Река и речная система. Характеристики реки и ее бассейна. Речная долина

Река– это водоток, имеющий течение в продолжении большей части года, получающий питание со своего водосбора и имеющий четко выраженное русло, сформированное самим водотоком. Родник, дающий начало реки, или выход речного потока из озера, болота, ледника – исток реки. Место (створ) впадения реки в другую реку или приемный водоем (море, озеро) – устье реки. На крупных реках выделяют верхнее, среднее и нижнее течение.

Основные морфометрические характеристики (параметры формы) реки в целом – ее длина и площадь водосбора (бассейна).

Водосбор реки – часть земной поверхности и толщи почв и грунтов, откуда данная река получает свое питание. Бассейн реки - это часть суши, по которой протекает данная река со всеми ее притоками, включая временные водотоки, и ограниченная водоразделом. Бессточные территории внутри бассейна в водосбор не входят. В районах достаточного увлажнения водосбор и бассейн, как правило, совпадают. (Бессто́чная о́бласть — часть суши, не имеющая связи через речные системы с Мировым океаном.)

Совокупность последовательно сливающихся ручьев, речек и рек, образующих все более крупные водотоки, называют речной системой(речной сетью). В речной системе можно выделить главную реку, впадающую в море или бессточное озеро, и последовательность притоков различного порядка.

Густота речной сети определяется как отношение длины рек l на площади к этой площади (площади бассейна) F: .

По площади бассейна реки подразделяют:

большие – F>50000 км ;

средние – F=2000-50000 км ;

малые – F<2000 км .

Большая река обычно пересекает две и более природных зоны, гидрологический режим средней реки отражает условия одной зоны или подзоны, режим малых рек в значительной мере определяется местными условиями.

По длине (L) к малым рекам относят обычно реки длиной от 10 до 100 км (иногда до 200), реки длиной до 10 км часто называют ручьями.

Различают физико-географические и морфометрические характеристики бассейнов. К первым относятся:

- географическое положение (географические координаты, близость к морям, пустыням, горным хребтам);

- климатические условия (атмосферные осадки, температура, дефицит влажности воздуха);

(Дефицит влажности - разница между давлением насыщенного пара и давлением пара [Па], то есть между максимальной и абсолютной влажностью воздуха [г/м³]. Абсолютная влажность воздуха - масса водяного пара, содержащаяся в единице объёма воздуха, то есть плотность содержащегося в воздухе водяного пара,[г/м³]; в атмосфере колеблется от 0,1-1,0 г/м³(зимой над материками) до 30 г/м³ и более (в экваториальной зоне). Максимальная влажность воздуха (граница насыщения) - количество водяного пара, которое может содержаться в воздухе при определённой температуре в термодинамическом равновесии (максимальное значение влажности воздуха при заданной температуре),[г/м³]. При повышении температуры воздуха его максимальная влажность увеличивается.)

- геологическое строение и почвенный покров (трещиноватость горных пород, карстовые явления, механический состав грунтов, водопроницаемость почв и др.);

- рельеф водосбора (уклоны поверхности земли, влияющие на скорость стекания воды);

- растительный покров (виды растительности);

- промерзание почвогрунтов (географическое распространение мерзлоты, слой сезонного промерзания, толщина вечной мерзлоты);

- степень залесенности, выражаемая коэффициентом залесенности - отношением площади лесов к площади бассейнов ;

- озерность бассейна, выражаемая коэффициентом озерности - , где - площадь зеркала озер;

- заболоченность бассейна, выражаемая коэффициентом заболоченности - .

К морфометрическим характеристикам бассейнов относятся параметры формы речного водосбора (бассейна): площадь, длина, наибольшая и средняя ширина, средняя высота, средний уклон поверхности, коэффициент асимметрии.

Речные долины – это относительно узкие углубления земной поверхности, образованные в результате тектонических деформаций и деятельности ледников, а также последующего формирования под действием непрерывно текущей воды.

Элементы речной долины:

русло – наиболее низкая часть долины, занятая рекой в маловодные периоды года;

пойма – часть долины, заливаемая при самом высоком уровне воды;

надпойменные террасы – относительно плоские участки долины, представляющие собой остатки пойм на предшествующих этапах развития долины;

коренные берега – склоны долины выше самой высокой террасы.

Русло и пойма образуют дно долины, террасы и коренные берега - склоны долины.Высота поймы, террас, коренных берегов – превышение их бровок над уровнем воды в маловодный период года.

Основное различие между руслом реки и поймой в том, что границы русла реки четко определяются берегами и бровками русла. Пойма не имеет таких четких границ на склонах долины, так как высота паводков и половодьев постоянно меняется.

Типы долин по генезису – тектонические, ледниковые, эрозионные; по форме поперечного профиля - каньоны, ущелья, V-образные, корытообразные (троги), трапециевидные, ящикообразные.

Продольный профиль реки – график изменения отметок водной поверхности и дна по длине реки.

Падение реки – разность отметок водной поверхности или дна ( ) на каком либо участке реки. Полное падение - разность отметок водной поверхности или дна между истоком и устьем реки. Уклон реки (I) – отношение падения реки на участке к его длине, выражается в долях единицы или промилле (‰). Для средних по размеру равнинных рек, как правило, I<1‰, для горных – до нескольких десятков ‰.

Типы продольного профиля: вогнутый, прямолинейный, выпуклый, ступенчатый.

Главный базис эрозии реки – уровень приемного водоема или водотока.

