книги из ГПНТБ / Подобедов, Н. С. Общая физическая география и геоморфология учебник

где а — расход воды, F — площадь живого сечения русла в дан­ ном месте, v —■средняя скорость течения.

Количество воды, протекающее через данное сечение реки в тече­ ние длительного периода, называется стоком. Чаще всего сток исчисляют за сезоны года и за год в целом. Важным показателем особенностей данной реки является средний годовой сток, вычис­ ленный из многолетних данных. Не менее важное значение имеет отношение величины стока к количеству осадков, выпадающих на площади бассейна данной реки. Это отношение называется коэф­ фициентом стока и выражается формулой:

где а — коэффициент стока, А — высота стока, т. е. величина стока, условно распределенная равномерным слоем по всей площади

главным образом от климата данной территории. Оно осуществляется поверхностными и подземными водами, различно для рек и меняется по сезонам года. Основным источником питания данной реки счи­ тают такой источник, который дает более половины объема годового стока и оказывает существенное влияние на распределение стока реки в течение года.

Питание рек подразделяется на: дождевое, снеговое, ледниковое, грунтовое и смешанное.

Дождевое питание рек происходит за счет дождей, выпадающих в бассейне соответствующей реки. Вода от этих осадков не пол­ ностью поступает в реку, а частично испаряется и просачивается в почву. Питание рек за счет дождевых вод характерно для южных и восточных районов СССР.

Снеговое питание рек характерно для районов с устойчивым и значительным снежным покровом. Вода здесь поступает в реки от тающих снегов. Несмотря на малую продолжительность снеготаяния (в среднем около двух недель) сток талых вод в реки продолжается 1,5—3 месяца, в течение которых реки получают до 50—80% всего годового питания. Бассейны рек с таким питанием занимают до 75% площади СССР (большая часть рек Русской равнины, реки Западной Сибири, равнинного Казахстана, Средне-Сибирского плоскогорья и др.).

Ледниковое питание рек осуществляется за счет талых вод лед­ ников в горах. Подъем уровня воды рек с этим питанием происхо­ дит в середине лета, когда ледники тают наиболее интенсивно.

Грунтовое питание рек осуществляется за счет поступления в реки подземных вод. Наибольшее значение оно имеет в те периоды года, когда осадков выпадает мало или во время засухи.

90

может быть весьма неодинакова.

Режимом рек называют закономерное изменение расходов воды, уровней поверхности, скоростей течения воды и ледовых образова­ ний на поверхности воды, обусловленных сезонной сменой природ­ ных явлений. Режим рек подразделяется на ряд периодов: поло­ водье, межень, паводки, зимний режим.

Половодье — это довольно продолжительный подъем воды в ре­ ках в определенное время года, обусловленный таянием снега на рав­ нинах или ледников в горах или обильными осадками.

Межень (летняя) — это период летних низких уровней воды в реках, когда у них преобладает грунтовое питание. В межень нередко малые реки южных территорий страны пересыхают. Обычно на реках самый низкий уровень воды держится только несколько дней в году.

Паводки — это обычно кратковременные подъемы воды в реках, вызванные дождями, а в западных и южных районах страны они могут образовываться от таяния снега при оттепелях и благодаря выпадению мокрого снега.

Зимний режим — это период зимних низких уровней воды в ре­ ках, когда они питаются исключительно за счет подземных вод, а поверхность воды (во многих районах страны) покрыта льдом.

Движение воды в реках, называемое течением, происходит под действием силы тяжести при наличии продольного уклона русла.

Простейшим способом определения скоростей течения воды в ре­ ках, вполне доступным при топографических работах, является способ поплавков. В качестве поплавков могут, например, быть использо­ ваны деревянные кружки диаметром 10—20 см и высотой 2—7 см, в центре которых укреплены флажки из яркой бумаги или материи.

Для определения скорости течения выбирают прямолинейный участок рек (базис) длиной не менее 100 м, причем с таким расчетом, чтобы вдоль него около уреза воды не было древесной или кустарни­ ковой растительности. Концы этого базиса закрепляют двумя парами

базиса с помощью дальномера, стальной ленты, а в случае их отсут­ ствия — рулеткой.

