Учение о гидросфере Лекция 6 Речной

Учение о гидросфере Лекция № 6

Речной сток и его составляющие. Для количественной оценки стока рек применяются следующие его характеристики. Объем стока W м 3 или км 3 — количество воды, протекающее в русле реки через данный замыкающий створ за промежуток времени Т суток, W=86400 QT (м 3) Где Q — средний расход в м 3/с за время Т суток; 86400 — число секунд в сутках. Модуль стока М л/(с*км 2) — количество воды, стекающей с единицы площади в единицу времени, M=1000 Q/F где F — водосборная площадь в км 2. Слой стока Y — слой воды в миллиметрах, равномерно распределенной по площади F и стекающей с водосбора за некоторый промежуток времени Т суток, Y=86, 4 TQ/F = 31, 54 М (слой стока за год в миллиметрах) Коэффициент стока — отношение величины слоя стока с данной площади за некоторый промежуток времени к величине слоя атмосферных осадков, выпадающих на эту площадь за тот же промежуток времени, т. е. = Y/X, 0 ≤ ≤ 1. Коэффициент стока — величина безразмерная. Сток образуется в результате выпадения дождей или таяния снега и льда в горах.

Физико географические факторы стока воды. Схема взаимосвязи речного стока с основными физико географическими факторами (по М. И. Львовичу). 1 — важные воздействия, 2 — второстепенные воздействия.

Взаимосвязь между стоком и физико географическими факторами раскрывается при изучении стока как элемен та водного баланса. Для любого речного бассейна можно составить уравнение водного баланса. Для отдельного конкретнего года это уравнение имеет вид X=Y+Z+U где X — сумма атмосферных осадков; Y = YП+YГ— полный речной сток (YП — поверхностный сток, YГ — грунтовой сток); Z — испаре ние; U — накопление или расходование влаги в бассейне.

Влияние климатических факторов на сток Коэффициент стока зависит от годовой суммы осадков и тех факторов, которые определяют величину испарения Z. В зоне избыточного увлажнения, в северных районах, коэффициент стока достигает 0, 80, в то время как в степных и полупустынных районах он падает ниже 0, 1.

Влияние почвы на сток и его подземную и поверхностную составляющие осуществляется через процессы инфильтрации и испарения. Влияние геологического строения речного бассейна на сток определяется условиями накопления и расходования подземных вод, питающих реки. В связи с этим литологический состав горных пород, характер их залегания и глубина водоупоров являются существенными факторами формирования стока, влияющими на его величину и распределение во времени. Очень влияет развитие карста.

Влияние растительности на речной сток 1. Осадков в лесу может выпадать больше, чем на открытой территории. Высота снега в лесу увеличивается за счет переноса его с полей. 2. Не все осадки достигают поверхности почвы. Часть их задерживается кроной деревьев (в хвойном лесу больше, в лиственном меньше) и испаряется. 3. Суммарное испарение зависит от хозяйственного освоения территории, типа леса, продуктивности лесных и полевых угодий. Так, в сосновых лесах расход влаги на испарение меньше, чем в еловых и березовых, а на высокопродуктивной пашне больше, чем в малопродуктивном лесу. 4. В лесу, как правило, водопроницаемость почвы выше, чем в поле. Лесная подстилка обладает большой влагоемкостью и предохраняет почвенные поры от заили вания. 5. Поверхностный сток как снеговых, так и дождевых вод в лесу крайне мал. Это является следствием хорошей инфильтрационной способности лесных почв. 6. В лесу питание грунтовых вод более обильное, чем в поле. 7. Рубки леса, выпас скота нарушают лесную подстилку, ухудшают инфильтрационную способность почв и видоизменяют водный баланс. Непосредственное влияние растительности на заключается в увеличении шероховатости земной поверхности, вследствие чего замедляется стекание воды по поверхности земли и увеличивается возможность инфильтрации влаги в почву.

Влияние рельефа на речной сток Непосредственное влияние уклонов местности на речной сток сравнительно невелико, вследствие того что роль инфильтрационной способности почв перекрывает зависящее от этого фактора увеличение или уменьшение скорости стекания вод по земной поверхности. Большое влияние рельеф оказывает на отдельные элементы водного баланса речных бассейнов: осадки, инфильтрацию влаги в почвогрунты и испарение. Это влияние значительно в горах, где с высотой увеличивается годовая сумма осадков, снижается температура воздуха, следствием чего является уменьшение испарения и соответственно увеличение стока. Таким образом, вертикальная поясность климатических факторов стока вызывает вертикальную поясность величин стока.

