- •Ющенко ю.С.
- •Чернівці Зелена Буковина 2005
- •Наука про природні води
- •Предмет і об’єкт гідрологічних досліджень
- •1.1.1. Уявлення про природні води до Нового часу
- •1.1.2. Формування основ наукової гідрології
- •1.1.3. Сучасна гідрологія
- •1.1.4. Природні води — об’єкт дослідження гідрології
- •1.1.5. Різноманітність водних об’єктів Землі
- •1.1.6. Колообіги та циркуляції природних вод
- •Середньорічний водний баланс Землі [12]
- •1.1.7. Зміни водних об’єктів в часі
- •1.1.8. Основні гідрологічні поняття та терміни
- •Фундаментальні основи гідрологічних досліджень
- •1.2.1. Молекули та надмолекулярні структури води
- •1.2.2. Агрегатні стани та фазові переходи води
- •1.2.3. Густина води
- •1.2.4. Теплові властивості води
- •1.2.5. В’язкість, поверхневий натяг та змочування
- •1.2.6. Деякі фізичні властивості снігу та льоду
- •1.2.7. Умови перебування води в ґрунтах та породах
- •1.2.8. Механіка рідини і дослідження природних вод
- •1.2.9. Основи статики природних вод
- •1.2.10. Загальні поняття та визначення гідродинаміки
- •1.2.11. Види руху водних потоків
- •1.2.12. Два режими руху рідини
- •1.2.13. Рівняння нерозривності
- •1.2.14. Рівняння Бернуллі
- •1.2.15. Рух поверхневих водотоків
- •1.2.16. Спокійні та бурхливі потоки
- •1.2.17. Приклади ламінарного руху
- •1.2.18 Течії у водойомах
- •1.2.19. Хвилі у воді
- •1.2.20. Стратифікація, стійкість та перемішування природних вод
- •1.2.21. Природні води як хімічний розчин
- •1.2.22. Основні типи домішок у природних водах
- •Головні іони в океанічних водах (за с. Бруєвичем)
- •1.2.23 Гідрохімічна класифікація природних вод. Зміни їх складу
- •1.2.24. Забруднення та якість природних вод
- •Методи гідрологічних досліджень
- •1.3.1. Математичні методи, інформатика
- •1.3.2. Системний підхід
- •1.3.3. Експеримент та моделювання
- •1.3.4. Порівняння, типізація, класифікація
- •1.3.5. Історичний метод
- •1.3.6. Прогнозування
- •1.3.7. Експедиційний метод
- •1.3.8. Вимірювання, спостереження, моніторинг
- •1.3.9. Балансові методи
- •1.3.10. Картографічні методи
- •1.3.11. Географо-гідрологічні методи
- •1.3.12. Еколого-гідрологічні методи
- •Гідрологія водних об’єктів
- •Гідрологія океанів і морів
- •2.1.1. Поділ Світового океану
- •Основні характеристики океанів
- •2.1.2. Рельєф дна та донні відклади Світового океану
- •2.1.3. Розподіл основних гідрологічних характеристик та водні маси океану. Процеси перемішування
- •2.1.4 Морський лід
- •2.1.5. Морські хвилі
- •2.1.6. Припливи в океані
- •2.1.7. Морські течії
- •2.1.8. Рівень океанів і морів
- •2.1.9. Життя в океані
- •2.1.10. Моря України
- •Гідрологія льодовиків
- •2.2.1. Процеси утворення льодовиків
- •2.2.2. Рух льодовиків
- •2.2.3. Розповсюдження, основні типи, будова та гідрографічна сітка льодовиків
- •2.2.4. Баланс та режим льодовиків
- •2.2.5. Процеси та явища пов’язані з льодовиками
- •Гідрологія підземних вод
- •2.3.1. Походження підземних вод
- •2.3.2. Класифікації підземних вод
- •2.3.3. Води зони аерації
- •2.3.4. Ґрунтові води
- •2.3.5. Артезіанські води
- •2.3.6. Підземні води у тріщинуватих та закарстованих породах
- •2.3.7. Структури підземної гідросфери
- •2.3.8. Рух підземних вод
- •2.3.9. Підземний стік
- •2.3.10. Природні явища та процеси пов’язані з підземними водами
- •Гідрологія річок
- •Найбільші річки світу
- •2.4.1. Річкові системи
- •2.4.2. Річкові водозбори
- •2.4.3. Річкові долини
- •2.4.4. Русла та заплави річок
- •2.4.5. Рух води в річках
- •2.4.6. Поняття про водний режим річок
- •2.4.7. Процеси водного живлення річок
- •2.4.8. Аналіз водного режиму річок
- •2.4.9. Рівневий режим річок
- •2.4.10. Утворення та основні характеристики річкових наносів
- •2.4.11. Основні категорії та стік наносів
- •2.4.12. Поняття про русловий процес річок
