3.2. Речной бассейн

Бассейном называют часть земной территории, с которой вода по поверхности и подземным путем стекает в отдельную реку. \ Бассейн реки определяют до устьевого створа или любого створа по длине реки. Границами бассейна служат поверхностный и подземный водоразделы. Поверхностная водораздельная линия проводится по наивысшим точкам местности, ограничивая участок земной поверхности, поверхностный сток с которой идет в данную >] реку. Подземный водосбор образуют толщи почвогрунтов, из ко­торых вода поступает в реку. В природе поверхностный и под­земный водосборы чаще не совпадают, однако это несовпадение

60

уменьшается с возрастанием площади бассейна. При гидрологи­ческих расчетах обычно за размер речного бассейна принимают площадь поверхностного водосбора.

Различают морфометрические и физико-географические харак­теристики бассейнов. Морфометрические показатели характери­зуют параметры формы речного водосбора. К ним относятся коэффициент развития водораздельной линии, площадь, длина, средняя ширина, средний уклон, средняя высота и др.

Отношение длины водораздельной линии L_w к длине окруж­ности круга, имеющего площадь, равную площади бассейна F, на­зывают коэффициентом развития водораздельной линии

Величина k_w всегда больше единицы. Для бассейнов рек на территории Европы коэффициент k_w изменяется в пределах 1,3 2,6.

Площадь бассейна определяется как площадь горизонтальной проекции территории, ограниченной поверхностным водоразделом.

Длиной бассейна L_b называют расстояние по прямой от замы­кающего створа или устья главной реки до самой удаленной точки бассейна. При изогнутой форме бассейна прямая заме­няется ломаной, каждый отрезок которой повторяет главныг изгибы русла Средняя ширина бассейна (м) равна площади бас­сейна, деленной на его длину: B_b = F/L_b.

Наибольшая ширина бассейна определяется по прямой, нор­мальной к линии, по которой находили его длину (оси бассейна), в наиболее широком месте.

Средний уклон бассейна определяют по картам планиметри­рованием частных площадей между горизонталями. Средний ук­лон между горизонталями 1_г равен отношению разности отметок горизонталей ДЯ, к среднему горизонтальному проложению между ними Ь_г, 1_г = ДЯ₁/&₁. Средний уклон всей поверхности бассейна ib,_m вычисляют как средневзвешенное из значений уклонов частных площадей между горизонталями:

где F — площадь бассейна, равная сумме частных площадей.

К физико-географическим характеристикам бассейна относятся: географическое положение (географические координаты, близость к океанам, морям, пустыням, расположение относительно горных систем), рельеф водосбора (уклоны поверхности земли), клима­тические условия, геологическое строение, почвенный и раститель­ный покров, промерзание почвогрунтов, залесенность, озерность, заболоченность, наличие ледников.

61

3.3. Речная долина и русло

Реки текут в узких, вытянутых в длину, обычно извилистых пониженных формах рельефа, характеризующихся общим накло­ном дна, образованного деятельностью текущей воды. Эти углуб­ления земной коры называют долинами. Основными элементами поперечного профиля зрелой речной долины являются русло в период межени (низких расходов), правобережная и левобереж­ная поймы, склоны долины, террасы и др. (рис. 3.4).

Русло — наиболее пониженная часть долины, выработанная речным потоком, по которой осуществляются перемещение боль­шей части донных наносов, транспортируемых рекой, и сток воды в междупаводочные периоды. Речное русло имеет четко выражен­ные границы, определенные берегами и бровками русла. Грунто­вый состав дна русла сравнительно однороден.

Часть дна долины, которая затапливается в периоды высокой водности, носит название поймы. В поперечном сечении поймы выделяют прирусловую (более повышенную), центральную (не-

Рис. 3.4. Схема поперечного профиля долины реки:

/ — превышение берега; 2 — бровка левого берега долины; 3 — урез воды; 4— левый берег; 5 — глубина долины; 6 — уровень половодья; 7 — ширина поймы правого берега; 8 — правый бере^г; 9 — бровка пра­вого берега; 10 — высота склона; // — крутизна склона Р; 12 — подо­шва склона; 13 — высота берега, 14 — крутизна берега а; 15 — урез воды, 16 — ширина реки в межень; П -ширина реки в половодье; 18—ширина долины; 19— ширина поймы левого берега; 20 — при­русловая часть поймы; 21 — центральная часть поймы; 22 — притер­расная часть поймы

сколько более низкую и ровную) и притеррасную (наиболее по­ниженную) части. Формирование поймы связано с внутригодо-выми изменениями водности реки — с прохождением половодья и паводков, несущих большое количество наносов. Различают поймы двусторонние, располагающиеся по обе стороны от русла; одно­сторонние, когда русло потока прижато к одному из склонов долины, и чередующиеся, т. е. расположенные попеременно то с левой, то с правой стороны. У поймы нет четких границ, что является следствием постоянного изменения высоты половодья и

62

паводков. Рельеф поймы характеризуется значительной расчле­ненностью. Поверхность поймы покрыта характерной травяной, кустарниковой или даже лесной растительностью.

