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

реках, отличающиеся весьма высокой концентрацией наносов, благодаря которой они движутся в виде грязевых или грязекаменных потоков. Название их происходит от арабского слова «сейль»— бурный поток. Содержание твердого материала как мелкого, так и крупного в селевом потоке может достигать 30— 75% по весу.

Сели возникают при интенсивных ливнях, реже при интен­ сивном таянии снега и ледников. Могут они возникать и при про­ рыве подпрудных .приледниковых озер (гляциальные сели). Они весьма кратковременны: продолжаются от нескольких минут до нескольких часов, чаще всего 1—2 часа.

По составу перемещаемых наносов сели делятся на г р я з е- вы е с преобладанием мелких илистых и глинистых частиц, гр я-

еся явным преобладанием камней и небольшим содержанием мелких частиц.

Сель движется в виде вала с крутым передним склоном. Обычно движение селей носит прерывистый характер вследствие

71

образования в узких местах и на поворотах русла заторов из крупного материала. Подпор выше таких препятствий вызывает замедление движения, а их прорыв — прохождение серии после­ довательных валов с интервалами в несколько минут. Высота ва­ лов может достигать 2—4 м, количество их — нескольких десят­

структурных селевых потоков мелкими частицами превосходит предел, при котором .возможно турбулентное перемешивание. Благодаря большой вязкости, такой поток может переносить во взвешенном состоянии крупный галечник, камни. При остановке масса селя сохраняет свою форму и отлагается в виде вала, соз­ давая волнистый рельеф. Текучие сели меньше насыщены твер­ дым материалом; он поддерживается в потоке турбулентным дви­ жением. При остановке такие сели растекаются, образуя конусы выноса с некоторой сортировкой материала.

Бассейны селеносных рек, как правило, невелики по площа­ ди, так как малые водосборы целиком захватываются ливнями, обеспечивающими интенсивный смыв обломочного материала. Так, площадь водосбора селеносной реки Малая Алматинка в

Сели перемещают и откладывают огромное количество твер­ дого материала, значительно превышающее средний годовой твердый сток рек. Так, селем на р. М. Алматинка 8 июля 1921 г. за несколько часов было вынесено 2—2,5 млн. м3 наносов при среднем твердом стоке реки 20 тыс. м3, т. е. 100—120 годовых норм ее твердого стока. Селем была разрушена значительная часть г. Алма-Аты.

Вес каменных глыб, перемещаемых селями, достигает 100—

200 т, объем 40—80, реже до 120 м3, смыв почвы и грунта 20— 55 т/км2 в год.

Условия, благоприятствующие формированию селей, созда­ ются^ в горных системах .территорий с недостаточным или не­

На территории СССР сели широко распространены в Сред­ ней Азии (Чаткалыский, Ферганский хребты, Заилийский Алатау, Копет-Даг, бассейн Зеравшана), на Кавказе (главным образом в восточном Закавказье), в Ка'рпатах, горах Крыма и южного Прибайкалья. Часты сели в Альпах, Тироле, наблюдаются они в Кордильерах, Южной Америке, Японии.

Обладая большой массой и большой скоростью, сели произ­ водят значительные разрушения населенных пунктов, дорог,

мостов, гидротехнических сооружений, уничтожают сельскохо­ зяйственные угодья.

72

8. Гидрохимические особенности речных вод

Минерализация и химический состав речных ,вод обусловле­ ны в первую очередь питанием рек поверхностными и подземны­ ми водами и взаимодействием этих вод е почвами и горными по­ родами бассейна. В результате интенсивного водообмена рек взаимодействие вод в русле с горными породами непродолжи­ тельно, а испарение с водной поверхности невелико. Формирова­ ние химического состава речных вод происходит в самых верхних, сильно промытых слоях земной коры. Водный и гидро­ химический режим рак сильно зависит от кшиМ'ата и метеорологи­ ческих условий. На поступающие воды воздействуют .биологиче­ ские факторы. Совокупное воздействие перечисленных факторов приводит к тому, что воды рак отличаются наименьшей среди водных объектов (за исключением ледников) минерализацией, резкими изменениями состава и минерализации во времени.

Основными гидрохимическими характеристиками рек явля­ ются состав растворенных веществ и содержание их в единице объема воды.

Растворенные в речных водах элементы включают основные ионы, биогенные элементы, микроэлементы, органическое веще­ ство, растворенные газы. Поскольку главную роль в гидрохими­

ческом режиме'рек играют основные ионы (НСО3, COg, SO4, СГ, Са", Na‘, Mg", К-), химизм их вод обычно характеризуется со­

ставом этих ионов и минерализацией, т. е. содержанием раство­ ренных минеральных элементов в единице объема воды (мил­ лиграмм или грамм на литр).