- •2.4.13. Типізації та класифікації руслового процесу
- •2.4.14. Термічний режим річок
- •2.4.15. Льодовий режим річок
- •2.4.16. Гідрохімічний режим та особливості гідробіології річок
- •Гідрологія озер
- •Найбільші озера світу
- •2.5.1. Котловини озер
- •2.5.2. Морфометрія та морфологія озер
- •2.5.3. Термічний режим озер
- •2.5.4. Льодовий режим озер
- •2.5.5. Динаміка озер
- •2.5.6. Водний режим озер
- •2.5.7. Гідрохімічні та гідробіологічні особливості озер
- •2.5.8. Донні відклади озер
- •Гідрологія особливих типів водних об’єктів
- •2.6.1. Сніговий покрив
- •2.6.2. Гідрологічні явища та процеси в зоні багаторічної мерзлоти та холодного клімату
- •2.6.4. Гідрологія водосховищ
- •2.6.5. Канали та гідромеліоративні системи
- •2.6.6. Гідрологія боліт
- •2.6.7. Гідрологія гирл річок
- •Типи гирлових областей річок
- •Загальні гідрологічні явища та процеси
- •Природні води і атмосфера Землі
- •3.1.1. Кліматична система Землі і природні води
- •Характеристики складових кліматичної системи Землі
- •3.1.2. Взаємодія океану та атмосфери
- •3.1.3. Атмосферна ланка колообігу води
- •Водний баланс та стік води з суходолу
- •3.2.1. Водний баланс територій
- •3.2.2. Формування стоку
- •3.2.3. Стік води в річках
- •Природні води і тверде тіло Землі
- •3.3.1. Літосфера та підземні води
- •3.2.2. Ендогенний вплив на поверхневу гідросферу
- •3.3.3. Природні води і рельєф
- •3.3.4. Гідрогенні відклади та акумулятивні утворення
- •Природні води та еволюційні процеси
- •3.4.1. Еволюція географічної оболонки та її складових
- •3.4.2. Біогенний етап розвитку природних вод
- •3.4.3. Антропогенний етап розвитку природних вод
- •Заключення Новітній етап розвитку гідрології
2.6.2. Гідрологічні явища та процеси в зоні багаторічної мерзлоти та холодного клімату
Багаторічною («вічною») мерзлотою називають багаторічномерзлі породи (мерзлі породи), що вміщують лід, мають від’ємну чи нульову температуру, яка зберігається на протязі багатьох років, або навіть тисячоліть. Існує також сезонна мерзлота. Осередки гірських порід з додатними температурами і рідкою водою називають таликами. Буває також пошарове чергування мерзлоти та таликів — шарувата мерзлота. Загальна площа розповсюдження багаторічної мерзлоти перевищує 35 млн. км2 (біля 24% площі суходолу). Потужність її в суворих кліматичних умовах може перевищувати 1000 м. В межах зони мерзлоти розрізняють області (підзони) суцільного, несуцільного та острівного розповсюдження. У вертикальному розрізі виділяють: 1) діяльний шар (такий що відтаює влітку, потужність від 5 см до 5 м), 2) шар багаторічномерзлих порід з таликами та тріщинами; 3) шар порід з температурами вище 0°С.
Мерзлота впливає як на підземні так і на поверхневі води. Це, разом з кліматом, надає значну специфіку гідрологічним явищам та процесам. Підземні води даної зони поділяють на надмерзлотні, міжмерзлотні та підмерзлотні. Їх вивчає гідрогеологія.
Підмерзлотні води знаходяться повністю у рідкій фазі і є напірними. Вони широко розповсюджені у гірських районах, масивах кристалічних порід та артезіанських басейнах. Дослідження режиму цих вод затруднено, що пов’язано з особлививостями живлення та розвантаження під впливом мерзлоти.
Міжмерзлотні води включають рідку та тверду фазу. Переважає остання. Це підземні («викопні») льоди. Вони залягають в мерзлих породах у вигляді пластів, лінз, жил, клинів (потужністю від метрів до десятків метрів). Рідкі міжмерзлотні води можуть бути пластовими, карстовими та тріщинно-жильними. Також вони пов’язані з таликами у давніх руслах, алювіальних відкладах. В зонах тектонічних порушень формуються також наскрізні міжмерзлотні талики. Існування рідких вод пов’язане як з їх постійним рухом (і перенесенням тепла), так і з підвищеною мінералізацією.
