книги из ГПНТБ / Богословский, Б. Б. Основы гидрологии суши. Реки, озера, водохранилища

В первую группу входят главные ионы, содержащиеся в во­ де в наибольшем кол.й’честве и определяющие её минерализацию и солевой состав. Они представляют более 90—95% минераль­ ного состава слабоминерализованных и более 99% высокомине­ рализованных вод. К ним относятся восемь ионов — четыре ани­ она: карбонатный (СО"з), гидрокарбонатный (НСО'з), сульфат­ ный (SO"4), хлоридный (СК) и четыре катиона: кальция (Са"),

натрия (Na- ), магния (Mg"), калия (К/)-

Вторую группу составляют биогенные элементы (соедине­ ния фосфора, азота, кремния), имеющие особо важное значение для развития жизни в водных объектах. Они содержатся в воде в весьма малых количествах. Их концентрация и режим зависят от биологических и биохимических процессов, происходящих в водоемах. Часть их содержится в воде в виде коллоидов.

Третья группа представлена микроэлементами, к которым относится большая часть содержащихся в воде элементов (бром, фтор, йод, марганец, медь, кобальт, радий и др.). Концентрация их очень низка (от тысячных до десятых долей миллиграмма на

литр).

К четвертой группе относятся растворенные газы (кисло­ род, двуокись углерода, сероводород, метан и др.). Содержание газов в воде выражается в миллиграммах на литр, а кислорода также в процентах насыщения. Среди газов наибольшую роль в режиме водных объектов играют кислород и двуокись углеро­ да. Растворимость газов в воде уменьшается с увеличением тем­ пературы и солености.

Кислород поступает в воду из атмосферы и выделяется вод­ ной растительностью в процессе фотосинтеза, который идет наи­ более интенсивно в поверхностных слоях воды. Для этих слоев характерно наиболее высокое содержание кислорода (летом да­ же до пересыщения). Расходуется кислород на дыхание водных организмов и на разложение органических веществ (главным образом донных отложений). В- глубинные слои он поступает только при перемешивании вод.

В придонных слоях воды озер, реже рек, большей частью зи­ мой, наблюдается дефицит кислорода вплоть до полного его ис­ чезновения. В этих случаях происходят заморы (массовая ги­ бель рыб от удушья).

При разложении органических веществ в анаэробных усло­ виях (без доступа кислорода) образуется сероводород (H2S).

Двуокись углерода образуется в результате биохимических процессов, связанных с окислением органических веществ. Поте­ ри ее происходят за счет удаления в атмосферу и потребления растениями при фотосинтезе. Поэтому количество С02 возраста­ ет от поверхности ко дну.

Ионы водорода содержатся в воде в весьма малых количе­ ствах. Они образуются в 'результате частичной диссоциации во­ ды: Н20 —Н ’ +ОН '. Ион Н - является носителем кислотных,

20

ион ОН'— щелочных’свойств. Концентрация ионов водорода в воде записывается в виде показателя степени числа 10, взятого с обратным знаком (pH). В воде с нейтральной реакцией кон­

центрация ионов водорода равна 10-7 (рН = 7). Кислая реакция

К пятой группе относятся органические вещества, находя­ щиеся в воде в виде истинных растворов, коллоидов и взвесей. Содержание этих веществ характеризуется окисляемостью — количеством миллиграммов кислорода, необходимым для их окисления. Органические вещества поступают в водные объек­ ты в результате стока и при отмирании водных организмов. Наи­ большее их количество содержится в водах болот и зарастающих озер.

Изменение солевого состава вод по территории связано с раз­ личной растворимостью солей, а следовательно, с интенсив­ ностью их вымывания из горных пород и почв. В первую очередь вымываются легкорастворимые хлориды магния и натрия, за­ тем сульфаты магния и натрия, карбонаты кальция и магния и, наконец, кремнезем и окиси железа и алюминия. В распределе­ нии гидрохимических типов вбд прослеживается географическая зональность. Для избыточно и достаточно увлажненных террито­ рий тундры, лесов умеренной, тропической и экваториальной зон с повышенным стоком характерны маломинерализованные гид- рокарбонатно-кальциевые воды с преобладанием ионов HCOj и

Са". В засушливых районах лесостепи и степи с уменьшением стока и ростом минерализации вод начинают доминировать суль­

фатные воды (преобладание иона SO4), которые при возраста­

нии сухости климата сменяются в сухих степях, полупустынях и пустынях хлоридными с преобладанием ионов CY и Na' . Таким образом, в маломинерализованных водах преобладают ионы НСО3И Са”, в высокоминерализованных— С1'и Na-. Ионы SO^

занимают промежуточное положение между HCOj и СИ, а ионы

Mg” — между Са” и N a".

