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 по формуле (6.2) и средний уклон бассейна по формуле (6.3);

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 (о понятии лесистости см. ниже);

7) характер речной сети (см. разд. 6.3.4);

8) наличие и особенности других водных объектов — озер, болот, ледников (об озерности и болотистости речных бассейнов см. ниже).

Важнейшая особенность любого речного бассейна — это степень его преобразования хозяйственной деятельностью. При этом следует различать искусственное преобразование поверхности бассейна (сведение лесов, распашка земель и другие агролесотехнические мероприятия, оросительные и осушительные мелиорации) и искусственное преобразование гидрографической сети бассейна и режима самих рек (сооружение плотин и водохранилищ, каналов, шлюзов, осуществление других гидротехнических мероприятий в руслах рек, регулирование, изъятие и переброска стока и др.).

Такие характеристики бассейна, как его озерность, болотистость, лесистость и др., могут быть выражены количественно через соответствующие коэффициенты озерности k_оз, болотистости k_бол, лесистости k _лес, вычисляемые по формулам вида

k=f/F, (6.4)

где f — площадь, занятая озерами (болотами, лесами, ледниками и т. д.); F— полная площадь бассейна; k — выражаются либо в долях единицы, либо в процентах.

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 L — это расстояние вдоль русла между истоком и устьем реки. Длины рек обычно определяют по крупномасштабным картам или аэрофотоснимкам (расстояния измеряют по геометрической оси русла или фарватеру). При определении длины рек по мелкомасштабным картам должны вводиться поправки на масштаб и извилистость русла: чем мельче масштаб карты и больше извилистость реки, тем больше ошибки при расчете длин рек. Исток — это место начала реки (выход из озера, болота, ледника, родника и т.д.). Если река начинается в гористой местности там, где подземные воды выходят из-под скопления обломочного материала (осыпи), то это место и считают истоком. Откуда бы река ни вытекала, ее исток не может находиться на самом орографическом водоразделе. Хотя водоток, который дает начало реке по своим размерам формально рекой не является (это скорей ручей), исток такого небольшого водотока все равно принимается за исток всей реки. Так, например, Волга — крупнейшая река Европы — берет начало в болотах Валдайской возвышенности, и ее истоком считается родник, крепленный деревянным срубом, у которого имеется надпись «Исток Волги». На первых километрах после истока Волга представляет собой небольшой ручей со слабым течением. Устье реки — это место впадения реки в море, озеро, другую реку. Иногда река заканчивается там, где прекращается речной сток из-за потерь на испарение и инфильтрацию или в результате полного разбора воды на орошение. Такое место иногда называют слепым устьем. При определении устья реки, если она впадает в море или озеро, нередко возникают еще большие трудности, чем при определении места истока реки. Во-первых, если река имеет дельту с многочисленными рукавами, то возникает вопрос: устье какого из них считать устьем всей реки? Во-вторых, места впадения дельто­вых рукавов в море или озеро очень изменчивы. В большинстве случаев за устье реки принимают устье (точнее устьевой створ) крупного судоходного рукава в месте его непосредственного выхода в море (отсюда обычно и идет отсчет километража вдоль реки).

Отношение длины участка реки L_i к длине прямой l_i, соединяющей концы этого участка, называется коэффициентом извилистости реки на данном участке:

k_извi = L_i / l_i. (6.5)

Коэффициент извилистости на отдельных участках рек изменяется от 1 до 2—3, а иногда и больше.

Поскольку на отдельных участках извилистость реки разная, общий коэффициент извилистости реки определяют по формуле

k_извi= SL_i /l_i = L/Sl_i,. (6.6)

Между длиной реки L (км) и площадью бассейна F (км²) имеется определенная связь, близкая к квадратичной: L~ÖF. Например, для рек бывшего СССР получена такая осредненная эмпирическая зависимость:

L=1,36F^0.56. (6.7)

Сумма длин всех рек в пределах бассейна или какой-либо территории дает протяженность речной сети SL_t. Отношение протяженности речной сети к площади бассейна характеризует густоту речной сети бассейна или территории:

d =SL_i/f, (6.8)

имеющую размерность км/км². Здесь f — площадь рассматриваемой территории.

Густота речной сети в пределах равнинных территорий Европейской части России в целом уменьшается с севера на юг: в лесной зоне она составляет 0,4—0,6 км/км², в степной 0,2—0,3, на Прикаспийской низменности уменьшается до 0,05. На Кавказе с увеличением высоты местности густота речной сети возрастает до 0,8—1,0, а иногда и до 2 км/км² (А.Н. Важнов, 1976).

