2.3. Колебания уровня

Поверхность, нормальную в любой точке к направлению силы тяжести, называют уровенной поверхностью. Такая поверхность, совпадающая с идеализированной поверхностью океана, где суммарный потенциал гравитационных сил Земли и ее атмосферы остается постоянным, получила название геоида.

Положение уровенной поверхности в какой-либо точке называют уровнем моря в данном месте.

На практике за средний уровень принимают среднее арифметическое значение высот уровней в данном месте над нулем поста, наблюдаемых за определенный промежуток времени. В зависимости от времени осреднения различают среднесуточные, среднемесячные, среднегодовые и средние многолетние уровни.

Кроме стационарных возмущений поверхность геоида испытывает и нестационарные возмущения, которые в фиксированной точке проявляются в виде колебаний уровня моря. Эти колебания могут быть периодическими, непериодическими и вековыми.

К периодическим колебаниям уровня относятся: прилинно-отливные, метеорологические, колебания, происходящие в результате годового хода осадков, испарения и стока вод, и колебания, связанные с периодическим изменением направления ветра.

Непериодические колебания уровня вызываются случайными изменениями величины осадков, испарения и стока, действием ветра случайного направления, подводными землетрясениями и извержениями (в результате чего могут образоваться цунами), временными течениями, неперио-дическим изменением атмосферного давления, изменением плотности воды и другими причинами.

Изменение уровня при действии ветра связано со сгонно-нагонными явлениями, наблюдающимися в прибрежной зоне водоема. В мелких водоемах движение воды совпадает с направлением ветра. Если ветер дует в сторону берега, то в результате притока воды уровень у берега повышается — происходит нагон воды; при направлении ветра от берега происходит понижение уровня — наблюдается сгон воды. Величина сгонно-нагонных колебаний зависит от местных условий, в частности от рельефа дна и конфигурации береговой линии. Наибольшие колебания уровня при сгонно-нагонных явлениях наблюдаются у отмелых берегов, в длинных сужающихся заливах, узких проливах и устьях рек.

Непериодическое изменение различных факторов и главным образом атмосферного давления над водоемом вызывает при определенных условиях колебания уровня в результате образования сейш.

2.4. Ледовый режим

Классификация природных льдов. Наиболее общей является классификация, выделяющая восемь классов льдов: атмосферные льды (снег, иней, град, гололед), поверхностные льды акваторий, покрывающие в зимнее время океаны, моря, озера, реки и небольшие водоемы, внутри-водные льды — скопление первичных ледяных кристаллов, образующихся в толще воды и на дне водоема (донный лед), сюда же относится шуга — всплывший на поверхность или занесенный

внутрь потока внутриводный лед в виде комьев различных форм и размеров; материковые льды — различного типа ледники; льды многолетней мерзлоты; погребенные льды; льды особых образований, например наледи, жильные льды, льды из пены и брызг; льды, искусственно созданные человеком.

С точки зрения гидротехники наибольший интерес представляют льды второго класса,

куда относятся кроме речных и озерных льды морские.

Классифицировать льды можно по различным признакам.

По своему происхождению льды делятся на морские и пресноводные (речные, озерные и глетчерные).

Морские льды, в свою очередь, делятся на неподвижные и плавучие льды. Основной формой неподвижных льдов является припай — сплошной ледяной покров, связанный с берегом, иногда шириной до нескольких десятков километров.

Образование и разрушение льда. Образование льда как в пресной, так и в морской воде может начаться при условии сильной потери тепла водой, некоторого небольшого (в природных условиях от сотых долей до нескольких градусов) предварительного переохлаждения воды относительно точки замерзания и наличия в воде зародышей (ядер кристаллизации) в виде комплексов молекул, частиц пыли, снежинок, кристаллов льда и т. п.

Однако процессы льдообразования в пресной и морской воде происходят неодинаково из-за различия их химических и физических свойств. Так как пресная вода имеет наибольшую плотность при 4°С, то в пресноводном бассейне, после того как вода охладилась до 4°С, дальнейшее охлаждение идет очень быстро.

