66. Составляющие речного стока

Сток в широком смысле — это главный элемент мате рикового звена глобального кругово рота вещества и энергии. Сток включает поверхностную и подземную части. Поверхностный сток, в свою очередь, состоит из речного стока и стока льда покровных ледни,сов.Речной сток включает сток воды, сток наносов, сток растворен ных веществ и сток тепла.

Сток воды (водный сток) — это одновременно и процесс стекания воды в речных системах и характеристика количества стекающей воды. Сток воды — один из важнейших физико-географических и геологических факторов. Называть сток воды «жидким стоком» не рекомендуется. Сток наносов это процесс перемещения наносов в речных системах и характеристика количества перемещающихся в реках наносов. Сток наносов состоит из стока взвешенных наносов (нано сов, переносимых в толще речного потока во взвешенном состоянии) и стока влекомых наносов (наносов, переносимых потоком по речному дну во влекомом состоянии). Сток наносов называть «твердым стоком» не рекомендуется.

Сток растворенных веществ — это процесс переноса в речных системах растворенных в воде веществ и характеристика их количества. Растворенные в речных водах вещества это ионы солей, биогенные и органические вещества, газы и др. Иногда сток растворенных веществ называют ионным стоком или стоком солей (имеется в виду лишь сток растворенных минеральных веществ)Сток тепла (тепловой сток) - это процесс переноса вместе с речными водами тепла и его количественная характеристика.

67. Расход воды – объем воды, протекающей через поперечное сечение потока в единицу времени(м³/с). Объем стока воды – объем воды прошедшей через данное поперечное сечение речного потока за интервал времени (км³). Слой стока – кол-во воды стекающее с водосбора за какой-либо интервал времени равное толщине слоя равномерно распределённого по площади водосбора (мм). Модуль стока воды – кол-во воды стекающее с единицы площади водосбора в единицу времени (л/(с*км²)). Коэффициент стока - отношение величины стока к количеству выпавших на площадь водосбора атмосферных осадков обусловивших возникновение стока.

68. Динамика речного потока

В речном потоке обычно действует лишь одна активная массовая сила — продольная составляющая сила тяжести, обусловленная продольным уклоном водной поверхности. При движении речного потока возникают сопутствующие движению пассивные си­лы — трения, центробежная, Кориолиса. Продольное равновесие речного потока. При движении воды, близком к равномерному, в речном потоке устанавливается равнове­сие между продольной составляющей силы тяжести и силой трения у дна и берегов. Поперечное равновесие речного потока. На изгибе речного русла центробежная сила приводит к отклонению течения в поверхностных слоях в сторону вогнутого берега, что создает поперечный перекос уровня воды. В результате избытка гидростати­ческого давления у вогнутого берега в придонных слоях возникает течение, направленное в сторону выпуклого берега. Складываясь с основным продольным переносом воды в реке, разнонаправленные течения на поверхности и у дна создают спиралевидное движение воды на изгибе речного русла — поперечную циркуляцию.

Распределение скоростей течения в речном потоке л

Для рек характерен турбулентный режим движения воды, и ско­рость течения в любой точке речного потока подвержена турбулент­ным пульсациям, причем тем большим, чем больше скорость течения. Поэтому в каждой точке речного потока и в каждый момент времени местная мгновенная скорость течения — это вектор, который можно разложить на три составляющие (и_х, и_у и а_г) вдоль продольной, поперечной и вертикальной осей координат. Большинство гидро­метрических приборов (вертушек для измерения скоростей течения) фиксируют продольную составляющую скорости, осредненную за некоторый интервал времени. Эти местные осредненные скорости течения распределены в реч­ном потоке неравномерно: наибольшие скорости наблюдаются на поверхности потока над наиболее глубокой частью русла, наимень­шие — у дна и берегов. Линии, соединяющие точки с одинаковыми скоростями, называются изотахами. Продольная (вдоль русла) ли­ния наибольших скоростей течения на поверхности потока называет­ся динамической осью потока, или стрежнем.

