Одним из важных звеньев круговорота воды на Земле является сток вод суши в океан. Различают поверхностный и подземный стоки. Поверхностный сток в свою очередь может быть склоновым или русловым. Склоновый сток только в идеальном случае будет плоскостным. Примером плоскостного стока служит сток дождевых вод по наклонной полированной поверхности пьедестала какого-нибудь памятника. В природных условиях поверхность стока всегда в какой-то степени неровная, что приводит к образованию руслового стока. Воды стекают по склонам многочисленными струйками и ручейками без четко выраженных направлений. Постепенно сливаясь, струйки и ручейки образуют постоянные или временные потоки, которые называются реками.
Речное русло, речная система и бассейн. Истоком, или началом реки, может служить озеро, болото, ледник, выход на поверхность подземных вод и слияние струек воды, возникших после выпадения атмосферных осадков. Очень часто положение истока неопределенно, к тому же он может перемещаться в течение года в зависимости от изменений условий питания реки по сезонам. Одна из важнейших задач картографирования рек состоит в правильном выборе их истоков.
Реки впадают в море, озеро или в другую реку. Место впадения реки — ее устье. Река от истока до устья в большинстве случаев постепенно расширяется и углубляется, пополняясь водой за счет притоков, атмосферных осадков, таяния снега и льда и источников подземных вод. В условиях сухого климата реки расходуют много воды на испарение, орошение и фильтрацию и поэтому они могут постепенно иссякнуть, не донеся своих вод до водного бассейна.
Поперечные сечения русла, заполненного водой, называется водным сечением. Сечение движущегося потока называется живым. Площадь живого сечения связана с шириной В и наибольшей глубиной Н реки уравнением
Важными характеристиками русла являются гидравлический радиус, средняя глубина и уклон. Гидравлический радиус определяется из формулы
где Р — смоченный периметр, т. е. длина линии соприкосновения потока с его ложем. Уклон русла определяется из формулы
где Δh — разность высот двух точек, между которыми определяется уклон, l — длина соответствующего участка. Уклон выражается в метрах на километр падения или промиллями. Уклоны рек зависят, очевидно, от уклона поверхности территории, по которой они протекают. Приведем показатели уклонов некоторых рек, выраженных в промиллях: Обь 0,04; Волга 0,07; Амур 0,11; Енисей 0,37; Кубань 1,46; Терек 4,77.
Все реки, протекающие по той или иной территории, образуют ее речную сеть, которая состоит из речных систем. Речная система включает главную реку и притоки. В качестве признаков главной реки принимаются длина, водность, осевое положение в речной системе, относительный возраст речной долины (долина более старая, чем у притоков). Часто главные реки не отвечают этим признакам. В качестве примеров можно назвать реки Миссисипи и Обь, которые короче и менее полноводны, чем их притоки, соответственно Миссури и Иртыш, и не занимают осевого положения в речной системе. B таких случаях главной рекой речной системы исторически становилась та река, которая раньше других рек этой системы была заселена.
Притоки главной реки называются притоками первого порядка, их притоки — притоками второго порядка, и т. д.
Речная система характеризуется протяженностью составляющих ее рек, их извилистостью и густотой речной сети. Степень извилистости или коэффициент извилистости рек — отношение длины реки к прямой, соединяющей исток и устье. Густота речной сети — отношение общей протяженности всех рек данной сети к занимаемой ею площади.
Участок поверхности, с которого вода стекает в одну и ту же речную систему, называется ее бассейном. Бассейны рек входят в бассейны морей и океанов. Все воды суши делятся между главными бассейнами: 1) Атлантического и Северного Ледовитого океанов, 2) Тихого и Индийского океанов, 3) областью внутреннего стока. Последняя составляет 21,5% от площади всей суши.
Бассейны ограничены водоразделами. В горных странах водоразделы чаще всего совпадают с гребнями хребтов. На равнинах, особенно плоских и заболоченных, водоразделы не четко выражены. В некоторых местах водоразделы провести невозможно, так как одна ж та же река направляет свои потоки в разные системы. Такое явление называется бифуркацией. Пример бифуркации — деление верхнего течения р. Ориноко на две реки. Одна из них впадает в Атлантический океан, другая — р. Касикьяре — впадает в приток Амазонки Риу-Негру.
