Лекция Реки и речной сток
Река • Река - естественный водный поток, длительное время протекающий в сформированном им углублении - русле. • Исток - начало реки. • Устье - место впадения в приемный водоток (река, озеро, море и т. д. ).
Река
Речная система • Характеризуется протяженностью рек (протяженностью всех ее рек), густотой речной сети (отношение суммарной протяженности всех рек к площади бассейна). • В горах густота речной сети больше, чем на равнинах. Так на склонах Кавказа она составляет 1. 49 км/км 2, а на равнинах Предкавказья – 0, 05 км/км 2.
Речная система - включает главную реку и ее притоки.
Речной бассейн • Поверхность, с которой вода стекает в одну и ту же речную систему, называется бассейном этой реки или ее водосбором. • Бассейн главной реки состоит из бассейнов рек малых порядков.
Главные бассейны стока • Бассейны рек входят в бассейны морей и океанов. Все воды суши делятся между главными бассейнами: • 1) Атлантического и Северного Ледовитого океанов (площадь 67 359 тыс. км 2), • 2) Тихого и Индийского океанов (49 419 тыс. км 2), • 3) областью внутреннего стока (32 035 тыс. км 2).
Водоразделы • Бассейны разделяются водоразделами. В горах они четко выражены, а на равнинах их проводят довольно условно. • Водоразделы разграничивают бассейны не только рек, но и морей и океанов. • Главные бассейны - Атлантического и Северного Ледовитого океанов (Атлантико. Ледовитый), с одной стороны, и Тихого и Индийского - с другой, разграничены главным (Мировым) водоразделом Земли.
Русло реки • Река протекает в сформированной ею долине. • Различают русло – место, где протекает постоянный водный речной поток, и пойму – нижняя часть долины заливаемая высокими талыми или дождевыми водами.
Параметры русла • Русло реки характеризуют длиной, извилистостью, характером продольного профиля. • Длина – расстояние от истока до устья. • Извилистость это отношение длины русловой части к длине участка речной долины.
Продольный профиль • Продольный профиль речного русла характеризуется падением и уклоном. • Падение - ( h) разность высот двух точек (h 1 -h 2). • Отношение падения к длине участка (L) называется уклоном: • Падение выражается в метрах, уклон - величина безразмерная, показывается десятичной дробью, или тысячными долями (в промилле-‰). • Реки равнин имеют небольшие уклоны ( Обь 0, 04 ‰), уклоны горных рек значительны (Терек 4, 77 ‰ ).
Продольный профиль реки
Морфология русла • Поперечное сечение русла характеризуется площадью, гидравлическим радиусом, шириной, средней и максимальной глубинами. • В поперечном сечении выделяют: • водное сечение реки - поперечное сечение реки от одного берега до другого; • живое сечение - сечение движущегося водного потока в русле; • мертвое сечение - сечение неподвижного участка в русле.
Схема переката
Площадь поперечного сечения (F) • определяется по результатам промеров по поперечному сечению через определенные интервалы. • Можно вычислить по формуле (Б. П. Аполлов) зная ширину реки (В) и наибольшую глубину (Н)
Промеры поперечного профиля
Гидравлический радиус R • отношение площади поперечного сечения к смоченному периметру (Р), т. е. к длине линии соприкосновения потока с ложем: • Гидравлический радиус характеризует форму русла в поперечном разрезе, т. к. зависит от соотношения его ширины и глубины. • У мелких и широких рек смоченный периметр почти равен ширине, а гидравлический радиус почти равен средней глубине.
Средняя глубина • Средняя глубина (Нср) поперечного сечения реки определяется делением его площади на ширину (В):
• Ширину и максимальную глубину определяют путем непосредственных измерений в русле. • Ширина это кратчайшее растояние от уреза правого берега до уреза левого берега. • Урез это место водной поверхности с берегом.