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

Речная сеть — это сложный результат тектонических и эрозионно-аккумулятивных процессов, движения ледников, крупномасштабных колебаний уровня океана и морей и т. д. Понять происхождение структуры современной речной сети невозможно без детальных геологических, палеогеоморфологических и палеогидрологических исследований.

Многие реки на отдельных участках унаследовали свое направление от крупных разломов земной коры (Нил, Миссисипи, Амазонка, Лена и др.), другие изменяли свое направление в результате собственной эрозионно-аккумулятивной деятельности (низовья Хуанхэ, Амударьи, Или, Терека, Миссисипи и др.), третьи изменя­ли свою русловую сеть, следуя за повышающимся или понижающимся уровнем бессточного озера, моря или океана (низовья Волги, Св. Лаврентия, Темзы и др.).

Долина и русло реки

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

Рис. 6.3. Поперечный профиль долины (а) и русла (б) реки:

1 — бровка долины (коренного берега); 2 — уступ коренного берега; 3 — первая надпойменная терраса (аккумулятивная); 4 —вторая надпойменная терраса (эрозионная); 5 —бровка террасы; 6 — русло реки; 7 — низкая пойма; 8 — высокая пойма; 9 — коренные породы; 10 — аллювиальные отложения; 11 — прирусловой вал

По форме поперечного профиля речные долины подразделяют на теснины, ущелья, каньоны, V-образные, трапецеидальные, ящикообразные, корытообразные и др. В поперечном профиле долины (рис.6.3, а) выделяют склоны долины (вместе с уступом долины и надпойменными террасами) и дно долины. В пределах дна (ложа) долины находятся русло реки (наиболее низкая часть долины, занятая водным потоком в межень) и пойма (заливаемая водами половодья или значительных паводков часть речной долины).

Русла рек по форме в плане подразделяются на прямолинейные, извилистые (меандрирующие), разделенные на рукава, разбросанные (блуждающие) (рис. 6.4).

Основные морфологические элементы русла следующие: излучины (меандры), затопляемые подвижные повышения дна — осередки и более высокие, более стабильные и закрепленные растительностью острова, глубокие и мелкие участки русла — плесы и перекаты, донные гряды различного размера.

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

Основными морфометрическими характеристиками речного русла (см. рис. 6.3, б) являются площадь поперечного сечения со, ширим* русла В между урезами русла при заданном его наполнении, мак симальная глубина русла h_max. Среднюю глубину русла h_cpв данном поперечном сечении вычисляют по формуле

h_cp = w/В. (6.9)

Для большинства речных русел выполняется приближенное соотношение h_cp~ 2/3h_max. В извилистом русле максимальная глубина обычно смещена к вогнутому берегу.

Рис. 6.4. Типы речных русел:

а — прямолинейное; б — извилистое; в — разделенное на рукава; г — разбросанное; 1 — линия наибольших глубин; 2 — отмель; 3 — осе-редок или остров; 4 — размываемый участок берега; 5 — направление течения

В гидравлических расчетах часто используют еще две характеристики русла реки — длину смоченного периметра p (см. рис. 6.3, б)и гидравлический радиус R, равный

R = w/р. (6.10)

Смоченный периметр — это длина подводного контура поперечного сечения речного русла, т. е. линия контакта воды с ограничивающими ее твердыми поверхностями — с дном и берегами, а зимой также и с ледяным покровом.

Для широких и относительно неглубоких русел и для периода открытого русла (без ледяного покрова) величины гидравлического радиуса R и средней глубины h_cpпрактически совпадают, поскольку в этих случаях р ~ В.

Максимальная ширина русла на реках может достигать десятков километров (р. Амазонка), а максимальная глубина — 100—110 м (низовья Енисея). Здесь не учитываются те случаи, когда море затопило древние русла или каньоны (устья Конго, Св. Лаврентия) и когда глубины достигают 300—400 м.

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 (DН). Разность отметок истока и устья реки составляет полное падение реки.

В связи с тем, что у рек глубины обычно несоизмеримо меньше полного падения, графики изменения отметок дна и водной поверхности для всей реки сливаются в одну линию.

Продольные профили рек могут быть плавновогнутыми, прямолинейными, выпуклыми, ступенчатыми (рис. 6.5, а). Характер продольного профиля определяется геологическим строением и рельефом речного бассейна, а также эрозионно-аккумулятивной деятельностью самого потока.

