15

Гидрология 2012

ЛЕКЦИЯ 6. Питание рек. РАСХОДОВЫВАНИЕ воды в бассейне реки. Водный баланс речных водосборов.

Вопросы:

1.Питание рек. Типы питания рек. Классификация рек по типам питания.

2.Расходование воды в бассейне реки. Виды расходования воды.

3.Водный баланс речного бассейна.

1.Питание рек. Типы питания рек. Классификация рек по типам питания.

Речной сток формируется в результате поступления в реки вод атмосферного происхождения, при этом часть атмосферных осад­ков стекает с реками в океан или бессточные озера, другая часть — испаряется. Однако при единстве атмосферного происхождения в конечном счете всех речных вод непосредственные пути поступ­ления вод в реки могут быть различными.

Типы питания рек.

Выделяют четыре вида питания рек: дождевое, снеговое, ледниковое и подземное. Атмосфер­ное происхождение вод, участвующих в дождевом, снеговом и лед­никовом питании рек, очевидно и не требует пояснения. Подзем­ное же питание рек, как следует из анализа водного баланса суши и изучения режима подземных вод, также формиру­ется, в конечном счете, в основном из вод атмосферного происхож­дения, но прошедших более сложный путь. Лишь в редких случаях можно говорить об участии в подземном питании рек вод не атмосфер­ного, а «ювенильного» происхождения.

Для рек в условиях теплого климата главный вид питания - дождевое. Сток таких крупнейших рек мира, как Амазонка, Ганг и Брахмапутра, Меконг, формируется в основном за счет дождевых вод. Этот вид питания рек в глобальном масштабе является глав­нейшим. Вторым по важности служит снеговое питание. Его роль весьма велика в питании рек в условиях умеренного климата. Тре­тье место по объему поступающих в реки вод занимает подземное питание (на его долю в среднем приходит­ся около 1/3 объема речного стока). Именно подземное питание обусловливает постоянство или большую продолжительность стока реки в течение года, что и создает в конечном итоге реку. Послед­нее место по значимости приходится на ледниковое питание (около 1 % стока рек мира).

Дождевое питание. Каждый дождь характеризуется слоем выпав­ших осадков (мм), продолжительностью (мин,ч, сут), интенсивно­стью выпадения (мм/мин, мм/ч) и площадью распространения (км²). В зависимости от этих характеристик дожди можно, например, подразделить на ливни и обложные дожди.

Интенсивность, площадь распространения, продолжительность и время выпадения дождей определяют многие особенности фор­мирования речного стока и пополнения подземных вод. Чем боль­ше интенсивность, площадь распространения и продолжительность дождя, тем больше (при прочих равных условиях) величина дожде­вого паводка. Чем больше отношение между площадью распрост­ранения дождя и площадью бассейна, тем также больше величина возможного паводка. Катастрофические паводки происходят по этим причинам обычно лишь на малых и средних реках. Пополнение подземных вод, как правило, происходит при длительных дождях. Чем меньше влажность воздуха и суше почва в период выпадения дождя, тем больше затраты воды на испарение и инфильтрацию и тем меньше величина дождевого стока. Наоборот, дожди, выпа­дающие на влажную почву при пониженной температуре воздуха, дают большую величину дождевого стока. Таким образом, один и тот же дождь в зависимости от состояния подстилающей поверх­ности и влажности воздуха может быть в одних случаях стокообразующим, а в других - почти не давать стока.

Снеговое питание. В умеренных широтах основным источником питания рек служит вода, накапливающаяся в снежном покрове. Снег в зависимости от толщины снежного покрова и плотности может при таянии дать разный слой воды. Запа­сы воды в снеге (величину, очень важную для предсказания объема талого стока) определяют с помощью снегомерных съемок.

Запасы воды в снеге в бассейне зависят от величины зимних осадков, в свою очередь определяемой климатическими условиями. Запасы воды в снежном покрове распределяются по площади бас­сейна обычно неравномерно - в зависимости от высоты местности, экспозиции склонов, неровностей рельефа, влияния растительного покрова и т. д. Вследствие переноса ветром в понижениях, ложби­нах, оврагах обычно за зиму накапливается больше снега, чем на ровной поверхности; много снега накапливается на опушках леса и в местах распространения кустарниковой растительности.

Следует различать процессы снеготаяния и водоотдачи снежно­го покрова, т. е. поступления не удерживаемой снегом воды на поверхность почвы. Снеготаяние начинается после достижения тем­пературой воздуха положительных значений и при условии поло­жительного теплового баланса на поверхности снега. Водоотдача начинается позже начала снеготаяния и зависит от физических свойств снега - зернистости, капиллярных свойств и т. д. Сток возникает только после начала водоотдачи.