Скорость движения речного потока • Для водного потока характерно турбулентное движение. Скорость его в каждой точке непрерывно изменяется и по величине и по направлению. Это обеспечивает непрерывное перемешивание воды и способствует размывающей деятельности. • Скорость течения речного потока неодинакова в разных частях живого сечения. • Наибольшая скорость наблюдается близ поверхности. • По мере приближения ко дну и к берегам русла скорость уменьшается, минимальна она в придонных слоях (влияние силы трения).
Эпюры скоростей
• Струя в потоке, имеющая наибольшую скорость называется его динамической осью, а струя наибольшей скорости на поверхности потока - стрежнем. • При некоторых условиях, например при ветре, попутном течению, динамическая ось потока оказывается на поверхности и совпадает со стрежнем.
Изотахи живого сечения реки
Скорость потока • Средняя скорость в живом сечении (Vср) можно вычислить по формуле Шези: • где R - гидравлический радиус, i - уклон на участке наблюдения, С коэффициент шероховатости, определяется по таблицам.
• Практически скорость потока расчитывают по измерениям проводимых с помощью поплавков или специальных гидрометрических приборов – гидрометрических вертушек. • Скорости измеряются как поверхностные так и глубинные и придонные.
Речной сток. • Речной сток включает в себя как поверхностный сток, так и подземный сток с площади водосборного бассейна. • Речной сток характеризуют расходом реки, объемом, модулем, слоем и коэффициентом стока.
Расход воды • Расход (Q) - количество воды (м 3), протекающей через живое сечение реки за одну секунду. • Q = F*Vср, • где F - площадь живого сечения в м 3, Vср средняя скорость течения (м/сек). • По данным измерения расхода строятся графики - гидрографы, показывающие изменение количества воды в реке, т. е. режима реки.
Схема вычисления расхода воды
Гидрограф реки
Объем стока • Объем стока (W) - количество воды, протекающее через поперечное сечение за некоторый промежуток времени. • W = Q*T, • где Q - расход воды; T - время периода в сек. • Объем стока вычисляется средний за сутки, за месяц, год.
Модуль стока • Модуль стока (М) - количество воды в литрах, стекающее с одного квадратного километра площади водосборного бассейна за одну секунду. • M = 103 * Q / F л/сек с 1 км 2. • Модуль стока Амазонки более 20 л/сек км 2, Невы - 10 л/сек км 2, Нила - 1 л/сек км 2.
Слой стока • Слой стока - объем стока распределенный ровным слоем по всей площади водосборного бассейна. Измеряется в мм. • h = W / S мм, • где W - объем стока, S - площадь водосборного бассейна.
Коэффициент стока • Коэффициент стока (К) - отношение слоя стока к слою осадков, выпавших на бассейн за то же время. • K=h/X , • где X - слой осадков в мм, h - слой стока в мм. • Коэффициент стока показывает, какая часть осадков идет на сток. Например, для бассейна Амазонки К=0, 28, для Невы К=0, 65, для Нила К= 0, 04. Для всей суши К=0, 34.
Гидрологический год • Годовой сток подсчитывается в зоне умеренного климата за гидрологический год, начинающийся осенью (1 октября или 1 ноября), когда запасы влаги в речных бассейнах, переходящих из одного года в другой, малы. • При подсчете за календарный год сток и осадки не могут соответствовать другу. Осадки, выпавшие в конце одного года, стекают весной следующего года.
Питание рек • Питанием рек называется поступление воды в их русла. • Выделяют 4 основных источника питания рек: дождевое, снеговое, ледниковое, подземное. • Только подземные воды обеспечивают непрерывность течения рек. В засушливых зонах, где в сезон без дождей мало воды поступают в грунты, реки пересыхают.
Водный режим рек. • Режим рек связан с характером изменения водности реки по сезонам года. С изменением водности связаны колебания уровней. Колебания уровней бывают периодическими и непериодическими.
• К периодическим относятся: • половодье, межень. • Половодье - ежегодно повторяющееся в один и тот же сезон, относительно длительное и значительное увеличение количества воды в реке, сопровождающееся подъемом уровня. • Межень - наиболее низкое стояние воды в реке при преобладании подземного питания. Могу выделять летнюю, осеннюю, зимнюю межень.
