»

торых вода поступает в речную сеть. В общем случае поверхностный и подземный водосборы не совпадают. Но т.к. определить границы подземного водосбора практически очень сложно, то за величину речного бассейна принимается только поверхностный водосбор. Граница между бассейнами отдельных водоемов проходит по водоразделам.

Водораздел – условная топографическая линия на земной поверхности, разделяющая водосборы двух или нескольких рек, озер, морей или океанов, направляя сток атмосферныхосадковподвумпротивоположнымсклонам(рис. 6).

Рис. 6. Граница Фенноскандии и Русской равнины на Андомской возвышенности. Границы: 1 – водосборного бассейна рек Водлы, Черной и Гакугсы; 2 – бассейнов других рек; 3 – субъектов РФ; 4 – физи- ко-географических стран (Фенноскандии и Русской равнины); 5 – кристаллических пород Фенноскандинавского щита и осадочных пород Русской плиты; 6 – заказники (1 – Верхнеандомский ландшафтный, 2 – Сойдозерский гидрологический)

Главный водораздел земного шара разделяет бассейны Тихого и Индийского с одной стороны и Атлантического и Северного Ледовитого океанов – с другой. Во влажных районах, как правило, весь речной бассейн дает сток, т. е. является водосбором. В засушливых районах часть речного бассейна может не иметь стока (обычно у транзитных рек) или служить областями внутреннего стока. Возможно также объединение смежных речных бассейнов в результате бифуркации рек (рис. 7), т. е. разделения русла реки и речной долины на две ветви, которые в дальнейшем не соединяются, образуют самостоятельные потоки и впадают в различные водоемы или речные системы.

Морфометрические характеристики бассейна. К основным морфомет-

рическим характеристикам речного бассейна относят: площадь, длину, наибольшую и среднюю ширину, коэффициент асимметрии.

Площадь бассейна (F, км2). Для определения площади бассейна реки применяется ряд методов: измерение планиметром, определение с помощью геодезических таблиц, измерение палеткой, графическим методом.

Длина площади бассейна (L, км) определяется расстоянием по прямой от устья реки до наиболее отдаленной точки бассейна.

31

Наибольшая ширина бассейна (км) проводится перпендикулярно длине его в наиболее широком месте.

Рис. 7. Схема бифуркации рек

Средняя ширина бассейна (Вср, км) определяется путем деления площади бассейна на его длину, т. е.

Вср = F / L км.

Коэффициент асимметрии бассейна (а). Главная река может занимать асимметричное положение (посреди бассейна) или боковое, т. е. подходить к одному из водоразделов. Обычно положение главной реки бывает асимметрично. Мерой асимметрии является коэффициент, определяемый по формуле:

a = 2 • (Fa – Fп) / ((Fа + Fп),

где Fа – площадь левобережной части бассейна в км2; Fп – площадь правобережной части бассейна в км2.

Конфигурация речного бассейна. Речные бассейны в большинстве случаев имеют грушевидную форму и характеризуются сужением в верховьях и низовьях и расширением в средней части. Конфигурация бассейна характеризуется коэффициентом развития длины водораздельной линии бассейна – r, представляющим собой отношение длины водораздельной линии (S) к длине окружности круга (S'), площадь которого равна площади бассейна, т. е.

r = S / S′ = S / 2 Д = 0,282 S / F ,

где S – длина водораздельной линии в километрах; F – площадь бассейна (в км2).

32

Наименьшее возможное значение коэффициента r равно единице; с его увеличением форма речного бассейна больше отличается от формы круга.

К важным морфометрическим характеристикам относятся: средняя высо-

та бассейна, длина водораздельной линии, средний уклон поверхности.

2.3. Водный баланс речного бассейна

Водный баланс – соотношение за какой-либо промежуток времени (год, месяц, декаду и т. д.) прихода, расхода и аккумуляции (изменение запаса) воды для речного бассейна или участка территории, для озера, болота или другого исследуемого объекта. В общем случае учету подлежат атмосферные осадки, конденсация влаги, горизонтальный перенос и отложение снега, поверхностный и подземный приток, испарение, поверхностный и подземный сток, изменение запаса влаги в почво–грунтах и др.

Приходная часть баланса состоит из осадков, искусственного притока, подземного притока извне, а расходная часть включает сток реки, искусственный отток (каналы, оросительные системы), подземный сток, испарение и накопление воды.

В упрощенном виде уравнение водного баланса для речного бассейна имеет следующий вид:

x = y + z ± u,

где x – осадки;

y – поверхностный сток; z – испарение;

u – подземный сток.

Если приходная часть превышает расходную (например, зимой при накоплении снега, в период дождей), то запасы воды в бассейне увеличиваются: u > 0. Если расходная часть больше приходной (в период снеготаяния, в межень), то запасы воды в бассейне истощаются: u < 0. Для многолетнего периода u близко к нулю.