О. А. Алехиным разработана гидрохимическая классифика­ ция речных вод, согласно которой реки по минерализации делят­

го состава речных вод по территории является рост их селесодержания при переходе от увлажненных к засушливым районам и изменение гидрохимического класса от гидрокарбонатного к сульфатному, затем к хлоридному в том же направлении. .

В зоне избыточного увлажнения значительное количество осадков, малое испарение и высокий сток способствуют хорошей промываемости грунта, в результате чего из него выносятся лег­ ко растворимые соли. Поэтому минерализация вод понижена.

В аридных районах, где малое увлажнение и высокое испа­ рение, соли накапливаются в почвах и грунтах, чему способству­ ет также капиллярное поднятие минерализованных вод. Минера­ лизация вод здесь повышена.

73

С этими климатическими условиями связан и ионный состав вод. В составе вод рек районов избыточного идостаточного увлаж­ нения, протекающих по хорошо промытым почвам и грунтам, преобладают НСОд и Са", в аридных районах — S0'4 и С1', а из

катионов — Na‘ .

Минерализация вод выше при питании рек подземными и ниже при питании поверхностными (снеговыми и дождевыми)

водами.

Закономерности распределения речных вод различной мине­ рализации и ионного состава по территории хорошо видны на со­ ставленной О. А. Алекиным гидрохимической .карте СССР

(рис. 19). Воды большинства рек СССР относятся к гидрокарбо­ натному классу. Бассейны их занимают около 85% территории нашей страны. Это реки Европейской части СССР, за исключе­ нием засушливых районов юга Украины, Северного Кавказа, Прикаспия, большинство рек Западной Сибири, реки Восточной Сибири, Дальнего Востока, горных систем Кавказа и Средней Азии. Речные воды сульфатного .класса, встречающиеся в бас­ сейнах Онеги, Камы, Белой, Бирюсы, верховьях Колымы, азо­ нальны и связаны с геологическим строением водосборов.

Большая часть гидрокарбонатных вод мало минерализова­ на (до 200 мг/л). Наименьшая минерализация (до 50 мг/л) свой­ ственна рекам Кольского полуострова, Карелии, зоны вечной мерзлоты Сибири. Значительно меньше рек с гидрокарбонатны­ ми водами средней минерализации. Это реки средней полосы Ев­ ропейской части СССР, реки Лено-Вилюйской низменности и Ле- но-Алданекого междуречья. Рек с гидрокарбонатными водами повышенной минерализации еще меньше. К ним относятся водо­ токи лесостепной и частью степной зон (междуречье Днестра, Южного Буга, Днепра, некоторые притоки Среднего Дона, Ура­ ла, Тобола).

Бассейны рек сульфатного класса занимают всего 3—4% территории СССР. Они встречаются в засушливых степях Евро­ пейской части (Приазовье, Донбас), Северного Кавказа, в полу­ пустынях Средней Азии и Казахстана (бассейны Сарысу, Аягуза, Чу, Теджена). Минерализация их обычно превышает 1000, а в отдельных случаях достигает 4000 мг/л (Теджен, некоторые реки бассейна Амударьи).

Реки хлоридного класса встречаются, в полупустынях При­ каспийской, Западно-Сибирской низменности и Казахстана. Это главным образом временные водотоки. Их бассейны занимают около 6% территории СССР. Они отличаются высокой минера­ лизацией (например, минерализация меженных вод Туртая в Центральном Казахстане до 19 г/л).

Связь минерализации речных вод с увлажненностью терри­ торий хорошо прослеживается в различных .районах Земного ша­ ра. Весьма малой минерализацией отличаются реки экваториаль­ ной зоны (Амазонка около 35—50 мг/л). Минерализация речных

74

О o r Гринеича

ЕШ’И зП 1

В *

300 О 300 600км

Рис. 19. Схематическая гидрохимическая карта рек СССР (по О. А. Алекину):

вод более увлажненной восточной части США не превышает 130—140 мт/л, а в более засушливой западной достигает 500—

1500 мт/л (Алекин, 1970).

Минерализация и ионный состав речных вод подвержены значительным колебаниям в зависимости от метеорологических условий и характера питания рек. Наименьшая минерализация характерна для половодий и паводков, наибольшая — для меже­ ни. На рис. 18 хорошо видно резкое уменьшение минерализации в период весеннего половодья. На реках дождевого или леднико­ вого литания опреснение вод наблюдается летом.

Между расходами воды и минерализацией ее существует обратная связь: с увеличением расхода уменьшается минерали­

зация.

