Тема 8. Поверхностные воды. Реки

Река - это водный поток, постоянно текущий в разработанном им русле, и питающийся за счет поверхностного склонового и подземного стока с его бассейна (водосборной площади). Река с притоками образует речную систему, характер и развитие которой обусловлены главным образом климатом, рельефом, геологическим строением и размерами бассейна. Реки бывают: равнинные (с медленным течением, развитой долиной) и горные (с бурным течением и узкой долиной). Понятие «речная система» включает в себя понятие «русловая сеть (система всех русел постоянных и временных водотоков)», «речная сеть (система русел только постоянных водотоков)», «гидрографическая сеть (система всех водных объектов - рек, озер, болот, ледников на водосборе)». Характеристики речных потоков и их водосборов входят в Государственный Водный кадастр - систему справочников и технической литературы, ведущую учет на гидрологических речных постах (Гидрологическая изученность, Ресурсы поверхностных вод, Основные гидрологические характеристики рек и др.)

Начальные формы русловой сети - ложбина, лощина стока, суходол (овраг), балка - отличаются поперечным профилем, глубиной вреза, степенью извилистости и ветвистости русла, задернованностью дна и склонов, продолжительностью наличия водотока. Нижним звеном русловой сети является речная долина.

Реки выделяют:

• крупные (с площадью бассейна более 50000км², протекающие через несколько природно-климатических зон и имеющие азональный гидрологический режим)

• средние (с площадью бассейна 2000-50000км², протекающие и формирующиеся в одной природно-климатической зоне, имеющие характерный для этой зоны гидрологический режим)

• малые (с площадью бассейна менее 2000км² и малой глубиной вреза долины, недостаточно обеспечивающей устойчивое подземное питание реке, с неустойчивым водным режимом, часто несвойственным рекам данной природно-климатической зоны).

Река имеет исток (начало реки) и устье, расстояние между которыми называется длиной реки. Гидрографическая длина реки - длина от устья до наиболее удаленного истока. Виды устьев: эстуарий или губа (однорукавное устье), дельта (многорукавное устье), лиман, лагуна, иногда река заканчивается слепым концом теряясь в песках или карстовых полостях. За счет постоянной отступающей “пятящейся” эрозии в начальных формах русел верхнего звена речной системы происходит постоянное изменение очертаний водосбора, это приводит к явлению перехвата части стока соседними реками. В нижнем течении возможно явление бифуркации (дробления русла на рукава, при этом каждый рукав имеет свое устье).

Морфометрические характеристики реки и водосбора:

• длина реки

• площадь бассейна (водосбора)

• извилистость русла

• густота речной сети

• средняя высота бассейна

• падение реки

• средний уклон реки

• средневзвешенный уклон поверхности водосбора и др.

Физико-географические условия и характеристики бассейна:

• географическое положение

• геологическое строение бассейна

• рельеф

• климатические условия

• растительный покров и почвы

• водные объекты на водосборе

• хозяйственное освоение территории

• коэффициенты лесистости, озерности, заболоченности, распаханности.

Строение речной долины включает: пойменное и коренное русло, склоны долины с террасами, каждая терраса имеет подошву и бровку. Поймы бывают: односторонние или двусторонние, высокие не затапливаемые или низкие затапливаемые, ровные, пересеченные или волнистые с чередованием грив и ложбин, луговые, кустарниковые или заболоченные. В пойме происходит меандрирование - образование излучин, их отрыв от основного русла и формирование озер-стариц, многорукавных русел. В пойме происходит боковая миграция русла, которая приводит к формированию грив и ложбин. Гривы - это остатки прирусловых валов.

Коренное русло постоянно содержит воду, имеет дно и берега в русле по длине плесы (глубоководные участки у вогнутых берегов) сменяются перекатами (мелководными спрямленными участками с более быстрым течением). Перекаты образуют как бы естественные косые поперечные плотины в русле реки. В русле также встречаются острова, осередки - оголившиеся отмели, пляжи-побочни, затоны и заливы, протоки и рукава Вогнутые берега обрывисты, а выпуклые берега - пологие с пляжами из сортированного по крупности обломочного материала. Все эти образования с течением времени перемещаются вниз по течению реки за счет транспортирующей деятельности реки.

