Речная гидрология бассейн реки

Основы речной гидрологии

Речная гидрология — это один из разделов гидрологии, науки о водах земного шара и о процессах, происходящих в них. Речная гидрология рассматривает процессы, происходящие только в реках!

Реки — это водные потоки, образовавшиеся в результате соединения атмосферных осадков и грунтовых вод.

Площадь, с которой река собирает воду, называется водосборной или бассейном реки.

Начало реки, т. е. то место, где появляется постоянное русло, называется истоком. Место впадения реки в море, озеро и другую реку является ее устьем.

Если по линии наибольших глубин сделать продольное сечение реки или ее участка и затем выпрямить его, то получится продольный профиль реки (рис. 70, а). Для наглядности при построении профиля вертикальный масштаб берут гораздо крупнее горизонтального. Вследствие этого профиль дна выглядит как зубчатая линия, у которой вершины соответствуют мелким местам (перекатам), а впадины — глубоким (плесам).

Рис. 70.
а) — продольный профиль реки; б) — поперечный профиль долины реки; в) — реечный водомерный пост; 1 — на стенке гидротехнического сооружения; 2 — на одиночной свае

При проведении поперечного сечения долины реки вертикальной плоскостью получим поперечный профиль долины реки (рис. 70, б), в котором можно выделить следующие элементы: а) речную долину — ложбинообразное углубление в земной коре, образованное вековой деятельностью реки; б) русло реки — наиболее пониженную часть долины, занятую речным потоком при средних и низких (меженних) уровнях воды; в) пойму реки — часть дна долины, заполняемую только при высоких уровнях воды.

Уровень реки в течение года не остается постоянным. Обычно он поднимается весной в связи с таянием снега, во время дождевых паводков, таяния ледников и высокогорных снегов. Наблюдают за уровнем реки в определенных пунктах — водомерных постах различного типа (рис. 70, в).

Скорость течения непостоянна во всех точках поперечного сечения реки: у дна она меньше, чем на поверхности, а посредине больше, чем у берегов. Зависит она в основном от уклона реки, глубины и так называемой шероховатости русла. В равнинных реках скорости колеблются в пределах 0,2—3 м/сек, в горных — достигают 6—8 м/сек и более.

Речные воды несут с собой твердые частицы грунта, называемые наносами, которые образуются в результате размыва русла реки и смыва почв с поверхности бассейна.

Часть продуктов размыва при уменьшении скорости потока в среднем течении и низовье начинает оседать на дне, образуя повышенные участки дна — отмели и перекаты. Отмели, примыкающие к одному из берегов, называются прибрежными, а находящиеся посредине реки и не соединяющиеся с берегами — осередками. Длинные и сравнительно узкие отмели называются косами.

Перекат — это наносное образование, обычно представляющее собой косой подеречный вал, пересекающий русло.

Устья рек, впадающих в моря и океаны, подвергаются действию приливов и отливов. Во время прилива морская вода движется вверх по реке, вследствие чего в ее устьевой части изменяются направление и скорость течения. С расстоянием приливное течение затухает. При отливе морская вода начинает двигаться в обратную сторону к устью, и скорость течения реки увеличивается. Передвижение и отклонение наносов во время прилива происходит от моря вверх по реке, а во время отлива — в обратную сторону, причем этом случае наносы выносятся в море наиболее интенсивно.

На режим устья реки, впадающей в море, влияют также сгонно-нагонные колебания уровня и морские волны. Чем больше размеры волн в море, тем выше по реке они распространяются.

В СССР преобладающим типом рек являются реки с весенним половодьем. Для них характерны три основных периода: 1) весеннее половодье; 2) летне-осенний период, в течение которого река питается почти исключительно грунтовыми водами; 3) зимний период, разделяющийся на три фазы: замерзание, ледостав и вскрытие.

Период, когда возможно движение судов, называется навигацией. На большинстве рек в нашей стране навигация продолжается от 170 до 250 дней.

Источник

Лекция. Гидрология рек

Сайт:	Дистанционное образование Казанского федерального университета
Курс:	Гидрология
Книга:	Лекция. Гидрология рек

Напечатано::	Гость
Дата:	Четверг, 10 июня 2021, 12:18

Описание

Лекция 5. Гидрология рек

Оглавление

1. Реки и их распространение на земном шаре

Река — это водоток сравнительно крупных размеров, пи­тающийся атмосферными осадками со своего водосбора и имеющий четко выраженное сформированное самим потоком русло. К рекам обычно относят лишь водотоки с площадью бассейна не менее 50 км 2 . Водотоки мень­шего размера называют ручьями.

