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

Т а б л и ц а 5

Типы водного режима ,рек (по М. И. Львовичу)

П р и м е ч а н и е . + существуют в СССР, X существуют в других районах Земного шара Остальные обозначения в тексте

лее 80 % годового стока дает снеговое питание и весенний сток,

S x — Р у —50—80% и т. д. (см. табл. 5).

Система выделения типов рек по роли источников питания и сезонного стока в годовом стоке (в процентах) позволила де­ тализировать типизацию. Так, Восточно-Европейскому типу рек Б. Д. Зайкова соответствуют три типа М. И. Львовича: Sx — Ру, Sx — ру, s x —py, дальневосточному — R x — Е, Rx —■Еу, R x —еу

И Т. д.

На основе классификации дано гидрологическое райониро­ вание суши Земного шара и территории СССР (рис. 16). По кар­ там можно судить не только о распределении типов рек по тер­ ритории, но и о доле годового стока (в процентах), приходящей­ ся на преобладающий тип питания и наиболее водный сезон в любом районе. На них довольно четко отражено влияние геогра­ фической зональности и азональности действующих факторов (рельефа, положения территорий по отношению к океану) на водный режим рек.

Недостаток классификации — выделение календарных сезо­ нов вместо фаз гидрологического режима и некоторая схемати­ зация выделения питания по гидрографам, несомненное досто­ инство — типизация рек по единой системе для Земного шара, установление количественных показателей для оценки видов пи­ тания и водности сезонов, четкая схема гидрологического карти­ рования.

П. С. К у з и н ы м (1960) в качестве основных признаков для классификации приняты преобладающий тип питания и осо­ бенности связанных с ним главных фаз водного режима — поло­ водий и паводков. Половодья и паводки выделяются им не по продолжительности, как другими исследователями, а по проис­ хождению (типу питания) с учетом специфики в различных гео­ графических зонах. Половодьем он считает ежегодный и обычно длительный подъем воды в реках, вызванный таянием снега на равнинах или снега и льда в горах, паводками — ежегодные и обычно кратковременные подъемы воды в реках, вызванные дож­ дями и ливнями.

По фазам водного режима П. С. Кузин выделяет три типа рек: 1) реки с половодьем; 2) реки с половодьем и паводками; 3) реки с паводками. У рек первого типа преобладает онегавое, у рек второго типа — снеговое и дождевое, у рек третьего типа —■ дождевое питание.

Для рек первого и второго типов характерны ежегодно пов­ торяющиеся половодья. На реках второго типа, в отличие от первого, помимо половодья наблюдаются паводки. Меженный сток рек первого типа пониженный, вплоть до полного пересыха­ ния или перемерзания, паводков нет. Реки третьего типа харак­ теризуются резкими, большей частью кратковременными павод­ ками, которые в разных географических условиях проходят в разные сезоны.

61

К первому типу относятся реки и временные водотоки арк­ тической и полупустынной зон холодного и умеренного климата, ко второму — реки тундровой, лесной и степной зон умеренного климата, к третьему — реки и временные водотоки лесной и степной зон муссонного климата, лесной, степной, полупустын­ ной и пустынной зон субтропического климата.

Внутри типов рек по времени (сезону) прохождения поло­ водий и паводков выделяются подтипы. Типы рек обозначаются римскими цифрами, подтипы — строчными буквами с цифровы­ ми индексами. Реки делятся на равнинные со средними высота­ ми водосборов до 300—500 м и горные с высотами более 300— 500 м. На основе классификации рек выполнено гидрологиче­ ское районирование территории СССР с выделением гидрологи­ ческих зон на равнинах и областей в горах.

Достоинства классификации П. С. Кузина: тесная увязка гидрологических особенностей рек с широтной зональностью и вертикальной ложностью, детальная характеристика типов ре­ жима, изменений их в широтном и меридиональном направле­ нии. Она, несомненно, полезна для детальной характеристики отдельных участков территории. Существенный недостаток ее — громоздкость, затрудняющая восприятие и исключающая приме­ нение для обобщения по большим территориям. Определение по­ нятий «половодья» и «паводки», предложенное П. С- Кузиным, дискуссионно и не нашло широкого применения в гидрологии и физической географии.

Классификация Б. Д. Зайкова и М. И. Львовича, благодаря тесной увязке режима рек с географическими условиями террито­ рий, четкости и наглядности, лучше отвечает запросам гидроло­ гии и географии.