В связи с питанием рек меняется в течение года и соотноше­ ние основных ионов в речной воде. Во время половодий и павод­ ков, в большинстве рек возрастает относительное содержание НСО3 и Са” , в межень — SOI,', Cl' и Na‘. '

При значительных различиях состава поверхностных и под­ земных вод водосбора река может во время половодья отно­ ситься к одному гидрохимическому классу, а в межень — к друго­ му: Так, например, воды р. Лены зимой относятся к хлоридному классу, в половодье — к гидрокарбонатному; воды Амударьи ле­

в остальное время — к сульфатному. Еще резче могут быть эти изменения у малых рек.

Интенсивный водообмен и турбулентность движения вод рек способствуют выравниванию их гидрохимических показателей. С другой стороны, по ряду причин, главные из которых влияние притоков, изменения соотношения поверхностного и подземного питания, несинхронность поступления в реку ;вод различного про­ исхождения, наблюдается неоднородность речных вод. Сильнее она проявляется по длине рек, особенно пересекающих различ­

ные географические зоны, слабее— по живому сечению реки и почти не сказывается по вертикали.

Уменьшение минерализации вниз по течению наблюдается у рек, имеющих в верховьях сильное подземное питание. Воды их вниз по течению разбавляются с увеличением доли поверхност­ ного питания. Таковы некоторые реки Ленинградской области — Оредеж, Ижора, мелкие водотоки, впадающие с юга в Финский

залив и питающиеся в верховьях подземными водами силурий­ ских отложений.

Рост минерализации вниз по течению характерен для круп­ ных рек, протекающих через несколько географических зон (в СССР это реки, текущие с севера на юг), или для рек, питаю­ щихся в верховьях водами ледников или болот (Волга, Кама Урал и др.). Минерализация вод Волги возрастает от истока к устью примерно в 3 раза (от 100 до 300 мг/л). В составе ее вод

76

в верховьях преобладает НСО3 (около 45—60%), в низовьях суммарное содержание SO/j и СР почти равно количеству НСО'

Мало изменяются минерализация и ионный состав вод рек, вся территория бассейнов которых находится в одинаковых географи­ ческих условиях (Ока) и рек с озерным питанием (Нева, Свирь).

Гидрохимическая неоднородность по живому сечению реки возникает главным образом на участках впадения притоков. Так, в водах р. Камы после впадения слева р. Чусовой (август 1937 г., до строительства Камского водохранилища) обнаруживалось резкое (примерно в 1,5 раза) увеличение содержания SO^, Са" и

Mg" у левого берега. Резкие различия в ионном составе вод на­ блюдаются на Волге ниже владения Оки и на других реках. Не­ однородность слабее выражена и быстрее ликвидируется у ма­ лых рек, чем у крупных.

В процессе стока — движения и обмена вод на Земном ша­ ре ■— вместе с водами перемещаются значительные массы твер­ дых частиц и растворенных элементов. Основная роль в перено­ се и распределении этих элементов принадлежит рекам, водооб­ мен у которых совершается быстрее, чем у других водных объектов (в среднем ио Земному шару за 20—25 суток).

Под стоком растворенных веществ понимается количество неорганических и органических веществ, выносимых реками в ионно-молекулярном или коллоидальном состоянии за некоторое время с данной территории. Наибольшую часть растворенных веществ, выносимых реками, составляет ионный сток. Расход ос­ новных ионов (QH, кг/с) определяется как произведение расхода воды (Q) на ее минерализацию (5):Q „=Q S. Ионный сток (Ри) с какой-либо территории определяется ,в тоннах за некоторый промежуток времени (обычно за год) по формуле:

R = QJ,

где Т — время, с; или по формуле

77

Аналогично можно рассчитать характеристики стока орга­ нических веществ, биогенных элементов и т. д.

Ионный сток характеризует химическую эрозию и аккумуля­ цию, является основной составляющей расходной части баланса солей речного бассейна. Он служит связующим звеном в соле­ вом обмене суши и океана. 'Величина ионного стона и распреде­ ление его в году зависит от стока воды и ее минерализации. В связи с этим при прочих равных условиях наибольший ион­ ный сток дают многоводные крупные реки (см. табл. 7). Наряду с этим при одинаковых объемах водного стока наибольшим ион­ ным стоком отличаются реки аридных районов, воды .которых высоко минерализованы. Так, при почти одинаковом среднегодо­ вом водном стоке рек Амударьи (49 км3) и Индигирки (47 .км3) ионный сток первой более чем в 10 раз превышает ионный сток второй. Показатели (модули) ионного стока выше у рек, начина­ ющихся или протекающих в горных районах (Терек —72, Рио-

ни —146 т/км2-год).