Реки — это, как правило, постоянные водотоки, текущие в тече­ние всего года. Однако встречаются реки, которые могут в течение некоторого непродолжительного периода времени перемерзать или пересыхать. Если же водоток пересыхает большую часть года (как, например, сухие долины в пустынях — вади), то такой водоток рекой не считают. К рекам не относятся водотоки, которые не имеют водосбора (как, например, русла, сформированные течениями во время приливов или сгонно-нагонных явлений в приморских рай­онах или на островах). Не являются реками даже крупные водотоки (проливы), соединяющие лагуны с морем. Не могут считаться ре­ками и водотоки с искусственным руслом (каналы).

Наибольшую среди всех рек площадь бассейна имеет Амазонка, наибольшую длину— Нил. Амазонка также самая водоносная река мира (на ее долю приходится 16,6 % стока всех рек). Наиболее крупные реки находятся в Южной Америке, Африке, Азии.

На территории России, по данным РосНИИВХа, более 2,5 млн рек. Из них почти 95 % имеют длину менее 25 км. 2833 рек (0,1 % всех рек) имеют длину от 101 до 500 км и лишь всего 0,008 % рек (их всего 214) —длину более 500 км.

По величине площади бассейна самые крупные реки Рос­сии — это Обь, Лена, Енисей, Амур и Волга; по длине — Енисей, Обь, Лена, Амур. Самые водоносные реки России — это Енисей, Лена, Обь.

2. Типы рек

Реки типизируют по различным признакам, например по раз­меру, условиям протекания, источникам (видам) питания, водному режиму, степени устойчивости русла, ледовому режиму и т. д.

3. МОРФОЛОГИЯ И МОРФОМЕТРИЯ РЕКИ И ЕЕ БАССЕЙНА

Водосбор и бассейн реки

Следует различать водосбор и бассейн реки.

Обычно водосбор и бассейн реки совпадают. Однако нередки случаи и их несовпадения. Так, если в пределах речного бассейна часть территории оказывается бессточной, то она, оставаясь час­тью бассейна, в состав водосбора реки не входит. Такие случаи весьма характерны для засушливых районов с плос­ким рельефом.

Несовпадение границ бассейна, выделяемых по орографическо­му водоразделу, и границ водосбора может быть и в тех случаях, когда границы поверхностного и подземного водосборов не совпа­дают, т. е. когда часть подземного стока либо поступает из-за преде­лов данного бассейна, либо уходит за его пределы.

Бассейны (водосборы) рек, впадающих в один и тот же прием­ный водоем (озеро, море, океан), объединяются соответственно в бассейны (водосборы) озер, морей, океанов. Выделяют главный водораздел земного шара, который разделяет бассейны рек, впадаю­щих в Тихий и Индийский океаны, с одной стороны, и бассейны рек, впадающих в Атлантический и Северный Ледовитый океаны,— с другой. Кроме того, выделяют бессточные области земного шара, откуда находящиеся там реки не доносят воду до Мирового океана. К таким бессточным областям относятся, например, бассейны Каспийского и Аральского морей, включающие бассейны Волги, Урала, Терека, Куры, Амударьи, Сырдарьи.

Морфометрические характеристики бассейна реки

Основными морфометрическими характеристиками речного бас­сейна служат: площадь бассейна, длина бассейна, максимальная ширина бассейна; средняя ширина бассей­на; длина водораздельной линии.

Физико-географические и геологические характеристики бассейна реки

К числу главнейших физико-географических и геологических характеристик речного бассейна относятся:

1) географическое положение бассейна на континенте, которое может быть выражено через удаленность (км) от океана, широту и долготу центра и крайних точек бассейна;

2) географическая зона (зоны) или высотные пояса;

3) геологическое строение, тектоника, физические и водные свой­ства подстилающих грунтов, гидрогеологические условия;

4) рельеф, который может быть охарактеризован количественно через среднюю высоту бассейна и средний уклон бассейна по формуле;

5) климат (характер циркуляции атмосферы, режим температу­ры и влажности воздуха, количество и режим атмосферных осад­ков, испарение);

6) почвенно-растительный покров, который можно охарактери­зовать данными о доли площади бассейна (%), занятой лесами и почвами того или иного типа;

7) характер речной сети;

8) наличие и особенности других водных объектов — озер, бо­лот, ледников.