Выше створа двух вех, отмечающих начало базиса, при помощи лодки или плота забрасывают в воду поплавки с таким расчетом, чтобы между ними было расстояние 20—30 м. Затем замечают по часам, когда каждый из поплавков проплывает через створ вех начала и конца базиса. Для каждого из поплавков определяют

скорость течения в метрах по формуле:

Ь_

v

t '

91

где L — длина базиса в метрах, t — время (в секундах), в течение которого поплавок проплыл от начала до конца базиса. Определение скорости течения описанным выше способом повторяют два-три раза и пз них берут среднее.

Среднюю скорость течения воды в русле можно вычислить по формуле Шези:

^сР = С ]/Яг,

где С — скоростной коэффициент, зависящий от степени шерохова­ тости русла и величины так называемого гидравлического радиуса; R — гидравлический радиус, который практически можно принять равным средней глубине реки; i — уклон поверхности воды в реке.

Значение С (скоростного коэффициента) можно определить из табл. 2.

Та блица 2

Классификация скоростных коэффициентов естественных водотоков (по М. Ф. Срибному)

Характеристика русла С

В каждом водном потоке, кроме движения воды по уклону по­ верхности русла, имеются токи воды, направленные поперек русла и обусловленные центробежной силой и воздействием силы Ко­ риолиса.

На изогнутом участке русла реки на частицы воды оказывает влияние центробежная сила, действующая по направлению радиуса кривизны в плоскости живого сечения русла (рис. 44). Она выра­ жается формулой

_ mv2

где F — центробежная сила, т — масса воды, v — скорость тече­ ния воды, R — радиус кривизны.

Вследствие действия центробежной силы F горизонт воды в реке повышается у вогнутого берега и понижается у выпуклого (см.

92

рис. 44). Величина угла наклона поверхности воды определяется как отношение центробежной силы к силе тяжести

Сила тяжести P — mg, где m — масса частицы воды, g — уско­ рение силы тяжести, равное 9,81 м/с2.

На криволинейных участках русла наблюдаются поперечные течения, возникающие в результате различия величин скоростей поверхностного и придонного слоев воды. Так, если действие центро­ бежной силы преобладает над скоростью движения поверхностных

П л а н

частиц воды в русле, поток будет прижиматься к вогнутому берегу и тогда возникает перекос водной поверхности, вызывающий попе­ речный уклон поверхности воды от выпуклого к вогнутому берегу. Одновременно в придонных слоях воды центробежная сила меньше,, чем в поверхностных, а поэтому частицы воды здесь перемещаются

квыпуклому берегу.

Врезультате действия центробежной силы на извилинах русла,, поверхностное течение, направленное к вогнутому берегу, будет усиленно его размывать, а донное течение, направленное к выпук­ лому берегу, будет переносить вымытые твердые частицы в ту же

сторону. Эти поперечные циркуляционные течения, складываясь с продольным течением русла, превращаются в винтообразные дви­ жения воды (рис. 45).

93:

Поперечные циркуляционные течения водного потока могут также возникать под воздействием силы Кориолиса.

В результате постоянного действия силы Кориолиса образуется поперечная циркуляция и на прямолинейных участках реки, при которой поверхностные слои воды в северном полушарии движутся к правому берегу, а придонные — к левому. В южном полушарии направление этих течений будет противоположным. Реки, протека­ ющие в северном полушарии, подмывают правый, а в южном — ле­ вый берега.

Если правый берег реки вогнутый, тогда происходит сложение силы Кориолиса и центробежной силы, вследствие чего на частицу воды будет действовать равнодействующая этих сил и в данном месте

выступа поэтому образуется понижение уровня воды в реке. Струи воды, обтекая выступ берега, устремляются на участок с понижен­ ным уровнем воды, возвращаются назад и стремятся заполнить впадину за выступом берега. В результате этого создается постоян­ ное вращательное движение воды, которое у правого берега совершается по часовой стрелке, а у левого — против часовой стрелки.

Валец — представляет собой вихрь в русле реки с горизонталь­ ной осью, ориентированной, примерно, перпендикулярно к напра­ влению течения реки (см. рис. 46). Образование вальца связано с наличием на дне русла реки возвышенности (так называемых заст­ руг), благодаря чему струи воды резко срываются с гребня этих возвышенностей и захватывают массы воды, находящиеся ниже по течению. Поэтому вдоль тыловой части возвышенности возникает устойчивое вихревое движение струй воды, которое частично напра­ влено навстречу основному течению воды в реке.