69. Наиболее важные характеристики наносов следующие: геометри­ческая крупность, выражающаяся через диаметр частиц наносов ( мм); гидравлическая крупность, т. е. скорость осаждения частиц наносов в неподвижной воде ( мм/с, мм/мин); плотность частиц ( кг/м³), равная для наиболее распространенных кварцевых песков 2650 кг/м³; плотность отложений (плотность грунта) ( кг/м³); концентрация (содержание) наносов в потоке, которую можно представить как в относительных величи­нах (отношение массы или объема наносов к массе или объему воды), так и в абсолютных величинах; в последнем случае использу­ют понятие мутность воды ( г/м³, кг/м³).Мутность определяют путем фильтрования отобранных с помощью батометров проб воды и взвешивания фильтров. По характеру перемещения в реках наносы разделяют на два основных типа — взвешенные и влекомые. Промежуточным типом являются сальтирующие наносы, движущиеся скачкообразно в при­донном слое; наносы этой промежуточной группы условно объединя­ют с влекомыми. Влекомые наносы —это наносы, перемещающиеся речным потоком в придонном слое и движущиеся скольжением, перекатыванием или сальтацией. Путем влечения по дну перемещаются наиболее крупные частицы наносов (песок, гравий, галька, валуны). Взвешенные наносы переносятся в толще речного потока. Взвешенные наносы распределены в речном потоке неравномерно: в придонных слоях мутнеть Максимальна и уменьшается по направлению к поверхности, причем для взвешенных наносов более крупных фракций быстрее, для наносов мелких фракций — медленнее.

70. Русловые процессы — это постоянно происходящие изменения

морфологического строения речного русла и поймы, обусловленные действием текущей воды. Русловые процессы проявляются во взаимодействии потока и русла реки. Конкретные проявления русловых процессов в виде изменения положения и размеров русла, поймы и отдельных русловых образований, т. е. в виде размыва или намыва дна и берегов, называют русловыми деформациями.

Русловые образования, подвергающиеся деформациям,— это скопления наносов, создающие характерные формы рельефа речного русла и поймы разного размера — микро-, мезо- и макроформы. К микроформам относятся перемещающиеся в русле донные гряды, размеры которых меньше глубины русла. Мезоформы— это также состоящие из наносов гряды, но более крупного размера, соизмери­мые уже с поперечными размерами самого русла. К мезоформам относятся речные перекаты, осередки, небольшие острова. Макро­формами называют крупные, морфологически однородные участки речного русла, представленные относительно прямолинейными учас­тками, извилинами (излучинами; меандрами), системами русловых и пойменных разветвлений, участками так называемого разбро­санного русла. Русловые процессы неразрывно связаны с переносом в речном потоке наносов, в основном — влекомых. Иногда даже говорят, что русловые процессы — это форма переме­щения влекомых наносов. Изучение русловых процессов имеет большое практическое зна­чение, так как от характера и интенсивности русловых деформаций зависит работа водного транспорта, эксплуатация водозаборных сооружений, мостовых переходов, дюкеров газо- и нефтепроводов через реки и т. д. Физической причиной русловых деформаций является нарушение баланса наносов на тех или иных участках речного русла. Изменение расхода наносов вдоль потока должно неизбежно сопровождаться русловыми деформациями: при увеличении расхода наносов вдоль реки должен происходить размыв русла (эрозии), при уменьшении расхода наносов вдоль реки — намыв русла (аккумуляция наносов). По направленности русловые деформации подразделяются, та­ким образом, на два вида: размыв (эрозия) и намыв (аккумуляция наносов). Русловые деформации подразделяют также на вертикаль­ные, когда происходят изменения отметок дна русла, и горизонталь­ные, когда наблюдаются поперечные смещения русла. Обычно эти два вида русловых деформаций происходят одновременно, но в неко­торых случаях преобладают первые, в некоторых — вторые. Русловые деформации и русловые процессы подразделяют также на два типа: периодические (знакопеременные, обратимые) и на­правленные (необратимые). К периодическим русловым деформациям относят такие изменения русла, которые неоднократно повторя­ются и после которых русло возвращается приблизительно в перво­начальное положение. Это русловые деформации при движении донных гряд, развитии излучин и т. д. Направленные русловые деформации проявляются в виде односторонних изменений русла, например при однонаправленном размыве или намыве.