Важнейшая особенность любого речного бассейна — это сте­пень его преобразования хозяйственной деятельностью.

Река и речная сеть

Совокупность водотоков (рек, ручьев, временных водотоков, ка­налов), водоемов (озер, водохранилищ) и особых водных объектов (болот, ледников) в пределах речного бассейна составляет гидрогра­фическую сеть бассейна. Совокупность естественных и искусствен­ных водотоков называют русловой сетью.

Частью гидрографической (и русловой) сети является речная сеть. Речную систему составляют главная река, впадающая в при­емный водоем (океан, море, бессточное озеро), и все впадающие в нее притоки различного порядка. В качестве главной реки в разных случаях считают либо наиболее длинную реку в бассейне (Волга длиннее более полноводного притока Камы), либо наиболее многоводную реку (Миссисипи при слиянии с более длинной Миссури).

Длина реки, Исток, Устье реки.

Речная сеть по характеру рисунка может быть древовидной (или центрической), прямоугольной, центростремительной и др.

Долина и русло реки

Речные долины по происхождению могут быть тектоническими, ледниковыми и эрозионными.

По форме поперечного профиля речные долины подразделяют на теснины, ущелья, каньоны, У-образные, трапецеидальные, ящикообразные, корытообразные и др. В поперечном профиле долины выделяются склон и

Русла рек по форме в плане подразделяются на прямолинейные, извилистые (меандрирующие), разделенные на рукава, разбросанные (блуждающие).

Основные морфологические элементы русла следующие: излучи­ны, (меандры), осередки, острова, плесы и перекаты, донные гряды.

Полоса в русле реки с глубинами, наиболее благоприятными для судоходства, называется фарватером. Иногда помимо фарватера выделяют линию наибольших глубин. Линии на дне речного русла, соединяющие точки с одинаковыми глубинами, называют изобатами.

Основными морфометрическими характеристиками речного русла являются площадь поперечного сечения со, ширина русла, смоченный периметр.

Продольный профиль реки

Продольный профиль реки — это график изменения отметок дна и водной поверхности вдоль русла. На горизонтальной оси графика откладывают расстояние по длине реки, на вертикальной — абсо­лютные или условные отметки дна (обычно по линии наибольших глубин) и уровня воды. Для продольных расстояний и высот обычно берут разные масштабы.

Разность отметок дна или водной поверхности реки на каком-либо ее участке называется падением. Разность отметок истока и устья реки составляет полное падение реки.

4. ПИТАНИЕ РЕК

Виды питания рек

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. 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.

Классификация рек по видам питания

У каждой реки доля отдельных видов питания может быть различной.

Известный русский климатолог А. И. Воейков был первым, предложившим 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 настоящее время более распространена классификация рек по источникам, или видам питания, М. И. Львовича. Для определения степени преобладания того или иного вида питания приняты три градации. 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 %.

Большая часть рек на территории бывшего СССР 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.

5. РАСХОДОВАНИЕ ВОДЫ В БАССЕЙНЕ РЕКИ

Поступающие на поверхность бассейна дождевые воды, а также талые снеговые и ледниковые воды частично стекают в виде поверхностного (склонового и речного) стока, а частично расходуются на испарение и инфильтрацию.

Потери атмосферных вод на испарение признаются для данного речного бассейна безвозвратными, так как считается, что они уносятся за пределы бассейна воздушными потоками. Воды, поступившие в грунт в результате инфильтрации, считаются «потерями» лишь для данного участка водосбора и для конкретного дождя или пери­ода снеготаяния. Они затем поступят в речное русло в процессе питания реки подземными водами.

Испарение с водной поверхности по своей величине приближа­ется к испаряемости г₀, т. е. максимально возможному при данных климатических условиях испарению, зависящему от радиационного баланса. Испарение с водной поверхности тем больше, чем меньше влажность воздуха (и больше дефицит влажности) и больше ско­рость ветра.

