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

рельефа и системы проток. В засушливых районах реки иногда не доходят до моря, озера или другой реки, теряя воду на испа­ рение и просачивание в грунт. Участок, где такая река прекра­ щается, называется «слепым устьем».

Участки территории, по которой протекает река, большей частью различаются по географическим условиям, от которых за­ висят уклон, характер течения, водность реки, ее эрозионная и ак­ кумулятивная деятельность. Несмотря на это, в продольном про­ филе рек выделяются определенные участки, каждый из которых имеет более или менее общие.для всех рек характерные черты. Это верхнее, среднее и нижнее течения реки. Для в е р х н е г о течения характерны наибольшие в бассейне уклоны, а следова­ тельно, и скорости течения. Здесь в деятельности реки преобла­ дает эрозия — размыв горных пород бассейна. В с р е д н е м те­ чении уклоны и скорости течения уменьшаются, возрастает вод­ ность реки и ослабевает ее эрозионная деятельность. Река глав­ ным образом транспортирует продукты размыва, поступившие с верхнего участка. В н и ж н е м течении уклоны и скорости тече­ ния еще меньше; река аккумулирует продукты размыва, прино­ симые ею из верхней и средней части бассейна.

Деление на верхнее, среднее и нижнее течения для крупных рек нередко производят по характеру хозяйственного использо­ вания, главным образом для судоходства. В этом случае к верх­ нему течению относят наименее пригодный для судоходства

Территория, на которой расположена данная речная систе­ ма, называется б а с с е й н о м этой реки (см. рис. 3). Речные бас­

Сток поверхностных вод происходит от водораздела в разные речные системы. Водоразделы разграничивают не только бас­ сейны отдельных рек, но и более крупные территории, сток с ко­ торых происходит в разные моря и океаны. Главный водораздел Земного шара разделяет основные области стока—Атлантичес­ кую и Тихоокеанскую. Отделяются водоразделами и области внутреннего стока, такие как Арало-Каспийская.

Помимо поверхностных, существуют подземные водоразде­ лы, отделяющие области подземных вод, которые питают сосед­ ние речные бассейны. Поверхностные и подземные водоразделы могут и не совпадать, что следует учитывать, особенно при иссле­ дованиях водности малых рек.

Территория, с которой воды поступают в речную систему, на­ зывается в о д о с б о р о м , или водосборным бассейном реки. В большинстве случаев водосбор и бассейн совпадают и эти по­ нятия обычно отождествляются. В некоторых случаях не вся

30

площадь бассейна дает сток в речную систему. Это происходит, когда в бассейне есть замкнутые понижения (котловины, запа­ дины, бессточные озера), аккумулирующие стекающие воды. Особенно часты такие случаи в районах со слабопересеченным рельефом и в засушливых районах, таких как равнинные райо­ ны Казахстана и Средней Азии. Например, бессточные области занимают около 25% бассейна р. Ишим выше г. Целинограда и около 60% бассейна р. Тобол выше г. Кустаная. .

3. Морфометрические характеристики речной сети и бассейна

Морфометрические показатели характеризуют величину и форму бассейна и речной сети. Они определяются по картам и планам. Поскольку точность определения зависит от масштаба, ■рекомендуется пользоваться картами и планами крупных .мас­ штабов.

К основным морфометрическим характеристикам бассейна относятся площадь, длина, ширина, высота, асимметрия, средний уклон.

Площадь бассейна (F) определяется планиметром, а при ориентировочных подсчетах палеткой и выражается в квадрат­ ных километрах. В случае, если крупный речной бассейн включа­ ет несколько трапеций, ограниченных на карте двумя соседними меридианами и параллелями, площади этих трапеций берутся из специальных таблиц, а по карте измеряются только участки бас­ сейна, не входящие в трапеции.

Нарастание площади бассейна по длине реки и распределе­ ние ее между притоками могут, быть изображены графически в виде графика нарастания площади бассейна (рис. 4, а). По вер­ тикальной оси откладывается длина главной реки, по горизон­ тальной— площадь бассейна главной реки между притоками н площади бассейнов притоков. Резкое увеличение площади бас­ сейна при впадении притоков изображается на графике горизон­ тальными отрезками прямой. Распределение площади бассейна между притоками можно изобразить и в виде кругового графи­ ка, на котором площадь бассейна представлена в виде круга, секторы которого соответствуют в определенном масштабе пло­ щадям водосборов притоков.