Водный баланс речного водосбора отражает важные с точки зрения гидрологии звенья процесса круговорота воды в природе. При анализе воднобалансовых соотношений многие гидрологические явления рассматриваются в их совокупности и взаимодействии.

Пользуясь методом водного баланса, представляется возможным производить сопоставление отдельных источников поступления влаги в различные периоды времени в пределы изучаемой территории и устанавливать степень их влияния на общий ход формирования водного режима изучаемого объекта. На основе взаимной увязки отдельных компонентов водного баланса можно установить и путем анализа устранить возможные ошибки измерений и оценить точность полученных выводов.

Наконец, метод водного баланса позволяет косвенным путем определить по разности между изученными величинами тот из компонентов баланса влаги (сток, осадки, испарение, фильтрация и т. д.), который в данных условиях труд-

33

но измерить, но знание которого бывает необходимо или для решения чисто инженерных задач, или для выяснения общих закономерностей влагооборота к пределах рассматриваемого пространства.

2.4. Строение реки

Главная река со всеми ее притоками образует речную систему, которая характеризуется густотой речной сети, т. е. совокупностью рек, изливающих воды одним общим руслом или системой протоков в море, озеро или другой водоем.

Поверхность суши, с которой речная система собирает свои воды, называется водосбором, т. е. частью земной поверхности, с которой вода поступает в отдельный водоток или водосборной площадью. Водосборная площадь вместе с верхними слоями земной коры, включающая в себя данную речную систему и отделенная от других речных систем водоразделами, называется речным бас-

сейном.

Реки обычно текут в вытянутых пониженных формах рельефа – долинах (рис. 8), т. е. отрицательных, линейно вытянутых формах рельефа разнообразного профиля с однообразным падением, наиболее пониженная часть которых называется руслом, а часть дна долины, заливаемая высокими речными водами, – поймой. Кроме того долина имеетряднадпойменныхтеррас(обычно2-3) (рис. 9).

Рис. 8. Виды поперечных профилей а б речных долин: а – корытообразный (трог); б – V – образная щелевая; в – трапециевидная (террасированная); г – U – образная

(каньон)

в г

Рис. 9. Схема расположения и строения волжских террас в районе г. Сызрани (по объяснительной записке к временной стратиграфической схеме четвертичных отложений Прикаспийской низменности, 1951): 1 – аллювиальные пески с галькой; 2 – аллювиальные пески; 3 – суглинистые пойменные фации; 4 – раннехвалынские

шоколадные глины; 5 –хазарская, или волжская, фауна млекопитающих; 6 – неоген и более древние отложения

34

Речные террасы представляют собой горизонтальные или слабо наклоненные поверхности на склонах речных долин, ограниченные уступами. Образованы размывающей и аккумулятивной деятельностью реки и сложены обычно аллювием. По происхождению они делятся на вложенные и наложенные террасы; по слагаемому материалу – на аккумулятивные, цокольные и коренные

(рис. 10).

Рис. 10. Речные террасы: 1 – аккумулятивная; 2 – эрозионная; 3 – наложенная; 4 – вложенная

Исток – место, где водоток (напр., река или ручей) берет свое начало. На географической карте исток обычно представляется условной точкой.

Истоком обычно является начало ручья, получающего воду из родника, конец ледника, озеро, болото. На болотных реках за исток часто принимается точка, с которой появляется открытый поток с постоянным руслом.

Устье – место впадения реки в водохранилище, озеро, море или другую реку. Часть реки, примыкающая к устью, может образовывать дельту или эстуарий (губа, лиман).

Русло – наиболее пониженная часть долины, выработанная потоком воды, по которой осуществляется перемещение основной части донных наносов и сток воды в междупаводочные периоды. Русла больших рек имеют ширину от нескольких метров до десятков километров (например, в низовьях Оби, Лены,

35

Амазонки), при этом возрастание глубины русла по мере увеличения размеров реки происходит медленнее, чем увеличение ширины. По длине русла глубокие места (плесы) чередуются с мелкими (перекатами). Русла равнинных рек обычно извилистые или разделены на рукава, сформированы в илистых, песчаных или гравелистых отложениях. Как правило, русло в плане имеет сложные очертания; наряду с относительно прямолинейными участками имеются изгибы, которые называют меандр, т. е. плавный изгиб русла реки. Меандрируя, реки постепенно увеличивают свои излучин, подмывая вогнутый берег и откладывая переносимый материал у противоположного выпуклого берега. Постепенно днище долины расширяется и формируется пойма. На определенной стадии развития река может спрямить свое русло. Отделившийся от реки меандр превращается в старицу – замкнутый водоем – озеро, имеющую продолговатую, извилистую или подковообразную форму (рис. 11).