Зависимость Р и от увлажненности бассейна иная, чем мине­ рализации. В избыточно увлажненных районах минерализация мала и удельный вынос солей даже при большом стоке невелик. Но и в аридных условиях, при больших потерях на испарение и малом стоке, значительного удельного .веса солей не может быть даже при высокой минерализации вод. Поэтому величины Р„ рек Крайнего Севера и полупустыни близки (О. А. Алекин, 1970). Внутригодовое распределение ионного стока также в первую очередь связано с распределением водности. Максимум его при­ ходится на периоды половодий, когда вместе с 'большими объ­ емами слабоминерализованных вод выносится много растворен­ ных в них веществ.

У рек с преобладанием снегового питания весной проходит большая часть годового ионного стока (у р. Нуры в Северном Казахстане за апрель — май около 77%, у р. Дан за март — май около 60%). Ледниковое питание перемещает максимум ионно­ го стока на лето (yip. Терек за май — август около 45%).

Средний годовой ионный сток е территории СССР достига­ ет 384 млн. т, из которых 276 млн. т (72%) выносится в океан, остальные 28%— в области внутреннего стока. Наибольший ион­ ный сток приходится на бассейны Северного Ледовитого океана (около 202 млн. т, или 52%), наименьший — на бассейн Тихого океана (около 31 млн. т, или 8%). Наибольший показатель (мо­ дуль) ионного стока, свидетельствующий об интенсивной хими­ ческой эрозии, в бассейне Атлантического океана (около 24 т/км2-год) и в областях внутреннего стока (22 т/км2-год), среди которых резко выделяется бассейн Аральского моря (64,5 т/км2-год). Сток остальных растворенных веществ (органи­ ческое вещество, минеральные коллоиды, микроэлементы, неор­ ганические биогенные элементы) достигает 102 млн. т/год, или 20% общего стока растворенных элементов. Первое место среди

78

них занимают органические вещества (79 млн. т, или 16% обще­ го стока растворенных веществ). Суммарный сток растворенных веществ ютерритории СССР достигает 486 млн. т в год.

Ионный сток со всей суши Земного шара в океан 2,28 млрд, т в год, модуль ионного стока 22,7 т/км2, а сток всех растворенных веществ около 2,9 млрд. т. Наибольший ионный сток, так же как и водный, дает Азия (636 млн. т), наименьший — Австралия (62>млн. т ). П о модулю ионного стока на первом месте Малай­ ский архипелаг (36 т/км2-год)‘.

По соотношению стока взвешенных наносов и ионного стока резко различаются равнинные .и горные реки. Благодаря значи­ тельной кинетической энергии торных рек, механическая эрозия их бассейнов происходит более интенсивно, чем химическая. Зна­ чительная доля питания водами осадочных пород при относи­ тельно умеренной механической эрозии создает преобладание ионного стока равнинных рек над стоком взвешенных наносов.

При сравнении модулей стока взвешенных наносов (М„) и ионного стока (Ри) это различие выступает весьма резко. Для большинства (80%) исследованных равнинных рек СССР отно­ шение MJP„ меньше единицы, т. е. ионный сток превышает сток взвешенных наносов. Для большинства горных рек (около 80% J отношение MJP„ 'больше единицы, т. е. сток взвешенных нано­ сов преобладает над ионным. Для территории СССР среднее отношение M J Р„ около 1—1,3 .в связи с преобладанием стока крупных равнинных рек. Для Земного шара эго отношение око­ ло 51.

9. Термина рек

Основным источником' тепла для речных вод является сол­ нечная радиация. Меньшую роль играет теплообмен с дном и атмосферой. Потери тепла происходят за счет излучения, испа­ рения и турбулентного теплообмена с атмосферой. Проникнове­ ние тепла на глубины обусловлено 'главным образом турбулент­ ным перемешиванием.

Поскольку и температура воды и температура воздуха зави­ сят от солнечной радиации, суточный и годовой ход их в общих чертах одинаков, а в распределении по территории сказывается географическая зональность. Но в то время как температура воз­ духа резко меняется при адвекции теплых и холодных воздушных масс, температура воды сохраняет значительную инерцию и мед­ ленно реагирует на эти вторжения. Поэтому соотношение тем­ ператур воздуха и речной воды бывает различным как по терри­ тории в связи с преобладающим типом атмосферной циркуля­ ции, так и в одних и тех же районах при вторжении различных воздушных масс. При адвекции холодных воздушных масс тем-

1 Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли. Л., 1974.

79