Длина бассейна (L) и наибольшая его ширина (В„акс) опре­

где Ал и Fn— площади левой и правой частей бассейна.

31

n. S б*"

Рис. 4. График нарастания площади бассейна (а) и гидро­ графическая схема (б) реки

Средняя высота бассейна вычисляется по формуле

где fu f2, fn— части площади, заключенные между гори­ зонталями;

hu h2, hn— средние высоты этих площадей. Распределение площадей по высотным зонам в бассейне

изображается в виде гипсографической кривой. Средняя высота на ней соответствует 50% площади бассейна. С высотой бассей­ на связано распределение в нем атмосферных осадков и стока.

32

Средний уклон бассейна определяется по формуле

* ( - i r ^ + ;i + C + ... + /n-i)

Уклон выражается в виде десятичной’дроби или в промиллях (%о).

Основные морфометрические характеристики речной сети:

Длина реки определяется по карте от устья до истока цир­ кулем-измерителем с раствором 1—2 мм или курвиметрохм. При этом река разбивается на участки по характеру извилистости. Длина участка реки, измеренная по карте циркулем, умножает­ ся на поправочный коэффициент, соответствующий извилисто­ сти ее на этом участке. Величины поправочных коэффициентов приводятся в специальных таблицах (Лучшева, 1959; Богослов­ ский, 1970).

Извилистость рек характеризуется коэффициентом извили­

Густота речной сети может определяться как для отдельных бассейнов, так и для более значительных территорий.

Уклон на участке реки (I) равен отношению падения на этом участке (Ah) к длине участка (А I) :

/ = А й/Д I.

Речную сеть бассейна можно изобразить в виде гидрогра­ фической схемы, на которой главная река и притоки изобража­ ются прямыми линиями в определенном масштабе (рис. 4, б).

Морфометрические особенности бассейнов и речной сети су­ щественно влияют на формирование стока, а следовательно, и

на водность рек и их режим.

С увеличением площади бассейна в увлажненных районах при прочих равных условиях увеличивается водность реки и сток распределяется во времени более равномерно. На территориях наиболее крупных бассейнов, протягивающихся через несколько

широтных зон или вертикальных поясов, разнообразны геогра­ фические условия, а следовательно, питание и режим рек. Зна­ чительные уклоны поверхности бассейнов и русел рек способст­ вуют быстрому стекаяию вод, резким колебаниям уровня воды. Значительная густота речной сети свойственна сильнорасчлененным водосборам с интенсивным стоком. Глубиной вреза рек в грунты водосбора определяется дренирование подземных вод и подземное питание водотоков.

Площади бассейнов и длины крупнейших рек Земного шара приведены в табл. 4.

Т а б л и ц а 4

Морфометрическая характеристика крупнейших рек Земного шара (по монографии «Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли». Л., 1974)

Северная Америка

34

ветры.

Атмосферными осадками определяется количество воды, по­ ступающей на поверхность бассейна, а следовательно, и возмож­

с водосбора. От температуры воздуха зависит интенсивность снеготаяния и поступление талых вод в реки, а также продолжи­ тельность и характер ледовых явлений. С рельефом связаны уклоны бассейна и русел, от которых зависит скорость отекания вод. Влияет рельеф и на распределение осадков в бассейне. Гео­ логическое строение бассейна определяет характер просачивания (фильтрации) талых и дождевых вод в грунт, условия залегания подземных вод, размываемоеть горных пород, с которой связано поступление твердого материала в реки, формирование речных русел.

Почвенный покров влияет на интенсивность фильтрации, количество и крупность поступающего в реку твердого материа­ ла. С химическим составом горных пород и почв бассейна свя­ заны состав и минерализация поступающих в реку вод.

Растительный покров увеличивает испарение, предохраняет почвы и грунты от размыва, от него в значительной мере зави­ сит вынос в реку органических веществ.

Большое влияние на режим рек оказывает наличие на водо­ сборе озер, болот и залесенность его.

Озерность бассейна (К0з) характеризуется отношением сум­ марной площади всех озер бассейна (/03) к его общей площади (F): Аоз =/оз/А. Аналогично вычисляются заболоченность

(Кб = f 6/F) и залесенность (Кл— fJF). К03, Кб и Кл выражаются в процентах.