Живым сечением называют часть площади водного сечения, в которой происходит сток воды. Оно ограничено уровнем воды, берегами и дном.

Морфологические характеристики живого сечения:

• ширина живого сечения

• средняя и максимальная глубина

• площадь живого сечения

• смоченный периметр - длина подводного контура живого сечения

• гидравлический радиус - равен средней глубине, характеризует трение воды и русла

• шероховатость русла - зависит от грунтов, слагающих дно, наличия и типа водной растительности, строения берегов.

Расчетные формулы и величины.

При расчете скорости фильтрации, морфометрических характеристик водосбора следует пользоваться формулами

V _{фильтр.} = k _фильтр х i (закон Дарси),

i = Δ h / L,

k _ИЗВ = L / AB,

d = S ( L_i ) / F _В/С ,

V _ср = c √( R х i ) (закон Шези),

V _ср = 0.7 х V _{поверх.} ,

h = w / b

c = w / h

R = h

где V _{фильтр.} - скорость фильтрации грунтовых вод, м/с, см/с,

k _фильтр - коэффициент фильтрации, м/с, см/с,

i - уклон,

Δ Н - падение реки, разница отметок водной поверхности в разных створах, м,

L - длина реки, длина участка водного потока, м, км,

k _ИЗВ - коэффициент извилистости реки,

АВ - расстояние по прямой от истока до устья, м,

d - густота речной сети на водосборе, км/ км²,

S ( L_i ) - суммарная длина всех водотоков на водосборе, км,

V _ср - средняя скорость потока, м/с,

V _{поверх.} - поверхностная скорость потока, м/с,

c - коэффициент Шези, зависит от шероховатости русла,

R - гидравлический радиус, равен средней глубине потока, м,

c - смоченный периметр , м ,

h - средняя глубина потока, м,

b - ширина реки , м,

w - площадь живого сечения реки, кв.м

Река со временем вырабатывает свой продольный профиль - кривую, показывающую изменение высоты дна и поверхности воды в реке по мере удаления от устья (истока). Разница отметок истока и устья называется падением реки, отношение падения к длине есть средний уклон реки. Продольный профиль может быть:

• выпуклый или сбросовый (характерен для молодых рек, например рек Кольского полуострова) имеет в верхнем течении уклоны меньше, чем в нижнем течении, усилена донная эрозия в нижнем течении,

• прямолинейный (характерен для достаточно зрелых рек)

• вогнутый (характерен для равнинных рек в стадии старости, имеет в верхнем течении большие уклоны, чем в нижнем)- профиль равновесия. В верхнем течении преобладает размыв - донная эрозия, а в нижнем - аккумуляция наносов и боковая миграция русла - боковая эрозия. В среднем течении преобладает транзит наносов.

• ступенчатый (имеет резкие изменения отметок русла на отдельных участках - водопады, стремнины, падуны, пороги, характерен для рек, имеющих выступы кристаллического фундамента в русле), например, реки Африки.

Изменение продольного профиля и донная эрозия усиливаются за счет понижения отметок базиса эрозии - уровня воды в водоприемнике (уровня Мирового океана). Боковая миграция русла усиливается, наоборот, при его повышении и приводит к отложению речных наносов - аллювия.

Движение речного потока происходит под действием силы тяжести и может быть спокойным - плавным (ламинарным) или бурным (турбулентным). Это зависит от глубины потока, уклона, вязкости воды и скорости. В открытых естественных руслах течение всегда турбулентное, и средняя скорость потока может быть определена по закону Шези с учетом шероховатости русла. Распределение скоростей в потоке таково, что максимальные значения наблюдаются обычно в середине на поверхности (на стрежне). Кривая распределения скоростей в живом сечении (в той части поперечного сечения, где происходит сток воды) на определенной глубине называется эпюра скоростей. Линии равных скоростей в потоке называются изотахи. Кривая распределения скоростей по вертикали называется годограф скорости, ее форма зависит от шероховатости дна, направления ветра, наличия льда и водной растительности и др.