• К непериодическим колебаниям относят паводки. • Паводки - относительно кратковременные и непериодические подъемы уровня воды в реке, вызываемые поступлением в реку дождевых и талых вод. Паводки наблюдают в меженный период.
Расчление гидрографа по питанию
Классификация рек по типу водного режима • Выделяют 6 основных типов водного режима: • полярный, • субарктический, • умеренный, • субтропический, • экваториальный.
• Полярный тип - короткий период питания талыми водами полярных льдов и снега, перемерзают. • Реки субарктического типа питаются талыми снеговыми водами, подземное питание незначительно. Реки перемерзают. Половодье летом.
• Реки умеренного типа делятся на 4 подтипа: • 1) с преобладанием снегового питания за счет весеннего таяния снежного покрова; • 2) с преобладанием дождевого питания при наибольшем стоке весной как вследствие обилия дождей, так и таяния снега; • 3) с преобладанием дождевого питания зимой при более или менее равномерном распределении осадков в течение года; • 4) с преобладанием дождевого питания летом за счет обложных дождей муссонного происхождения.
С преобладанием снегового питания
• Реки субтропического типа питаются главным образом зимой дождевыми водами. • Реки тропического типа отличаются малым стоком. Преобладает летнее дождевое питание, зимой осадков мало. • Реки экваториального типа имеют обильное дождевое питание в течение всего года; наибольший сток бывает осенью соответствующего полушария.
Субтропический тип
Тропический тип
Экваториальный тип
Режим горных рек • Для рек горных областей характерно снеговое и ледниковое питание. Максимальные уровни наблюдаются в летний период в период таяния горных ледников.
Горный тип
Твердый сток • Твердые минеральные частицы, переносимые речным потоком, называются речными наносами. Они образуются за счет сноса частиц пород с поверхности бассейна и размыва русла. Количество их зависит от энергии речного потока и от сопротивляемости пород размыву. • Речные наносы разделяют на взвешенные и влекомые. • Взвешенные наносы - переносимые во взвешенном состоянии, а влекомые перемещающиеся по дну реки путем перекатывания, сальтации.
Расход наносов • Количество взвешенных наносов, проносимых потоком через живое сечение реки в единицу времени (секунду), называют расходом взвешенных наносов (R кг/сек). Количество взвешенных наносов, переносимых за больший промежуток времени составляет сток взвешенных наносов.
Мутность • Зная расход взвешенных наносов и расход воды в реке, можно определить ее мутность - количество взвесей в 1 м 3 воды: • P=1000 R/Q г/м 3. • Чем сильнее размыв и чем больше частиц сносится в реку, тем больше ее мутность. • Для большинства равнинных рек мутность незначительна (менее 50 г/м 3). Для горных рек мутность значительна р. Аксай (Дагестан) - 11 800 г/м 3.
Мутность рек России
Влекомые наносы • Влекомые наносы составляют всего 1 -5% от количества взвешенных наносов. • Согласно закону Эри масса частиц, перемещаемых водой по дну (М), пропорциональна скорости (V) в шестой степени: M=AV 6 , • где А - переходный коэффициент. • Отсюда видно, что если скорость потока увеличивается в 3 раза, то масса частиц, которые может перемещать река, увеличится в 729 раз. Поэтому равнинные реки перемещают влекомым путем только песок, а горные могут перемещать валуны.
Плесы и перекаты • Наносы перемещаются неравномерно из-за турбулентности потока, поэтому на дне реки образуются неровности: перекаты и плесы. • Плесы – глубокие, спрямленные участки реки со спокойным течением. • Перекаты – участки реки с малыми глубинами и большими скоростями.
Твердый сток • Общее количество наносов (взвешенных и влекомых), переносимое через живое сечение реки, называется ее твердым стоком. • Твердый сток формирует речные отложения, которые называются аллювием.
Химизм речных вод • Речная вода - раствор с очень малой концентрацией. • Химические особенности воды в реке зависит от источников питания и гидрологического режима.