При понижении базиса эрозии (поверхности, на уровне кото­рой водный поток теряет свою живую силу и ниже которой он не может углубить свое русло) или понижении уровня моря уклон на нижнем участке увеличивается, река снова начинает углуб­лять свое русло, при этом на некоторой высоте над дном долины образуются горизонтальные площадки, называемые террасами. Пойма представляет собой нижнюю террасу. Линию пересечения склонов долины с поверхностью прилегающей территории назы­вают бровкой. Линия, соединяющая наиболее глубокие точки речной долины, носит название тальвега.

Размеры долины и русла каждой реки находятся в тесной связи с величиной ее стока и гидрологическим режимом.

Размеры долин, их очертания и происхождение могут быть весьма различными. Обычно речные долины имеют извилистую форму в плане и меняются по ширине: наблюдается чередование расширений с более или менее резкими сужениями, что обуслов­ливается наличием пород различного состава и их различной со­противляемостью размыву текущей водой. Образование и развитие речных долин практически всегда связано с работой текущей воды, но в ряде случаев структура долин определяется в большей или меньшей мере совместным действием проточной воды и геологи­ческими факторами. В зависимости от того, какой фактор являлся более существенным в процессе формирования долины, их подраз­деляют на следующие типы: эрозионные, образованные исключи­тельно благодаря деятельности проточной воды; тектонические, сформированные под влиянием горно-образовательных процессов; вулканические, образованные вследствие вулканических процес­сов; ледниковые, отражающие в своей морфологии воздействие двигавшихся ледников.

В зависимости от геологического возраста и характера горных пород различен и характер поперечного профиля речных долин. Сравнительно мало разработанные молодые, чаще всего свойст­венные горным районам, речные долины имеют поперечный про­филь с отвесными вертикальными стенками и узким дном. Дно и берега их сложены трудноразрушающимися скальными поро­дами. Долины подобного типа называют щелями, каньонами или ущельями. В равнинных районах, сложенных сравнительно легко размываемыми породами, чаще встречаются трапециевидные формы речных долин. Такие долины имеют широкое плоское дно с вогнутыми склонами, выполаживающимися к тальвегу. В при­роде встречается множество промежуточных форм речных долин в зависимости от конкретных условий происхождения и разви­тия.

Размеры и формы русл равнинных рек разнообразны, они оп­ределяются водностью потока, размывающего грунты долины,

63

особенностями рельефа и характера пород, слагающих русло. Линию пересечения поверхности воды в русле с берегом называют урезом воды. На реке различают урезы левого и правого берегов. В равнинных условиях русла практически всех рек, за исключе­нием очень крупных, имеют криволинейные плановые очертания, при этом различают гидрографическую и орографическую изви­листости. Гидрографическая извилистость возникает вследствие размывающей деятельности потока в пределах дна долины. Воз­никающие при этом свободные изгибы потока называют меанд­рами (по названию очень извилистой реки в Древней Греции), а процесс их образования — процессом меандрирования. Извилис­тость, обусловленная приспособлением потока к извилинам долины (вынужденные изгибы), называют орографической. Гидрографиче­ская извилистость характерна для рек, долины которых сложены легкоразмываемыми мягкими грунтами, орографическая отличает реки, текущие в долинах с трудноразмываемыми породами. Во всех случаях независимо от того, какие окончательные формы в плане принимает речное русло в процессе своего развития, харак­терным является преобладание извилистых участков над прямо­линейными.