Влияние озерности на годовой сток рек С изменением озерности изменяются соотношения между площадями, покрытыми водой и занятыми сушей. Испарение же с водной поверхности и с поверхности суши неодинаково, что влечет за собой различия в величине испарения с поверхности речных бассейнов с различной озерностью. Влияние хозяйственной деятельности на сток Распашка территории, полевые лесонасаждения, мероприятия, проводимые по повышению плодородия почв, вносят изменения в структуру водного баланса и тем самым влияют на сток, главным образом в результате изменений водно физических свойств почв. Искусственное орошение в зоне недостаточного увлажнения требует водозабора из рек, создает совершенно новые условия водного режима почв, вызывает увеличение расхода воды на испарение и транспирацию и тем самым уменьшает величину стока рек. Лесные полосы предохраняют поля от сдувания с них снега, аккумулируют влагу, перехватывая склоновый паводочный сток.

Пространственное распределение стока на территории СНГ и факторы, его определяющие. В равнинных частях нашей страны норма стока, как правило, уменьшается с севера на юг. Наименьших значений норма стока достигает в Причерноморской и особенно в Прикаспийской низменности, 20 10 мм и менее. Другой характерной чертой, помимо зональности, в распределении стока на территории СССР является отчетливо выраженное влияние рельефа. Даже относительно небольшие нарушения спокойного равнинного рельефа Русской равнины вызывают увеличение стока, что хорошо прослеживается в районах Валдайской, Приволжской и Среднерусской возвышенностей, Донецкого кряжа. Уральский хребет представляет собой обособленную интразональную область стока с более высокими значениями стока на западных склонах по сравнению с восточными.

Водоносность рек Водоносность то же, что и средний многолетний расход воды или средний многолетний объем годового стока. Водоносность рек не остается постоянной, она меняется из года в год в зависимости от режима атмосферных осадков Водоносность рек земного шара колеблется в широких пределах. Самая многоводная река мира — Амазонка. В нашей стране самая многоводная река Енисей. К самым водоносным рекам относятся также Конго, Ганг, Янцзы, Нил, Миссисипи, Лена, Обь, Амур, Маккензи, Св. Лаврентия, Волга, Нигер, Инд, Дунай, Юкон.

Водоносность рек России

Движение воды в реках. В природе существуют два режима движения жидкости, в том числе и воды: ламинарное и турбулентное. Ламинарное движение — параллельноструйное. Ламинарный режим характерен для подземных потоков, протекающих в мелкозернистых грунтах. В речных потоках движение турбулентное. Характерной особенностью турбулентного режима является пульсация скорости, т. е. изменение ее во времени в каждой точке по величине и направлению.

Выделяются следующие виды движения воды в потоках: 1) равномерное, 2) неравномерное, 3) неустановившееся. При равномерном движении скорости течения, живое сечение, расход воды постоянны по длине потока и не меняются во времени. Такого рода движение можно наблюдать в каналах с призматическим сечением. При неравномерном движении уклон, скорости, живое сечение не изменяются в данном сечении во времени, но изменяются по длине потока. Этот вид движения наблюдается в реках в период межени при устойчивых расходах воды в них, а также в условиях подпора, образованного плотиной. Неустановившееся движение — это такое, при котором все гидравлические элементы потока (уклоны, скорости, площадь живого сечения) на рассматриваемом участке изменяются и во времени и по длине. Неустановившееся движение характерно для рек во время прохождения паводков и половодий.

Распределение скоростей течения в речном потоке Наибольшие скорости наблюдаются на поверхности потока. В направлении ко дну они уменьшаются относительно медленно и в непосредственной близости от дна имеют еще достаточно большие значения. Сопротивление движению в турбулентных потоках пропорционально квадрату скорости. Турбулентный характер движения воды в реках обусловливает перемешивание водной массы. Интенсивность перемешивания усиливается с увеличением скорости течения. Явление перемешивания имеет большое гидрологическое значение. Оно способствует выравниванию по живому сечению потока температуры, концентрации взвешенных и растворенных частиц.

Скорости течения воды и распределение их по живому сечению Скорости течения в реках неодинаковы в различных точках потока: они изменяются и по глубине и по ширине живого сечения. На каждой отдельно взятой вертикали наименьшие скорости наблюдаются у дна, что связано с влиянием шероховатости русла. От дна к поверхности нарастание скорости сначала происходит быстро, а затем замедляется, и максимум в открытых потоках достигается у поверхности или на расстоянии 0, 2 H от поверхности.