Большая озерность 'опосабствует регулированию стока (бо­ лее равномерному распределению его во времени). Влияние бо­ лот и лесов на сток более сложно и сильно зависит от географи­ ческих условий водосборов.

Существенное влияние на географические условия бассей­ нов и режим рек оказывает хозяйственная деятельность челове­ ка (распашка бассейна, уничтожение или насаждение лесов, со­ здание прудов и водохранилищ, изъятие воды на орошение, сброс в реки сточных вод и т. д .).

3. Речная долина, пойма, русло

Речные долины — выработанные водными потоками вытяну­ тые, относительно узкие углубления земной поверхности, имею­ щие уклон от истока реки к устью. Они не пересекаются и, сли­ ваясь, образуют более крупные долины.

Основные части долины: дно, пойма, русло, склоны, терра­ сы, бровка (рис. 5, а). Бровка долины — линия сопряжения скло­ на долины с прилегающей местностью. Склоны обычно круто,

Рис. 5. Поперечные профили речной долины (а) и

иногда отвесно спускаются от бровки ,ко дну долины и ограничи­ ваются снизу подошвой склона. На склонах большей частью на­ блюдаются расположенные на различных высотах более или ме­ нее горизонтальные уступы — террасы. Террасы бывают эрози­ онные, выработанные водами реки в коренных породах бассейна, и аккумулятивные (аллювиальные), сложенные из речных нано­ сов. Эрозионные террасы являются остатками прежнего дна до­ лины, прорезанного рекой в процессе эрозии.

Дно долины —самая пониженная ее часть, прорезаемая рус­ лом — вытянутым по уклону долины углублением, выработанным речной эрозией, по которому постоянно или периодически стека­ ют речные воды. Пойма — часть дна долины, заливаемая вьюо- * кими водами реки. Она подразделяется на низкую, заливаемую

36

во время половодий ежегодно, и высокую, покрываемую водой только при экстремально высоких половодьях.

Морфометрическими показателями долины являются ее ши­ рина, длина, глубина вреза, количество, высота и ширина террас, уклоны склонов и дна, высота и ширина поймы, площадь попе­ речного сечения, ширина, уклон, а для русла также наибольшая и средняя глубина, смоченный периметр, гидравлический радиус.

Для определения морфометрических показателей длины и русла выполняются съемки, подробно рассматриваемые в кур­ сах геодезии, промерные работы (измерения глубин русла), ме­ тодика выполнения которых излагается в курсе гидрометрии. По данным промеров строятся планы русла в изобатах (линиях равных глубин), продольные и поперечные профили. Часть попе­ речного сечения русла, занятая в данный момент водой, называ­ ется водным сечением. Часть площади водного сечения, в кото­ рой ощущается течение воды, называется площадью живого се­ чения, а часть, в которой течения практически нет (оно не фик­ сируется современными приборами), составляет мертвое про­ странство. Часто водное и живое сечения совпадают.

Площадь водного и живого сечения ( w) определяется по данным промеров глубин и может быть рассчитана по формуле

. Смоченный периметр (Р) — линия, ограничивающая водное сечение со стороны дна и берегов.

Отношение площади водного (живого) сечения к смоченно­ му периметру называется гидравлическим радиусом (R):R = w/P.

Средняя глубина живого (водного) сечения (Аср ) равна от­ ношению его площади к ширине (В): Аср= ш /В. Для большинст­ ва равнинных рек, особенно крупных, ширина .которых значи­ тельно превышает глубину и разница между В и Р невелика, можно, приравнять гидравлический радиус к средней глубине.

Наибольшая глубина русла (Амакс) находится по данным

промеров.

Морфометрические показатели изменяются с изменением уровня воды. При повышении уровня т, В, А,р, Амакс, Р, R уве­ личиваются, при понижении — уменьшаются.

Форма и размеры долины и отдельных ее элементов (поймы, склонов, русла) существенно влияют на режим реки. Колебания уровня в узких и глубоких долинах и руслах больше и проис­ ходят интенсивнее, чем в широких и относительно мелких. На широкой пойме во время половодий задерживается значительное количество воды, которая поступает в реку на спаде половодья, регулируя сток. Значительная крутизна склонов способствует быстрому отеканию ,в долины талых и дождевых вод.

37

Строение продольного профиля дна долины, русла и водной поверхности несколько различны. Продольный профиль дна не­ ровный, имеет выступы и 'понижения, водной поверхности — бо­ лее плавный ('рис. 6).