В потоке происходит циркуляция, закручивание, винтообразное движение, способствующее на одних участках (у вогнутого берега) эрозии, а на других участках (у выпуклого берега) аккумуляции, на прямолинейных участках наблюдается сбойное течение по фарватеру. В зависимости от направления излучины реки сила Кориолиса усиливает или ослабляет поперечные течения при закручивании потока. Это приводит к подмыву берегов.

Гидрологические характеристики

Расход воды - количество воды, протекающее за единицу времени через данное живое сечение, является важнейшей характеристикой водности потока и входит справочники Водного кадастра. Кроме него сток характеризуется годовым объемом стока, модулем стока, слоем стока, коэффициентом стока. Расход воды и уровень воды в живом сечении связаны, что позволяет при ограниченных исходных данных без дополнительных измерений определять расход по уровню воды.

Расчетные формулы:

Q = V _ср х w ,

W = Q х T ,

q = Q х 10³ \ F _В/С ,

Y = W х 10 ^-3 \ F _В/С ,

h = ( Y \ X ) х 100%,

где Q - секундный расход реки, потока, м³/с,

w - площадь живого сечения реки, потока, м²,

W - годовой объем стока, м³/ год,

T = 31 536 000 секунд, продолжительность года в секундах,

q - годовой модуль стока, л/(с * км²),

F _В/С - площадь водосбора реки, км²,

Y - годовой слой стока, мм/год,

h - годовой коэффициент стока, %,

Х - годовая сумма атмосферных осадков, мм/год.

Сток воды в реке меняется год от года. В этих колебаниях нет строгой закономерности, но колебание стока идет около некоторой средней величины (нормы стока) с некоторой амплитудой. Ряд величин стока можно рассматривать как ряд случайных величин или вариационный ряд. Он характеризуется нормой стока - средней арифметической величиной за достаточно длинный период наблюдений, включающий не менее двух циклов водности реки, и коэффициентом вариации (изменчивости). Эти параметры стока могут меняться под влиянием хозяйственной деятельности, иметь неслучайную направленность (тренд). В этом случае говорят об изменении стока. В случае повторяющихся циклических процессов говорят о колебании стока.

Водный режим и питание рек. Энергия и работа рек

Сток наносов и солевой сток

Реки - это продукт климата. Зная средние суточные расходы или средние расходы за декады, месяцы, можно построить календарный график колебаний расходов, называемый гидрографом. Он характеризует питание реки, то есть поступление воды из разных источников, а также показывает фазы водного режима. Промежутки времени с низкими уровнями и расходами называются меженью. Межень бывает зимняя и летняя. Период с высокими расходами называют половодьем или паводком. Характер гидрографа зависит от климатических условий региона, от геологического строения бассейна, рельефа и размеров бассейна, типа почвы, растительности, озерности, заболоченности, лесистости и распаханности бассейна, наличия водохранилищ и характера регулирования стока реки.

Источниками питания рек являются:

• атмосферные осадки (образуют паводки)

• таяние снега весной (образует половодье)

• таяние ледников в горах (образует паводки)

• сток грунтовых вод (образует базисный речной сток).

Чаще всего реки имеют смешанное питание. В различных физико-географических условиях доля отдельных источников питания реки неодинакова.

На территории России основная масса рек получает смешанное питание с преобладанием снегового. С севера на юг доля снегового питания в общем питании рек возрастает из-за сокращения грунтового питания и поверхностного стока с водосбора. В условиях вечной мерзлоты доля грунтового питания резко уменьшается, и основными источниками водного питания выступают дождевые и снеговые воды. Фаза весеннего половодья постепенно переходит в летний дождевой паводок

Для рек экваториального пояса характерна постоянная полноводность за счет равномерного дождевого увлажнения и значительного грунтового питания. В горных районах питание рек очень разнообразно в зависимости от высоты водосбора и климатических условий. По мере увеличения высоты возрастает роль снегового и ледникового питания, которое увеличивается в теплое время года. Зимой сток на таких реках обеспечивается за счет грунтовой составляющей.