7. Речные наносы

При движении водный поток производит работу по разруше­ нию (эрозии) горных пород бассейна, перемещению поступив­ ших в реку твердых частиц и отложению (аккумуляции) их в русле, на пойме и в устье.

Твердые частицы, переносимые рекой и отлагающиеся в рус­

где 1000 — вес единицы объема воды, кг/м3.

63

Мощность реки на участке, выраженная в киловаттах, назы­ вается к а д а с т р о в о й мо щн о с т ь ю . Так как киловатт ра­

вен 102 кгм/с, кадастровая мощность в киловаттах

Удельной килиметровой мощностью реки называется мощ­ ность, отнесенная к единице длины участка: ^Vya — NjL.

Мощность, отнесенная к 1 км2 площади бассейна (F), назы­ вается удельной мощностью бассейна:

где N — мощность на участке.

Работа, совершаемая потоком воды, расходуется на преодо­ ление сопротивлений внутреннего трения и трения о ложе потока, а также на отрыв твердых частиц, слагающих ложе (русловая эрозия), и перенос (транспортировку) их в русле.

Талые и дождевые воды, стекая по поверхности бассейна, за­ хватывают частицы почвы и грунта и перемещают их, т. е. произ­ водят водную эрозию. Ее интенсивность зависит от характера почвенного покрова, состояния поверхности почвы, наличия и ха­ рактера растительности, рельефа, величины стока и других фак­ торов. На интенсивность эрозии влияет в значительной степени и хозяйственная деятельность человека. Распашка земли вдоль склонов может привести к сильному увеличению эрозии почв. Лесные и кустарниковые насаждения по склонам долин, оврагов ослабляют эрозию.

Частицы почвы и грунта, смытые с водосбора, попадая в ре­ ку, смешиваются с продуктами размыва дна и берегов русла и транспортируются рекой вниз по течению. В зависимости от ско­ рости течения река транспортирует наносы различной крупности

(табл. 6).

Т а б л и ц а 6

Классификация речных наносов по крупности, мм

По характеру движения наносы в потоке делятся на в з в е- ше нн ы е, перемещающиеся в толще воды во взвешенном со­ стоянии, и донны е, или в л ек омые, которые могут траншортираваться по дну скольжением или качением. Деление наносов

64

на взвешенные и донны-е в значительной мере условно, так как при изменениях гидравлического режима в сечении или по длине реки одни и те же частицы могут то язйе'шийаться, то переме­ щаться по дну. С увеличением скорости течения взвешиваются все более крупные частицы, а с ее уменьшением часть взвесей опускается на дно.

Размеры частиц, которые могут удерживаться во взвешенном состоянии, зависят от соотношения скорости падения этих частиц

(w) и вертикальной составляющей скорости течения (ов ). При v&> w частицы удерживаются в толще воды, при v3 < w — опу­ скаются на дно.

Скорость равномерного падения частицы в неподвижной во­

ее—-уменьшается. Так, w для частиц диаметром 1 мм при тем­ пературе 10°С равна 106,3, а при температуре 20°С—116,6 мм/с.

Процесс захвата твердых частиц потоком со дна и транспор­ тировки их в русле можно представить следующим образом. На твердую частицу, лежащую на дне, действуют со стороны обте­ кающего ее потока две силы: лобовое давление Р л и подъемная сила Рп. Первая из них стремится сдвинуть частицу в продоль­ ном направлении. Она пропорциональна плотности воды (рв), квадрату скорости потока, обтекающего частицу (v2), площади

еепоперечного сечения (d2) и определяется формулой

Pn= k ?Bd2V2,

где k — коэффициент, зависящий главным образом от формы и размеров частицы.

Подъемная сила, направленная от дна в глубь потока, воз­ никает из-за неодинаковой скорости обтекания частицы сверху и снизу. Эта сила стремится приподнять лежащую на дне части­ цу и может быть выражена формулой, аналогичной формуле для Рл , но при другом значении коэффициента k. Суммарное воз­ действие этих сил, определяемое как «влекущая сила» потока, уравновешивается силами сопротивления, зависящими от веса частиц, их взаимного расположения и пр.

Взвешивание наносов связано с особенностями турбулент­ ного движения воды в реках. В зависимости от интенсивности

этого движения частицы могут переходить из взвешенного со­ стояния в донное и наоборот, с чем связана пульсация наносов — колебания их количества во времени.