Весеннее снеготаяние подразделяют на три периода: 1) началь­ный период (снег залегает сплошным покровом, таяние замедлен­ное, водоотдачи снежного покрова практически нет, сток еще не формируется); 2) период схода основной массы снега (начинается интенсивная водоотдача, возникают проталины, быстро нарастает величина стока); 3) период окончания таяния (стаивают оставши­еся запасы снега). В течение первого периода стаивает около 30 % запасов снега, в течение второго - 50, в течение третьего - 20 %. Водоотдача максимальна в течение второго периода (более 80 % запасов воды в снеге). В это время снежный покров отдает воду, накопившуюся в снеге как за второй, так и за первый периоды.

Территорию, где происходит в данный момент таяние снега, называют зоной одновременного снеготаяния. Эта зона ограничена фронтом таяния (линией, отделяющей зону таяния от области, где таяние снега еще не началось) и тылом таяния (линией, отделяю­щей зону таяния от области, где снег уже сошел). Вся зона одно­временного снеготаяния перемещается весной на равнинах в Се­верном полушарии с юга на север, а в горах - вверх по склонам. Скорость распространения тыла таяния на равнинах обычно со­ставляет 40-80 км/сут, иногда достигая 150-200 км/сут.

Важной характеристикой снеготаяния служит его интенсивность. Она определяется характером изменения температуры воздуха в ве­сенний период («дружностью весны») и особенностями подстилаю­щей поверхности.

Объем весеннего половодья определяется в основном полным запасом воды в снежном покрове, а нарастание расходов воды в реке и величина максимального расхода воды половодья, помимо этого,- интенсивностью снеготаяния и фильтрационными свойства­ми почвы в период снеготаяния (мерзлая или влажная почва умень­шает инфильтрационные потери и увеличивает талый сток).

Расчет таяния снега и оценку его роли в формировании стока проводят различными способами. Простейшие из них основаны на данных об изменении температуры воздуха как главной причины снеготаяния. Так, нередко используют эмпирическую формулу вида

h = T, (6.1)

где h -слой талой воды (мм) за интервал времени t;

T - сумма положительных средних суточных температур воздуха за тот же интервал времени,

 - коэффициент пропорциональности, называ­емый коэффициентом стаивания (это слой талой воды, приходя­щийся на один градус положительной средней суточной темпера­туры воздуха).

Среднее значение коэффициента стаивания а для открытой местности на территории, лежащей к северу от 55° с. ш., приблизи­тельно равно 5 мм на 1, для леса она изменяется от 1,5 мм/град для густых хвойных лесов до 3-4 мм/град для лиственных лесов средней густоты.

Интенсивность снеготаяния более точно можно определить с по­мощью метода теплового баланса.

Подземное питание рек.

Оно определяется характером взаимодей­ствия подземных (грунтовых) и речных вод. Подземные воды формируются в результате просачивания атмосферных осадков (таю­щий снег и дожди) через пустоты в почве и грунтах. При достижении просочившейся воды водо­упорного слоя (чаще всего глинистые отложения), она накапливается и образует водо­носный горизонт, т.е. слой водопроницаемого пласта, насыщенного водой, которая движется по поверхности водоупора в сторону его уклона под влиянием силы тяжести. Там, где отрицательные формы рельефа (речные долины, овраги, озерные котловины) вскрывают водоносный горизонт, подземные воды выходят на поверхность в виде род­ников или рассредоточенного высачивания на участке склона.

При определенном геологическом строении грунтовые воды до выхода на по­верхность перекрываются другим водоупором, затем вторым и.т.д. Воды, перекрытые сверху водоупорными слоями, называются межпластовыми подземными водами. Питание этих вод осуществляется на участках, где соответствующий водоносный гори­зонт не перекрыт сверху водоупором. Для межпластовых вод характерно возникнове­ние напора, вследствие которого вода при вскрытии водоносного горизонта буровой скважиной или по естественным трещинам поднимается вверх. Уровень, до которого поднимается вода, называется пьезометрическим уровнем. Превышение этого уровня над уровнем воды в водоносном горизонте называется высотой напора. Подъем воды под действием напора может достигать земной поверхности. Особенно это свойственно артезианским водам, приуроченным к геологическим структурам синклинального типа - артезианским бассейнам.

Между водоносными горизонтами обычно существует связь вследствие циркуля­ции воды по трещинам в водоупорах или путем медленного просачивания через них по порам.

Подземные воды, приуроченные к водоносным горизонтам, называются пласто­выми водами. В горных породах подземные воды чаще перемещаются по системе те­щин в породах (трещинные воды), по изолированным трещинам или жилам с повы­шенной трещиноватостью (жильные воды), по карстовым пустотам (карстовые во­ды).