Рис. 6.5. Продольные профили реки (а) и ее участка (б):

1 — плавновогнутый (р. Вахш); 2 — прямолинейный (р. Зеравшан); 3 — выпуклый (р. Гунт); 4 – ступенчатый (р. Бартанг); 5 — дно реки; 6 — водная поверхность в межень; 7—водная поверхность в половодье; DH_м- падение между створами А и Б в межень; DH_п — то же, в половодье; П_Л -плес; Пр —перекат

Перегибы продольного профиля обычно приурочены к местам впадения притоков (ниже их профиль, как правило, выполаскивается), а также к местным базисам эрозии, в качестве которых могут быть главная река для притока, пороги, водопады, проточные озера, водохранилища и др. Уровень приемного водоема (океана, моря, бессточного озера), куда впадает река, называют общим базисом эрозии.

Весьма характерен продольный профиль реки на коротком ее участке, включающем плесы и перекаты (рис. 6.5, б). В этом случае продольный профиль строят отдельно для дна и водной поверхности реки. Из данных рис. 6.5, б видно, как изменяется продольный профиль водной поверхности с изменением уровня воды в реке. При низких уровнях (в межень) продольный профиль водной поверхности более крутой на перекатах и более пологий на плесах. При высоких уровнях (в половодье) продольный профиль обычно выравнивается или даже становится на плесах более крутым, чем на перекатах.

Для характеристики крутизны продольного профиля рек используют понятие уклон реки (отдельно для дна и водной поверхности). Уклон реки вычисляют по формуле

I=DH_i/L_i(6.11)

где DH_i — падение, L_i — длина реки на участке. Длину измеряют вдоль русла, и поэтому I представляет собой не тангенс, а синус угла наклона дна или водной поверхности к горизонту (см. разд. 2.5.3). Величина I для водной поверхности реки всегда положительна (исключения — лишь устья рек, подверженных действию приливов и нагонов), а для дна (в этом случае вместо I обычно пишут i₀) может на некоторых участках принимать и отрицательные значения, например в месте резкого уменьшения глубин на перекате. Уклон реки I — величина относительная, и ее выражают в долях единицы, %, ‰. Во многих случаях гидрологи используют также такое понятие, как падение на 1 км длины реки: величину падения уровня DН, выраженную в сантиметрах, делят на длину участка русла в километрах. Эту величину называют километрическим падением.

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 (гл. 3) и изучения режима подземных вод (гл. 5), 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.

Для рек в условиях теплого климата главный вид питания — дождевое. Сток таких крупнейших рек мира, как Амазонка, Ганг и Брахмапутра, Меконг, формируется в основном за счет дождевых вод. Этот вид питания рек в глобальном масштабе является главнейшим. Вторым по важности служит снеговое питание. Его роль весьма велика в питании рек в условиях умеренного климата. Третье место по объему поступающих в реки вод занимает подземное питание (как указывалось в гл. 5, на его долю в среднем приходится около ⅓ объема речного стока). Именно подземное питание обусловливает постоянство или большую продолжительность стока реки в течение года, что и создает в конечном итоге реку. Последнее место по значимости приходится на ледниковое питание (около 1% стока рек мира) (см. гл. 4).

Дождевое питание. Каждый дождь характеризуется слоем выпавших осадков (мм), продолжительностью (мин, ч, сут), интенсивностью выпадения (мм/мин, мм/ч) и площадью распространения (км²). В зависимости от этих характеристик дожди можно, например, подразделить на ливни и обложные дожди.

Интенсивность, площадь распространения, продолжительность и время выпадения дождей определяют многие особенности формирования речного стока и пополнения подземных вод. Чем больше интенсивность, площадь распространения и продолжительность дождя, тем больше (при прочих равных условиях) величина дождевого паводка. Чем больше отношение между площадью распространения дождя и площадью бассейна, тем также больше величина возможного паводка. Катастрофические паводки происходят по этим причинам обычно лишь на малых и средних реках. Пополнение подземных вод, как правило, происходит при длительных дождях. Чем меньше влажность воздуха и суше почва в период выпадения дождя, тем больше затраты воды на испарение и инфильтрацию и тем меньше величина дождевого стока. Наоборот, дожди, выпадающие на влажную почву при пониженной температуре воздуха, дают большую величину дождевого стока. Таким образом, один и тот же дождь в зависимости от состояния подстилающей поверхности и влажности воздуха может быть в одних случаях стокообразующим, а в других — почти не давать стока.

Снеговое питание. В умеренных широтах основным источником питания рек служит вода, накапливающаяся в снежном покрове. Снег в зависимости от толщины снежного покрова и плотности (см. формулу 1.5) может при таянии дать разный слой воды. Запасы воды в снеге (величину, очень важную для предсказания объема талого стока) определяют с помощью снегомерных съемок.