На распределение скоростей по вертикали большое влияние оказывают неровности в рельефе дна, ледяной покров, ветер и водная растительность. При наличии на дне неровностей (возвышения, валуны) скорости в потоке перед препятствием резко уменьшаются ко дну. Уменьшаются скорости в придонном слое при развитии водной растительности, значительно повышающей шероховатость дна русла. Зимой подо льдом, особенно при наличии шуги, под влиянием добавочного трения о шероховатую нижнюю поверхность льда скорости малы. Максимум скорости смещается к середине глубины и иногда расположен ближе ко дну. Ветер, дующий в направлении течения, увеличивает скорость у поверхности. При обратном соотношении направления ветра и течения скорости у поверхности уменьшаются, а положение максимума смещается на большую глубину по сравнению с его положением в безветренную погоду.

Формула Шези. Формула Шези: Величина коэффициента С не является величиной постоянной. Она зависит от глубины и шероховатости русла. Hср. – гидравлический радиус I – характеристика уклона Из формулы Шези видно, что скорость потока растет с увеличением гидравлического радиуса или средней глубины. Это происходит потому, что с увеличением глубины ослабевает влияние шероховатости дна на величину скорости в отдельных точках вертикали и тем самым уменьшается площадь на эпюре скоростей, занятая малыми скоростями. Увеличение гидравлического радиуса приводит и к увеличению коэффициента С. Из формулы Шези следует, что скорость потока растет с увеличением уклона

Поперечная циркуляция в речном потоке. Одной из особенностей движения воды в реках является непараллельноструйность течений. На стрежне вследствие больших скоростей на поверхности воды происходит втягивание струй со стороны, в результате в центре потока создается некоторое повышение уровня. Вследствие этого в плоскости, перпендикулярной направлению течения, образуются два циркуляционых течения по замкнутым контурам, расходящиеся у дна. В сочетании с поступательным движением эти поперечные циркуляционные течения приобретают форму винтообразных движений. Поверхностное течение, направленное к стрежню, называют сбойным, а донное расходящееся — веерообразным. Поперечные циркуляции, вихревые движения играют большую роль в транспортировании наносов и формировании речных русел.

Вихревые движения с вертикальной осью вращения Чаще они возникают в местах слияния потоков, за крутыми выступами берегов, при обтекании некоторых подводных препятствий и т. д. Эти вихри в потоке, известные под названием водоворотов, напоминают воздушные вихри — смерчи. Поперечные циркуляции, вихревые движения играют большую роль в транспортировании наносов и формировании речных русел.

Характеристики речных наносов. Речными наносами называются твердые минеральные частицы, переносимые потоком и формирующие русловые и пойменные отложения. Речные наносы образуются из продуктов выветривания, денудации и эрозии горных пород и почв. Водная эрозия, разрушение земной поверхности под действием текучих вод, представляет собой наиболее активный процесс, обогащающий реки наносами. Она подразделяется на склоновую и русловую. Склоновая эрозия — размыв и смыв почв и горных пород снеговыми и дождевыми водами, стекающими по склону. Русловая эрозия — размыв водными потоками, протекающими в руслах, коренных пород дна и берегов русла и склонов долин.

Геометрическая и гидравлическая крупность наносов Твердая частица, обладающая большим удельным весом, чем вода, помещенная в неподвижную воду, начинает опускаться. Скорость ее падения сначала возрастает, а затем сохраняется постоянной, т. е. движение ее становится равномерным. В этом случае действующие на частицу сила тяжести и сила гидродинамического сопротивления уравновешиваются. Скорость равномерного падения частицы в стоячей воде называют гидравлической крупностью частицы (U м/с). Гидравлическая крупность частицы зависит от ее геометрических размеров, а также от формы, удельного веса, вязкости воды и ее плотности. Знание гидравлической крупности наносов весьма необходимо при изучении деформации русла (размыв, намыв), при расчете заиления водохранилищ.

Движение речных наносов. Влекомые и взвешенные наносы. Речные наносы в зависимости от характера движения в потоке обычно подразделяют на взвешенные и влекомые. Такое подразделение наносов носит условный характер, так как в зависимости от крупности наносов и скоростей течения потока те или иные твердые частицы могут находиться то во взвешенном состоянии, то перемещаться по дну потока. Влекомыми наносами называются те, которые перемещаются в придонном слое потока. Количество взвешенных наносов, содержащееся в единице объема (1 м 3) воды, называется мутностью ( ).

