Зарождение водотока и его развитие

РЕКА

РЕКА, крупный естественный водоток, по которому избыток воды, попадающий на сушу в виде дождя или снега, возвращается в океан. Реки являются составной частью гидрологического цикла (круговорота воды в природе), в котором вода постоянно перераспределяется на суше и в атмосфере.

Реки дренируют лишь ок. 60% площади всей суши. В сухих областях постоянные водотоки отсутствуют, поскольку выпадающие там скудные осадки быстро впитываются в грунт. В холодных областях влага аккумулируется в форме льда и очень медленно перемещается вместе с ледниками.

Зарождение водотока и его развитие.

Избыток дождевой или талой снеговой воды возникает на суше после насыщения ею почвы или залегающих на поверхности горных пород. Реки начинаются с крошечных бороздок, по которым отводится эта избыточная влага. Они могут также вытекать из озер или болот. Борозды и промоины разрастаются, образуя овраги, затем возникают небольшие долины ручьев, которые помимо поверхностного стока питаются грунтовыми водами из родников. В пределах всего водосборного бассейна более мелкие водотоки (притоки) вливаются в более крупные. Вся сеть водотоков в целом, состоящая из притоков разного порядка и главной реки, называется речной системой. Территория, дренируемая данной речной системой, называется водосборным бассейном.Согласно классической схеме развития речных долин, выделяется стадия юности, когда начинается врезание водотоков в геологически молодой ландшафт. На этой стадии энергия потока в основном расходуется на врезание (глубинную эрозию) по направлению к базису эрозии (глобальным базисом эрозии является уровень океана). На стадии зрелости речных долин, когда речная сеть уже сложилась, начинается блуждание более крупных водотоков, почти достигших базиса эрозии, по днищам их долин. На стадии старости долин поймы рек становятся очень широкими, возвышенности приобретают пологие склоны, а течение рек становится медленным, спокойным.Некоторые положения этой концепции справедливы, однако на основании полевых наблюдений и измерений многие принятые в ней допущения были опровергнуты. Например, верно, что в условиях геологически молодого, или свежего, рельефа должны развиться речные системы, которые удаляли бы избыток атмосферных осадков с поверхности. Однако в геологическом масштабе времени главные водотоки и сеть их притоков формируются быстро. Традиционное представление о «молодом» водотоке особенно удобно для объяснения природы рек горных областей, недавно испытавших поднятие. Такие реки часто протекают в узких ущельях и имеют пороги и водопады. Эти черты, однако, не являются безошибочным признаком молодости рельефа, поскольку выступы устойчивых горных пород, создающие водопады, часто просто служат локальными базисами эрозии, а выше них по течению как главное русло, так и его притоки могут обладать всеми характерными признаками зрелого рельефа.Часто понятие равновесного или квазиравновесного состояния системы бывает более полезным, чем концепция возрастных стадий развития рельефа. Это понятие подразумевает, что равновесие между размерами и формой русла, стоком воды и характером и количеством наносов, выносимых в море, достигается потоком очень быстро. Когда такое равновесие почти достигнуто, никаких существенных изменений, вызванных только старением рельефа, не происходит. Скорее перемены происходят под воздействием значительных изменений климата, поднятия поверхности или каких-либо других факторов.Продольный профиль речного русла обычно имеет слабовогнутую форму с бóльшими углами наклона в верхнем течении и меньшими – в нижнем. Форма профиля реки внутренне связана с упомянутым равновесием и отражает количество энергии, затрачиваемой потоком на движение наносов, поступающих в него за счет выветривания и эрозии бортов русла и прилегающих склонов долины. Там, где сток воды меньше (например, в верховьях бассейна), для транспортировки наносов требуются бульшие уклоны, а там, где расходы больше (в низовьях), достаточно меньшего уклона. Большинство водопадов или порогов представляет собой лишь незначительные неровности на таком плавном продольном профиле.