Вдоль долины главной реки в каждой речной системе могут быть выделены три характерные зоны (рисунок 8):

I – зона эрозии с наибольшими продольными уклонами (верховья рек) характеризуется систематическим выносом наносов с постепенной врезкой дна русла в коренные породы;

Рисунок 8 – Характерные зоны (I-III) долины главной реки

II – зона транзита в среднем течении рек характеризуется постоянством уклонов и средних высот (отметок) дна русла;

III – зона аккумуляции (устья рек) отличается избыточным поступлением наносов, обеспечивающим систематическое наращивание высот дна.

В зоне эрозии под действием расхода происходит процесс врезки реки в коренные породы с соответствующим выносом наносов на нижележащие участки. Дно медленно понижается с соответствующим уменьшением уклонов . Врезание заканчивается там, где уклон долины настолько мал, что река уже не может размывать коренные породы.

В зоне транзита уклоны и высоты дна не меняются, идет перемещение наносов. В связи с увеличением площади водосбора растет расход , а уклон реки оказывается меньше, чем в зоне эрозии: .

В зоне аккумуляции речной поток не в состоянии переносить все поступающие сверху наносы, поэтому река, постепенно наращивая высоты дна и уровни воды, стремится создать повышенный уклон . Расход воды может возрастать в связи с ростом площади водосбора, но может и уменьшаться в связи с отсутствием притоков на устьевом участке и распластыванием паводка.

Устья главных рек бывают разных типов (рисунок 9).

Дельта – устья рек, впадающих в бессточные озера, либо моря с незначительными приливно-отливными явлениями, например, р. Волга.

Губа – устья рек, впадающих в приливно-отливные моря и океаны, например, р. Ока. Губа непрерывно растет вверх по течению вследствие размывов льда, происходящих в связи с резкими отливами. В море (океане) напротив губы обычно формируется остров, сложенный продуктами размыва русла реки при формировании губы.

Лиман – устья рек, образовавшихся в результате геологических катастроф, например, рек Днепр и Буг.

а – дельта; б – губа; в – лиман

Рисунок 9 – Характерные устья главных рек

Реки ведут себя по-разному в пределах каждой характерной зоны и формируют долины разного строения, что должно обязательно учитываться при проектировании, например, мостовых переходов (рисунок 10).

В зоне эрозии реки протекают по узким долинам – каньонам. При этом происходит необратимое врезание русла в современный аллювий или коренные породы с соответствующим выносом продуктов размыва на нижележащие участки реки и уменьшением продольных уклонов. Долины рек в зоне эрозии относительно узкие, они характеризуются высоким залеганием коренных пород и небольшой толщиной аллювиальных отложений (руслоформирующих наносов). Темп необратимого понижения дна реки (и соответственно уровней воды) оценивают по результатам измерений высот (отметок) дна или уровней воды за разные годы.

Тогда общее необратимое понижение за расчетный срок службы моста , которое обязательно нужно учитывать при фундировании опор, будет равно:

,

где - измеренное понижение дна (или уровней воды) за период Т лет.

а – в зоне эрозии; б – в зоне транзита; в – в зоне аккумуляции;

1 – коренные породы; 2 – древний аллювий; 3 – наилок поймы;

4 - современный аллювий; 5 – дамбы обвалования

Рисунок 4 – Строение долин рек в разных характерных зонах

В зоне транзита наносы, приносимые с верховий реки, полностью транспортируются потоком на нижележащие участки. При этом уклоны и размеры русел рек остаются неизменными в течение многих десятилетий. Долины рек в зоне транзита характеризуются, как правило, большой шириной, существенной толщиной аллювиальных отложений и сравнительно глубоким залеганием не размываемых коренных пород. Непосредственно выше коренных пород залегает древний аллювий, образовавшийся на ранних этапах (в древний период) формирования реки. Выше залегает толща несвязного современного аллювия, периодически переносимого речным потоком. Еще выше залегают связные грунты наилка поймы.

К количественной характеристике речной сети относится ее густота . Густотой речной сети называется длина речной сети, приходящаяся на единицу площади какой-либо территории. Можно подсчитать густоту речной сети в пределах бассейна реки. Тогда получим густоту речной сети для данной речной системы: ,

где - длина всех водотоков (км) на рассматриваемой площади F (км ).

Густота речной сети увеличивается с ростом атмосферных осадков и убывает с увеличением водопроницаемости почвы, заболоченности и залесенности территории. Корневая система растений способствует водопроницаемости почвы.

Влияние заболоченности на густоту речной сети выражается зависимостью Н.Н. Захаровской:

,

где - густота речной сети бассейна;

- средняя густота речной сети региона, найденная по большому числу бассейнов, входящих в данный регион, в том числе и незаболоченных бассейнов;

- коэффициент заболоченности;

е – основание натуральных логарифмов;

А, В, К – параметры уравнения.

В равнинных условиях русла практически всех рек (кроме отдельных крупных) в плане извилистые. Степень извилистости русла характеризуется коэффициентом извилистости русла:

,

где L – длина реки на рассматриваемом участке;

- длина прямой от начала до конца участка.

Длина реки обычно отсчитывается от истока вниз по течению по линии наибольших глубин. Положение этой линии определяет фарватер, по которому осуществляется судоходство.

Фарватер, проходящий по главным рукавам реки, называют главным фарватером. Линию с наиболее низкими отметками дна русла реки называют тальвегом реки.

Участок извилистого речного русла между двумя смежными точками перегиба его осевой линии называется излучиной реки.

Характерная для равнинных рек форма донного рельефа, сложенная наносами и обычно в виде широкой гряды пересекающая русло под углом к общему направлению течения, вызывающая отклонение его от одного берега к другому, называется перекатом.

Глубоководный участок реки, находящийся между перекатами, называется плесом.