В зоне распространения многолетнемерзлых пород различают подмерзлотные воды, залегающие под толщей мерзлых пород, межмерзлотные воды внутри мерзлой толщи и надмерзлотные воды, для которых мерзлые породы служат водоупором.

Грунтовые и тем более межпластовые воды существуют, как правило, в течение всего года и обеспечивают постоянное питание рек. В зоне распространения многолет­немерзлых пород это относится только к подмерзлотным водам.

Верхний слой грунта до уровня грунтовых вод назы­вают зоной аэрации. Воды зоны аэрации, оставшиеся в порах грунта, постепенно расходуются на испа­рение, в основном путем транспирации растений.

Временные скопления гравитационных вод, в зоне аэрации могут возникать над отдельными линзами водоупорных пород (верховодка) и над относительным водоупором, например, над иллювиальным горизонтом подзолистых почв, водопроницаемость которого значительно меньше вышележащих слоев. Перемещение воды по относитель­ному водоупору в сторону его уклона образует почвенный, или внутрипочвенный сток.

Глубина распространения межпластовых подземных вод, участвующих в круго­вороте воды на земле, достигает, как правило, нескольких сотен метров. Глубина зале­гания грунтовых вод, сильно изменяясь по территории в зависимости от локальных ус­ловий в целом, подчинена закону географической зональности, увеличиваясь от долей метра в зоне тундр до десятков метров в степной зоне.

Выделяют следующие типы водного режима грунтовых вод:

1) сезонный (преимущественно весеннего и осеннего питания): максимальный уровень грунтовых вод весной, меньшее повышение осенью, низкий уровень в конце лета и особенно в конце зимы; наблюдается на большей части территории стран СНГ;

2) кратковременный летнего питания: максимальный уровень в июне - июле (иногда августе-сентябре); наблюдается в зоне многолетней мерзлоты;

3) круглогодичный, преимущественно зимне-весеннего питания: максимальный уровень в феврале-апреле, минимальный - в летне-осеннее время (юг и запад террито­рии бывшего СССР с непромерзаемой зоной аэрации).

При оценке подземного питания следует учитывать следующие типы взаимодействия подземных и поверхностных вод:

1) Двухсторонняя гидравлическая связь. При низком уровне воды в реке уровень грунтовых вод находится выше, река получает грунтовое питание. При высоком уровне воды в реке уровень грунтовых вод оказывается ниже. Происходит инфильтрация реч­ной воды в грунт. Этот тип характерен для средних и крупных равнинных рек.

2) Односторонняя гидравлическая связь. Уровень воды в реке постоянно выше уровня грунтовых вод. В течение всего года речная вода питает грунтовые воды. Ха­рактерно для некоторых засушливых, а также карстовых районов.

3) Отсутствие гидравлической связи. Водоупор расположен выше максимального уровня воды в реке. Происходит постоянное питание реки грунтовыми водами, разгру­жающимися на склонах долины в виде ключей или рассредоточенного высачивания. Наиболее характерно для горных районов.

Ледниковое питание. Это питание имеют лишь реки, вытекаю­щие из районов с высокогорными ледниками и снежниками.

Ледники представляют собой движущиеся скопления фирна и льда на поверхности суши, образо­вавшиеся в результате преобразования твердых атмосферных осадков. Способность ледника перемещаться под влиянием силы тяжести обусловлено пластичностью льда.

Ледники образуются в результате превышения накопления снега над его таяни­ем и испарением.Граница между территорией, покрытой снегом и свободной от него, называется снеговой линией. Ее среднее положение - климатическая снеговая линия — опреде­ляется температурными условиями и количеством твердых осадков. Высота климати­ческой снеговой линии над уровнем моря: в Антарктиде 0 м, на Земле Франца-Иосифа - 50-100 м, на Кавказе - 2700-3800 м, в экваториальной области - 4500-5200 м, в тро­пиках - > 6000 м.

Выделяют два основных типа ледников - покровные и горные. Покровные лед­ники занимают сплошным покровом обширные площади на материках и крупных ост­ровах. Образование горных ледников связано с горными поднятиями. Среди них выде­ляют ледники вершин; ледники склонов, занимающие отдельные впадины, кары; до­линные ледники, располагающиеся в горных долинах, часто имеющие сложную фор­му. Отдельные горные ледники, соединяясь, образуют ледниковые системы. Горные поднятия с наибольшей площадью оледенения (в тыс. км²): Гималаи (33), Тянь-Шань (17,9), Каракорум (16,3), Береговые хребты Кордильер Сев. Америки (15,4).

Площадь ледника, где происходит накопление массы ледника, называется обла­стью питания. Избыток льда под влиянием силы тяжести и градиентов давления сме­щается в область, где расход льда на таяние и испарение превышает его накопление. Это область абляции; у горных ледников ее часто называют языком ледника.

