Питание, водный режим рек, водный баланс речного бассейна.

Источники питания рек – дождевые, снеговые, ледниковые и подземные воды.

Дождевое питаниепреобладает в теплом поясе и в районах умеренного пояса с муссонным климатом. Доля стекающих дождевых осадков увеличивается при выпадении на увлажненную почву.

Снеговое питаниепреобладает в холодном и умеренном поясах. Стеканию снеговых вод способствуют повышенная интенсивность снеготаяния, зимнее промерзание грунта и особенно наличие ледяной корки на почве.

Ледниковое питание происходит в результате таяния ледников. Основные факторы – площадь водосбора, занятая ледниками, и температура воздуха.

Подземное питание – поступление в реку грунтовых и межпластовых вод (сток в реки почвенных вод и верховодки условно относится к поверхностному питанию). Зависит от геологического строения и распространения в бассейне водопроницаемых почв, трещиноватых пород, от лесистости.

Основной отрицательный фактор формирования стока - испарение с поверхности бассейна, включающее транспирацию, физическое испарение с поверхности почвы и пустот внутри почвы, с поверхности водных объектов. Испарение зависит от температуры воздуха и испаряющей поверхности (воды, льда, снега), влажности воздуха, скорости ветра, глубины залегания подземных вод. Для транспирации кроме указанных факторов важен вид растительности, для испарения с ледников – их высотное положение и, следовательно, атмосферное давление. Перечисленные факторы определяют потенциальную возможность испарения, называемую испаряемость. Фактическое испарение лимитируется наличием испаряющейся влаги. Для водной поверхности рек, озер и ледников испарение практически равно испаряемости. В пустынях тропического пояса испаряемость наибольшая, а испарение наименьшее. В полярных странах испаряемость наиболее низкая; испарение практически равно испаряемости.

Естественный водный баланс речного бассейна:

,

где x – осадки на поверхность бассейна, z – суммарное испарение с его поверхности, y –речной сток, w₁ – приток подземных вод, получающих питание за пределами данного бассейна, w₂ – отток подземных вод, сформировавшихся в данном бассейне, за его пределы не в составе речного стока, – изменение запасов воды в бассейне, содержащейся в подземных водоносных горизонтах, в почве, в водоемах и русловой сети, в снежном покрове и ледниках.

При наличии антропогенного влияния в уравнение водного баланса вводятся соответствующие составляющие.

В среднем за многолетний период в целом за год =0, величины w₁ и w₂имеют значение, как правило, лишь для части малых рек, поэтому уравнение водного баланса можно записать в простом виде:

x = z + y.

Фазы водного режима рек: половодье, паводки, межень.

Половодье – это фаза, ежегодно повторяющаяся в данных климатических условиях в один и тот же сезон и характеризующаяся наибольшей водностью, высоким и продолжительным подъемом уровня воды.

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. Иногда паводок накладывается на волну половодья.

Межень – это фаза водного режима, ежегодно повторяющаяся в один и тот же сезон, характеризующаяся малой водностью, длительным стоянием низкого уровня и возникающая вследствие уменьшения питания реки. Основной источник питания, как правило, подземные воды.

Классификация рек территории бывшего СССР по водному режиму Б.Д. Зайкова:

- реки с весенним половодьем; типы: а) казахстанский, б) восточноевропейский, в) западносибирский, г) восточносибирский, д) алтайский;

- реки с половодьем в теплую часть года; типы: а) дальневосточный, б) тянь-шаньский;

- реки с паводочным режимом; типы: а) причерноморский, б) крымский, в) северокавказский.

Факторы формирования среднего многолетнего стока:

а) климатические - количество осадков и величина испарения, связанные с планетарными условиями - общий перенос влаги, траектории циклонов, влияние океана и морей.

б) подстилающей поверхности рельеф, геология, почвы, растительность, хозяйственная деятельность.

Общие закономерности изменения стока по территории можно проследить на примере распределения стока на европейской части бывшего СССР. На широтах 60-65˚ наблюдается «климатический гребень» стока со значениями 350-400мм. Отсюда понижение стока к северу до 300-350мм из-за уменьшения осадков при более медленном уменьшении испарения. На севере Кольского полуострова повышение стока под влиянием относительно теплого Баренцева моря. Понижение стока к югу до 50-100мм в степной зоне, до 20мм на побережье Азовского моря и 5мм в Прикаспийской низменности, связанное с уменьшением осадков и увеличением испаряемости. Некоторое увеличение стока на возвышенностях (Валдайская, Донецкий кряжи др.) и существенное в горах – в Крыму с 20 до 150мм, на Кавказе до 2000-3000мм.