Масса воды, проходящей по руслам рек от истока до устья, совершает определенную работу (1 кг воды, падая с высоты 1 м, способен произвести работу, равную 1 кгс-м) и, следовательно, обладает некоторым запасом энергии. Причем, чем больше падение (уклон) реки и расход воды, тем больше энергия. Эта энергия называется водной энергией, а совокупность ее для данной реки или речного бассейна называется гидроэнергетическими ресурсами реки или бассейна. Энергия рек в естественном состоянии расходуется на преодоление сил трения между частицами воды внутри самого потока и между потоком и его ложем. Внешне работа рек проявляется в размывах русел, во влечении взвешенных в воде наносов и перекатывании по дну частиц гравия, гальки и камней. Работу, совершаемую рекой, и количество водной энергии, включенной в любом участке реки, можно выразить математически следующим путем. Пусть участок реки (рис. 13.1) имеет длину L м, средний уклон , падение м, расход , среднюю скорость v м/с и постоянную площадь живого сечения . В этом случае . Рис. 13.1. Схема к определению работы, совершаемой рекой. В течение одной секунды объем воды, заключенной между сечениями а - а и б - б, на участке L переместится на расстояние численно равное скорости воды v, и займет положение а' - а' и б' - б'. При этом поток совершит работу , где - объемная масса воды, a - масса всей воды в пределах рассматриваемого участка, кг; - путь воды в направлении действия силы тяжести, м. Так как , a работу потока можно выразить так: . (13.1) Поскольку эта работа относится к промежутку времени в 1 с, то она численно равна мощности, и уравнение мощности реки для участка L будет иметь вид . (13.2) Для воды = 1000 , 1 кВт = 102 кгс-м/с, поэтому мощность речного потока в кВт будет равна . (13.3) Как известно из механики, работу можно выразить как произведение мощности и времени ее действия, т. е. Эр = N p T кВт-ч, где Т - время (в часах) действия мощности N p (в киловаттах). Количество работы (энергии), которую речной поток совершит за время Т, таким образом, можно записать так: . (13.4) Если известны общий объем воды W , протекшей в реке, рассматриваемый период Т, и падение реки Hp, то работа, выполненная речным потоком (количество энергии, которое теоретически может быть получено от реки), составит (в кВт*ч) . (13.5) Для использования водной энергии данного участка реки на нем необходимо соорудить гидроэлектрическую станцию (ГЭС), в которой водная энергия преобразовывалась бы в электрическую. С помощью гидротехнических сооружений концентрируется (сосредоточивается) падение реки, т.е. создается напор ГЭС, а воду направляют через силовое (машинное) здание, где водная энергия посредством гидромеханического и электромеханического оборудования преобразуется в электрическую. Гидроэлектрическая станция превращает в полезную работу не все энергоресурсы реки, выраженные формулами (13.2) - (13.5). Часть их расходуется на преодоление различных сопротивлений: механических (трение в подшипниках турбины и электрического генератора), гидравлических (внутреннее трение в воде, образование вихрей, трение воды о стенки водоподводящих устройств ГЭС и др.) и электрических (вызывающих нагрев генератора и проводов). В связи с этим для определения мощности ГЭС в формулу (13.3) вводят дополнительные множители, выражающие собой и к. п. д. водоподводящих сооружений , водяной турбины , электрического генератора . При этом формула мощности гидроэлектростанции принимает вид . (13.6) Произведение Hp является напором ГЭС (сосредоточенным падением реки, используемым ГЭС); он всегда меньше Hp (падение используемого участка реки). Средние значения к.п.д. электрического генератора ГЭС 0,95 - 0,97. Средние значения к. п. д. крупных водяных турбин 0,86 - 0,88. В предварительных расчетах общий к. п. д. ( и ) принимают равным 0,75, и формула мощности ГЭС записывается следующим образом: . (13.7) Мощность крупных ГЭС, где к.п.д. ( и ) имеют обычно более высокие значения, определяется по формуле . (13.8) Суммарную мощность установленных на ГЭС гидроагрегатов называют установленной мощностью. Выработка энергии ГЭС за период времени Т при переменной мощности определяется формулой ,   или   ,   где - фактическая мощность, с которой ГЭС работает в интервале времени T. Работа ГЭС (в кВт*ч) обычно характеризуется годовой выработкой. Ее можно определить также по объему стока , прошедшего за год через турбины ГЭС: .