В связи с извилистостью закономерно изменяются по длине реки и глубины воды. Речное русло состоит из плесов (глубоко­водных участков на изгибах) и перекатов (мелководных участков) (рис. 3.5). Линия, идущая по наибольшим глубинам в речном русле, носит название фарватера. На плесах она прижимается

Рис. 3.5. Морфологические элементы участка реки плес — пе­рекат:

а — план; б—продольный профиль по фарватеру и поперечные профили русла; / — верхняя коса (пески); 2 — нижняя коса (пески); 3— .верхняя плесовая лощина; 4— то же, нижняя; 5 — седловина; б — корыто; 7 —напорный скат; 8 — подвалье; 9 — гребень (вал); 10 — фарфатер; // — изобаты; 12 — затонская часть нижней плесовой ло­щины; 13 — глубина проектная и более; 14 — глубина менее проектной

64

к вогнутым берегам, перемещаясь на перекатах от одного берега к другому. Форма поперечных сечений русла на плесах и перека­тах различна.

При определении объемов воды в реках, количества наносов и других гидравлических элементов возникает необходимость в определении морфологических характеристик русла. Основой для их получения являются поперечные профили и план русла реки в горизонталях или изобатах. Последние представляют собой линии, соединяющие точки с равными глубинами, отсчитываемыми от поверхности воды. Если известна отметка поверхности воды в период производства промеров глубин, то нетрудно подсчитать отметки дна в каждой промерной точке и перестроить план русла в изобатах в план в горизонталях.

Сечение потока плоскостью, перпендикулярной динамической оси потока (линии на плане реки, в каждой точке которой ско­рость течения воды имеет наибольшее значение в живых сече­ниях), называют водным сечением потока. Оно ограничено снизу дном, с боков — берегами русла, а сверху — линией горизонта воды. При наличии ледяного покрова верхней границей водного сечения служит нижняя граница льда. Различают живое водное сечение и мертвое пространство. Часть площади сечения, в кото­рой можно мерить скорости течения, называют живым сечением. Участки, на которых значение скорости меньше того, которое можно измерить, что наблюдается обычно у берегов, заросших растительностью, называют мертвыми пространствами. Площадь водного сечения зависит от уровня воды в реке. Уровень воды — высота поверхности воды, отсчитываемая относительно некоторой постоянной плоскости сравнения. Каждому уровню воды в реке соответствует свое водное сечение.

Основными морфологическими характеристиками живого сече­ния являются ширина, площадь, средняя глубина, смоченный периметр и гидравлический радиус.

Шириной живого сечения В_г называют расстояние между уре­зами правого и левого берегов. Каждому наполнению русла соот­ветствует своя ширина реки. Поэтому изменение ширины может быть представлено в зависимости от уровня: В_Г=В_Г(Н)

Площадь живого сечения со/- с возрастанием уровня воды также увеличивается: следовательно, и>_г—(и_г(Н).

Средняя глубина живого сечения d_r,_m=(u_TIB_r.

Иногда в качестве дополнительной морфологической характе­ристики определяют максимальную глубину русла d_rmax по попе­речному профилю реки.

Смоченный периметр % представляет собой длину подводного контура поперечного сечения, т. е. длину линии дна между уре­зами. При увеличении смоченного периметра возрастает сопро­тивление, оказываемое руслом движущейся жидкости за счет тре­ния о ложе.

3-1324 65

Гидравлический радиус /?_г=и_г/х-

Для речных русл равнинных рек при их значительной ширине разница между смоченным периметром и шириной русла всегда очень мала, поэтому в расчетах смоченный периметр можно за­менить шириной русла по урезу, а вместо гидравлического ра­диуса часто используют среднюю глубину.

Форма поперечного сечения русла характеризуется зависи­мостью между шириной русла и его наибольшей глубиной. Наи­более упорядоченное движение воды в русле обеспечивается при параболическом очертании его поперечного сечения. Наличие рез­ких углублений или выступов дна создает застойные зоны.

Шероховатость русла обусловливается наличием неровностей на дне и берегах русла, оказывающих повышенное сопротивление течению воды. Различают абсолютную и относительную шерохо­ватость. Среднюю высоту выступов над средней линией дна назы­вают абсолютной шероховатостью Л. Отношение абсолютной шероховатости Д к средней глубине потока d_r,_m па данном участке реки называют относительной шероховатостью. Шероховатость русла речного потока определяется характером грунтов, слагаю­щих дно и пойму, степенью развития донных гряд, характером растительности в меженном русле и на пойме, загроможден-ностью русла обломками камней, упавшими деревьями и др. Для количественной оценки шероховатости применяют коэффициент шероховатости, устанавливаемый по специальной шкале. Увеличе­ние шероховатости вызывает уменьшение скорости потока как в русле, так и на пойме.