Движение воды в реках.

Средняя для поперечного сечения скорость течения определяется по формуле Шези:

,

где I – продольный уклон, R – гидравлический радиус, h_ср – средняя глубина в сечении, C – коэффициент Шези: С = /n (n – коэффициент шероховатости, зависящий от неровностей дна, водной растительности, извилистости русла).

Поперечная циркуляция воды возникает при наличии перекоса уровня по ширине реки, что обычно связано с центробежной силой на повороте реки. Происходит повышение воды и гидростатического давления у вогнутого берега. В результате в придонных слоях возникает течение, направленное в сторону выпуклого берега. В поверхностных слоях поперечное течение направленно от выпуклого берега к вогнутому. Поперечные течения, складываясь с основным продольным переносом воды, создают спиралевидное движение.

Если на прямолинейном участке реки скорость течения обычно уменьшается от середины к берегам, то на повороте реки струи с максимальной скоростью течения смещаются к вогнутому берегу.

При нормальном распределении скоростей течения по глубине их максимальные значения наблюдаются в слое от поверхности воды до глубины 0,2h. На глубине 0,2h она примерно равна средней скорости на вертикали, минимальное ее значение (не равное нулю) наблюдается у дна. При ледяном покрове максимум скорости смещается примерно на глубину 0,6h. Под воздействием ветра, неровностей дна, водной растительности нормальное распределение скоростей течения нарушается.

Линии, соединяющие точки в поперечном сечении реки с одинаковой скоростью течения называются изотахами.

Речные наносы и русловые процессы.

Характеристики речных наносов:

– мутность воды (s г/м³) – количество взвешенных веществ (m) в единице объема воды (V), ;

– геометрическая крупность наносов (D мм) – размер взвешенных или влекомых частиц (условный диаметр);

– гидравлическая крупность наносов(ω мм/с) – скорость осаждения частиц в неподвижной воде.

Взвешенные наносы переносятся при условии v_в.в. > ω, где v_в.в. – вертикальная составляющая турбулентного потока, направленная вверх.

Перемещение влекомых наносов происходит при условии v_дно > v_дно,0, где – v_дно скорость течения у дна, v_дно,0 - начальная скорость, при которой частица на дне теряет свою устойчивость, зависящая от размера и плотности частиц наносов, шероховатости дна и др. Согласно закону Эри, вес частицы (F_g), приходящей в движение по дну под воздействием водного потока пропорционален шестой степени скорости течения у дна:

F_g = Av_дно⁶,

где A - коэффициент пропорциональности.

Расход наносов (R кг/с) - количество твердых веществ (в кг), проносимое через поперечное сечение реки за 1 с.

Сток наносов – количество твердых веществ, проносимое через поперечное сечение за некоторый интервал времени (Δt).Сток взвешенных наносов W_в.н. = тонн, где R_ср – средний расход наносов. За год W_в.н. =R_ср∙31,54∙10³тонн. Сток влекомых наносов обычно составляет 5-10% от общего стока наносов.

Русловые процессы - постоянно происходящие изменения размеров и положения в пространстве отдельных русловых образований в результате взаимодействия речного потока и русла.

Русловые образования - скопления отложившихся наносов, создающих специфические формы рельефа русла и поймы. Различают микро-, мезо- и макроформы.

Кмикроформам относятся гряды, высота которых значительно меньше глубины реки; самые мелкие гряды высотой в несколько сантиметров – рифели.

Мезоформы:

перекат - крупная русловая гряда по всей ширине русла, расположенная перпендикулярно к нему (нормальный перекат) или под углом (косой перекат); относительно глубокие участки русла между перекатами называются плесами;

ленточная гряда - крупная гряда, занимающая всю ширину русла или значительную его часть, обычно дугообразной формы с выпуклостью вниз по течению;

побочень – отмель (относительно мелкое пространство), примыкающая к берегу и обсыхающая в межень;

осередок – отделенная от берегов подвижная отмель обычно вытянутой формы, обсыхающая в межень;

коса – гряда, примыкающая в верхней (по течению) части к берегу и вытянутая вдоль русла под углом к берегу;

пляж – скопление речных отложений на выпуклой стороне излучины;

остров – относительно стабильное образование, закрепленное растительностью, частично затапливаемое при высоком уровне воды.