Изменение солевого состава природных вод в связи с клима­ тическими условиями хорошо выражается схемой М. Г. Валяшко:

Зональное распределение минерализации и гидрохимических типов вод может нарушаться в связи с различиями в геологичес­

21

ком строении отдельных районов и изменением стока под воз­ действием хозяйственной деятельности человека.

Континентальные воды 'по химическому составу сильно от­ личаются от вод Мирового океана. В большинстве континенталь­ ных вод преобладают карбонаты, в морских — хлориды.

Речные воды характеризуются следующим соотношением растворенных элементов (в процентах от общей массы солей): карбонаты 60, соединения азота, фосфора, кремния и органичес­ кие вещества 25, сульфаты 10, хлориды 5%. В морской воде со­ держится хлоридов 88,7, сульфатов 10,3, карбонатов 0,8, соеди­ нений азота, фосфора, кремния и органических веществ 0,2%.

4.Значение воды в жизни, географических процессах

инародном хозяйстве

Вода играет исключительно важную роль в жизни, в форми­ ровании географических условий и в народном хозяйстве. При­ родные воды, являясь растворами, содержащими необходимые для живых организмов питательные вещества (биогенные эле­ менты, органические вещества и др.), транспортируют эти веще­ ства, распределяя их по территории, и служат главными постав­ щиками их для организмов.

Вода не только растворитель питательных веществ, но и среда, в которой происходят процессы, связанные с жизнедея­ тельностью организмов. При ее участии осуществляется боль­ шинство реакций обмена веществ, обеспечивающих непрерывный процесс разрушения и восстановления тканей.

Растения извлекают из почвы огромное количество воды, но лишь 0,15—0,20% ее усваивается. Остальная часть воды только проходит через растение, поддерживая его ткани в увлажненном состоянии, и после извлечения из нее питательных веществ испа­ ряется (транспирируется) через листья. Вода регулирует темпе­ ратуру растения и, благодаря потерям тепла на испарение, пре­ дохраняет его от перегрева. Для накопления сухого вещества растению необходимо транспирировать значительные объемы воды. Так, для образования 1 г сухого вещества пшеницы в зави­ симости от окружающих условий необходимо 235—253, карто­ феля 281—636, кукурузы 233—369 г воды.

Необходима вода и для фотосинтеза. Ежегодная потребность

растений Земного шара в воде при фотосинтезе оценивается в

65 ДО10 т.

В кровь человека и животных питательные вещества посту­ пают через стенки пищеварительного канала только в виде вод­ ных растворов. Расщепление белка и крахмала ферментами же­ лудочного сока идет также только в воде. Все процессы, проис­ ходящие в клетках организма, немыслимы без присутствия в них воды. Посредством воды из организма выводятся вредные веще­ ства. Испаряясь с поверхности кожи, вода регулирует темпера­ туру тела.

22

Вполне естественно, что живые организмы состоят в значи­ тельной степени из .воды. В теле мейувы более 95, ры(б —70—80% воды. Столь же значительно содержание воды в растениях суши: огурцы, салат, капуста, помидоры, морковь, грибы содержат 90—95, груши и (Яблоки—85% :воды. В организме человека весом 70 кг содержится около 45—50 кг воды (65—70%), в крови —80, в мышцах—77, в костях—33%. Потери даже небольшого коли­ чества воды отрицательно сказываются на жизнедеятельности организмов. Так, человек живет, дцжепотвряв 40% веса при пол­ ном голодании, но потеря только 10% веса тела в результате лишения воды влечет за собой тяжелые нарушения жизненных функций организма, а потеря 20—22% веса тела — смерть.

Благодаря высокой теплоемкости воды, водные объекты, в первую очередь Мировой океан, аккумулируют огромные запасы тепла и постепенно отдают их в атмосферу. Это приводит к смяг­ чению климата, уменьшению колебаний температуры воздуха в районах, испытывающих влияние морских воздушных масс. В меньшей степени влияют на климат крупные озера и водохра­ нилища. В результате испарения воды с поверхности океана, озер, болот, рек и с суши атмосфера пополняется водяными па­ рами, при конденсации которых образуются облака и выпадают осадки.

