Питание, водный режим рек, водный баланс речного бассейна.

Источники питания рек – дождевые, снеговые, ледниковые и подземные воды.

Дождевое питание преобладает в теплом поясе и в районах умеренного пояса с муссонным климатом. Доля стекающих дождевых осадков увеличивается при выпадении на увлажненную почву.

Снеговое питание преобладает в холодном и умеренном поясах. Стеканию снеговых вод способствуют повышенная интенсивность снеготаяния, зимнее промерзание грунта и особенно наличие ледяной корки на почве.

Ледниковое питание происходит в результате таяния ледников. Основные факторы – площадь водосбора, занятая ледниками, и температура воздуха.

Подземное питание – поступление в реку грунтовых и межпластовых вод (сток в реки почвенных вод и верховодки условно относится к поверхностному питанию). Зависит от геологического строения и распространения в бассейне водопроницаемых почв, трещиноватых пород, от лесистости.

Основной отрицательный фактор формирования стока - испарение с поверхности бассейна, включающее транспирацию, физическое испарение с поверхности почвы и пустот внутри почвы, с поверхности водных объектов. Испарение зависит от температуры воздуха и испаряющей поверхности (воды, льда, снега), влажности воздуха, скорости ветра, глубины залегания подземных вод. Для транспирации кроме указанных факторов важен вид растительности, для испарения с ледников – их высотное положение и, следовательно, атмосферное давление. Перечисленные факторы определяют потенциальную возможность испарения, называемую испаряемость. Фактическое испарение лимитируется наличием испаряющейся влаги. Для водной поверхности рек, озер и ледников испарение практически равно испаряемости. В пустынях тропического пояса испаряемость наибольшая, а испарение наименьшее. В полярных странах испаряемость наиболее низкая; испарение практически равно испаряемости.

Естественный водный баланс речного бассейна:

,

где x – осадки на поверхность бассейна, z – суммарное испарение с его поверхности, y –речной сток, w₁ – приток подземных вод, получающих питание за пределами данного бассейна, w₂ – отток подземных вод, сформировавшихся в данном бассейне, за его пределы не в составе речного стока, – изменение запасов воды в бассейне, содержащейся в подземных водоносных горизонтах, в почве, в водоемах и русловой сети, в снежном покрове и ледниках.

При наличии антропогенного влияния в уравнение водного баланса вводятся соответствующие составляющие.

В среднем за многолетний период в целом за год =0, величины w₁ и w₂ имеют значение, как правило, лишь для части малых рек, поэтому уравнение водного баланса можно записать в простом виде:

x = z + y.

Фазы водного режима рек: половодье, паводки, межень.

Половодье – это фаза, ежегодно повторяющаяся в данных климатических условиях в один и тот же сезон и характеризующаяся наибольшей водностью, высоким и продолжительным подъемом уровня воды.

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. Иногда паводок накладывается на волну половодья.

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. Основной источник питания, как правило, подземные воды.

Классификация рек территории бывшего СССР по водному режиму Б.Д. Зайкова:

- реки с весенним половодьем; типы: а) казахстанский, б) восточноевропейский, в) западносибирский, г) восточносибирский, д) алтайский;

- реки с половодьем в теплую часть года; типы: а) дальневосточный, б) тянь-шаньский;

- реки с паводочным режимом; типы: а) причерноморский, б) крымский, в) северокавказский.

Факторы формирования среднего многолетнего стока:

а) климатические - количество осадков и величина испарения, связанные с планетарными условиями - общий перенос влаги, траектории циклонов, влияние океана и морей.

б) подстилающей поверхности рельеф, геология, почвы, растительность, хозяйственная деятельность.

Общие закономерности изменения стока по территории можно проследить на примере распределения стока на европейской части бывшего СССР. На широтах 60-65˚ наблюдается «климатический гребень» стока со значениями 350-400мм. Отсюда понижение стока к северу до 300-350мм из-за уменьшения осадков при более медленном уменьшении испарения. На севере Кольского полуострова повышение стока под влиянием относительно теплого Баренцева моря. Понижение стока к югу до 50-100мм в степной зоне, до 20мм на побережье Азовского моря и 5мм в Прикаспийской низменности, связанное с уменьшением осадков и увеличением испаряемости. Некоторое увеличение стока на возвышенностях (Валдайская, Донецкий кряжи др.) и существенное в горах – в Крыму с 20 до 150мм, на Кавказе до 2000-3000мм.

Движение воды в реках.