Вода в поверхностном слое становится легче нижележащих вод, что затрудняет перемешивание, а следовательно, и поднятие на поверхность более теплых масс воды с глубины.

Таяние льда начинается при переходе температуры через 0°С, прежде всего там, где снег или лед несколько загрязнены, так как это способствует большему поглощению тепла. Лед с белой поверхностью отражает до 50% лучистой энергии, свежевыпавший снег на льду — до 88%.

С началом таяния верхний слой снега пропитывается водой, на его поверхности образуются лужи-снежницы. Если наступает похолодание, то на снегу и на снежницах образуется ледяная корка, которая препятствует выделению тепла в атмосферу и, подобно стеклам в парнике, обусловливает накопление тепла водой. При новом повышении температуры развивающиеся снежницы ускоряют таяние льда, так как вода является хорошим аккумулятором тепла. Под водой лед протаивает, образуются сквозные отверстия (проталины), через которые вода стекает вниз и лед обсыхает.

При дальнейшем повышении температуры происходит интенсивное поглощение льдом тепла, появляется все большее число проталин, образуются трещины, которые, расширяясь, превращаются в пространства открытой воды, появляется возможность образования волнения. При волнении вода заплескивается на лед, размывает и крошит его; лед превращается в ледяную кашу, затем в отдельные кристаллы и, наконец, исчезает.

В озерах и водохранилищах ледостав и очищение от льда наблюдается обычно несколько позже, чем в реках. На малых озерах и водохранилищах этот разрыв может составлять 10... 15 дней, на крупных — значительно больше. Иногда период ледостава, особенно крупных озер, затягивается на 2... 3 месяца.

На водохранилищах лед образуется на мелководье и в зоне выклинивания подпора раньше, а в приплотинной части позже, чем на реках этой климатической зоны. По мере сработки водохранилищ лед оседает на дно у берегов и на мелководье. При этом лед деформируется и трескается, через трещины выступает поверх льда вода и замерзает. Весной этот осевший лед частично всплывает с повышением уровня, частично тает на берегу.

РЕКИ.

В зависимости от водосборной площади бассейна реки делятся на большие, средние и малые.

К большим принадлежат реки, которые расположены в нескольких географических зонах и имеют площадь водосбора свыше 50 тыс. квадратных километров. К средним принадлежат реки, которые имеют площадь водосбора от 2 до 50 тыс. квадратных километров. К малым принадлежат реки с площадью водосбора до 2 тыс. квадратных километров.

В каждой реке различают место её зарождения — исток и место (участок) впадения в море, озеро или слияния с другой рекой — устье.

Реки, непосредственно впадающие в океаны, моря, озёра или теряющиеся в песках и болотах, называются главными; впадающие в главные реки — притоками.

Главная река со всеми её притоками образует речную систему, которая характеризуется густотой речной сети.

Речной системой называют совокупность всех рек какой-либо территории, сливающихся вместе и выносящих воды через главную реку в океан, море или озеро. Совокупность всех рек, находящихся в пределах какой-либо территории, называют речной сетью. Речная сеть является элементом гидрографической сети, включающей в себя помимо рек озера, болота, балки, овраги на данной территории, а также искусственные каналы и водохранилища.

Основными характеристиками речной системы являются протяженность рек, их извилистость и густота речной сети.

Поверхность суши, с которой речная система собирает свои воды, называется водосбором, или водосборной площадью. Водосборная площадь вместе с верхними слоями земной коры, включающая в себя данную речную систему и отделённая от других речных систем водоразделами, называется речным бассейном.

Реки обычно текут в вытянутых пониженных формах рельефа — долинах, наиболее пониженная часть которых называется руслом, а часть дна долины, заливаемая высокими речными водами, — поймой, или пойменной террасой.

Формирование поймы связано с внутригодовыми изменениями водности реки — с прохождением половодья и паводков, несущих большое количество наносов. Различают поймы двусторонние, располагающиеся по обе стороны от русла; односторонние, когда русло потока прижато к одному из склонов долины, и чередующиеся, т. е. расположенные попеременно то с левой, то с правой стороны. У поймы нет четких границ, что является следствием постоянного изменения высоты половодья и паводков. Рельеф поймы характеризуется значительной расчлененностью. Поверхность поймы покрыта характерной травяной, кустарниковой или даже лесной растительностью.