71. Термический режим рек. Поскольку температура воды в реке, как следует из анализа уравнения теплового баланса участка реки, реагирует на метеороло­гические факторы (изменения радиационного баланса, температуры воздуха), основная причина временных изменений температуры воды в реке — метеорологическая. Помимо сезонных колебаний температура воды в реках испытыва­ет и суточные изменения, которые также отстают от изменения температуры воздуха. Минимальная температура воды наблюдается обычно в утренние часы, максимальная — в 15—17 часов (максимум температуры воздуха обычно бывает на 1—2 ч раньше). На больших реках суточный ход температуры воды обычно не более 1—2° С, на малых реках он может быть и выше. Суточные колебания температу­ры воды хорошо выражены на реках, берущих начало из ледников. Температура речной воды имеет и пространственные изменения. Хорошо известно подчиняющееся широтной зональности изменение температуры воды вдоль крупных рек, текущих в меридиональном направлении. У таких рек наибольшее различие температуры воды вдоль реки отмечается в период нагревания. Для больших рек, текущих с юга на север, характерны большие контрасты между температурой воды и воздуха. Часто температура воды в реках изменяется ниже впадения крупных притоков. В летнее время су­щественно уменьшается температура воды в реках ниже водохрани­лищ, что объясняется поступлением в нижние бьефы гидроузлов глубинных вод из водохранилищ, имеющих пониженную температу­ру. Нередко температура воды в реках заметно возрастает в местах сброса отработанных вод промышленными предприятиями и тепло­выми электростанциями. В таких случаях говорят о «тепловом загрязнении» речных вод.

По ширине и глубине реки температура воды вследствие турбулентного перемешивания изменяется мало. На реках с быстрым течением различия в температуре в разных участках поперечного сечения потока обычно не превышают 0,1° С, на реках с медленным течением — 1—2° С. Однако иногда можно заметить различия в тем­пературе воды на поверхности и у дна, на стрежне и у берегов. Летом у дна температура немного ниже, чем на поверхности, а у берегов выше, чем в середине реки. Осенью у берегов и на поверхности температура воды оказывается немного ниже, чем в остальной части поперечного сечения потока. Вместе с текущими водами реки переносят и тепло. Количество теплоты, переносимой речными водами за какой-либо интервал времени, называется тепловым стоком.

Ледниковый режим. Все реки по характеру ледового режима делятся на три большие группы: замерзающие, с неустойчивым ледоставом, незамерзающие. Реки в условиях умеренного климата, как правило, зимой замерзают. На таких реках (наиболее интересных с точки зрения изучения ледового режима) выделяют три характерных периода: 1) замерза­ния, или осенних ледовых явлений; 2) ледостава; 3) вскрытия, или весенних ледовых явлений. Реки в условиях субтропиков замерзают очень редко, в условиях тропического климата — вообще никогда не замерзают. Замерзание рек. Переход средней суточной температуры воздуха осенью через 0° С служит своеобразным «сигналом» приближаю­щихся ледовых явлений (см. рис. 6.24). Через некоторое время и температура воды снижается до 0° С, и начинаются ледовые явления.Начальная фаза осенних ледовых явлений — сало, т. е. плыву­щие куски ледяной пленки, состоящей из кристалликов льда в виде тонких игл. Сало обычно плывет по реке в течение 3—8 дней. Почти одновременно у берегов, где скорости течения меньше, образуются забереги — узкие полоски неподвижного тонкого льда. По мере охлаждения всей толщи воды в ней начинает образовываться внут-риводный лед — непрозрачная губчатая ледяная масса, состоящая из хаотически сросшихся кристалликов льда. Непременным условием образования внутриводного льда является переохлаждение речной воды и наличие в воде ядер кристаллизации (кристалликов льда, взвешенных минеральных частиц и т. д.) . Внутриводный лед, образующийся на неровностях речного дна, называют донным льдом. Скопления внутриводного льда в виде комьев на поверхности или в толще потока образуют шугу. Движение шуги по поверхности или в толще реки называется шугоходом. К шуге на поверхности реки иногда добавляется битый лед, отрывающийся от заберегов, и снежура— скопления только что выпавшего на воду снега.По мере охлаждения воды начинается образование льда непо­средственно на водной поверхности реки вдали от берегов. В процес­се образования льдин участвуют скопления сала, шуги и снежуры. Начинается осенний ледоход. На больших реках он продолжается 10—12 дней, на малых—до 7 дней.В период осеннего ледохода русло реки может оказаться забитым шугой и битым льдом. Закупорка русла этой ледяной массой называ­ется зажором. Образование зажора сопровождается подъемом уров­ня воды на вышерасположенном участке реки. Иногда осенний ледоход сопровождается затором, т. е. закупоркой русла плывущими льдинами; Как и зажоры, заторы часто происходят на узких учас­тках русла, в местах разделения реки на рукава (например, в дель­тах Дуная и Северной Двины).