Средняя для поперечного сечения скорость течения определяется по формуле Шези:

,

где I – продольный уклон, R – гидравлический радиус, h_ср – средняя глубина в сечении, C – коэффициент Шези: С = /n (n – коэффициент шероховатости, зависящий от неровностей дна, водной растительности, извилистости русла).

Поперечная циркуляция воды возникает при наличии перекоса уровня по ширине реки, что обычно связано с центробежной силой на повороте реки. Происходит повышение воды и гидростатического давления у вогнутого берега. В результате в придонных слоях возникает течение, направленное в сторону выпуклого берега. В поверхностных слоях поперечное течение направленно от выпуклого берега к вогнутому. Поперечные течения, складываясь с основным продольным переносом воды, создают спиралевидное движение.

Если на прямолинейном участке реки скорость течения обычно уменьшается от середины к берегам, то на повороте реки струи с максимальной скоростью течения смещаются к вогнутому берегу.

При нормальном распределении скоростей течения по глубине их максимальные значения наблюдаются в слое от поверхности воды до глубины 0,2h. На глубине 0,2h она примерно равна средней скорости на вертикали, минимальное ее значение (не равное нулю) наблюдается у дна. При ледяном покрове максимум скорости смещается примерно на глубину 0,6h. Под воздействием ветра, неровностей дна, водной растительности нормальное распределение скоростей течения нарушается.

Линии, соединяющие точки в поперечном сечении реки с одинаковой скоростью течения называются изотахами.

Речные наносы и русловые процессы.

Характеристики речных наносов:

– мутность воды (s г/м³) – количество взвешенных веществ (m) в единице объема воды (V), ;

– геометрическая крупность наносов (D мм) – размер взвешенных или влекомых частиц (условный диаметр);

– гидравлическая крупность наносов (ω мм/с) – скорость осаждения частиц в неподвижной воде.

Взвешенные наносы переносятся при условии v_в.в. > ω, где v_в.в. – вертикальная составляющая турбулентного потока, направленная вверх.

Перемещение влекомых наносов происходит при условии v_дно > v_дно,0, где – v_дно скорость течения у дна, v_дно,0 - начальная скорость, при которой частица на дне теряет свою устойчивость, зависящая от размера и плотности частиц наносов, шероховатости дна и др. Согласно закону Эри, вес частицы (F_g), приходящей в движение по дну под воздействием водного потока пропорционален шестой степени скорости течения у дна:

F_g = Av_дно⁶,

где A - коэффициент пропорциональности.

Расход наносов (R кг/с) - количество твердых веществ (в кг), проносимое через поперечное сечение реки за 1 с.

Сток наносов – количество твердых веществ, проносимое через поперечное сечение за некоторый интервал времени (Δt).Сток взвешенных наносов W_в.н. =  тонн, где R_ср – средний расход наносов. За год W_в.н. =R_ср∙31,54∙10³ тонн. Сток влекомых наносов обычно составляет 5-10% от общего стока наносов.

Русловые процессы - постоянно происходящие изменения размеров и положения в пространстве отдельных русловых образований в результате взаимодействия речного потока и русла.

Русловые образования - скопления отложившихся наносов, создающих специфические формы рельефа русла и поймы. Различают микро-, мезо- и макроформы.

К микроформам относятся гряды, высота которых значительно меньше глубины реки; самые мелкие гряды высотой в несколько сантиметров – рифели.

Мезоформы:

перекат - крупная русловая гряда по всей ширине русла, расположенная перпендикулярно к нему (нормальный перекат) или под углом (косой перекат); относительно глубокие участки русла между перекатами называются плесами;

ленточная гряда - крупная гряда, занимающая всю ширину русла или значительную его часть, обычно дугообразной формы с выпуклостью вниз по течению;

побочень – отмель (относительно мелкое пространство), примыкающая к берегу и обсыхающая в межень;

осередок – отделенная от берегов подвижная отмель обычно вытянутой формы, обсыхающая в межень;

коса – гряда, примыкающая в верхней (по течению) части к берегу и вытянутая вдоль русла под углом к берегу;

пляж – скопление речных отложений на выпуклой стороне излучины;

остров – относительно стабильное образование, закрепленное растительностью, частично затапливаемое при высоком уровне воды.

Макроформы: речная излучина, система протоков, система осередков (рис.14).

Излучина (меандра) – изгиб русла реки в плане. Излучины характерны для типа извилистого русла. В процессе развития кривизна излучины увеличивается, в итоге происходит прорыв ее перешейка и образование старицы, т.е. отделенной от русла излучины.

Система проток (рукавов) между островами, свойственная типу многорукавного русла.

Система осередков, свойственная типу разбросанного русла.

Рис.14 Формы рельефа русла.