Наносы, подразделяют, кроме того, на транзитные и руслоформирующие. Малые частицы переносятся к устью реки по преимуществу транзитом. Более крупные частицы в зависимости от гидравлических свойств потока то переносятся потоком во взвешенном или влекомом состоянии, то задерживаются на отдельных участках реки, с тем чтобы при изменении гидравлических свойств потока вновь перейти в движение. Таким образом, постоянно происходит переформирование русла. Очевидно, что большая часть взвешенных наносов является транзитной, а большая часть влекомых — руслоформирующей. Количество наносов (в килограммах), проносимое рекой через поперечное сечение в единицу времени (Т секунд), называется расходом наносов. Обычно расход взвешенных наносов обозначается R кг/с, расход влекомых наносов q кг/с.

Суммарное количество наносов, проносимое рекой через поперечное сечение за некоторый промежуток времени (сутки, месяц, год), называется стоком наносов за этот промежуток времени и выражается обычно в тоннах. Модулем стока наносов называют сток наносов с 1 км 2 за год. Очевидно, если средний расход взвешенных наносов за время Т суток равен R кг/с, то R=RT*24*60*60/1000=86, 4 TR Модуль стока наносов M=31, 54*1000 R/F (т/км 2 в год) где F — площадь водосбора до замыкающего створа в км 2, R — средний годовой расход взвешенных наносов. Количество взвешенных наносов, содержащееся в единице объема (1 м 3) воды, называется мутностью ( ). Мутность выражается в г/м 3. Таким образом, =1000 R/Q/ Как правило, мутность возрастает от поверхности ко дну. Из всех рек земного шара наибольшим стоком взвешенных наносов отличается Амазонка — около 2, 4 3 млрд. т/год. Повышенным стоком взвешенных наносов отличаются реки бассейна Каспийского моря, в особенности Волга.

Формы русловых образований

Характерные русловые образования: осередок – затопляемый остров; остров — часть поймы (ложа долины), ограниченная рукавами или протоками реки, закрепленный растительностью и устойчивый. участок поймы (дна долины) между действующим руслом и покинутым рекой старым руслом (староречьем) называется останцем обтекания; рукав — часть русла реки, отделенная островом; протока — ответвление реки, нередко отходящее далеко от основного русла и отличающееся от него меньшими размерами. Некоторые протоки могут иметь большие ширины и глубины по сравнению с руслом, но скорости течения при низких уровнях в них всегда значительно меньше; залив (затон — на значительных судоходных реках) — глубоко вдающийся в берег залив в реке; отмель — мелководное место в русле, при очень низкой воде обсыхающее; приплесок — узкая полоса (песчаная, галечная) по береговому склону, заливаемая даже при небольших подъемах уровня воды. Наиболее распространены приплески на горных реках; пляж — широкая ровная береговая полоса, примыкающая к руслу, сложенная речными наносами (чаще песчаными).

Перекаты Расположение изобат на плане реки показывает, что равнинные реки представляют собой чередование плесов (глубоких участков) и перекатов (мелких частей). Перекатом называется более или менее устойчивое образование в русле, обычно в виде косого поперечного вала из наносов, пересекающего русло.

Общая схема переката

Строение переката 1) верхняя коса, или верхние пески, расположена выше (считая по течению) корыта переката; 2) нижняя коса, или нижние пески, расположена ниже корыта переката. Иногда верхнюю косу называют верхним побочнем, а нижнюю косу — нижним побочнем. 3) верхняя плёсовая лощина, или ложбина, — глубокая часть русла выше переката; 4) нижняя плёсовая лощина, или ложбина, — глубокая часть русла ниже переката; 5) седловина, или гребень, — наиболее повышенная часть вала из наносов, соединяющего верхнюю и нижнюю косы переката; 6) корыто переката — наиболее глубокая часть седловины, где обычно проходит фарватер; 7) напорный (верхний) скат — верховая часть седловины переката, обращенная к верхней плесовой лощине, обычно более пологая, чем низовая часть (подвалье); 8) подвалье — низовая часть, или тыловой скат, седловины переката, лежащая ниже вала переката и обращенная в сторону нижней плесовой лощины, обычно более крутая, чем напорный скат.

Схема нормального (слева) и сдвинутого (справа) переката Times New Roman 1) если фарватер плавно переходит из одного плеса в другой, а оси изобат плесов находятся на продолжении одной линии, перекат называется нормальным. Этому случаю расположения фарватера соответствуют русловые образования типа перевалов; 2) если фарватер представляет собой искривленную линию, а оси изобат плесов сдвинуты относительно друга в поперечном направлении, перекат называется сдвинутым. Глубины на нормальном перекате обычно бывают больше, чем на сдвинутом, поэтому с точки зрения судоходства первый называют хорошим перекатом, а второй — плохим.

Спасибо за внимание!