Ледостав. По мере увеличения числа плывущих льдин и их размера скорость движения ледяных полей уменьшается, и сначала в местах сужения русла, у островов, в мелких рукавах, а затем и на остальных участках русла ледяные поля останавливаются и смерза­ются. Этому могут способствовать и заторы. Образуется сплошной ледяной покров —ледостав (говорят, что «река стала»). Для малых рек характерно образование ледостава без ледохода — путем расши­рения и смерзания заберегов.

Некоторые участки реки могут в течение долгого времени, иногда в течение всей зимы, не замерзать. Такие участки называют полынь­ями; они часто бывают в местах с повышенными скоростями течения, например на порогах и быстринах, в нижних бьефах гидроузлов, в местах выхода в реку относительно теплых подземных вод и по­ступления промышленных и коммунальных стоков. Таким образом, происхождение полыньи может быть как динамическим, так и терми­ческим. На реках в условиях холодного климата под влиянием гидроста­тического напора, вызванного стеснением русла мощным ледяным покровом, на поверхность льда может излиться речная вода, замерз­нуть и образовать толстый слой вторичного льда — наледь. Вскрытие рек. С наступлением весны ледяной покров на реках начинает разрушаться. На этот процесс влияют солнечная радиация, поступление тепла из воздуха и с теплыми водами, механическое воздействие текущей талой воды.

Сначала начинает таять снег на льду. Талая снеговая вода ослабляет лед. У берегов реки под влиянием начавшегося нагрева­ния грунта и стекания со склонов талых вод, а также повышения уровня в реке образуются прибрежные полосы чистой воды — закраины.

Продолжающийся подъем уровня воды в реке вследствие поступ­ления в русло талых вод приводит лед в движение. Сначала это лишь небольшие (в несколько метров) смещения ледяных полей — под­вижки, а затем ослабленный ледяной покров разбивается на отдель­ные льдины и начинается весенний ледоход. На малых реках ледяной покров часто тает на месте и весеннего ледохода не происходит..

. 72. Гидробиологические особенности рек

Воды, дно и бе рек — среда обитания многих организмов. Как и в других водных объектах, эти организмы подразделяют на планктон, бентос и нектон. Видовой состав живущих в реках орга-низмов весьма разнообразен и зависит от тех природных условий, в которых протекает река.

Планктон рек представлен фитопланктоном, зоопланктоном и бактериями. К фитопланктону относятся, например, диатомовые, зеленые и сине-зеленые водоросли. Максимум развития фитоплан ктона обычно отмечается летом и в начале осени. К зоопланктону относятся коловратки ракообразные. Весьма богат речной бентос. Это личинки насекомых, черви, моллюски, речные раки. На дне и берегах селятся макрофиты: рдест, камыш, роголистник и др. В низовьях рек и особенно в дельтах встречаются густые заросли тростника. На дне рек растут донные водоросли.

Речной нектон представлен в основном рыбами (ихтиофауной), а также некоторыми крупными беспозвоночными. Ихтиофауна рек очень разнообразна, причем многие рыбы имеют промысловое знат ние. Среди проходных рыб, которые живут в морях, но на нерест идут в реки, необходимо упомянуть прежде всего осетровые (осетр, белуга, севрюга), лососевые (таймень, нельма, омуль, сиг, кета и др.), сельдь, белорыбицу, миногу. К непроходным рыбам, живущим только в реках, относятся: сазан, лещ, стерлядь, щука, окунь, карась, плотва, налим и др. В горных и полугорных реках обитают хариус и форель. Живут в реках и крупные пресмыкающиеся (черепахи, змеи, в тропических реках — крокодилы) и млекопитающие (водяная вы дра, бобр и др.).