Изменение его объема (массы) и фор­мы ледника называется режимом ледника, и он проявляется в наступании и отступании ледника. Эти изменения имеют различ­ную продолжительность геологического, векового, многолетнего, внутригодового масштабов. Наступание ледников наблюдается обычно в холодные и влажные клима­тические периоды, отступание - в теплые и сухие. Во внутригодовом разрезе это соот­ветственно зима и лето.

Доля ледникового питания в речном стоке тем больше, чем больше оледенение бассейна:

оледенение бассейна (%)	15	30	50	70
доля ледникового питания реки	30	45	55	60

Ледники влияют на водный режим следующими путями:

- многолетним регулированием стока - в жаркие засушливые годы снижение осад­ков компенсируется повышенным ледниковым питанием и наоборот;

- сезонным перераспределением стока - перемещением половодья с весеннего сезона на летний;

- возникновением внутрисуточных колебаний стока на участках рек вблизи лед­ников.

Классификация рек по видам питания.

У каждой реки доля отдельных видов питания может быть различной. Определение в каждом конкретном случае вклада раз­личных видов питания в речной сток - задача исключительно слож­ная. Наиболее точно ее можно решить либо с применением «мече­ных атомов», т. е. путем радиоактивной «маркировки» вод различ­ного происхождения, либо путем анализа изотопного состава при­родных вод. Более простой, но приближенный способ выделения различных видов питания - это графическое расчленение гидро­графа.

Известный русский климатолог А. И. Воейков пред­ложил классификацию рек земного шара по видам питания. Классификация Воейкова одновременно была и районированием земного шара по характеру питания рек. Были выделены области, где реки получают питание преимущественно от таяния сезонного снега и ледников; области, где реки получают воду преимуществен­но от дождей; области, где постоянных водотоков нет.

В России , в основном, используется классификация рек по источникам или видам питания, М. И. Львовича. Она предложена в 1938 г. В основу определения типов положены два признака: источники питания рек и внутригодовое распределение стока. Для оценки источников питания использован метод расчленения гидрографа. Сезонное распределение стока бралось средним за многолетний период. Всего выделено четыре основных вида питания – снеговое (S), дождевое(R), ледниковое(G) и подземное(U). В каждом виде выделено 3 подтипа по степени преобладания ->80% ( почти исключительное), 50-80% (преимущественное), <50% (преобладающее). Внутригодовое распределение подразделяется по величине стока за сезон – весеннее (P), летнее (E), осеннее (A) зимнее (H) и на три подтипа по степени преобладания. Схема приведена в таблице 1.

Если один из видов питания дает более 80 % годового стока реки, следует говорить об исключительном значении данного вида питания (другие виды питания не учитываются). Если на долю данного вида питания приходится от 50 до 80 % стока, то этому виду питания придается преимущественное значение (другие виды питания учитываются лишь, если на их долю приходит­ся больше 10 % годового стока). Если же ни один из видов питания не дает больше 50 % годового стока, то такое питание называют сме­шанным. Указанные диапазоны градаций (80 и 50 %) относятся ко всем видам питания, кроме ледникового. Для ледникового пита­ния соответствующие диапазоны градаций уменьшены до 50 и 25 %.

Таблица 1

Типологическая схема водного режима рек по М.И.Львовичу

Распределение стока по сезонам Источники питания

Весна P

Лето E

Осень А

Зима H

>80%

50-80 %

<50%

>80%

50-80 %

<50%

>80%

50-80 %

<50%

>80%

50-80 %

<50%

P

Py

py

E

Ey

ey

A

Ay

ay

H

Hy

hy

Снеговое

>80%

S

+

Не обнаружено

50-80%

Sx

+

+

+

+

+

<50%

sx

+

+

+

Дождевое

>80%

R

х

х

х

х

х

х

х

50-80%

Rx

+

+

+

х

х

х

х

х

<50%

rx

+

+

х

х

х

х

Ледниковое

>80%

G

+

х

50-80%

Gx

х

+

<50%

gx

+

+

+

Подземное

>80%

U

Отсутствует

50-80%

Ux

х

Не обнаруже

<50%

ux

+

+

+ - СНГ

х – другие районы земного шара

Большая часть рек на территории СНГ имеет преоб­ладающее снеговое питание. Почти исключительно снеговое пита­ние имеют реки Северного Казахстана и Заволжья. Реки дождевого питания занимают южную часть территории к востоку от Байкала, а также бассейны Яны и Индигирки, Черноморское побережье Кавказа и Крыма, Северный Кавказ. Ледниковое питание имеют реки на Кавказе и в Средней Азии.