94

§ 40. Водомерные посты и водохранилища на реках

Водомерные посты представляют собой устройства, на которых ежедневно в определенные сроки определяют высоту уровня воды на реках. Наиболее простыми по устройству являются реечные и

Для увязки наблюденных уровней в высотном отношении они приводятся к одной постоянной для данного поста условной плос­ кости, которую называют нулем графика водомерного поста. Высот­ ное положение нуля графика выбирается приблизительно на 0,5 м ниже самого низкого уровня воды, вследствие чего все наблюденныеуровни имеют положительные значения.

95

Водохранилищами называются искусственные водоемы, образо­ ванные в руслах рек или в понижениях земной поверхности путем возведения плотин.

Площади водохранилищ варьируют в широких пределах — от долей гектара до нескольких тысяч квадратных километров. Круп­ нейшие водохранилища в СССР: Куйбышевское, Рыбинское, Волго­ градское, Цимлянское, Каховское, Камское, Горьковское, Брат­ ское. Плотины и водохранилища придают продольному профилю рек ступенчатый характер (рис. 48). Небольшие водохранилища называются прудами.

§ 41. Классификация рек

Режим рек характеризуется большим разнообразием. Определен­ ным географическим зонам свойственны те или иные осадки и их количество, испарение и сток поверхностных вод, причем в зависи­ мости от сезонов года. В настоящее время различными авторами разработано много классификаций рек, основанных на разных принципах. В качестве примера рассмотрим классификацию, пред­ ложенную Б. Д. Зайковым, которая основана на внутригодовом распределении стока, а также на учете амплитуды средних годовых расходов воды и некоторых других гидрологических характери­ стиках.

В пределах территории СССР Б. Д. Зайков выделил следующие три основные группы рек:

I.Реки с весенним половодьем.

II. Реки с половодьем в теплую часть года. III. Реки с паводочным режимом.

Реки I и II групп характеризуются ежегодными большими ско­

плениями вод, приуроченных к весне или теплой части года, а реки III группы отличаются резкими, обычно кратковременными павод­

В пределах территории СССР наиболее распространенной явля­ ются группа рек с весенним половодьем (I группа), для которых характерно преимущественно снеговое питание. Поэтому в период весеннего половодья, обусловленного таянием зимних запасов

•снега, расход воды у этих рек составляет около 60—70% общего годового стока. После половодья наступает меженный период, характеризующийся относительно небольшими расходами воды.

Реки II группы характерны для Дальнего Востока, Тянь-Шаня и некоторых других районов. У рек этой группы преобладает пита­ ние за счет дождей (в частности, муссонных) или талых вод высоко­ горных снегов и ледников. Поэтому пёриоды половодий этих рек приурочены к теплой части года, когда происходит интенсивное таяние снега и льда в горах или дуют летние влажные муссоны

(Дальний Восток), сопровождающиеся обильным выпадением осад­ ков.

В III группе рек, включающей реки Причерноморья, Крыма, Северного Кавказа и других районов, водное питание осуществ­ ляется за счет осадков, а также за счет талых вод от высокогорных снегов. Ясно выраженного половодья реки этой группы не имеют, а вместо этого в пределах всего года или большей его части на них отмечаются различные по величине паводки.

Отмеченные выше особенности гидрологического режима рек

СССР необходимо учитывать при изображении на топографических картах береговых линий рек и определении отметок урезов воды на них.

§42. Особенности изображения рек на топографических картах

иприведение отметок урезов воды к меженному горизонту

На топографических картах всех масштабов показываются все реки без исключения. Поэтому изображение рек является составной частью содержания топографических карт. Из числа многочислен­ ных особенностей рек на топографических картах отображаются: особенности берегов, водный режим (частично), границы разливов (для крупных рек), скорости поверхностного течения, грунт дна, абсолютные отметки уровней воды (урезы воды).

На топографических картах береговые линии рек при изобра­ жении подразделяются на постоянные и определенные, непостоян­ ные и неопределенные (пересыхающие), а также особо выделяются реки пропадающие (см. таблицы условных знаков для топографиче­ ских карт).

К числу постоянных и определенных относятся береговые линии рек, положение которых четко зафиксировано на местности и легко определяется по аэроснимкам.

Береговые линии непостоянные и неопределенные характерны для рек и озер, уровни воды которых подвержены значительным колебаниям вследствие особенностей режима вод. Чаще всего такие колебания характерны для районов с засушливым климатом (степи, полупустыни), где реки и озера в значительной степени пересыхают и иногда на некоторое время вовсе лишаются воды. Подобные явле­ ния могут иметь место также в некоторых районах тундровой зоны, где осадков выпадает мало, а грунтовое питание весьма ограничено.