Р = P/V,

где Р — вес наносов в пробе воды; V — объем пробы.

Расход взвешенных наносов (R, кг/с)— количество (вес) взвешенных наносов, проходящих через площадь живого сече­ ния реки в единицу времени,— равен произведению расхода во­ ды (Q) на мутность:

п __ Р- Q

Аюоо •

Характер движения донных наносов связан в первую оче­ редь с их крупностью, глубиной русла и скоростью течения реки. Для каждого диаметра частиц существует, как отмечалось вы­ ше, определенная «критическая» скорость (vo), при которой эти частицы начинают двигаться. Эта скорость может быть определе­ на, например, по эмпирической формуле Г. В. Лопатина:

v 0 = 0 ,5 ^ dcpЛ0,2,

где h — глубина;

dcp— средний диаметр частиц.

Приравнивая «влекущую силу» силам сопротивления, можно получить зависимость для определения критической скорости (v0), при которой начинает двигаться частица диаметра d:

v0 = k Y d,

где k — обобщенный коэффициент, учитывающий объемный вес частицы, характер ее обiекания, коэффициент трения и пр. Значения его, по определениям различных авто­ ров, находятся в пределах от 8 до 5.

Из приведенной формулы следует, что линейные размеры частицы пропорциональны квадрату скорости ее передвижения, а так как вес тела пропорционален кубу линейных размеров, то вес частицы пропорционален шестой степени скорости. Это так называемый закон Эри, из которого следует, что веса переме­ щаемых по дну частиц Рi и Р2 пропорциональны шестой степени скоростей перемещающих их потоков щ и v2: P\IP2=v\lv^. Если,

например, скорость течения увеличивается вдвое, то вес переме­ щаемых по дну частиц возрастает в 26 раз, т. е. в 64 раза. Поэто­ му даже незначительное увеличение скорости течения может привести в движение лежащие на дне частицы. Этот же закон

66

объясняет и то, что равнинные реки перемещают обычно ил и пе­ сок, а горные — крупный галечник и камни. Закон Эри, как по­ казали опыты, справедлив только для очень крупных фракции наносов.

Расход донных наносов (G, кг/с) можно определить по за­ висимости

k — коэффициент сплошности движения наносов, который, согласно исследованиям М. А. Великанова, пропор­ ционален третьей степени скорости.

Определение расходов донных наносов из-за несовершенства приборов и методики затруднительно. Поэтому для оценки ко­ личества донных наносов используют результаты их изучения на отдельных реках, на которых были проведены эксперимен­ тальные исследования. На основе этих данных выявлены соотно­ шения между взвешенными и донными наносами для равнинных и горных рек. По исследованиям Г. В. Лопатина, приближенно можно принять, что годовое количество донных наносов для рав­ нинных рек составляет 5—10, а для горных—10—20 и более про­ центов от количества взвешенных.

Распределение мутности по вертикали и живому сечению сильно варьирует в зависимости от скорости течения, степени турбулентности потока, литологического состава и крупности на­ носов. При малой крупности частиц (d<0,01 мм) взвеси распре­ деляются по глубине сравнительно равномерно. С возрастанием крупности частиц наблюдается увеличение мутности с глубиной, выражающееся в общем нелинейной зависимостью. Придонные слои отличаются большей мутностью в результате осаждения крупных частиц из верхних слоев воды и взмучивания турбулент­ ными возмущениями мелких частиц со дна. В живом сечении большая мутность наблюдается на середине, чем у берегов.

Распределение мутности м' расходов взвешенных наносов по­ длине большинства рек характеризуется некоторыми общими закономерностями. Оба показателя возрастают от истока до не­ которого участка в среднем или нижнем течении, а затем умень­ шаются к устью. Эта особенность объясняется более интенсивной эрозией и транзитом наносов в верхнем и среднем течении, уменьшением уклонов и аккумуляцией наносов в нижнем. Разме­ ры участков изменения мутности зависят от особенностей бассей­ нов и гидросети каждой реки: уклонов, состава и строения гор­ ных пород, водности реки и др. Распределение мутности под вли­ янием местных условий может отклоняться от приведенной за­ кономерности.

Сток взвешенных наносов рек (И7,„т)— количество наносов, транспортируемое ими за длительный промежуток времени (ме-

67

сяц, сезон, год): Wu = R T - 1000. Его величина 'зависит от водно­ сти реки и условий поступления твердого материала с бассейна

Рис. 17. Изменение расходов воды (Q), мутности (р ) и минерализации (S) реки в течение года (р. Иртыш у г. Ом­ ска, 1945 г.)

