Водный режим рек и почвы определяется климатом, состоянием земной коры (рельефом, водопроницаемостью горных пород, растительностью) и деятельностью человека.
Изменения климата и земной коры в течение геологических эпох были столь существенны, что они резко меняли облик Земли, ее флору и фауну.
Водный и тепловой режимы Земли зависят от следующих космических и земных факторов:
1) изменения притока солнечной радиации вследствие изменения земной орбиты, положения земной оси и изменения интенсивности солнечной радиации;
2) изменения рельефа Земли, размеров оледенения, соотношения площади, занятой водой и сушей, количества углекислоты и помутнения атмосферы от извержения вулканов и выброса промышленных газов.
Факторы, определяющие изменение теплового и водного режима Земли, с одной стороны, носили периодический характер (преимущественно астрономический), с другой — могли быть вызваны причинами, не носившими строго периодического характера (помутнением атмосферы, горообразованием, кратковременными изменениями теплового состояния, приводившими к последующему изменению оледенения, и т. д.).
Многопричинность изменений климата затрудняет определение продолжительности и амплитуды циклических колебаний. Положение осложняется тем, что исходные материалы для такого анализа различны по своему качеству, а методы их обобщения еще недостаточно разработаны. Поэтому в большинстве случаев восстановление картины теплового и водного режима Земли в прошлом в известной мере условно.
Одним из наиболее полных исследований увлажненности материков северного полушария является исследование А. В. Шнитникова (1951 и 1957). Полученная им схема увлажненности была уточнена Г. К. Тушинским (1961). Наличие циклов порядка 1800—2000 лет эти авторы видят в изменениях приливообразующей силы и солнечной активности. Приливообразующая сила вызывает ритмичность климата в 8,9; 18,6; 111; 1850 лет. Они полагают, что поверхностные приливные волны не оказывают значительного влияния на климат. Однако внутренние приливные волны, достигающие в Мировом океане больших глубин, могут вызвать значительные изменения в термическом режиме и плотности океанических вод.
При построении схемы увлажненности материков северного полушария Шнитников и Тушинский использовали различные материалы и о динамике ледников, снежников, уровня озер, увлажненности торфяников и ряд других наблюдений. Конечно, при обобщении такого разнородного материала не всегда удается найти объективный критерий. Поэтому ритм увлажненности материков северного полушария количественно установить еще трудно.
Наблюдения за количеством выпадающих осадков и их распределением по поверхности земли проводятся на большой территории земного шара, и в частности в северном полушарии. Этому разделу исследований, имеющему определенное теоретическое и практическое значение, уделяется в настоящее время большое внимание. Но количественная характеристика распределения осадков в силу пестроты размещения растительности, разнообразия типов леса и сельскохозяйственных угодий все еще не может быть дана для любых условий. Для разработки лесогидрологических задач необходимо выяснить распределение поступающих осадков на поверхность земли в зависимости от количества выпадающих осадков, рельефа местности, механического состава почвы, состава лесов, их сомкнутости, величины поверхности листьев, их шероховатости и способности задерживать ту или иную долю осадков.
Известно, что на поверхности крон задерживается от 10 до 50% осадков. В пределах одной древесной породы задержание осадков зависит от интенсивности дождей и густоты крон. Максимальное количество осадков задерживается при густом охвоении или облиствлении деревьев. В наших условиях больше всего задерживают осадков ель, пихта, заметно меньше лиственница и, наконец, сосна. Почва в лесу больше всего увлажняется в просветах между кронами и значительно меньше — под кронами деревьев. Значительно увлажняется почва вокруг пней, к которым вода поступает по стволам. Осадки, поступившие на поверхность листьев, испаряются быстрее, чем из внутренних полостей листьев транспирацией. Испарение с листьев увеличивается при внесении удобрения в почву и при смачивании листьев дождеванием. Испарение при естественном увлажнении поверхности листьев поступающими осадками достигает наименьшей величины и составляет одну десятую от расходов на эвапотранспирацию.
Осадки, достигающие почвы, прежде всего, расходуются на поверхностный сток тем больше, чем большее количество осадков превышает их инфильтрацию. Сток начинается тогда, когда вода заполнит все впадины на поверхности почвы. С возрастанием интенсивности дождя и увеличением крутизны склона сток увеличивается, а с увеличением густоты растительности, длины склона и шероховатости поверхности — уменьшается. Влияние длины склона на сток тесно связано с водопроницаемостью почвы и интенсивностью осадков. Чем выше водопроницаемость почвы и меньше выпадает осадков, тем меньше сток.
Впитывающей способностью и влагоемкостью верхних слоев почвы определяется суммарное количество впитавшейся воды. На окультуренных почвах скорость фильтрации в два раза больше, чем на неокультуренных. Сформировавшаяся на поверхности почвы корка, а также спекание почвы, вызванное лесным пожаром, замедляют впитывание осадков в почву. Резкое снижение скорости впитывания на оголенных почвах вызывается уменьшением порозности поверхностного слоя почвы в результате набухания глин и суглинков в процессе выпадения осадков.
Степень уплотнения почвы зависит от размера и конечной скорости капель. Средний размер капли пропорционален интенсивности дождя в степени 0,29. Средняя скорость пропорциональна квадратному корню диаметра капли, вплоть до предельной скорости около 900 см/сек, с которой падают капли диаметром около 5 мм.
Лабораторные опыты показали, что корка, образующаяся на поверхности почвы после интенсивного дождя, состоит из двух слоев: верхнего толщиной около 0,1 мм, в котором отсутствуют крупные поры, и нижнего толщиной около 3 мм, где поры забиты частицами, образовавшимися при разрушении агрегатов. Уплотнения почвы дождем не происходит в том случае, когда почва покрыта растительностью.
Водопроницаемость этих двух слоев почвы соответственно равна примерно 1/2000 и 1/200 проницаемости нижележащих слоев. Лесная подстилка с развивающимися в ней дождевыми червями и грибами способствует увеличению порозности, прочности агрегатов и водопроницаемости.
Глубокие вертикальные трещины, образующиеся при высыхании почвы, способствуют усилению водопроницаемости. Скорость инфильтрации зависит от влажности почвы. Чем суше почва, тем сильнее влияет начальная влажность на скорость инфильтрации воды в почву.
Скорость инфильтрации зависит от проницаемости всех горизонтов, особенно от горизонта, отличающегося наименьшей водопроницаемостью.
Скорость инфильтрации в первом приближении обратно пропорциональна квадратному корню из начального содержания влаги. С увеличением насыщения поверхностных слоев почвы скорость инфильтрации быстро падает вследствие уплотняющего действия дождевых капель, заиления пор тонкими коллоидными частицами, усиления гидрологического сопротивления (в результате проникновения фронта смачивания на большую глубину), а также из-за уменьшения диаметра пор, вызванного набуханием глинистых частиц.
Температура почвы оказывает влияние на вязкость и поверхностное натяжение воды и изменяет скорость рассасывания, что видно из приведенной выше формулы.
Для сведения баланса воды необходимо оценить поступление воды в корнеобитаемую зону, которое зависит от инфильтрационных свойств почвы, величины поверхностного стока и скорости капиллярного тока. К числу инфильтрационных свойств почвы относится порозность, водопроницаемость и структурный и агрегатный состав. При дождях низкой интенсивности вся вода обычно впитывается в почву.