На материках имеет место поверхностный и подземный сток дождевых и талых снеговых вод, в процессе которого происхо­ дит механическая и химическая эрозия— разрушение горных по­ род. Продукты эрозии перемещаются склоновыми потоками, ре­ ками и подземными водами и аккумулируются. Таким образом, деятельность природных вод обеспечивает перераспределение хи­ мически растворенных и твердых элементов на Земном шаре. Под воздействием водной эрозии и аккумуляции создаются опреде­ ленные формы рельефа земной поверхности.. Верхние слои зем­ ной коры расчленяются сетью эрозионных углублений от мелких оврагов до крупных речных долин, врезающихся в толщи горных пород‘нередко на сотни метров. На участках спокойного течения рек и в устьях :на1ка1шшвают1ся толщи аллювия—(принесенного реками твердого материала. В котловинах озер и водохранилищ накапливаются минеральные и органические частицы, снесенные стокам с окружающих территорий или образовавшиеся в самих водоемах при разрушении берегов и гибели водных организмов. В результате образуются донные отложения (илы, торф, сапро­ пель). В соляных (минеральных) озерах происходит садка (вы­ падение из раствора) солей, 'Имеющих промышленное и бальнео­ логическое значение. В'болотах образуются запасы торфа.

Своеобразные формы рельефа возникают в результате дея­ тельности подземных вод. При растворении подземными водами таких горных пород, как известняки, гипсы, доломиты и другие, образуются карстовые формы рельефа — воронки, просадки грунта, пустоты, пещеры. Просадки грунта возникают и при вы­

23

носе подземными водами мелких частиц (суффозии). При тая­ нии участков вечной мерзлоты или линз погребного льда образу­

ются термокарстовые просадки.

Вода широко используется во всех отраслях народного хо­ зяйства. Без затраты больших количеств воды невозможно про­ изводство продуктов промышленности и сельского хозяйства. Так, для выплавки 1 т чугуна необходимо 200, 1 г ^никеля — 4000 м3 воды, для производства 1 т хлопчатобумажной ткани — 250, 1 т синтетического волокна —2500—5000 м3.

В районах недостаточного или неравномерного увлажнения для эффективного ведения сельского хозяйства необходимы по­ лив или искусственное орошение полей, на которое также затра­ чивается большое количество воды. Нормы орошения для сахар­ ной свеклы 3000—4000, для хлопчатника —6500—7000, для риса в Средней Азии —22 000—58 000 м3 воды на 1 га за вегетацион­

ный период.

На одну корову при содержании ее в помещении расходует­ ся 70—95, на пастбище 60—75 л воды в сутки.

Большое количество воды используется для водоснабжения. Средняя норма бытового водоснабжения в благоустроенном до­ ме с водопроводом, канализацией, ванной и горячей водой 160— 210 л в сутки на одного человека. По плату реконструкции мос­ ковского водопровода норма водоснабжения достигнет 600 л в сутки на одного человека, из которых 100 л в сутки идет на нуж­ ды промышленных предприятий.

Реки обладают огромными запасами гидроэнергии, кото­ рые широко используются в народном хозяйстве. Для более эф­ фективного использования гидроэнергии на реках строятся гид­ роузлы с крупными водохранилищами.

Для целей водного транспорта широко используются реки, озера и искусственные водные пути — водохранилища и ка­ налы. Транспортировка грузов по 'крупным рекам обходится в 1,5—2 раза дешевле, чем по железным дорогам, и в 23—25 .раз дешевле, чем на автомашинах, причем стоимость перевозок уменьшается с увеличением длины пути. Общая протяженность внутренних водных путей мира 520 тыс.-км, СССР 144,5 тыс. км, из которых на искусственно созданные водные пути приходится

18,6 тыс. км.

Свойства водных объектов в их естественном состоянии (ко­ личество воды, ее распределение по сезонам, глубины и др.) не всегда удовлетворяют запросы народного хозяйства. Поэтому в настоящее время широко проводятся мероприятия по преобра­ зованию водных объектов. К ним относятся строительство искус­ ственных озер — водохранилищ, позволяющих регулировать поступление воды в реки и создавать нужный напор воды для получения гидроэнергии, соединение речных систем каналами,, перебротка вод из одной речной системы в другую, осушение бо­ лот и др.