Модуль стока взвешенных наносов — количество наносов в тоннах, поступающее с 1 мм2 бассейна в год:

Сток взвешенных наносов в океан со всех континентов дости­ гает 15,7 млрд, т в год, или 150 т/км2 в год. Наибольший средний годовой сток-наносов дает Азия (10,5 млрд, т, или 340 т/км2), наименьший —Австралия и Океания (0,197 млрд.т, или 39т/км2)- На крупных равнинных реках наибольшая 'мутность наблю­ дается на подъеме половодья. Максимум мутности наступает раньше максимума расходов воды (рис. 17) в связи с более ин­ тенсивным размывом почв и грунтов водосбора на подъеме поло­ водья и смывом вместе с талой водой находившихся в снегу твер­ дых частиц. На малых равнинных реках пики расходов воды и

мутности обычно совпадают.

На горных реках как расходы воды, так и мутность во вре­ мя половодий и паводков изменяются весьма резко, пики рас­ ходов и 'мутности могут занимать по отношению друг к другу различные положения во времени.

Большая часть стока наносов падает на периоды повышен­ ной водности—половодья и паводки. На равнинных реках Ев­ ропейской части СССР основная ма'сса наносов, как и большая часть стока воды, проходит весной. Доля весеннего стока нано­ сов возрастает от 70—75% годового на севере до 75—85% в цен­

68

тральных областях и 90—100% на юго-востоке — в Прикаспии. В Азиатской части СССР к востоку от Оби преобладает летний сток наносов. Он составляет около 50% годового у р. Кеть, око­ ло 60% у Селенги и Алдана и около 70% у Зеи.

В тундре и лесной зоне эрозия выражена сравнительно сла­ бо, в лесостепной и степной возрастает и достигает максимума для равнины в полупустынях. Резко усиливается эрозия в гор­

ных системах и предгорьях. В связи с эрозией изменяется мут­ ность и твердый сток.

На территории СССР выделяются по средней годовой мут­ ности четыре основные зоны (рис. 18).

I. Зона малой (до 50 г/м3) мутности включает северную по­ ловину территории СССР. Южная граница ее проходит в Евро­ пейской части примерно по южной границе лесной зоны, а в Азиатской — несколько севернее.

Слабая эрозия и малая мутность речных вод связана с рас­ тительным покровом, предохраняющим почвы от размыва, и с малыми уклонами местности, а в Карелии, кроме того, с наличи­ ем твердых горных пород и аккумуляцией наносов в многочис­ ленных озерах.

II. Зона средней мутности (50—150 г/м3) расположена в ле­ состепной и частично в лесной зонах. Увеличение мутности здесь связано с большими площадями безлесных и распаханных тер­ риторий.

III. Зона повышенной м>угноети(150—500 г/м3) охватывает степи Европейской части СССР и Западной Сибири. Здесь пре­ обладают малоустойчивые против размыва лессовидные суглин­ ки и суглинистые черноземы. Размыв их возрастает также в свя­ зи с распашкой. Реки районов с расчлененным рельефом (Волы- но-Подольской возвышенности, Донецкого кряжа и др.) отлича­ ются более высокой мутностью (более 500 г/м3).

К IV зоне — зоне очень высокой мутности (500—5000 г/м3) — относятся горные области Кавказа и Средней Азии. Наиболь­ шие значения мутности приурочены к районам, в которых зна­ чительные уклоны сочетаются с залеганием легко размываемых горных пород. Максимальной для территории СССР средней го­ довой мутностью отличаются воды р. Аксай в восточной части Большого Кавказского хребта (11 700 г/м3). Наибольшая сред­ няя месячная мутность этой реки 35 000 г/м3.

Средняя годовая мутность рек Средней Азии варьирует в широких пределах в зависимости от местных условий: от 100— 500 (Талас, Чирчик) до 2500—4000 г/м3 (Амударья, Мургаб, Теджен).

Модули стока взвешенных наносов, по данным Г. И. Шамо­ ва, изменяются на территории СССР от 5—20 т/км2 в год на рав­ нинных реках Европейской части до 600—2300 т/км2 в год на гор­ ных реках. Величины среднегодового твердого стока рек СССР

приведены в табл.7.

69