В руслах чередуются более глубокие места — плёсы и мелководные участки — перекаты. Линия наибольших глубин русла образует фарватер, а линия наибольших скоростей течения называется стрежнем.

Границей водотока реки называется берег, в зависимости от расположения по течению относительно средней линии русла водотока различают правый и левый берега водотока.

Разность высот между истоком и устьем реки называется падением реки; отношение падения реки или отдельных её участков к их длине называется уклоном реки (участка) и выражается в процентах (%) или в промилле (‰).

В зависимости от рельефа местности, в пределах которой текут реки, они разделяются на горные и равнинные. На многих реках перемежаются участки горного и равнинного характера. Горные реки, как правило, отличаются большими уклонами, бурным течением, текут в узких долинах; преобладают процессы размыва. Для равнинных рек характерно наличие извилин русла, или меандр, образующихся в результате русловых процессов. На равнинных реках чередуются участки размыва русла и аккумуляции на нём наносов, в результате которой образуются осерёдки и перекаты, а в устьях — дельты. Иногда ответвлённые от реки рукава сливаются с другой рекой.

По поверхности земного шара реки распределены крайне неравномерно. На каждом материке можно наметить главные водоразделы — границы областей стока, поступающего в различные океаны. Главный водораздел Земли делит поверхность материков на 2 основных бассейна: атлантико-арктический (сток с площади которого поступает в Атлантический и Северный Ледовитый океаны) и тихоокеанский (сток в Тихий и Индийский океаны). Объём стока с площади первого из этих бассейнов значительно больше, чем с площади второго.

Густота речной сети и направление течения зависят от комплекса современных природных условий, но часто в той или иной мере сохраняют черты прежних геологических эпох. Наибольшей густоты речная сеть достигает в экваториальном поясе, где текут величайшие реки мира — Амазонка, Конго; в тропических и умеренных поясах она также бывает высокой, особенно в горных районах (Альпы, Кавказ, Скалистые горы и др.). В пустынных областях распространены эпизодически текущие реки, превращающиеся изредка при снеготаянии или интенсивных ливнях в мощные потоки (реки равнинного Казахстана, уэды Сахары, крики Австралии и др.).

Десять величайших рек мира

1. Амазонка (7100 км)

2. Нил (6650 км)

3. Янцзы (6300 км)

4. Миссисипи с Миссури (6420 км)

5. Хуанхэ (Жёлтая река) (5464 км)

6. Обь с Иртышом (5410 км)

7. Амур с Аргунью (4410 км)

8. Конго (4380 или 4670 км) (в зависимости от определения истока)

9. Лена (4400 км)

10. Макензи (4240 км)

ПИТАНИЕ РЕК

Одним из главных компонентов водного баланса речного бассейна являются атмосферные осадки, выпавшие на земную поверхность в результате круговорота воды на Земном шаре. В зависимости от вида атмосферных осадков (жидкие, твердые) и путей их движения к рекам различают следующие основные виды питания: дождевое, снеговое (талые воды), ледниковое и подземное.

Дождевое питание происходит за счет обложных дождей и ливней, выпадающих в пределах речных водосборов. При определенных условиях часть жидких осадков образует поверхностный сток и является непосредственным источником питания рек в периоды паводков.

Снеговое питание обусловлено таянием твердых осадков, аккумулирующихся на земной поверхности в виде снежного покрова. На равнинных территориях и невысоких горах снег, накопившийся в холодный период в бассейне реки, полностью стаивает в теплое время (весной и летом). В высокогорных районах твердые осадки частично пополняют запасы вечных снегов и ледников, талые воды которых служат источником ледникового питания рек. Наибольший ледниковый сток наблюдается в самые жаркие месяцы.