Рис. 11. Схема последовательного смещения речных меандр по мере

их развития:

а– начальная стадия;

б– рост и смещение меандра; в – образование старицы

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

Пойма– частьречнойдолины, затопляемаявполоводьеиливовремяпаводков. Ширина пойм равнинных рек обычно составляет порядка от ширины рус-

ла до нескольких десятков ширин русла, иногда достигает 40 км.

Плёс – глубоководный участок русла реки, расположенный между мелководными участками русла реки (перекатами). Плёс обычно образуется там, где

вполоводье наблюдается местное увеличение скорости течения реки и интенсивно размывается ее дно (например, в изогнутых участках русла, в сужениях речной долины). Обычно плёс образуется в русле меандрирующей реки в вершине излучины у вогнутого берега. Обычно по течению меандрирующей реки плёсы регулярно чередуются с перекатами.

Перекат – мелководный участок русла реки. Обычно перекат сложен рыхлыми отложениями (аллювием), пересекает русло и имеет вид вала: с пологим скатом, обращенным против течения, или с крутым скатом, обращенным по течению.

Перекат образуется в результате неравномерного размыва русла водным потоком и отложения наносов. Перекат часто встречается в местах расширения русла реки, близ устьев притоков. Над перекатами поток теряет свою энергию.

36

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

Дельта – сложенная речными наносами низменность в низовьях реки, прорезанная разветвленной сетью рукавов и протоков. Дельты, как правило, представляют собой особую миниэкосистему как на планете в целом, так и в бассейне конкретной реки.

Несмотря на ограниченные размеры (площадь всех дельт мира ненамного превышает 3% площади суши, а на долю дельтовых берегов приходится около 9% длины береговой линии Мирового океана), дельты обладают богатыми природными ресурсами (водными, земельными, биологическими), что делает их весьма перспективными для сельского и рыбного хозяйства, водного транспорта. Благодаря плодородным почвам и обилию влаги дельты рек в условиях теплого климата (Хуанхэ, Нила, Амазонки и пр.) стали местом зарождения земледелия и человеческой цивилизации в целом. Эстуарий – воронкообразное затопляемое устье реки, расширяющееся в сторону моря. Образуется у рек, впадающих в моря, где сильно воздействие на устье реки приливов или других движений океанских вод. В северных районах получили название губ (Обская губа). В пустынных районах образуется так называемое сухое устье.

2.5. Морфометрические характеристики реки и русла реки

Различают понятия русловой сети (все водотоки (реки, каналы, ручьи)) и речной сети (частный случай русловой, сеть всех рек).

Речная сеть по своему рисунку на географической карте бывает древовидной, прямоугольной, центростремительной. В каждой речной сети выделяют главную реку, впадающую в приемный водоем (океан или бессточное озеро) и притоки разных порядков, реки, впадающие в главную реку, называются притоками 1 порядка; реки, впадающие в притоки первого порядка, называются притоками второго порядка и т. д. (рис. 12).

Рис. 12. Структура и морфологические характеристики речной сети:

а – схема речной системы; б – зависимость относительной глубины (h/В) от порядка потока (N) и среднего годового расхода (Q0); I-VIII – порядки естественных потоков

37

К морфометрическим характеристикам реки относятся:

–длина реки – расстояние вдоль русла между истоком и устьем, км;

–протяженность речной сети – общая сумма всех рек в пределах бассейна, км;

–коэффициент густоты речной сети – отношение протяженности речной сети к площади бассейна, км/км2;

–коэффициент извилистости русла – отношение длины по прямой и по кривой (с учетом изгибов русла), равняется 1 и более;

–падение реки – разница высот между истоком и устьем;

–уклон реки – отношение падения к длине реки.

Для характеристики русла используются следующие показатели:

–ширина русла, м;

–линия уреза воды (линия соприкосновения воды с берегом, урез правого

илевого берега измеряют в метрах над уровнем моря;

–площадь поперечного сечения русла, м2;

–глубина русла, м;

–максимальная глубина русла, м;

–средняя глубина русла (отношение площади поперечного сечения русла к его ширине);

–самотечный периметр (длина подводного контура поперечного сечения речного русла; обычно он меньше ширины, но при широких и мелких руслах стремиться к этому значению);

–гидравлический радиус (отношение площади поперечного сечения к самотечному периметру).

2.6.Количественные характеристики стока реки

Под речным стоком понимают перемещение воды в виде потока по речному руслу, которое происходит под действием гравитации. Сток является важнейшим элементом круговорота воды в природе, с помощью которого происходит перемещение воды с суши в океаны или области внутреннего стока. Количественное значение стока в единицу времени называется расходом воды.