Между главными бассейнами океанов проходит главный водораздел Земли.
Движение воды в руслах рек. Для водного потока’ характерно турбулентное движение. Скорость его в каждой точке непрерывно
изменяется и по величине и по направлению. Это обеспечивает постоянное перемешивание воды и способствует размывающей деятельности. Распределение скорости в русле реки зависит от многих причин (очертания русла в плане, чередования различных глубин и др.), а поэтому скорости в разных точках русла различны. Наибольшая скорость течения наблюдается в местах наибольшей глубины: на участках с прямолинейным руслом в средней части русла, в изгибах у вогнутого берега. По вертикали скорости движения воды также неодинаковы. Максимальная скорость наблюдается у водного зеркала или вблизи от него (рис. 45).
Среднюю скорость течения воды в русле можно вычислить по формуле Шези
где с — коэффициент, зависящий от степени шероховатости русла и величины гидравлического радиуса, R — гидравлический радиус, который практически можно принять равным средней глубине реки. Величина коэффициента с может быть вычислена по формуле Н. Н. Павловского
где n — коэффициент шероховатости,
у — переменная величина, вычисляемая по упрощенным формулам:
Значение коэффициента шероховатости можно получить по таблице М. Ф. Срибного.
Кроме движения воды по уклону поверхности русла, имеются токи воды, направленные поперек русла и обусловленные действием центробежной силы и силы Кориолиса. Центробежная сила f действует по направлению радиуса кривизны изгиба русла и выражается формулой
где т — масса воды, и — скорость течения реки, r — радиус кривизны изгиба. Под действием центробежной силы происходит перекос водной поверхности на изгибе русла, так как вода отбрасывается к вогнутому берегу и здесь уровень воды повышается (рис. 46).
У поверхности потока скорости течения всегда больше, чем у дна, а поэтому и величина центробежной скорости здесь также больше. Следовательно, поверхностный слой воды с большей силой отрабатывается к вогнутому берегу. У вогнутого берега вода накапливается, опускается вниз и отжимает придонный слой воды к выпуклому берегу, где придонный слой поднимается кверху. Так возникают в русле поперечные токи воды. Поскольку в реке имеется течение в направлении общего уклона дна русла, частицы воды, смещающиеся в поперечном направлении, движутся также вниз по течению и описывают траекторию, подобную спирали.
В результате действия силы Кориолиса возникает перекос поверхности воды с подъемом к правому берегу (в северном полушарии), что также вызывает поперечную циркуляцию воды в русле. Сила
Кориолиса может складываться с центробежной силой или вычитаться из нее, в зависимости от того, вправо или влево по направлению течения располагаются вогнутые части речного русла. На прямолинейном участке русла поперечные течения в реке определяются в основном действием силы Кориолиса.
Разность уровней поверхности воды между берегами реки зависит от величины элементов, входящих в формулы центробежной силы и силы Кориолиса. Обычно эта разность имеет значение порядка десятых и сотых долей метра от действия центробежной силы и порядка сотых и тысячных долей метра на широтах СССР от действия силы Кориолиса.
Кроме отмеченных циркуляционных течений, в руслах рек могут возникнуть вращательные движения — водовороты. Они возникают в местах резкого изменения скорости водного потока у выступов берега или дна.
Расход и сток воды в реках. Количество воды, проходящей через живое сечение реки за 1 сек, называется ее расходом Q
Расходы воды в реках очень изменчивы. Более устойчивы они на реках, зарегулированных озерами и водохранилищами.
Количество воды, проходящее через живое сечение реки за определенный промежуток времени, называется стоком реки. Сток подсчитывают за сутки, месяц, сезон и год. Сток характеризует водоносность реки. Водоносность рек колеблется в больших пределах. Так, среднегодовой расход Амазонки 120 000, Миссисипи 19 000, Нила 2300 м3/сек. Специальными показателями стока служат величины слоя стока и коэффициента стока.