Величина годового испарения с водной поверхности для территории бывшего СССР зависит от природной зоны и в среднем равна: в тундре 200—350 мм, в лесной зоне 350—650, в степной зоне 650 — 1000, в полупустыне и пустыне 1000—1800 мм. Эти ве­личины и составляют потери речного стока на испарение с поверх­ности водотоков (рек и каналов) и водоемов (озер и водохранилищ).

Испарение с водной поверхности в конкретных условиях может быть определено с помощью метода водного баланса с учетом величины снижения в результате испарения уровня воды в естествен­ном водоеме или искусственном испарителе, с по­мощью метода теплового баланса путем расчета теплоты, затрачен­ной на испарение воды, с помощью эмпирических формул.

Испарение с поверхности снега и льда зависит от тех же факто­ров, что и испарение с водной поверхности, но вследствие низкой температуры испаряющей поверхности значительно менее интен­сивно. Оно составляет за зиму всего 20—30 мм, т. е. в десятки раз меньше испарения с поверхности воды.

Для измерения испарения с поверхности снега применяют спе­циальные испарители, при этом используется весовой метод. На практике же обычно применяют эмпирическую зависимость, ана­логичную формуле.

Испарение с поверхности почвы, не покрытой растительностью, определяется метеорологическими условиями и интенсивностью поступления воды к поверхности почвы из более глубоких слоев грунта. При этом испарение осуществляется не только непосред­ственно с поверхности почвы, но и с частиц ниже поверхности почвы и с «капиллярной каймы». Испарение с поверхности почвы обычно тем больше, чем больше влажность почвы, дефицит влажности воздуха и скорость ветра. Оно возрастает после дождей и при повышении уровня грунтовых вод.

Потери воды на испарение с поверхности почвы могут быть определены с помощью почвенного испарителя. Объем испарившейся с почвы воды рассчитывают по изменению массы почвенного монолита, помещенного в испаритель.

Физиологическое испарение растительным покровом (транспирация) включает три стадии: поглощение корневой системой расте­ний почвенной влаги, подъем воды по стеблям, испарение с поверх­ности листьев. С увеличением глубины корневой системы растений и увеличением размеров листьев и густоты лиственного покрова транспирация увеличивается.

Интенсивность транспирации зависит и от типа растительности. Разные растения расходуют различные объемы воды на испарение. У них различно и отношение массы испаряемой ими воды к массе прироста сухого вещества, называемое транспирационным коэффициентом. Этот коэффициент характеризует так называемое продуктивное испарение. Он наибольший у риса, наименьший — у хвойных деревьев.

За вегетационный период растения могут испарять значительные объемы воды. Так, годовой слой испарения для пшеницы составляет 250 — 300 мм, березы— 150—200, хвойных деревьев— 150—300 мм.

Величина транспирации может быть определена следующим образом с помощью почвенного испарителя. Измеряют отдельно суммарное испарение с поверхности почвы и растительности (в этом случае монолит почвы имеет живые растения) и испарение с поверхности почвы под растениями (в этом случае измеряют испарение с монолита почвы, над которым подвешены срезанные растения, чем достигается естественная затененность почвы). Раз­ница в величинах испарения, определенного двумя описанными способами, даст величину транспирации.

Суммарное испарение складывается из испарения с поверхности почвы, транспирации и испарения с крон деревьев (последние два вида испарения часто учитывают совместно). Суммарное испарение играет наиболее важную роль в определении потерь стока в преде­лах речных бассейнов, и его расчету в гидрологии уделяют наи­большее внимание.

Для определения суммарного испарения используют две группы методов. В первой из них применяют зависимости среднего мно­голетнего годового суммарного испарения г от годовых осадков х .

Вторая группа методов основана на использовании эмпирических связей, например средних годовых и месячных величин суммарного испарения с соответствующими значениями температуры и влажности воздуха.

На территории бывшего СССР суммарное испарение изменяется в зависимости от климатических условий местности (количества осадков и радиационного баланса). В среднем для различных при­родных зон характерны такие величины годового суммарного испарения: тундра и лесотундра— 100—300 мм, лесная зона— 300—500, лесостепь и степь—300—500, полупустыня— 150—300 мм.