Подземное питание формируется за счет просачивания в верхние слои земли части талых и дождевых вод. При определенных условиях подземные воды быстро дренируются реками, а некоторая часть идет на пополнение запасов подземных вод, которые значительно медленнее попадают в реки. Подземные воды обеспечивают устойчивость речного стока.

Наиболее часто реки имеют смешанное питание, обусловленное участием нескольких источников питания. Соотношение между количеством воды, поступающим в реки от того или иного источника питания, неодинаково в различных районах.

УРОВЕННЫЙ РЕЖИМ

Непрерывное изменение притока воды в реку от талых вод, дождей и грунтовых вод обусловливает колебание расходов и соответствующих им уровней воды в реке. При этом увеличению

расхода воды в общем случае соответствует повышение уровня, и наоборот. Сходство режима уровней и расходов находит подтверждение при сравнении графиков колебаний уровней и расходов (гидрографов).

Помимо изменения расходов колебания уровня могут определяться и другими причинами, к которым относятся изменение отметок дна русла вследствие отложения наносов или их размыва; возведение на реке искусственных подпорных сооружений, нарушающих естественный ход уровня; зарастание русла водной растительностью, создающей дополнительное сопротивление движению воды, для преодоления которого требуется повышение уровня; появление и наличие на реке ледяного покрова и внутриводного льда; сгонно-нагонные и приливно-отливные явления на устьевых участках рек и т. д. В ряде случаев одновременное действие нескольких факторов обусловливает весьма сложный уровенный режим.

ТЕРМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ

Формирование термического режима рек происходит в результате теплообмена между водной массой и атмосферой и водной массой и ложем русла.

Основным источником тепла для поверхности Земли является Солнце. Солнечная радиация частично отражается от поверхности воды, частично проникает внутрь водных масс, где рассеивается и поглощается комплексами молекул и взвешенными частицами органического и неорганического происхождения. Процесс этот идет достаточно интенсивно, и поэтому глубина проникновения солнечного тепла незначительна и зависит от прозрачности воды. При мутной воде, что характерно для рек, практически вся солнечная радиация поглощается на поверхности воды. Перенос тепла на глубину осуществляется в результате турбулентного перемешивания. Различают динамическое перемешивание (турбулентность), которое возникает при наличии градиентов скоростей, что обеспечивает передачу тепла (и других свойств воды) от одного слоя к другому, и конвективное перемешивание (гравитационная турбулентность), или конвекция, которая возникает при уменьшении плотности воды сверху вниз.

Типичные черты температурного режима речных вод обусловливаются метеорологическими условиями, свойственными каждому сезону, так как именно они определяют соотношения между приходом и расходом тепла, т. е. соотношения между элементами теплового баланса.

Годовой цикл термического режима замерзающих рек четко разделяется на два периода: открытой водной поверхности и ледостава. В период открытой водной поверхности ход средней по живому сечению температуры воды с некоторым сдвигом по времени практически идентичен ходу температуры воздуха, что обусловлено сравнительно быстрым изменением поверхностной температуры воды при изменении метеорологических условий и интенсивным перемешиванием водной массы. При этом в первую половину этого периода (особенно во время весеннего половодья) температура воды ниже температуры воздуха, во вторую половину периода соотношение меняется: температура воды становится выше по сравнению с температурой воздуха. Такой ход температур отмечается на большинстве рек нашей страны, за исключением горных, питающихся талыми водами вечных снегов и ледников, где разности температуры воды и воздуха остаются отрицательными в течение всего теплого периода, уменьшаясь по мере удаления от истока. При наличии ледяного покрова температура воды остается почти постоянной и близкой к 0°С.

Суточные изменения температуры речных вод связаны с различиями в теплообмене воды с атмосферой в ночное и дневное время. Суточный ход наиболее ярко выражен в теплое время года, при этом амплитуда колебаний температуры воды зависит от водности реки, широты места и погодных условий. Чем больше водность реки, тем меньше суточная амплитуда. При ясной погоде разница между температурой воды днем и ночью больше, чем при пасмурной.