Запасы воды в снеге в бассейне зависят от величины зимних осадков, в свою очередь определяемой климатическими условиями. Запасы воды в снежном покрове распределяются по площади бассейна обычно неравномерно — в зависимости от высоты местности, экспозиции склонов, неровностей рельефа, влияния растительного покрова и т. д. Вследствие переноса ветром в понижениях, ложбинах, оврагах обычно за зиму накапливается больше снега, чем на ровной поверхности; много снега накапливается на опушках леса и в местах распространения кустарниковой растительности.

Следует различать процессы снеготаяния и водоотдачи снежного покрова, т. е. поступления не удерживаемой снегом воды на поверхность почвы. Снеготаяние начинается после достижения температурой воздуха положительных значений и при условии положительного теплового баланса на поверхности снега. Водоотдачу начинается позже начала снеготаяния и зависит от физических свойств снега — зернистости, капиллярных свойств и т. д. Сток возникает только после начала водоотдачи.

Весеннее снеготаяние подразделяют на три периода: 1) начальный период (снег залегает сплошным покровом, таяние замедленное, водоотдачи снежного покрова практически нет, сток еще формируется); 2) период схода основной массы снега (начинается интенсивная водоотдача, возникают проталины, быстро нарастает величина стока); 3) период окончания таяния (стаивают оставшиеся запасы снега). В течение первого периода стаивает около 30% запасов снега, в течение второго — 50, в течение третьего — 20%. Водоотдача максимальна в течение второго периода (более 80% запасов воды в снеге). В это время снежный покров отдает воду, накопившуюся в снеге как за второй, так и за первый периоды.

Территорию, где происходит в данный момент таяние снега, называют зоной одновременного снеготаяния. Эта зона ограничена фронтом таяния (линией, отделяющей зону таяния от области, где таяние снега еще не началось) и тылом таяния (линией, отделяющей зону таяния от области, где снег уже сошел). Вся зона одновременного снеготаяния перемещается весной на равнинах в Северном полушарии с юга на север, а в горах — вверх по склонам. Скорость распространения тыла таяния на равнинах обычно составляет 40—80 км/сут, иногда достигая 150—200 км/сут.

Важной характеристикой снеготаяния служит его интенсивность. Она определяется характером изменения температуры воздуха в весенний период («дружностью весны») и особенностями подстилающей поверхности.

Объем весеннего половодья определяется в основном полным запасом воды в снежном покрове, а нарастание расходов воды в реке и величина максимального расхода воды половодья, помимо этого,— интенсивностью снеготаяния и фильтрационными свойствами почвы в период снеготаяния (мерзлая или влажная почва уменьшает инфильтрационные потери и увеличивает талый сток).

Расчет таяния снега и оценку его роли в формировании стока проводят различными способами. Простейшие из них основаны на данных об изменении температуры воздуха как главной причины снеготаяния. Так, нередко используют эмпирическую формулу вида

h = aSТ, (6.12)

где h — слой талой воды (мм) за интервал времени Dt; ST— сумма положительных средних суточных температур воздуха за тот же интервал времени, a — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом стаивания (это слой талой воды, приходящийся на один градус положительной средней суточной температуры воздуха).

Среднее значение коэффициента стаивания ос для открытой местности на территории, лежащей к северу от 55° с. ш., приблизительно равно 5 мм на 1°, для леса она изменяется от 1,5 мм/град для густых хвойных лесов до 3—4 мм/град для лиственных лесов средней густоты.

Кроме того, интенсивность снеготаяния можно определить с помощью метода теплового баланса (см. разд. 2.4).

Подземное питание рек. Оно определяется характером взаимодействия подземных (грунтовых) и речных вод. Этот вопрос подробно рассматривался в разд. 5.6. Напомним, что направленность и интенсивность упомянутого взаимодействия зависят от взаимного положения уровня воды в реке, высоты водоупора и уровня грунтовых вод (см. рис. 5.8), в свою очередь зависящего от фазы водного режима реки и гидрогеологических условий. В случаях постоянной гидравлической связи реки и грунтовых вод с переменным направлением их движения (см. рис. 5.8, б)реки получают подземное питание в течение всего года, кроме пика половодья.

Ледниковое питание.Это питание имеют лишь реки, вытекающие из районов с высокогорными ледниками и снежниками. Подробно об этом говорилось в разд. 4.6. Вклад ледникового питания в речной сток тем больше, чем больше доля общей площади бассейна, занятая ледниками (см. рис. 4.5).