Чем суше климат, тем больше разница между испаряемостью, или предельно возможным испарением, и фактическим суммарным испарением. В тундре испарение приближается к испаряемости, в пустынях при крайне малых атмосферных осадках оно намного меньше испаряемости. В Сахаре, например, при испаряемости 2000— 2500 мм фактическое испарение менее 100 мм.

Инфильтрация в речных бассейнах зависит от поступления дождевых или талых вод и от фильтрационных свойств подстилающих грунтов.

6. ВОДНЫЙ БАЛАНС БАССЕЙНА РЕКИ

Уравнение водного баланса бассейна реки

С учетом общих положений о водном балансе участка суши и результатов рассмотрения водного баланса различ­ных вертикальных зон в речном бассейне уравнение водного баланса бассейна реки для интервала времени Д в наиболее общем виде представим следующим.

Атмосферные осадки, подземный приток и искусственный поверхностный приток из-за пределов бассейна составляют приходную часть уравнения водного баланса] поверхностный и подземный стоки за пределы бассейна и испарение объединяются в расходную часть уравнения водного баланса.

Если приходная часть превышает расходную (например, зимой при накоплении снега, в период дождей и т.д.), то запасы воды в бассейне увеличиваются и Дм>0. Если, наоборот, расходная часть больше приходной (например, в период снеготаяния, в межень, когда река питается в основном подземными водами), то запасы воды в бассейне истощаются («срабатываются») и Д 3 , км 3 ), отнесенные к какому-либо интервалу времени (месяц, сезон, год).

Уравнение водного баланса отличается от традиционно используемого уравнения введением члена, учитывающего искусственный приток извне у. В современных условиях, когда начинает активно использоваться межбассейновое перераспределение стока, не учитывать это обстоятельство при составлении и анализе урав­нения водного баланса речных бассейнов уже нельзя.

7. ВОДНЫЙ РЕЖИМ РЕК

Виды колебаний водности рек

Под водным режимом рек понимают закономерные изменения стока воды, скорости течения, уровней воды и уклонов водной поверхности, прежде всего во времени, но также и вдоль реки.

Водный режим рек зависит от комплекса физико-географических факторов, среди которых важнейшая роль принадлежит факторам метеорологическим и климатическим. Поскольку эти факторы на Земле подвержены целой гамме разнопериодных изменений, в водном режиме рек (как, впрочем, и других объектов гидросферы, о чем речь шла во Введении) также проявляются колебания различной длительности.

Изменения режима реки характеризуются прежде всего колебаниями ее водности. Водность — это количество воды, переносимое рекой за какой-либо интервал времени (месяц, сезон, год, ряд лет) в сравнении со средней многолетней величиной стока воды этой реки или со стоком в другие периоды. Понятие «водность реки» используется для оценки изменений стока данной реки.

От понятия «водность реки» следует отличать понятие «водо­носность реки». Водоносность — это величина среднего многолетнего стока реки (м 3 /с, км 3 /год); это понятие используют для сравне­ния величины стока воды разных рек.

В водном режиме и водности рек выделяют прежде всего веко­вые, многолетние, внутригодовые (сезонные) и кратковременные колебания.

Вековые колебания водности рек отражают вековые изменения климатических условий и увлажнения материков с периодом сотни и тысячи лет. О вековых колебаниях водности рек известно мало, хотя палеогеографические исследования свидетельствуют о том, что в истории различных регионов планеты были периоды, когда вод­ность рек была существенно больше, чем сейчас. Недавние палео- г идрологические исследования показали, что в Европе водный сток Рек увеличивался в холодные и влажные периоды. Такими были, например, 1400-1300, 900-300 гг. до н.э., 400-750, 1150-1300, 1550—1850 гг. н.э. Последние упомянутые годы характеризовались активным наступанием ледников в Альпах и получили название «малого ледникового периода». Наоборот, в теплые и засушливые годы водный сток рек уменьшался. В Европе к таким периодам относят, например, 900—1100 гг., названные «средневековым кли­матическим оптимумом».

Многолетние колебания водности рек также имеют в основном климатическую природу. Периодичность таких колебаний — десятки лет. О многолетних изменениях водности за последние 50— 100 лет известно значительно больше, чем о вековых колебаниях. Данные непосредственных наблюдений свидетельствуют о том, что многолетним колебаниям подвержен и суммарный сток всех рек земного шара и сток отдельных рек.