Разность между отметками водной поверхности реки в нача­ ле и конце какого-либо ее участка называется падением на этом участке (Л /г). Уклон на этом участке (i) раЕен тангенсу угла на­ клона, или отношению падения к длине участ­

ка (L):i =Ah/ L.

Продольные профи­ ли равнинных рек с хо­ рошо разработанным руслом обычно имеют вид плавных кривых с большими уклонами в верхнем течении. Гор­ ные реки отличаются

сложными, ступенчатыми очертаниями продольного профиля. На них часты водопады и пороги — участки с большими уклонами, быстрым течением и неровным каменистым руслом. Пороги встречаются и на равнинных реках в местах выходов трудноразмываемых пород. Примерами могут служить реки Волхов и Днепр до строительства гидроэлектростанций и водохранилищ, р. Великая, многие реки Кольского полуострова и Карелии.

Линия водной поверхности в поперечном профиле русла в большинстве случаев не горизонтальна. На изогнутых участках русла возникает центробежная сила, вызывающая повышение уровня воды у вогнутого берега. Другой причиной негоризонтальности уровня является сила Кориолиса, возникающая в резуль­ тате вращения земли и отклоняющая движение потоков в север­ ном полушарии вправо. Различия уровня у противоположных бе­ регов, вызванные этими силами, не превышают одного-несколь- ких сантиметров.

Поскольку наибольшие скорости течения наблюдаются в центральной части потока, на подъеме половодья уровень в се­ редине русла выше, а на спаде ниже, чем у берегов.

ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЖИМ РЕК

1. Фазы гидрологического режима

Под воздействием физико-географических факторов, среди которых ведущая роль принадлежит климату, формируется г и д ­

38

реке за гот или иной промежуток времени), температура воды, ледовые, явления, количество и состав переносимого водой твер­ дого материала (наносов) и ра-сторенных веществ. В связи с ко­ лебаниями метеорологических условий в течение года наблюда­ ется внутригодовой ход элементов гидрологического режима, в котором выделяются фазы: половодье, паводки, межень. Харак­ тер, время наступления, продолжительность их различны в раз­ ных географических условиях.

П ол ово дь е —-период наибольшей в году водности и свя­ занного с ней высокого и продолжительного подъема уровня во­ ды, обычно с выходом на пойму, повторяющийся ежегодно в один и тот же сезон; Половодья формируются в результате по­ ступления в реки больших масс воды при таянии снега на равни­ нах, ледников и вечных снегов в горах или выпадения обильных дождей. Они наблюдаются в различные сезоны в зависимости от климатических условий бассейнов.

Весеннее половодье, вызываемое таянием снега на равни­ нах, характерно для рек районов умеренного климата (большая часть территории СССР, Северной Америки, часть Западной Ев­ ропы) . Интенсивность и продолжительность половодья варьи­ рует по территории и по годам в зависимости от запасов снега в бассейнах и интенсивности его таяния. На территории СССР оно продолжается от одной-двух декад на малых реках до четырех­ пяти месяцев на крупных, обширные бассейны которых отлича­ ются неоднородностью географических условий.

В северных районах половодье сдвигается на конец весны — начало лета из-за позднего таяния снега. Весенне-летнее поло­ водье наблюдается и в горных системах, где таяние снега проис­ ходит не одновременно в различных высотных поясах. На реках, питающихся талыми водами ледников, половодье проходит ле­

том.

У рек с дождевым питанием половодье наступает в разные сезоны в зависимости от распределения в году жидких осадков: в районах с муссонным климатом летом, в Средней Европе и на юге Северной Америки весной, в Средиземноморье зимой, в при­ экваториальных районах осенью.

П а в о д к и — относительно кратковременные, продолжаю­ щиеся обычно от нескольких часов до нескольких суток, резкие увеличения водности рек, сопровождающиеся подъемами уров­ ней воды, вызываемые дождями или усилением таяния снега и льда (большей частью при оттепелях). Они возникают нерегу­ лярно, отличаются резким подъемом и спадом уровня. В отдель­ ных случаях паводки по высоте уровня превосходят половодья. На реках северной половины СССР дождевые паводки обычно

повторяются ежегодно осенью.

Половодья и паводки распространяются вниз по реке в виде волны. В верхнем течении, где сток с небольшой площади бас­ сейна почти одновременно устремляется в узкие долины, они от­

39