Определение доли различных составляющих в питании реки обычно производят путем расчленения гидрографа, который заключается в том, что на гидрографе прямыми или плавными линиями соединяют точки минимальных расходов предвесеннего периода и все частные минимумы теплого периода года в промежутках между паводками. Ниже этой линии - подземная составляющая речного стока или базисный сток. Расчленение гидрографа дает возможность вычислить долю поверхностного и подземного стока для решения народно-хозяйственных задач. Классификацией рек по типам водного питания и фазам водного режима занимались Львович М.И. , Воейков А.И. и др.

Вода, стекающая по поверхности земли и переносимая реками, обладает энергией, то есть способностью производить работу. Потенциальная энергия реки на участке L (км) имеет падение уровня воды Δh (м) и при среднем расходе воды на данном участке Q (м³/с) равна Е= 9,81·Q·Δh . В естественных условиях энергия воды затрачивается на преодоление сил трения, перенос наносов, растворенных веществ и истирание частиц. В результате этой работы происходят процессы эрозии и аккумуляции минеральных наносов, изменение форм земной поверхности, очертаний и глубин, речных русел.

Речные наносы в зависимости от характера движения в потоке разделяют на взвешенные и влекомые по дну. Это подразделение условно и зависит от скорости потока и крупности частиц, которые могут переходить из взвешенного состояния во влекомое и наоборот. Кроме того, наносы делят на руслоформирующие и транзитные. Большая часть взвешенных наносов является транзитной, а большая часть влекомых - руслоформирующей. Сток наносов называется твердым стоком. Оценить его величину приближенно можно по мутности воды r (г/м³). Количество наносов, проносимое рекой через поперечное сечение за единицу времени, называется расходом наносов R (кг/с) = Q · r .

Перемещение донных влекомых наносов обусловлено донными скоростями и размерами частиц. Вес переносимых частиц пропорционален величине скорости в шестой степени. То есть если скорость потока увеличивается в 2 раза, то вес переносимых потоком частиц возрастает в 64 раза. Этим объясняется процесс формирования селевых потоков при резком увеличении стока на горных реках после обильных осадков.

Речные наносы образуются в результате выветривания (денудации). Формой выветривания является эрозия склоновая и русловая. Русловая эрозия может быть боковая и донная. Преобладание того или иного вида эрозии зависит от базиса эрозии. Интенсивность эрозии зависит от энергии текучих вод и сопротивляемости горных пород размыву, уклоны поверхности и режима стока, наличия и характера растительного покрова. Уничтожение растительного покрова может привести к усилению эрозии, местному смыву почв, возникновению овражной эрозии и увеличению мутности воды в реке. Наиболее интенсивно материал смыва поступает в реку в начале половодья или паводка. Самая малая мутность воды бывает в период питания реки преимущественно грунтовыми водами. Реки транспортируют в Мировой океан миллиарды т/год твердых наносов.

Непрерывное изменение морфологического строения речного русла под действием текущей воды называется русловым процессом. Он приводит к формированию извилистого русла. Очертание долины показывает орографическую извилистость, а очертание извилин русла - гидрографическую извилистость. Извилистость гидрографическая значительно больше, чем орографическая. Петлеобразные изгибы русла (излучины) называются меандрами, а процесс их образования и смещения вдоль русла реки называется меандрированием. Меандрирование бывает ограниченное склонами долины и неограниченное, свободное завершенное и незавершенное.

Сток растворенных веществ называется солевым стоком. В речном стоке преобладают карбонаты и гидрокарбонаты кальция и магния. По степени минерализации пресная речная вода бывает слабо минерализованной (М менее 500мг/л), повышенной минерализации (М = 500-1000мг/л) и высокой минерализации (М более 1000г/л). Химический состав речных вод зависит от притока грунтовых вод, содержащих растворенные соли. Солевой сток возрастает в маловодные периоды с преобладанием грунтового питания реки. Солевой сток можно оценить, зная величину минерализации воды. Расход солей через данное поперечное сечение S = Q воды · М (кг/с). За год река проносит миллионы тонн солей в Мировой океан.