Слой стока — слой воды в миллиметрах, который покрыл бы площадь водосбора при равномерном распределении по ней всего объема стока.
Коэффициент стока — отношение слоя стока А к слою выпавших осадков Н
Слой стока всегда учитывается при гидротехнических расчетах. Коэффициент стока зависит от влажности климата, уклона поверхности, растительности, водоупорности грунта, хозяйственной деятельности человека и других условий. Приведем примеры коэффициентов стока крупных рек, расположенных в разных географических условиях: Нева 65, Иравади 48, Конго 38, Миссисипи 24, Колорадо 17, Муррей 11, Нил 4.
Питание, водный режим и классификация рек. Существует четыре основных источника питания рек: дождевое, снеговое, ледниковое, подземное. Роль того или иного источника питания, их сочетание и распределение во времени зависит главным образом от климатических условий. Питание влияет на колебание уровня реки.
Систематические наблюдения за уровнем рек позволяют выяснить закономерности изменения количества воды в реках во времени, их водный режим. В годовом водном режиме рек можно выделить периоды с определенными типично повторяющимися уровнями, которые называются фазами. К таким фазам относятся межень, половодье и паводок.
Межень — наиболее низкий уровень воды в реке при преобладании подземного питания. Летняя межень наступает в результате высокой инфильтрационной способности почв и сильного испарения, зимняя — в результате отсутствия поверхностного питания.
Половодье — ежегодно повторяющееся в один и тот же сезон относительно длительное и значительное увеличение количества воды в реке, сопровождающееся подъемом уровня. Оно вызывается весенним таянием снега на равнинах, летним таянием снега и льда в горах и в полярных странах, обильными дождями. Время наступления и продолжительность половодья в разных географических условиях различны.
Паводки — относительно кратковременные и непериодические подъемы воды в реке, вызываемые поступлением в реку дождевых и талых вод, а также пропусками воды из водохранилищ.
Высота подъема воды в половодье и в паводки очень различна. Так, например, весенний подъем воды на большинстве крупных рек Европейской части СССР до 4 м; на больших сибирских реках в связи с заторами льда подъем воды может доходить до 15— 20 м.
По источникам питания и водному режиму было предложено несколько классификаций рек. Наиболее хорошо разработана классификация М. И. Львовичем. Он делит реки по количественным показателям источников питания и водного режима, принимая за основу следующие градации: 1) почти исключительная роль одного источника или сезона стока (более 80%), 2) преобладающая роль (от 50 до 80%) и 3) преимущественная роль (менее 50%). Так, например, реки амазонского типа имеют почти исключительное дождевое питание и преобладающий осенний сток, реки амурского типа — преимущественно дождевое питание с преобладанием летнего стока, реки гренландского типа — почти исключительно ледниковое питание и летний сток и т. д.
Тепловой и ледовый режим рек. Температура воды в реках находится в пределах от 0 до 24°. По живому сечению температура в реках мало отличается благодаря постоянному перемешиванию воды. Суточный и годовой ход температуры воды в реках отстает от хода температуры воздуха.
При охлаждении воды ниже 0° начинается льдообразование. В спокойно текущей реке возникают забереги и тонкий слой кристалликов льда— сало. Забереги и сало смерзаются в сплошной ледяной покров. При быстром движении воды кристаллики льда возникают во всей толще ее и образуется внутриводный и донный лед. Всплывающий на поверхность лед называется шугой. Плывущие по реке сало, шуга, битый лед и мокрый снег образуют осенний ледоход. Он смерзается и образуется ледяной покров. Мощность ледяного покрова на реках может достигать 2 м и более.
Вскрытие рек начинается близ берегов под влиянием солнечного тепла и поступающих в реку талых вод. Приток талых вод вызывает подъем уровня, лед всплывает, отрываясь от берегов, и начинается весенний ледоход. Если вскрытие реки начинается с верховьев, то образуются заторы, уровень воды поднимается, лед, еще не начиная таять, взламывается и выбрасывается на берег; создаются мощные ледоходы, разрушающие берега.