24

В нашей стране построены каскады водохранилищ на Вол­ ге, Каме, Днепре, Енисее, Ангаре и других реках. Многие водо­ хранилища не уступают по размерам крупным озерам. Так, пло­ щадь Иркутского водохранилища (с озером Байкал) превышает 31, площади Братского, Бухтарминского водохранилищ и водо­ хранилища Волжской ГЭС им. Ленина более, 5 тыс. км2. Для сравнения укажем, что площадь Онежского озера 9,72, озера Иссык-Куль 6,28, Чудско-Псковского 3,55, Севан 1,36 тыс. км2.

На территории Европейской части СССР создана единая глубоководная система внутренних водных путей, соединяющая бассейны Белого, Балтийского, Черного и Каспийского морей, по которой осуществляются бесперевалочные комбинированные (речные и морские) перевозки на крупных судах. В эту систему входят, кроме рек, каскады водохранилищ и каналы (ВолгоБалтийский, Беломорско-Балтийский, Волго-Донской, им. Моск­ вы). Чтобы улучшить водный режим рек бассейна. Волги, нача­ ты работы по переброске через систему водохранилищ и каналов вод из бассейна р. Печоры в бассейн р. Камы.

Сложный режим водных объектов, их огромная роль в геогра­ фических процессах, жизни и народном хозяйстве ставит перед гидрологией ответственные задачи по исследованиям вод суши, расчетам и прогнозам их режима.

5. Водный кадастр

На основании данных гидрологических исследований и рас­ четов составляется водный кадастр — систематизированный свод сведений о водах той или иной страны. Материалы водного кадастра издаются в виде ряда справочников и монографий и на­ ходят широкое применение при планировании использования водных ресурсов.

Первые гидрологические справочники «Сведения о колеба­ ниях уровня воды на реках и озерах Европейской России» изда­ вались в нашей стране Министерством путей сообщения с 1881

до 1915 г.

Первое издание Водного кадастра СССР начато в 1931 г. и в основном закончено в 1940 г. Издания кадастра включают ма­ териалы с нач-ала-.наблюдввий по 1935 г. и состоят из следующих справочников: 1) «Справочники по водным ресурсам СССР»— региональные монографии, издаваемые по районам и включаю­ щие описания геопрафичеших условий территории, сведения о ее гидрологической изученности, характеристики основных водных объектов (рек, озер, болот, ледников, подземных вод) и общих гидрологических особенностей районов, сведения о хозяйствен­ ном использовании вод; 2) «Сведения об уровне воды на реках и озерах СССР», содержащие данные наблюдений с 1916 по 1935 г. и являющиеся продолжением дореволюционного издания «Сведе­ ний о колебаниях уровня воды на реках и озерах Европейской

25

России»; 3) «Материалы по режиму 'рек СССР», содержащие гидрологические данные по основным элементам режима рек (основные гидрографические данные, ежегодные сведения о ха­ рактерных уровнях воды, средних месячных и характерных рас­

ходах воды).

«Сведения Об уровне воды» публиковались по десятилетиям, в результате чего данные доводились до заинтересованных орга­ низаций с большим опозданием. В целях устранения этого не­ достатка, достижения большей оперативности информации ма­ териалы гидрологических наблюдений на сети станций и постов с 1936 г. стали публиковаться в виде «Гидрологических ежегод­ ников», включающих тома по бассейнам крупных рек или одно­ родным районам. Содержание ежегодников расширено по срав­ нению со «Сведениями об уровне воды». В них, помимо данных об уровнях воды, включены данные о ежедневных и измеренных расходах воды рек, взвешенных наносах, температуре воды, ле­ довых явлениях, химическом составе воды рек и озер.

В дополнение к «Гидрологическим ежегодникам» стали пе­ чататься «Материалы наблюдений на озерах и водохранилищах», включающие данные по водному балансу, волнам, распределе­ нию температуры и растворенных элементов по глубине водоемов и др. Публикуются также данные наблюдений специальных сто­ ковых и болотных станций, материалы наблюдений за испаре­ нием с водной поверхности и почвы.