Под речным стоком подразумевается так же объем стока – объем воды (или минеральных веществ, твердый сток), прошедшей через определенный створ в единицу времени, чаще всего год. Объединяет поверхностный сток (образующийся в результате осадков и снеготаяния) и подземный сток, формируемый за счет грунтовых вод. Речной сток за год является объективным показателем для определения полноводности реки.

Согласно СП 33-101-2003, к основным гидрологическим характеристикам реки относятся:

Расход воды Q, м3/с;

Объем стока воды V, м3; Модуль стока воды q, м3/(с×км2); Слой стока воды h, мм; Уровень воды Н, м.

38

Расход воды (м3/с) – количество воды, проходящее через поперечное сечение русла за единицу времени. Расход воды часто вычисляется при помощи кривой зависимости расхода от уровня и таблицы уровней (за год), составляемой для данной реки на основе измерений. При таких вычислениях составляются таблицы расходов (за год). На реках и каналах расход воды измеряется гидрологическими вертушками, реже поплавками, на малых водотоках – с помощью водосливов, на гидротехнических сооружениях – расходомерами. На основе систематических измерений расхода воды вычисляют среднесуточные, среднемесячные, среднемноголетние, а также максимальные и минимальные величины и характеристики стока. Для подсчета стока воды по данным ежесуточных измерений используется кривая расхода воды – график в прямоугольных координатах, выражающий связь между расходами и уровнями воды в данном сечении потока.

Среднемесячный расход воды вычисляется по формуле:

Qср. месс. = ΣQi / 31

среднегодовой:

Qср. месс. = ΣQi / 365

среднемноголетний:

Q0 = Σ n Q / N,

i

где N – количество дней.

Объем стока воды V, м3 – количество воды, проходящее через поперечное сечение русла за некоторый промежуток времени.

W = Q( t) • t,

где Q( t) – расход воды за период времени; t – период времени.

Обычно берутся временные интервалы t = 86 400 секунд (сутки); 31,5 • 106 секунд (год).

Объем стока обычно измеряется в м3 или км3 W (км3) = W (м3) • 10-9. Модуль стока, q м3/(с • км2) – расход воды Q, выраженный в м3, с едини-

цы плошади речного бассейна F (км2):

M = Q / F • 103.

Слой стока h, (мм) • объем стока W, равномерно распределенный по

площади речного бассейна за интервал времени: h = (W / F) • 10-3

Кроме того учитывается коэффициент стока, η – отношение слоя стока

h(мм) к осадкам х (мм) за некоторый промежуток времени:0

η= h / х

Для многолетнего периода 0≤ η ≤ 1, но в короткие периоды η может быть больше единицы.

39

Из количественных характеристик речного стока на карту можно нанести модуль стока, слой стока, коэффициент стока. Расход воды и объем стока зависят от площади бассейна реки и поэтому не пригодны для картографирования.

2.7. Водный режим рек

Режимом реки называют характер ее поведения во времени: распределение и изменение величины расхода воды по сезонам года, колебания уровня, образование ледяного покрова и вскрытии рек. В режиме реки различают несколько периодов:

половодье – ежегодно повторяющееся в один и тот же сезон значительное увеличение водоносности реки, вызывающее на длительный срок подъем уровня реки и выход воды из русла, возникающее в результате таяния снега;

паводки внезапные кратковременные и нерегулярные подъемы уровня воды в реках, возникающие в результате обильных дождей;

межень – период низких уровней воды во время сухой или морозной погоды, когда река питается лишь грунтовыми водами. На режим влияют падение и уклон реки.

Водность – количество воды, проносимое рекой с ее бассейна за отрезок времени (месяц, сезон и т. д.) по сравнению с нормой (средним значением) для данного периода. Водность рек определяется величиной поверхностного стока и площадью бассейна.

Различают малую (межень), среднюю и большую (половодья и паводки) водность. Водность – является величиной, характеризующей относительные изменения расхода воды в реке во времени. Различают несколько видов колебаний водности рек: вековые (климатические изменения, период от 100 лет и более), многолетние (зависят от климатических изменений за период от 2 до 100 лет), сезонные синоптическиеилипогодныефазы(половодье/паводок, межень).

Для наблюдения за изменением расхода реки и определением максимальных и минимальных расходов рек используют гидрограф – график изменения расходов воды во времени за год или часть года (сезон, половодье или паводок) в данном створе водотока, строится по среднесуточным расходам воды. Построение гидрографа находит широкое применение в анализе формирования речного стока: при выделении фаз водного режима, их продолжительности и объемов стока с помощью расчленения гидрографа выделяют виды питания (снеговое, дождевое и пр. (рис. 13)).

40