Изменения температуры воды по глубине выражены менее резко. В весенний половодный период при общем понижении температуры воды с глубиной различия у поверхности и дна не превышает 0,5°С. В летний период разница температуры на поверхности и у дна при прямой температурной стратификации достигает 2...3°С, иногда 5°С (р. Ангара). В осенний период устанавливается обратная температурная стратификация с разностью температур на поверхности и у дна до 0,6°С.

Изменение температуры речных вод по длине рек связано с изменением теплового режима и климатических условий ландшафтных зон, по которым протекает водный поток. На больших равнинных реках, текущих с севера на юг, температура воды непрерывно повышается от истока к устью, если только в нее не впадают притоки с более холодной водой. На реках, текущих в обратном направлении, может наблюдаться понижение температуры к устью.

На реках, текущих в широтном направлении, температура практически неизменна. Но в верховьях этих рек, а также на небольших реках на некотором расстоянии от истока температура воды несколько повышается. На горных реках температура воды также повышается вниз по течению. Для горных рек температура воды в истоках определяется источником питания (ледник, снеговые запасы), но по мере удаления от истока большее значение приобретают климатические условия.

Температурный режим озерных рек тесно связан с температурой озера, из которого река берет начало, при этом чем больше водная масса озера, тем значительнее расстояние по реке, на которое распространяется его влияние.

Естественные изменения температурного режима речных вод могут быть нарушены в результате хозяйственной деятельности человека, например при сбросе в реки теплых промышленных и

бытовых вод.

ЛЕДОВЫЙ РЕЖИМ

При снижении температуры воды до 0°С и появлении на реке льда реки вступают в фазу зимнего режима. Продолжительность его отсчитывается с момента установления отрицательных температур воздуха, обусловливающих возникновение на реке ледовых образований, до начала интенсивного весеннего подъема уровня воды и очищения реки от льда. В ледовом режиме рек выделяют три фазы: замерзание, ледостав и вскрытие. Характерными датами ледовых явлений на реках являются дата начала осеннего ледохода, дата замерзания реки, дата вскрытия, дата весеннего ледохода.

ДВИЖЕНИЕ ВОДЫ В РЕКАХ

При турбулентном движении жидкости, что наблюдается в речных потоках, происходит непрерывное изменение во времени скорости в каждой точке потока как по значению, так и по направлению. В связи с наличием пульсации различают мгновенную и местную скорость в точке потока. Мгновенной скоростью называют скорость в данной точке потока в данный момент времени (мгновение). В практических задачах гидрологии обычно используют осредненную во времени скорость, называемую местной скоростью.

При этом осреднение выполняется за период времени, достаточный для исключения влияния пульсации. Наибольшие скорости потока отмечаются на его поверхности, относительно медленно уменьшаясь ко дну. При этом в непосредственной близости от дна располагается очень тонкий пограничный слой, характеризующийся большими градиентами скорости, в котором скорость потока резко уменьшается от относительно больших значений до нулевых.

В речных потоках выделяют два вида движения: неравномерное и неустановившееся. При неравномерном движении уклон, скорости, живое сечение изменяются по длине потока, оставаясь неизменными во времени в данном сечении потока. Этот вид движения наблюдается в реках в период межени, когда расходы воды изменяются незначительно, а также при наличии подпора,

образованного плотиной. При неустановившемся движении потока все гидравлические элементы его (уклон, скорость, площадь живого сечения потока) на рассматриваемом участке потока изменяются

во времени и по длине. Такой вид движения характерен для рек в период паводков и половодья при значительных изменениях расхода воды.

Скорости течения в реках изменяются по глубине и ширине живого сечения. Кривые изменения скоростей по вертикали называют годографами или эпюрами скоростей. В общем на каждой отдельной вертикали наименьшие скорости наблюдаются у дна, что объясняется влиянием шероховатости русла. От дна к поверхности происходит сначала быстрое, а затем замедленное увеличение скорости. Максимум, скорости в открытом потоке наблюдается у поверхности или на расстоянии 0,2d от поверхности Характер изменения скоростей по вертикали зависит от глубины уклона водной поверхности, шероховатости дна, характера поперечного сечения русла и очертания русла в плане, наличия растительности в летнее время и льда зимой.