По мере развития гидрологических исследований и дальней­ шей разработки теоретических положений гидрологии материа­ лы и обобщения, опубликованные в Водном кадастре, стали не­ достаточными. Назрела необходимость в систематизации новых обширных материалов стационарных и экспедиционных исследо­ ваний и разработке применения их в практике водного хозяйст­ ва. В связи с этим Гидрометеорологической службой СССР с 1958 г. осуществляется второе издание Водного кадастра Совет­ ского Союза, включающее исходные материалы наблюдений над режимом поверхностных вод и их научные обобщения примени­ тельно к практике использования водных ресурсов. Это издание, публикуемое под общим названием «Ресурсы поверхностных вод

СССР», состоит из трех серий. Каждая серия издаваемых мате­ риалов подразделяется на 20 томов, часть которых включает не­ сколько выпусков. Деление на тома и выпуски сделано по при­ надлежности тех или иных территорий к крупным речным бас­ сейнам с учетом по.возможности и административных границ.

Серия «Гидрологическая изученность» содержит сведения о количестве и размерах рек и озер, их стационарной и экспедици­ онной изученности, гидрологических станциях и постах, а также перечень основных опубликованных и архивных работ, в кото­ рых имеются данные о водных объектах.

«Основные гидрологические характеристики»— серия, со­ держащая материалы наблюдений по режиму рек, озер и водо­

26

Г л а в а п е р в а я

РЕКИ

Реками называются водные потоки, питающиеся стоком вод атмосферных осадков (дождевых, талых, подземных) со своих водосборов и протекающие в выработанных ими руслах — линей­ но вытянутых углублениях земн-ой поверхности, имеющих одно­ сторонний уклон. Реки, как правило, имеют постоянное течение, некоторые из них в засушливых районах временно пересыхают, а в районах с суровой зимой перемерзают.

БАССЕЙН РЕКИ И ГИДРОГРАФИЧЕСКАЯ СЕТЬ

1. Речная сеть

Дождевые и талые снеговые воды, стекая но земной поверх­ ности в виде временных склоновых потоков, создают эрозионные борозды. При слиянии этих потоков образуются ручьи, при слия­

портирующая их в океан, море, озеро или более крупную реку, называется г л а в н о й рекой данной территории (бассейна), а реки, впадающие в нее,— п р и т о к а м и . Главная река с прито­ ками образует р е ч н у ю с и с т е м у (рис. 3).

28

ритории. Гидрографическая сеть включает все поверхностные водные объекты: реки, озера, болота.

В каждой речной системе существует одна главная река, принимающая ряд притоков, которые имеют свои притоки. При­ токи, впадающие в главную реку, называются притоками п е р ­

щей, широко применяется при гидрографических описаниях. Су­ щественным недостатком ее является включение в один порядок притоков различной величины — от мелких водотоков до крупных

ме рекой первого порядка назван водоток, не имеющий прито­ ков. Река второго порядка принимает только притоки первого порядка, в реку третьего порядка впадает не менее одного при­ тока второго порядка и т. д. Порядок притоков возрастает от самых малых рек к главной реке. Чем больше порядок главной реки, тем сложнее ее речная система. Схема Хортона позволяет сравнивать речные системы различных по размерам бассейнов и находить зависимость между порядком рек и их режимом.

При слиянии двух мало различающихся по размерам рек трудно определить, какая из них главная, а какая — приток. В таких случаях необходимо учитывать водность рек, длину, пло­ щади их бассейнов, геологическое строение и историю развития. Часто исторически сложившиеся понятия о главной реке и ее при­ токах не соответствуют действительному соотношению этих рек. Так, например, более полноводная Кама считается притоком Волги, Ангара — притоком Енисея.

И с т о к о м реки называется место, начиная от которого ее русло четко выражено и в нем наблюдается течение. Если река образуется путем слияния двух меньших рек, за исток принима­ ется пункт слияния, но длина реки измеряется от истока большей составляющей. Часто реки начинаются из болот или вытекают из озер. Иногда из одного и того же озера или болота берут на­ чало рани, относящиеся к разным . бассейнам. Так, из Пинских болот вытекают как притоки Днепра, так и притоки Вислы, из озера Парусного на полуострове Канин вытекает река Чеша, впадающая в Чешскую губу Баренцева моря, и река Чижа, теку­

щая в Мезенскую губу Белого моря.

Место, где река впадает в другую реку, озеро или море, на­ зывается у с т ь е м . В устьях, особенно морских и озерных, под воздействием водоема и реки образуются весьма сложные формы

29