Надмерзлотні води поділяють на води діяльного шару та надмерзлотних таликів. Перші взимку перемерзають від поверхні. Цей процес може досягнути поверхні мерзлоти, або ні. При цьому прошарок рідкої води стає напірним. Основне джерело живлення надмерзлотних вод — це атмосферні опади.
Сезонний та багаторічний режим та динаміка вод в зоні багаторічної мерзлоти супроводжуються періодичним замерзанням, яке приводить до виникнення особливих природних (гідрологічних) явищ.
Пагорби пучення виникають внаслідок процесів міграції води та перемерзання вологих або насичених водою рихлих відкладів (торф, пісок, глина). Рихлі породи вбирають значну кількість води, а вона при замерзанні збільшується в об’ємі. Вбиранню води сприяє те, що сусідні води напірні.
Термокарст — це наслідок нерівномірного просідання, або провалу ґрунту та порід при таненні підземного льоду. Воно пов’язане або з тимчасовим (сезонним), або з багаторічним підвищенням температур повітря. Основна форма прояву термокарста — утворення западин. Вони як правило заповнені озерами. Їх поперечні розміри від метрів до багатьох кілометрів, глибини — від десятків сантиметрів до десятків метрів.
Найбільш розповсюдженими формами, пов’язаними з перемерзанням вод є наледі. Існують цілі розділи гідрогеології та гідрології суходолу присвячені їх дослідженням. Наледі можна поділяти на наземні та підземні, підмерзлотних, річкових та змішаних вод.
Підземні наледі являють собою лінзи відносно чистого льоду в ядрах пагорбів пучення. Вони поділяються на однорічні (сезонні) — в межах діяльного шару, та багаторічні — гідролакколіти. Перші мають висоти до 2 м і діаметр 60-80 м та більше. Крутизна їх схилів досягає 40°. Крупні багаторічні пагорби пучення з підземною наледдю у ядрі мають місцеву якутську назву — булгунняхи. Основним джерелом гідролакколітів є між- та підмерзлотні напірні води. Вони поступово руйнуються (починаючи з південної сторони). В кінцевому результаті на їх місці утворюються озера протаювання.
Наземні (поверхневі) наледі зустрічаються в ярах, річкових долинах, на привододільних схилах, вододілах. Розміри їх можуть досягати декількох кілометрів квадратних, а потужність десятків метрів. В умовах природного розвантаження підземних вод наледі формуються постійно діючими джерелами, що прив’язані до регіональних зон розломів, або до вододільних інсоляційних таликів. У південній частині зони багаторічної мерзлоти наледі утворюються у підніжжях північних схилів та скелястих уступів гір.
В умовах промерзання водоносних систем зверху наледі формуються за рахунок прориву на поверхню напірних вод. Вони відносно невеликі.
Утворення та розвиток наледей поверхневих вод відбувається при закупорках русел річок шугою та льодом, перемерзанні, просіданні льодового покриву, утворенні торосів, змінах витрат води взимку та ін. Особливими є наледі біля країв льодовиків. Вони одні з найбільших. Також можуть замерзнути талі снігові води.
Наледі досить часто бувають спільного (змішаного) походження — від підземних та поверхневих вод. Розміри та форми наледей змінюються. Поверхня їх горбиста і має тріщини, за якими на поверхню виливається рідка вода. Схема річкової наледі представлена на рис. 2.77. Розповсюдження наледей залежить від характеру багаторічної мерзлоти в цілому та від рельєфу місцевості.
Особливим явищем є повне перемерзання ділянок (верхів’їв) річок, які можуть включати навіть значні водоспади. Взимку ці водоспади існують у замерзлій формі. Руйнування льоду на промерзлих ділянках відбувається своєрідно. Талі води течуть поверх льоду. Лід поступово руйнується і вспливає окремими крижинами, або полями, у першу чергу на перекатах, де він має меншу потужність. На відносно крупних річках може спостерігатися двошарова течія вод (над та під льодом), а при тимчасових похолоданнях навіть трьохшарова. Це одна з найбільш яскравих особливостей режиму таких річок.