Химические классы и группы • Все природные воды делятся по преобладающему аниону на три класса: • гидрокарбонатные и карбонатные; • сульфатные; • хлоридные. • В каждом классе по преобладающему катиону выделяются три группы: • кальциевая; • магниевая; • натриевая.
Минерализация • По степени минерализации природные воды могут быть: • малой минерализации (до 200 мг/л); • средней мин. (200 -500 мг/л)8 • повышенной мин. (500 -1000 мг/л); • высокой мин. (более 1000 мг/л).
География минерализации рек • В распределении минерализации четко прослеживается зональный характер. • Региональный характер может проявляться из-за наличия легко растворимых пород (известняк, гипс, каменная соль).
Гидрохимическая карта России
• Минерализация в течение года может меняться. С поступлением пресных атмосферных вод она уменьшается. • В зонах избыточного увлажнения минерализация речных вод незначительна и воды преимущественно гидрокарбонатные и карбонатные. (Печора - 40 мг/л). • В зонах недостаточного увлажнения речные воды сильно минерализованы (например, Эмба - 1641 мг/л). К югу, по мере уменьшения увлажнения, не только увеличивается количество солей, но и качественный состав, увеличивается доля хлора и натрия.
Расход веществ • Количество растворенных веществ, приносимое через поперечное сечение реки, называют расходом веществ. Химический сток может достигать больших объемов. • Общей объем химического стока с территории СНГ, составляет около 340*106 т/год. Около 73, 7% растворенных веществ выносится в Океан и около 26, 3% в водоемы областей внутреннего стока.
Тепловой режим рек • Тепловой режим рек (температура воды) зависит от приходной и расходной частей баланса тепла. • В соответствии с тепловым режимом рек их можно разделить на 3 типа: • 1. реки очень теплые, без сезонных колебаний температуры; • 2. реки теплые, с заметным сезонным колебанием температуры, не замерзающие зимой; • 3. реки с большими сезонными колебаниями температуры, замерзающие зимой.
Тепловой режим • Наиболее сложный тепловой режим у рек умеренного пояса. Зимой при охлаждении воды несколько ниже температуры ее замерзания, начинается процесс замерзания. • Забереги - тонкий лед у берегов; • Сало - тонкий слой мелких кристаллов льда; • Шуга - сало со снежурой; • Ледостав - сплошной ледяной покров;
Ледовый режим • Ледостав характеризуют датой установления, мощностью и продолжительностью. • При движении на юг начало ледостава отодвигается на все более поздние сроки и сокращается длительность. • К северу увеличивается толщина ледяного покрова, от 0, 25 до 1, 5 м и более. На севере многие малые реки могут перемерзать до дна. • На реках с быстрым течением могут образовываться полыньи. • Вскрытие рек начинается с юга. А в реке с появлением закраин - полосы воды безо льда вдоль берегов. • Далее начинаются подвижки льда. Лед ломается на льдины и с дальнейшим подъемом воды начинается ледоход. • Ледоход может вызывать заторы и катастрофические подъемы воды в реке.
Сроки начала ледостава
Забереги и осенний ледоход
Ледостав. Полынья
Сроки начала ледохода
Ледоход на реке
Река как аквальный комплекс • Речной поток, русло, животные и растения, населяющие реку, образуют единую систему, единый природный комплекс. • Любое изменение одного из компонентов этого комплекса непременно отразится на всех остальных. Естественные изменения речного комплекса совершаются непрерывно, как правило, медленно. • Особенность аквального природного комплекса подвижность, способность распространять полученные свойства. • Река - оказывает многостороннее влияние на включающий ее природный комплекс. Она дренирует местность и питает грунтовые воды при низком их стоянии, влияет на температуру и влажность воздуха, на местную циркуляцию, создает особые почвы, формирует рельеф, сопутствует определенным растениям и животным. • Будучи частью географической оболочки, река подчиняется общим закономерностям этого планетарного природного комплекса.
Использование рек • Река - транспортная артерия. • Река - источник воды для орошения, производства, водопотребления. • Река - экологически чистая энергия