Химизм и твердый сток в реках. По растворенным минеральным веществам (по преобладанию анионов) речные воды делятся на три класса: гидрокарбонатные (СО3), сульфатные (S04) и хлоридные (Сl). Большинство рек относится к гидрокарбонатному классу и слабо минерализованы (менее 200 мг/л).
Общее количество речных наносов, проносимое через живое сечение реки, называется твердым стоком. Речные наносы разделяют на взвешенные и влекомые, или донные. Зная расход R взвешенных наносов и расход Q воды в реке, можно определить ее мутность по формуле
Наибольшей мутностью отличаются пустынные реки (например, реки бассейна Амударьи от 2500 до 4000 г/ж3). Малая мутность характерна для полярных рек (50 г/м3). Средний годовой сток взвешенных наносов некоторых рек выражается в следующих цифрах (млн. т): Хуанхэ — до 1500; Инд 450; Миссисипи 211; Амударья 96; Волга 18; Печора 6,5.
Донные наносы составляют 1—5% от количества взвешенных наносов. Масса М частиц, перемещаемых водой по дну, определяется по закону Эри из формулы
где А — коэффициент, v — скорость реки. При большой скорости донные наносы могут передвигаться слоем мощностью до нескольких десятков сантиметров. Передвижение их происходит очень неравномерно, так как скорость у дна резко изменяется. Поэтому на дне реки образуются песчаные волны.
Формирование речного русла. Речной поток стремится выработать продольный профиль, при котором кинетическая энергия его будет одинакова на всем протяжении. В таком случае между размывом, переносом и отложением наносов в русле установится равновесие и образовавшийся профиль называется профилем равновесия. При равномерном увеличении количества воды в реке вниз по течению профиль равновесия представляет собой вогнутую кривую. Наибольший уклон он имеет в верхней части, вниз по течению, с увеличением количества воды, уклон уменьшается. У рек пустыни, получающих питание в горах, а в нижнем течении теряющих много воды профиль равновесия имеет выпуклость в нижней части. Вследствие изменения количества наносов, количества воды, скорости потока и стойкости горных пород, слагающих русло, на протяжении течения реки профиль равновесия имеет на разных отрезках неодинаковую кривизну, он может быть изломанным. Нередко возникают водопады и пороги.
Реки почти всегда извилисты. Извилины рек называются меандрами. В одних случаях извилины длительное время неизменны
(врезанные меандры), в других — они непрерывно изменяются и смещаются вниз по течению (блуждающие меандры). Водный поток в извилистой реке ударяется в вогнутый берег и размывает его. Извилистость увеличивается, а вогнутый берег смещается вниз. Извилистость может достигнуть такой величины, что произойдет прорыв перешейка между меандрами и образуется старица (рис. 47).
У подмываемого вогнутого берега поток вымывает углубление — плес, поперечное течение относит вымытые частицы к выпуклому берегу, где создается отмель. Поэтому поперечный профиль русла в месте изгиба несимметричен. На прямом участке русла колебания глубин меньше. Здесь встречаются мелкие участки реки, которые называются перекатами. Линия, соединяющая наиболее глубокие места вдоль русла, называется фарватером.
У пологих, обычно выпуклых берегов отмель может переходить в ровную береговую полосу, сложенную речными наносами — песком или галькой. Эта полоса называется пляжем. Отложения наносов, которые обычно тянутся вниз по течению от выпуклого берега, называются косами.
При уменьшении скорости реки образуются наносы. В связи с этим, а также при наличии препятствий русло разветвляется и возникают острова. Ответвления реки, отходящие далеко от основного русла и отличающиеся от него меньшей шириной и глубиной, называются протоками. Ответвления реки, отделенные от основного русла небольшими островами и мало отличающиеся от основного русла, называются рукавами. Система сложно ветвящихся протоков и рукавов в устьях рек называется дельтой.
—Источник—
Богомолов, Л.А. Общее землеведение/ Л.А. Богомолов [и д.р.]. – М.: Недра, 1971.- 232 с.
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