Температурный режим рек зависит от климатических условий. Реки бывают замерзающие и незамерзающие. Замерзающие реки имеют ледовый режим, который характеризуется:

• датой начала осеннего ледохода;

• датой окончания осеннего ледохода и началом ледоставного периода;

• продолжительностью в сутках ледоставного периода;

• датой начала весеннего ледохода;

• датой окончания весеннего ледохода.

Ледовый режим реки зависит от климата, направления течения реки, наличия проточных озер и ох расположения по длине, характера хозяйственной деятельности (сброс стоков, ГЭС и др.). В зависимости от температуры воды в реке и направления ее течения говорят о тепловом стоке в Мировой океан.

Озера, озерные котловины, биологические процессы в озерах

Озеро - это естественный водоем с замедленным водообменном. Озера бывают сточные и бессточные, временно сточные и постоянно проточные. Понятие “озеро” включает в себя и водную массу озера, и котловину озера - углубление на земной поверхности, заполненное речной водой, подземными водами, атмосферными осадками или морской водой. Котловины могут возникать под воздействием эндогенных или экзогенных процессов.

Типология озер

Котловины бывают:

• тектонические (в прогибах земной коры, в предгорных впадинах, в рифтовых впадинах - грабенах)

• вулканические (в кратерах и кальдерах потухших вулканов, в углублениях лавовых потоков, в маарах)

• метеоритные

• ледниковые (в карах, троговых долинах, моренных отложениях)

• водно-эрозионные и водно-аккумулятивные (озера-старицы, конечно-сточные озера, озера в дельтах, лагуны и лиманы, фьордовые озера)

• карстовые, суффозионные и провальные озера

• эоловые котловины выдувания

• подпрудные и искусственные (возникшие в результате обвалов, оползней, строительства плотин)

• органогенные (внутриболотные и атолловые озера).

Котловина и озеро имеют морфометрические характеристики:

• площадь водной поверхности (водного зеркала)

• длина озера

• максимальная и средняя ширина

• максимальная и средняя глубина

• объем озерной котловины

• коэффициент изрезанности береговой линии

• форма озера.

Основная масса озер формируется в гумидной зоне. Причем там преобладают, как правило, сточные или проточные озера. В аридной зоне преобладают в основном бессточные озера. Температурный режим озер зависит от климата и включает цикл нагревания и охлаждения по сезонам.

Термическая классификация озер:

• полярные озера – Т поверхности выше 4⁰С, безледный период мал

• субполярные озера – Т поверхности около 4⁰С в течение года, термоклин отсутствует

• озера умеренных широт – Т поверхности летом выше 4⁰С, зимой ниже 4⁰С, летний термоклин, сезонные амплитуды температур незначительные, перемешивание воды весной и осенью

• субтропические озера – Т поверхности выше 4⁰С, большие сезонные амплитуды температур, перемешивание зимой

• тропические озера – Т поверхности = 20-30⁰С, незначительные амплитуды, слабое перемешивание в холодное время года.

Распределение температуры с глубиной летом представляет собой слой температурного скачка (термоклин) и слой гомотермии. Зимой наблюдается обратная стратификация температур в озерах умеренного пояса.

Химический состав озерной воды зависит от проточности, климатических условий, гидрогеологических условий. Так, в тундровых озерах вода содержит в основном гидрокарбонаты и соединения кремния, в лесной зоне - гидрокарбонаты и ионы кальция, в степных озерах - сульфаты и хлориды натрия и калия, в пустынях и полупустынях - хлориды натрия.

По химическому составу озера бывают:

• солевые (содержат поваренную соль)

• содовые

• борные.

По минерализации озера бывают:

• пресные

• соленые

• рапные самосадочные

• сухие (пересыхающие).

Гидробиологические особенности озер связаны с обменом веществ (солей, газов, образованием донных отложений, зарастанием, изменением цвета и прозрачности воды). В результате прогревания водной массы, изменения температуры и кислородного режима, зарастания и накопления органических остатков на дне озеро может трансформироваться в болото. Этот процесс называется эвтрофикацией. Он происходит часто из-за нарушения экологического равновесия водоема.