Макроформы: речная излучина, система протоков, система осередков (рис.14).

Излучина (меандра) – изгиб русла реки в плане. Излучины характерны для типа извилистого русла. В процессе развития кривизна излучины увеличивается, в итоге происходит прорыв ее перешейка и образование старицы, т.е. отделенной от русла излучины.

Система проток (рукавов) между островами, свойственная типу многорукавного русла.

Система осередков, свойственная типу разбросанного русла.

Рис.14 Формы рельефа русла.

Температура воды и ледовые явления.

Температура подо льдом 0,1-0,3˚ С выше нуля, весной во время ледохода она не превышает 1˚. В периоды без ледовых явлений температура воды зависит в основном от температуры воздуха. Среднесуточная температура воды до середины лета обычно ниже, чем воздуха, в конце лета и осенью - выше.

Ниже водохранилищ температура речной воды летом существенно ниже обычной, зимой выше, что приводит к возникновению многокилометровых незамерзающих участков реки. Обильное подземное питание реки охлаждает ее воду в летний период, зимой приводит к уменьшению ледяного покрова, а иногда - к образованию полыньей.

Суточные максимумы температуры воды запаздывают на 1-2 часа по сравнению с температурой воздуха.

На малых и средних реках температура воды по глубине практически не меняется, на крупных реках возможно ее уменьшение летом в нижних слоях на 1-2˚.

Тепловой сток (W_т в Дж или ккал) – количество тепла, проносимое через заданный створ реки за интервал времени ( ):

W_т = L_тпл∙ρ∙T∙V, где V – объем водного стока за тот же интервал времени, T – средняя температура воды, ρ – ее плотность, L_тпл – удельная теплоемкость воды.

Крупные реки, текущие в меридиональном направлении – трансзональные реки – имеют температуру воды, не свойственную рекам данной местности.

Реки по характеру ледового режима делятся на три группы: замерзающие, с неустойчивым ледоставом и незамерзающие.

На замерзающих реках выделяют три периода с характерными ледовыми явлениями: 1) замерзания, или осенних ледовых явлений, 2) ледостава, 3) вскрытия, или весенних ледовых явлений.

Замерзание рек. При снижении температуры воды до нуля в реке начинаются осенние ледовые явления. Сало – плывущие пятна ледяной пленки, состоящие из кристалликов льда в виде тонких игл. Примерно в то же время образуются забереги – полосы неподвижного льда у берегов. При переохлаждении воды (до долей градуса ниже нуля) в ее толще и на дне может образовываться внутриводный лед – непрозрачная губчатая, ледяная масса из хаотически сросшихся кристалликов льда. Скопление внутриводного льда на поверхности или в толще потока образуют шугу. Ее движение называется шугоходом. Одновременно на поверхности образуются льдины, состоящие из кристаллического льда. Их движение – осенний ледоход.Закупорка русла шугой называется зажором, а льдинами – затором.

Ледостав – образование сплошного неподвижного ледяного покрова. Небольшие незамерзающие участки – полыньи. Они связаны с выходами подземных вод или с бурным течением, иногда со сбросом в реку теплых вод промышленными и коммунальными предприятиями. По мере нарастания толщины ледяного покрова, поперечное сечение русла уменьшается. Под влиянием возникающего напора вода может изливаться на поверхность льда. При ее замерзании образуется наледь.

Вскрытие рек. При наступлении положительных температур воздуха весной начинается таяние снега, а затем и льда. На реке у берегов образуются полосы чистой воды – закраины. Сцепление ледяного покрова с берегом прекращается, появляются трещины. Иногда после этого наблюдаются небольшие (в несколько метров) смещение ледяных полей – подвижки льда. Затем ледяной покров разбивается на отдельные льдины, движение которых образуют весенний ледоход.Весной чаще, чем осенью, возникают заторы, особенно на крупных реках, текущих с юга на север. На малых реках ледяной покров нередко тает на месте без ледохода.