54400 км2) - Сv = 0,15; р. Печора - с. Якша (9500 км2) - Cv = 0,17;
в лесостепной зоне Cv равен 0,30-0,40. Характерные примеры: р. Ока - г. Орел (4870 км2) - Cv = 0,34, р. Хопер - с. Поворино (19330 км2) - Сv = 0,31;
в степной зоне Cv равен 0,6-0,7. Характерные примеры: р. Самара - г. Павлоград (5400 км2) -Сv-0,71; р. Волчья - г. Павлоград (12960 км2) - Сv = 0,68.
В горных районах, как показывают исследования, изменчивость годового стока рек тесно связана с высотой бассейна. Чем выше расположен бассейн реки, тем меньше колебания стока и тем меньше значения коэфициента вариации годового стока. В то время как в предгорьях Большого Кавказа, например на реках Северного Кавказа, коэфициент вариации достигает 0,4-0,5, в наиболее высокогорной части Большого Кавказа он не превышает 0,1.
Изменчивость, или колебание, стока не следует смешивать с изменением последнего, так как в первом случае речь идет о колебании около некоторого среднего значения, а во втором имеется в виду изменение стока под влиянием какого-либо одного или нескольких факторов, т. е. когда имеет место устойчивое понижение или повышение его значений, наблюдающееся на протяжении ряда лет.
Выше говорилось об изменчивости годового стока рек в естественных условиях, когда этот процесс в основном определялся климатическими факторами. Однако условия стока с течением времени весьма изменяются в результате хозяйственной деятельности человека (вырубка лесов, осушение болот, распашка новых земель, строительство прудов и пр.). Несомненно, что с изменением условий стока в бассейне изменяется и его величина.
Следовательно, при тех же метеорологических условиях сток с данного бассейна в количественном отношении будет претерпевать существенные изменения.
В числе вопросов, связанных с изменением водности рек, особое значение имеет вопрос о влиянии хозяйственной деятельности человека на режим рек. Он привлек к себе большое внимание еще в прошлом столетии, особенно в связи с хищнической вырубкой лесов в период развития капитализма. С истреблением лесов стали связывать наступившее мелководье на реках, говорить о систематическом их обмелении. В данном случае имелось в виду не естественное колебание водоносности рек, а искусственное уменьшение, явившееся следствием хищнического уничтожения лесных массивов.
Несмотря на длительную дискуссию по вопросу о роли лесов в питании рек и о влиянии вырубки лесов на их водоносность, этот вопрос и до сих пор не может считаться окончательно решенным. Тем не менее можно считать бесспорным, что вырубка лесов способствует более быстрому стеканию выпадающих осадков и, следовательно, повышению половодья на реках; в результате вырубки уменьшается подземное питание рек, в силу чего они становятся маловодными в межень, и, наконец, отсутствие лесного покрова способствует развитию эрозионных процессов и увеличению стока химически растворенных в воде веществ.
Сталинский план преобразования природы, предусматривающий в огромном масштабе лесонасаждение в степной и лесостепной зонах Европейской части СССР, окажет значительное влияние на водный режим рек.
Еще более сложным представляется вопрос о роли болот в питании рек, об изменении режима рек в результате мелиоративных и агротехнических мероприятий, проводимых на болотах.
Можно считать, что болота оказывают некоторое регулирующее влияние на сток рек, так как они снижают максимум весенних половодий и несколько распластывают половодье. Нельзя полагать случайным то, например, что реки сильно заболоченной Западно-Сибирской низменности имеют характерное растянутое весеннее половодье; безусловно, одной из причин этого являются обширные болотные массивы, затрудняющие сток поверхностных вод.
Установлено, что летом болота очень плохо отдают воду, особенно когда уровень грунтовых вод понижается ниже слоя очеса. Вследствие исключительно малой фильтрационной способности торфа по сравнению с очесом, сток воды летом, при низком стоянии уровня грунтовых вод, практически прекращается, и реки, вытекающие из болот, часто пересыхают. Характерным примером является пересыхание многих рек Ленинградской области в 1936-1938 засушливых годах. Говоря о колебаниях водоносности рек, необходимо затронуть еще один важный вопрос. Речь идет о синхронности колебаний.
Трудно представить, чтобы все реки СССР одновременно в каком-либо году были, скажем, многоводными или маловодными или водность их была близка к средней. Наблюдения показывают, что в то время как в одной части территории СССР наблюдается высокая водность рек, в других частях сток может приближаться к норме или даже быть низким. Основную роль в изменении водности рек в отдельные сезоны, как было указана выше, играют метеорологические условия. Как показал Л. К. Давыдов, даже в условиях бассейна Днепра коэффициенты корреляции между средними годовыми расходами воды реки и его больших притоков (Березина, Сож, Припять и др.) часто не превышают 0,5, не говоря уже о более отдаленных связях (Дон и Северная Двина - 0,1, Днепр и Волга-0,2, Амур и Обь - 0,05 и т. д.).
Вопрос о синхронности колебаний стока имеет важное значение, так как именно на предположении о наличии ее основывается широко применяемый в гидрологии способ удлинения коротких рядов наблюдений по кривым связи с соседними пунктами наблюдений, имеющими данные за больший промежуток времени.
Исследования Л. К. Давыдова и П. С. Кузина показывают, что в отдельные годы границы областей, отличающихся однородными условиями стока и примерно одинаковой относительной водностью, не остаются постоянными, а изменяются из года в год. Отсюда следует, что чем дальше расположены бассейны друг от друга, тем менее вероятно, чтобы они ежегодно попадали в район, отличающийся одинаковой водностью, т. е. что изменение стока на этих бассейнах проходило бы синхронно. И, наоборот, чем ближе они расположены, тем синхроннее ход их стока в многолетнем разрезе. Однако и близко расположенные бассейны в отдельные годы могут попадать в разные по своей относительной водности районы. Это подтверждается обычно имеющим место значительным разбросом точек на кривых связи стока двух пунктов. Поэтому может считаться более правильным установление такого рода связей не с одним, а с несколькими пунктами, расположенными в пределах смежных бассейнов.
Изложенное не противоречит тому известному факту, что особенно выдающиеся многоводные или маловодные годы одновременно охватывают большие районы. Так, например, в 1921 г. маловодье на реках наблюдалось на большей части Европейской территории СССР, как это видно на карте относительной водности, составленной Т. Н. Кочуковой (рис. 30). Анализ векового хода стока на реках СССР показывает, что какой-либо правильной периодичности в его колебаниях не существует. Вместе с тем отмечается смена многоводных и маловодных циклов. Это хорошо видно на примере Невы, Немана, Северной Двины, Амура и других рек с длительными рядами наблюдений (рис. 31). Весьма интересен многолетний ход стока Волги у Сталинграда, показанный на этом же рисунке, где выделяется малой водностью период с 1930 по 1945 г., в течение которого произошло понижение уровня Каспийского моря почти на 2 м.
Рис. 30. Относительная водоносность рек за 1921 г. (по Т. Н. Кочуковой).
Оценка водоносности отдельных районов СССР: 1 - исключительно маловодный год с вероятностью 1 раз в 100 лет, 2 - маловодный год с вероятностью 1-5 раз в 100 лет, 3 - маловодный год с вероятностью 5-25 раз в 100 лет, 4 - средний по водности год с вероятностью 25-65 раз в 100 лет, 5 - многоводный год с вероятностью 6-26 раз в 100 лет, 6 - многоводный год с вероятностью 1-5 раз в 100 лет, 7 - исключительно многоводный год с вероятностью 1 раз в 100 лет.