Пропадающие реки — это такие реки, русла которых на том или ином участке поверхности вовсе отсутствуют. Отмеченные особен­ ности свойственны рекам, протекающим по болотам и по этой при­ чине не образующим ясно выраженного русла. Кроме того, в рай­ онах развития карста (см. ниже) реки иногда теряют воды за счет поглощения ее трещинами, образующимися в толщах горных пород. В таких местах реки лишены русла и имеют подземное течение.

Особым условным знаком на топографических картах изобра­ жаются границы и площади разливов крупных рек и озер при

продолжительности затопления местности более двух месяцев. По­ этому применение этого условного знака ограничивается районами За­ падно-Сибирской низменности, низовьев р. Кубани и др. Данным условным знаком показываются также на топографических картах границы и площади участков речных долин, которые будут зато­ плены (представлять собой водохранилище) после постройки пло­ тин на соответствующих реках.

Кроме отображения отмеченных выше особенностей рек и озер на топографических картах предусмотрено выделять характер грунта русла реки с подразделением на: каменистый, песчаный, глинистый, илистый. Эти показатели одновременно с характеристи­ ками ширины русла и глубины реки обычно помещаются на картах там. где на реках изображены переправы и броды.

На топографических картах отображаются также цифровые значения поверхностной скорости течения (в м/с) на фарватере. Они помещаются в разрыве стрелок, показывающих направление течения рек.

Положение береговых линий рек на топографических картах, так же как и надписи абсолютных отметок урезов вод, показываются на период межени. Однако в процессе полевых топографических работ абсолютные отметки урезов вод рек определяются в разные периоды, далеко не всегда соответствующие периоду межени. По­ этому при топографических съемках возникает необходимость при­ ведения отметок урезов воды к меженному горизонту.

Для приведения отметок урезов воды к среднему меженному горизонту необходимо знать отметки горизонтов воды и ширину реки на водомерных постах, между которыми располагаются иско­ мые точки. Указанные данные водомерных постов должны соответ­ ствовать по времени (дата и часы) определению урезов воды при

98

съемке. При этом отметка урезов воды на водомерных постах должна иметь абсолютное значение, т. е. увязана с государственной нивелир­ ной сетью. Кроме того, они должны быть средними многолетними из средних меженных отметок, соответствующих данной дате и часу суток. Если отмечаются расхождения между значениями уров­ ней воды для одной и той же даты разных лет, то для получения среднего многолетнего их значения берут среднее арифметическое из полученных значений. Результаты измерений и вычисления межен­ ных значений урезов воды записывают в табл. 3.

Для вычисления отметок уровня воды, приведенных к меженному горизонту, прежде всего в графы 2, 3, 4 записывают результаты измерений уреза воды и ширины реки, полученные при съемке. При этом в графу 3 помещают данные из журнала топографической съемки (или из ведомости стереофотограмметрического сгущения высот), а в графе 4 записывают ширину реки, взятую с фотоплана или аэроснимка, масштаб которого известен.

В графах 6, 7, 8 помещают данные, полученные на водомерном посту. Графы 9, 10, 11, 12 заполняют в процессе вычислений.

Вграфе 10 записывают отношение ширины реки на водомерном посту к ширине ее в данной точке.

Вграфе 11 записывают поправку к отметке уреза воды в данной

(или в данных) точке, вычисляемой по формуле:

В графе 12 записывают значение среднего многолетнего уровня воды в данной точке, полученное в результате введения вычислен­ ных поправок в отметки урезов воды, полученных при съемке или при стереофотограмметрическом сгущении высот.

§ 43. Озера, их части, особенности питания и происхождения

Озера, в отличие от рек, представляют собой водоемы замедлен­ ного водообмена. С этой особенностью озер связан их температурный режим, химические свойства воды, донные отложения.

Озерные котловины образуются в результате воздействия на зем­ ную поверхность различных процессов. Так, можно различать кот­ ловины, образованные: 1) действием внутренних (эндогенных) сил Земли, 2) действием внешних (экзогенных) сил Земли, 3) деятель­ ностью организмов (органогенные), 4) деятельностью человека (антропогенные).

Вода озера поступает в котловину из атмосферы непосредственно в виде осадков или через наземные и подземные потоки. Поэтому приход воды в озеро определяется климатом и другими географиче­ скими особенностями бассейна (рельеф, почва, растительность),