Для характеристики многолетних колебаний стока рек обычно используют четыре приема: 1) сравнивают средний сток реки за некоторые характерные периоды; 2) анализируют многолетние изменения средних годовых расходов воды реки; 3) проводят «сглаживание» колебаний стока путем 5- или 6-летнего скользящего осреднения; 4) строят так называемую нормированную разностную интегральную кривую годового стока (НРИК).

При анализе многолетних колебаний водности рек следует раз­личать естественную и антропогенную изменчивость. Первая из них обусловлена лишь климатическими факторами, вторая — искусствен­ным изменением стока (забором вод на хозяйственные нужды, безвозвратными потерями стока, сопутствующими преобразованию режима рек, например, после создания водохранилищ).

Внутригодовые (сезонные) колебания водности рек обусловлены сезонными изменениями составляющих водного баланса речного бассейна. В течение года реки, находящиеся в разных географических зонах, испытывают различные чередования много- и маловодных периодов.

Кратковременные колебания водности рек могут быть прежде всего естественными и обусловленными как метеорологическими факто­рами (ливневые дожди, колебания температуры воздуха в леднико­вых районах), так и геологическими процессами (спуск вод ледниковых озер в результате прорыва морен на реках с ледниковым питанием, запруживание рек в результате горных обвалов и др.).

Кратковременные колебания водности рек могут быть обуслов­лены и антропогенными факторами. К числу таких колебаний относятся попуски в нижние бьефы гидроузлов.

Когда говорят о колебаниях водности рек, то имеют в виду прежде всего изменения стока воды. При этом график изменения расхода воды (м 3 /с) в данном створе реки в течение года называют гидрографом реки. Однако одновременно с изменением стока воды в реках изменяются и другие характеристики, например скорость течения и уровень воды, т. е. высота поверхности воды в данном створе реки. В большинстве случаев колебания уровня воды следуют за колебаниями стока и ими определяются. Объясняется это существованием закономерных связей расходов и уровней воды в реках. Однако в некоторых случаях колебания уровней воды в реках могут быть не связанными с изменением стока, например при ледовых явлениях на реках, интенсивных процессах размыва дна или аккумуляции наносов, сгонно-нагонных и приливных яв­лениях в устьях рек. График изменения уровня воды во времени гидрографом называть нельзя.

Гидрологические наблюдения на реках обычно начинают с измерения уровней воды. Измерения проводят на реечных, свайных и автоматических (оборудованных самописцами уровня воды) гидрологических (водомерных) постах.

Измерения скоростей течения ведут на реках в основном с по­мощью поплавков или специальных приборов (гидрометрических вертушек), регистрирующих число оборотов лопастного винта. В последние десятилетия для измерения скоростей течения стали также применять ультразвуковые установки, фиксирующие различие в рас­пространении ультразвука по течению и против него, и термогидрометры, основанные на измерении теплообмена между потоком и чувствительным элементом.

Важной задачей гидрологов является измерение расходов воды в реках. Наиболее распространенный способ заключается в изме­рении скоростей течения с помощью гидрометрических вертушек на ряде вертикалей в потоке и площадей сечения между ними и называется «скорость —площадь».

Фазы водного режима рек. Половодье, паводки, межень

Во внутригодовом (сезонном) режиме рек выделяют ряд характерных периодов (фаз) в зависимости от изменения условий питания и особенностей водного режима. Для большинства рек мира различают следующие фазы водного режима: половодье, паводки, межень.

Половодье — это фаза водного режима реки, ежегодно повторя­ющаяся в данных климатических условиях в один и тот же сезон и характеризующаяся наибольшей водностью, высоким и продолжительным подъемом уровня воды. Оно часто сопровождается вы­ходом воды на пойму; формируется как талыми снеговыми, так и дождевыми водами. Таяние снега на равнинах вызывает ве­сеннее половодье; таяние высокогорных снегов и ледников, а также выпадение длительных и сильных летних дождей (например, в условиях муссонного и тропического климата) — полово­дье в теплую часть года (т. е. весенне-летнее или летнее половодье). Половодье, особенно обусловленное дождями, нередко имеет многовершинную форму.

Паводок — это фаза водного режима, которая может многократно повторяться в различные сезоны года и характеризуется интенсивным, обычно кратковременным увеличением расходов и уровней воды и вызывается дождями или снеготаянием во время оттепелей.