По степени эвтрофикации озера бывают:

• олиготрофные - содержат мало биогенных элементов, бедны планктоном из-за большой глубины с слабого прогрева водной массы, содержат много кислорода, все органические остатки быстро минерализуются, прозрачные, имеют зеленовато-голубой цвет воды

• эвтрофные - содержат много органогенных элементов (азот, фосфор), неглубокие, хорошо прогреваемые летом, с пониженным содержанием кислорода в придонной водной массе, что приводит к накоплению донного ила и сапропеля, вода малопрозрачная, в ней бурно развивается фитопланктон, происходит процесс зарастания

• дистрофные (внутриболотные) - бедны питательными веществами, имеют бурый цвет, планктон и водная растительность слабо развиты из-за недостатка кислорода, на дне и по берегам толстый слой торфа.

Болота и их типология. 

Болото - природное образование, обильно увлажненный участок земной поверхности, имеющий слой торфа и специфические формы влаголюбивой растительности, на котором происходит процесс торфообразования и торфонакопления. Болота возникают при затрудненном стоке грунтовых вод. Этот процесс может происходить на водораздельном пространстве, на пологом склоне или в долине реки, поэтому в каждом случае болотобудет получать водное питание из разных источников.

Типология болот:

• верховые болота - располагаются на водоразделах, занимая возвышенное положение, поэтому питаются только атмосферными осадками, не получая грунтового питания, обеднены минеральными солями, имеют выпуклую форму. На них произрастают виды растений, не требовательные к минеральному питанию: мох сфагнум, клюква, брусника, вереск, багульник, сосна, кустарники). Из этих болот берут начало реки.

• низинные болота - располагаются в понижениях рельефа, речных поймах, имеют вогнутую поверхность, получают не только атмосферное, но и грунтовое богатое солями водное питание. Поэтому здесь произрастают виды, требовательные к минеральному питанию: осоки, хвощи, зеленый мох, тростник, камыш, рогоз, береза). Реки впадают в такие болота.

• переходные болота располагаются на пологих склонах и имеют смешанный тип растительности и переходные черты от верховых к низинным болотам.

Болота оказывают влияние на водный режим рек. Осушая верховые болота, можно сократить водность рек, берущих из них начало. Поэтому верховые болота следует включать в водоохранные зоны, где запрещена хозяйственная деятельность, способная изменить их водный режим (распашка, сведение лесов, строительство). На верховых болотах возможна добыча торфа в ограниченном масштабе. В растениеводстве целесообразно использовать богатые минеральными солями и торфом осушенные низинные болота. Они также влияют на сток рек, перераспределяя его по сезонам.

Ледники и их типология.

Ледник - это движущееся естественное скопление льда атмосферного происхождения, сформированное выше снеговой границы. Снеговая граница - это отметка, выше которой приход твердых осадков больше их расхода на таяние и испарение. Расход ледника на таяние и испарение называется абляцией. Ниже снеговой границы в зону абляции спускаются только языки ледника, которые дают начало рекам. Формированиеледников происходит в полярных и высокогорных условиях. При этом высота снеговой границы по широтам зависит от тепловых условий и прихода атмосферных осадков. Наивысшее положение снеговая линия занимает в тропических широтах с минимумом осадков, сухостью воздуха и высоким прогревом земной поверхности. В полярных областях снеговая линия спускается до уровня Мирового океана. Различают два типаледников:

• горные (вершинные и долинные)

• покровные (ледниковые щиты на материках).

Основная масса ледников - это покровные льды. Они имеют большую мощность и размеры, плоско-выпуклую форму, не зависящую от рельефа земной поверхности, погребенной подо льдом. Абляция (разгрузка)ледника происходит обламыванием края, спускающегося в океан.

Горные ледники имеют меньшие размеры, их форма зависит от рельефа горы, скорость движения больше за счет больших уклонов.

Ледники изменяют рельеф земной поверхности, двигаясь вниз по склону, а также питают реки. Роль ледников в географической оболочке (совместно с Мировым океаном) состоит в обеспечении инерции геотермических условий на Земле, обеспечении стабильности глобального климата. Положение снеговой границы прошлых геологических эпох фиксируется положением конечной морены. В областях плейстоценового оледенения сформировались ледниковые формы рельефа, свидетельствующие о былом ледниковом периоде.