2.6.3. Селі
Селями (від арабського — бурхливий потік) називають короткочасні бурхливі паводки на тимчасових, або постійних водотоках з великими похилами дна, що складаються з суміші води і надзвичайно великої кількості рихлоуламкової породи. Розрізнять три основних типи селей: 1) грязеві; 2) грязекам’яні; 3) наносоводні (водокам’яні). Для перших двох видів об’єм твердої речовини складає більше половини загального об’єму суміші. Крім того, у грязевих потоках перева-жають частки наносів з діаметром значно менше ніж 1 мм. Наносоводні потоки вміщують частки різного діаметру, об’єм твердої фази складає менше половини від загального (але більше 20-25%). Наносоводні потоки в основному виникають при проходженні паводку по річці і значному розмиві її дна (зрушенні маси донних відкладів). За різними даними середня густина селевих мас складає від 1100 кг/м3 до 2 000 кг/м3 та дещо більше. Концентрація власне твердого матеріалу в потоці при цьому досягає приблизно 1 600 кг/м3. Вище цієї межі спостерігаються опливини (або, за іншою термінологією, зв’язані селі). Вони виникають внаслідок порушення рівноваги і переходу в стан текучості морен, конгломератних зсувних товщ та інших рихлоуламкових масивів. Їх рух ламінарний (на відміну від турбулентного у основних типів селей), або структурний — коли ядро потоку майже не деформується, а деформації мають місце лише у відносно тонкому градієнтному прошарку. Вони розповсюджуються по відносно невеликих похилах.
Виникненню селей сприяють:
1) достатньо круті схили та значні похили потоків;
2) поєднання умов накопичення значних мас рихлих відкладів з можливостями виникнення інтенсивних злив, або сніготанення;
3) прорив завальних, моренних (прильодовикових), надльодовикових озер, внутрільодовикових порожнин, а також виверження вулканів з льодовиково-сніговим покривом. Вулканогенні селеві потоки («лахари») пов’язані з різким таненням льодовиків та снігів на високих вулканічних конусах під час їх виверження. Існують також «холодні лахари», що пов’язані не з талими а зливовими дощовими водами.
Швидкість руху селей коливається від 2 м/с до 10 м/с та більше. Максимальні витрати можуть досягати декількох тисяч мз/с. Об’єми виносу досягають мільйонів метрів кубічних, а маса окремих брил 10 т та більше. В таких умовах очевидною стає небезпека, яку несуть з собою селі. Їх руйнівна сила пов’язана також з тим, що при зіткненні з перешкодою вони не обтікають її, а, по можливості, пробивають наскрізь, що пояснюється їх гідродинамічними особливостями. Небезпека також пов’язана із можливостями занесення та замулення значних площ.
Селева маса грязевого потоку рухається у вигляді валу, досить крутого у лобовій частині («голова» потоку). Для грязе-кам’яних та водо-кам’яних селевих потоків характерний переривчастий рух кам’яної маси, пов’язаний з періодичним зменшенням та збільшенням швидкостей течії. Це явище обумовлене процесами масових зупинок (осадження) каміння, їх нагромадженням і наступним проривом нагромаджень. Цьому сприяють звуження та повороти русел. Таким чином сель може рухатися декількома хвилями. Висота валів може досягати 2-4 м. Інтервал руху — декілька хвилин. Загальна тривалість селей в основному складає декілька годин, хоча може деколи перевищувати добу. Прориви впливають також на витрати селей.
Швидкість руху та концентрація наносів у селі залежать від об’ємів поступаючої води (величини потоку) та похилу його ложа. Наприклад концентрація наносів, за М.Мостковим, збільшується від 7% до 90% при збільшенні поздовжніх похилів русла від 5‰ до 300‰.
Передбачити початок селю досить важко, оскільки він відбувається під впливом складної системи факторів в умовах потенційної нестабільності рихлих відкладів на крутих схилах. Цим селі подібні до лавин.
Селі виконують ерозійну, транспортну та акумулятивну роботу. Селеві русла характеризуються хаотичним нагромадженням матеріалу, врізаністю, наявністю селевих терас та валів. Останні являють собою берегові вали і складаються з найбільш крупних включень селевої маси. Вони залишаються свідками навіть дуже давніх селевих потоків. В нижній частині течії селі утворюють відклади у вигляді полів та конусів виносу. Положення русла тут дуже нестійке. Відклади можуть формуватися в різних місцевостях (навіть в лісі). Закономірності розвитку таких форм рельєфу ще досліджують.
На Україні селі проявляються в Українських Карпатах, Кримських горах і навіть на крутих схилах Дністровського каньйону. Особливі стю Карпат є абсолютне переважання наносоводних потоків (транспортний процес за Ю.Б. Виноградовим). Їх випадки складають 65% від загальної кількості. Грязеві потоки формуються у 28% випадків (транспортно-здвиговий процес), а грязе-кам’яні лише у 7% випадків (здвиговий процес). Це пов’язано як з відносно малими висотами гір так і зі значною їх обводненістю. Останній фактор впливає також на те, що рихлі маси постійно вимиваються зі схилів. Тому для виникнення селей потрібна дещо більша їх крутизна (до 400-450‰).