Гидрохимические особенности. Химический состав речных вод в целом весьма однообразен. Эти воды, как правило, относятся к гидрокарбонатному классу и кальцие вой группе. У большинства рек с малой и средней минерализацией соотношение главных ионов следующее: НСО 8О С1

и Са М + К+. При повышении минерализации растет и относительное содержание ионов 8О и С1, а также в химическом составе речных вод. Для рек СССР наряду с увеличением минерализации речной воды от зоны тундры к зоне пустынь в этом же направлении отмеча ется увеличение содержания ионов 5О и С1 и изменение класса вод от гидрокарбонатного к сульфатному и даже к хлоридному.

Реки с водами гидрокарбонатного класса занимают более 85% территории СССР. Реки, воды которых относятся к сульфатному и хлоридному классам, занимают менее 15% территории страны. Ион 8О преобладает в реках засушливых степных районов евро пейской территории СССР, а также в реках полупустынь Средней Азии и Казахстана. Ион СL преобладает в основном во врёменных водотоках засушливых районов Средней Азии и Казахстана. Из микроэлементов в речных водах встречаются бром, под, медь, цинк, свинец, никель и др. Их концентрация в естественных условиях не превышает 10—ЗО мкг/л. Помимо минеральных веществ (ионов солей и микроэлементов) речные воды содержат в растворенном виде органические вещества и неорганические биогенные элементы. Из органических веществ главное место занимают различные гуминовые соединения, среди биогенных веществ наиболее важньт соединения азота (нитраты, нитриты, аммоний), фосфора (фосфаты), кремния.

Сток растворенных веществ, таким образом, слагается из ионно го стока и стока остальных растворенных веществ. Общий сток раство ренных веществ с территории СССР составляет 486 млн. т/год. Из них на долю ионного стока (стока солей) приходится около 80%, стока органических веществ — 16% и на долю стока остальных растворенных веществ остается 4%. Из газов, растворенных в речных водах, наибольшее значение имеют кислород и диоксид углерода (углекислый газ). Весной и летом содержание кислорода в речной воде наибольшее — до

10—12 мг/л. Зимой под ледяным покровом может ощущаться недостаток кислорода, иногда приводящий к замору рыб. Концентрация СО наоборот, наибольшая зимой и наименьшая летом.

73. Озеро — естественный водоем суши с замедленным водообменом. Как правило, озера обладают выработанным под воздей­ствием ветрового волнения профилем береговой зоны. Озера не имеют прямой связи с океаном. Для образования озера необходимы два непременных условия — наличие естественной котловины, т. е. замкнутого пониже­ния земной поверхности, и находящегося в этой котловине опре­деленного объема воды.