В отдельных случаях расход воды паводка может превышать расход воды половодья, в особенности на малых реках. Различают одно- и многопиковые паводки, одиночные паводки и паводочные периоды, когда на реке проходят серии паводков. Иногда паводок накладывается на волну половодья. Кратковременные резкие паводки, в частности вызванные не метеорологическими факторами, относят уже не к сезонным фазам режима реки, а к кратковременным его нарушениям.

В половодья (как весеннее, так и летнее) часто происходит заливание речной поймы. За исключением катастрофических случаев заливание поймы — событие обычное, регулярное и поэтому не может быть неожиданным для населения и хозяйства. В отличие от половодья паводки обычно менее регулярны и трудно предсказуемы. Поэтому именно неожиданные дождевые паводки и приводят нередко к катастрофическим последствиям

Количественная оценка доли различных видов питания в формировании стока обычно осуществляется с помощью графического расчленения гидрографа по видам питания.

Рис. 1. Схема расчленения гидрографа реки по видам питания

Классификация рек по водному режиму

Вопросами классификации рек по водному режиму занимались многие исследователи.

Широко распространена довольно простая классификация рек по водному режиму Б. Д. Зайкова. В этой классификации все реки бывшего СССР (исключая искусственно или естественно сильно зарегулированные) разделены на три большие группы: с весенним половодьем, с половодьем в теплую часть года и с паводочным режимом. У рек первой и второй групп ежегодно наблюдаются повышенные расходы воды, приуроченные, соответственно, к весне или к теплой части года. В остальную часть года наблюдаются межень и отдельные паводки. У рек третьей группы отмечаются паводки, носящие систематический характер.

Реки с весенним половодьем, обусловленным таянием снежного покрова, наиболее распространены на территории бывшего СССР. Реки этой группы подразделены Зайковым на пять типов.

Реки с половодьем в теплую часть года встречаются на Дальнем Востоке и в высокогорных областях Средней Азии и Кавказа. Реки этой группы подразделяются на два типа.

Реки с паводочным режимом протекают в горных и предгорных районах Крыма, Кавказа, Карпат. Питание у рек этой группы в основном дождевое. Среди этих рек выделяют три типа паводки в теп­лую и низкая межень в холодную части года.

8. РЕЧНОЙ СТОК

Составляющие речного стока

Сток в широком смысле — это главный элемент материкового звена глобального круговорота вещества и энергии. Сток включает поверхностную и подземную части. Поверхностный сток, в свою очередь, состоит из речного стока и стока льда покровных лед­ников.

Речной сток включает сток воды, сток наносов, сток растворен­ных веществ и сток теплоты.

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; изучение стока воды — главная задача гидрологии суши. 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 (наносов, 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 (при этом имеется в виду лишь сток растворенных минеральных веществ).

Сток теплоты (тепловой сток) — это процесс переноса вместе с речными водами теплоты и его количественная характеристика.

Очевидно, что из перечисленных четырех составляющих речно­го стока главнейшая — сток воды, без которого невозможны и другие виды стока. Сток воды — процесс, определяющий все другие виды перемещения вещества и энергии в речных системах, их движущая сила. Сток же наносов, растворенных веществ и теплоты зависит как от стока воды (носителя других компонентов речного стока) и его количественных характеристик, так и от содержания наносов, растворенных веществ и теплоты в единице стока воды.

Факторы и количественные характеристики

Об основных природных и антропогенных факторах, опреде­ляющих сток воды, уже много говорилось выше, в частности, когда речь шла о питании рек. Это прежде всего факторы климатические, а также факторы подстилающей поверхности и хозяйственная деятельность человека . Рассмотрим теперь основные количественные ха­рактеристики самого стока воды, применяемые в гидрологии: расход воды, объем стока, слой стока, модуль стока, коэффициент стока.

Главнейшая характеристика стока воды реки — это расход воды, т.е. объем воды, протекающей через поперечное сечение потока в единицу времени Измерениями определяют лишь средний расход воды в данном гидрометрическом створе за время измерения (на больших реках это может быть интервал времени, измеряемый часами). Процесс измерения расходов воды на реках довольно трудоемок, и поэтому число измерений в течение года обычно ограничено.