ТИПЫ ОЗЕР

Озера подразделяют по размеру, степени постоянства, происхож­дению котловины, характеру водообмена, структуре водного балан­са, термическому режиму, минерализации вод, условиям питания водных организмов и др. По размеру озера подразделяют на очень большие с площадью свыше 1000 км², большие — с площадью от 101 до 1000 км², сред­ние — с площадью от 10 до 100 км² и малые — с площадью менее 10 км². По степени постоянства озера делят на постоянные и временные. Последние заполняются водой лишь во влажные периоды года. По происхождению озерные котловины могут быть тектонические, вулканические, метеоритные, ледниковые, карстовые, термокарстовые, суффозионные, речные, морские, эоловые, органогенные. Такое же название дают и озерам, находящимся в этих котловинах. Тектонические котловины располагаются в крупных тектониче­ских прогибах на равнинах (озера Ладожское, Онежское, Ильмень, Верхнее и др.)» ^в крупных тектонических предгорных впадинах (оз. Балхаш), в местах крупных тектонических трещин — рифтов, сбросов, грабенов (озера Байкал, Танганьика, Ньяса и др.). Боль­шинство крупных озер земного шара имеют котловины тектоническо­го происхождения. Вулканические котловины расположены либо в кратерах потух­ших вулканов (некоторые озера в Италии, на о. Ява, в Японии и т. д.), либо образовались вследствие подпруживания рек продукта­ми вулканизма — лавой, обломками породы, пеплом (оз. Кроноцкое на Камчатке или оз. Киву в Африке). Метеоритные котловины возникли в результате падения метеори­тов (оз. Каали в Эстонии). Ледниковые котловины образовались в результате деятельности современных или древних ледников. Ледниковые озерные котловины подразделяют на троговые, связанные с «выпахивающей» работой ледников (оз. Женевское, многие озера в Скандинавии, в Карелии, на Кольском полуострове); каровые, расположенные в карах (гор­ные озера в Альпах, на Кавказе); моренные, сформировавшиеся среди моренных отложений. Троговые и каровые котловины созданы эрозионной, моренные — аккумулятивной деятельностью ледников. К ледниковым озерам относятся также специфические озера (часто временные), образовавшиеся в результате подпруживания рек лед­ником или возникающие на теле самого ледника. Ледниковые озера, возникшие в результате моренно-аккумулятивной деятельности лед­ника или в результате подпруживания рек самим ледником, можно назвать приледниковыми, а возникшие на теле ледника — надледниковыми. Карстовые котловины образуются в районах залегания известня­ков, доломитов и гипсов в результате химического растворения этих пород поверхностными и в особенности подземными водами. Образу­ющиеся в районах карстовых просадок или в карстовых пустотах и пещерах озера могут быть, таким образом, как поверхностными, так и подземными. Таких озер много на Урале, Кавказе, в Крыму. Термокарстовые котловины образуются в районах распростране­ния многолетнемерзлых грунтов в результате их протаивания и сопут­ствующей просадки грунта (небольшие озера в тундре и тайге). Суффозионные котловины возникают в результате просадок, вызванных вымыванием подземными водами из грунта мелких час­тиц и цементирующих веществ (такие небольшого размера озера характерны для степных и лесостепных районов, например на юге Западной Сибири). Котловины речного происхождения связаны с эрозионной и акку­мулятивной деятельностью рек. Это разнообразные по генезисупойменные водоемы (старицы, промоины, небольшие озера), дельто­вые и придельтовые водоемы, плесы пересыхающих рек и др. На реках возникают и так называемые долинные котловины, образующиеся либо в результате горных обвалов (завальные котло­вины озер Сарезского на р. Мургаб, Гекгель на р. Аксу в Азербай­джане и др.), либо в результате подпруживания рек конусами выноса боковых притоков (часто в результате селевых паводков). Котловины морского происхождения связаны либо с подпорным влиянием моря (лиманы, образовавшиеся в результате затопления речных долин после повышения уровня моря), либо с отчленением от берега аккумулятивными косами и барами небольших морских аква­торий (лагуны]. Обычно, однако, эти водоемы не относят к озерам, а рассматривают либо как части устьевых областей рек, либо как части морских акваторий.

Эоловые котловины образуются в понижениях между песчаными дюнами и превращаются в озера в результате затопления их речны­ми или морскими водами. Эоловые озера встречаются вблизи мор­ских берегов, в дельтах рек (например, Волги, Или, Дуная).

Органогенные котловины формируются в болотах, а возникаю­щие при этом водоемы называют болотными озерами и озерками. По характеру водообмена озера подразделяют на сточные и бес­точные. Первые из них сбрасывают по крайней мере часть поступаю­щего в них речного стока вниз по течению (примером могут служить такие озера, как Байкал, Онежское, Ладожское и многие другие). Частным случаем сточных озер являются проточные озера, через которые осуществляется транзитный сток реки (к числу таких водоемов относятся озера Чудское, Зайсан, Сарезское). Бессточны­ми считают озера, которые, получая сток извне, расходуют его лишь на испарение, инфильтрацию или искусственный водозабор, не отда­вая ничего в естественный или искусственный водоток. Иначе говоря, из таких водоемов поверхностный сток отсутствует (примерами могут служить Каспийское и Аральское моря, озера Иссык-Куль, Балхаш, Чад и др.). Каспийское и Аральское моря согласно определению озера с на­учной точки зрения должны считаться именно бессточными озерами (связи с океаном в современную геологическую эпоху они не имеют). Однако благодаря их большим размерам и режиму, сходному с мор­ским, эти водоемы условно называют морями. Типизация озер по структуре водного баланса, по термическому режиму, по минерализации вод, по условиям питания водных организмов.