К числу характерных расходов воды относят расходы различных фаз водного и ледового режима реки, например максимальные (пиковые) расходы воды половодья и паводков, минимальные расходы воды межени, расходы воды в начале весеннего ледохода и т.д.

Расходы воды реки подвержены непрерывным изменениям. В гидрологии рек существуют два основных подхода при анализе их изменений. При первом — генетическом — анализируют причины изменения стока, выявляют связь колебаний стока с определяющими, в основном климатическими факторами. При втором — вероятностном — оценивают вероятность наступления на дан­ной реке тех или иных расходов воды: чем больше отличается расход воды реки в данный момент в большую или меньшую сто­рону от некоторой средней величины («нормы»), тем меньше веро­ятность такого явления. В гидрологии разработана целая система специальных методов статистической и вероятностной оценки ко­лебаний речного стока при наличии, недостатке и отсутствии дан­ных наблюдений. Такие расчеты оказываются необходимыми при проектировании и строительстве различных гидротехнических со­оружений на реках.

Объем стока воды — это объем воды, прошедшей через данное поперечное сечение речного потока за какой-либо интервал времени. Расход воды поэтому можно считать объемом стока воды за 1 с.

Слой стока—это количество воды, стекающее с водосбора за какой-либо интервал времени, равное толщине слоя, равномерно распределенного по площади водосбора и выраженного в миллиметрах:

Модуль стока воды — это количество воды, стекающее с едини­цы площади водосбора в единицу времени.

Коэффициент стока — отношение величины (объема или слоя) стока к количеству выпавших на площадь водосбора атмосферных осадков, обусловивших возникновение этого стока.

Коэффициент стока обычно рассчитывают для средних многолетних величин слоя стока и слоя осадков, либо для гидрологического года. Иногда рассчиты­вают коэффициент стока и за половодье; в этом случае слой стока за половодье делят на слой воды, складывающийся из атмосферных осадков на период половодья и запасов воды в снежном покрове, накопившемся за предшествующую зиму. Напомним, что коэффи­циент стока — величина безразмерная, изменяющаяся от 0 до 1.

Пространственное распределение стока воды

на территории СНГ

Поскольку сток воды — результат сложного влияния физико-географических (прежде всего климатических) и геологических условий, а эти условия изменяются в пространстве, то и величина стока воды распределена по территории Земли неравномерно. Получить объективное представление о пространственном распределении стока можно двумя путями: 1) анализируя изменение расхода воды или объема стока вдоль реки; 2) рассматривая распределение по терри­тории характеристик стока, не зависящих от площади бассейна и поэтому допускающих их картографирование, т. е. слоя, модуля и коэффициента стока. В качестве примера первого подхода к ана­лизу пространственного распределения стока можно привести бас­сейн Волги, а второго подхода — распределение среднего многолет­него слоя стока (в мм) по территории СНГ.

Характерными особенностями изменения стока воды вдоль те­чения Волги является скачкообразное увеличение стока после впа­дения таких крупных притоков, как Молога, Кострома, Унжа, Ока, Сура, Ветлуга и особенно Кама.

Наиболее характерные особенности распределения среднего многолетнего годового слоя стока по территории СНГ следующие: 1) широтная зональность, особенно хорошо выраженная в равнин­ных областях СНГ и проявляющаяся в закономерном уменьшении слоя стока с севера на юг, например, от 300—400 мм на севере Европейской территории России до 5—20 мм в Прикаспии и Сред­ней Азии (исключение составляют лишь районы Крайнего Севера, где вместе с уменьшением осадков отмечается и некоторое умень­шение стока); 2) уменьшение величины стока с удалением от ис­точников влаги — от Атлантического океана, а на Дальнем Востоке от Тихого океана, проявляющееся, в частности, в уменьшении стока с запада на восток на большей части территории (от 200—300 до 50— 100 мм) и в увеличении стока в приморских районах Дальнего Востока (до 400—600 мм, а на Камчатке и до 1800 мм); 3) увели­чение стока в горных и предгорных районах, например, до 1000 мм на Карпатах, 1200 мм на Урале, 3000 мм на Кавказе, 1000—1500 мм на Памире и Тянь-Шане, 800 мм на Алтае и т.д., а также и на небольших возвышенностях.

Источник