Гидрология рек

2.1 Река и речная система. Характеристики реки и ее бассейна.

Речная долина

Река – это водоток, имеющий течение в продолжении большей части года, получающий питание со своего водосбора и имеющий четко выраженное русло, сформированное самим водотоком. Родник, дающий начало реки, или выход речного потока из озера, болота, ледника – исток реки. Место (створ) впадения реки в другую реку или приемный водоем (море, озеро) – устье реки. На крупных реках выделяют верхнее, среднее и нижнее течение.

Основные морфометрические характеристики (параметры формы) реки в целом – ее длина и площадь водосбора (бассейна).

Водосбор реки – часть земной поверхности и толщи почв и грунтов, откуда данная река получает свое питание. Бассейн реки - это часть суши, по которой протекает данная река со всеми ее притоками, включая временные водотоки, и ограниченная водоразделом. Бессточные территории внутри бассейна в водосбор не входят. В районах достаточного увлажнения водосбор и бассейн, как правило, совпадают.

Совокупность последовательно сливающихся ручьев, речек и рек, образующих все более крупные водотоки, называют речной системой (речной сетью). В речной системе можно выделить главную реку, впадающую в море или бессточное озеро, и последовательность притоков различного порядка.

Густота речной сети определяется как отношение длины рек l на площади к этой площади (площади бассейна) F: .

По площади бассейна реки подразделяют:

большие – F> 50000 км;

средние – F =2000-50000 км;

малые – F <2000 км.

Большая река обычно пересекает две и более природных зоны, гидрологический режим средней реки отражает условия одной зоны или подзоны, режим малых рек в значительной мере определяется местными условиями.

По длине (L) к малым рекам относят обычно реки длиной от 10 до

100 км (иногда до 200), реки длиной до 10 км часто называют ручьями.

Различают физико-географические и морфометрические характеристики бассейнов. К первым относятся:

- географическое положение (географические координаты, близость к морям, пустыням, горным хребтам);

- климатические условия (атмосферные осадки, температура, дефицит влажности воздуха);

- геологическое строение и почвенный покров (трещиноватость горных пород, карстовые явления, механический состав грунтов, водопроницаемость почв и др.);

- рельеф водосбора (уклоны поверхности земли, влияющие на скорость стекания воды);

- растительный покров (виды растительности);

- промерзание почвогрунтов (географическое распространение мерзлоты, слой сезонного промерзания, толщина вечной мерзлоты);

- степень залесенности, выражаемая коэффициентом залесенности - отношением площади лесов к площади бассейнов ;

- озерность бассейна, выражаемая коэффициентом озерности - , где - площадь зеркала озер;

- заболоченность бассейна, выражаемая коэффициентом заболоченности - .

К морфометрическим характеристикам бассейнов относятся параметры формы речного водосбора (бассейна): площадь, длина, наибольшая и средняя ширина, средняя высота. средний уклон поверхности, коэффициент асимметрии.

Речные долины – это относительно узкие углубления земной поверхности, образованные в результате тектонических деформаций и деятельности ледников, а также последующего формирования под действием непрерывно текущей воды.

Элементы речной долины:

русло – наиболее низкая часть долины, занятая рекой в маловодные периоды года;

пойма – часть долины, заливаемая при самом высоком уровне воды;

надпойменные террасы – относительно плоские участки долины, представляющие собой остатки пойм на предшествующих этапах развития долины;

коренные берега – склоны долины выше самой высокой террасы.

Русло и пойма образуют дно долины, террасы и коренные берега - склоны долины.Высота поймы, террас, коренных берегов – превышение их бровок над уровнем воды в маловодный период года.

Основное различие между руслом реки и поймой в том, что границы русла реки четко определяются берегами и бровками русла. Пойма не имеет таких четких границ на склонах долины, так как высота паводков и половодьев постоянно меняется.

Типы долин по генезису – тектонические, ледниковые, эрозионные; по форме поперечного профиля - каньоны, ущелья, V-образные, корытообразные (троги), трапециевидные, ящикообразные.

Продольный профиль реки – график изменения отметок водной поверхности и дна по длине реки.

Падение реки – разность отметок водной поверхности или дна () на каком либо участке реки. Полное падение - разность отметок водной поверхности или дна между истоком и устьем реки. Уклон реки (I) – отношение падения реки на участке к его длине, выражается в долях единицы или промиллях (‰). Для средних по размеру равнинных рек, как правило, I <1‰, для горных – до нескольких десятков ‰.

Типы продольного профиля: вогнутый, прямолинейный, выпуклый, ступенчатый.

Главный базис эрозии реки – уровень приемного водоема или водотока.

Вдоль долины главной реки в каждой речной системе могут быть выделены три характерные зоны (рисунок 2):

I – зона эрозии с наибольшими продольными уклонами (верховья рек) характеризуется систематическим выносом наносов с постепенной врезкой дна русла в коренные породы;

Рисунок 2 – Характерные зоны (I-III) долины главной реки

II – зона транзита в среднем течении рек характеризуется постоянством уклонов и средних высот (отметок) дна русла;

III – зона аккумуляции (устья рек) отличается избыточным поступлением наносов, обеспечивающим систематическое наращивание высот дна.

В зоне эрозии под действием расхода происходит процесс врезки реки в коренные породы с соответствующим выносом наносов на нижележащие участки. Дно медленно понижается с соответствующим уменьшением уклонов . Врезание заканчивается там, где уклон долины настолько мал, что река уже не может размывать коренные породы.

В зоне транзита уклоны и высоты дна не меняются, идет перемещение наносов. В связи с увеличением площади водосбора растет расход , а уклон реки оказывается меньше, чем в зоне эрозии: .

В зоне аккумуляции речной поток не в состоянии переносить все поступающие сверху наносы, поэтому река, постепенно наращивая высоты дна и уровни воды, стремится создать повышенный уклон . Расход воды может возрастать в связи с ростом площади водосбора, но может и уменьшаться в связи с отсутствием притоков на устьевом участке и распластыванием паводка.

Устья главных рек бывают разных типов (рисунок 3).

Дельта – устья рек, впадающих в бессточные озера, либо моря с незначительными приливно-отливными явлениями, например, р. Волга.

а – дельта; б – губа; в – лиман

Рисунок 3 – Характерные устья главных рек

Губа – устья рек, впадающих в приливно-отливные моря и океаны, например, р. Ока. Губа непрерывно растет вверх по течению вследствие размывов льда, происходящих в связи с резкими отливами. В море (океане) напротив губы обычно формируется остров, сложенный продуктами размыва русла реки при формировании губы.

Лиман – устья рек, образовавшихся в результате геологических катастроф, например, рек Днепр и Буг.

Реки ведут себя по-разному в пределах каждой характерной зоны и формируют долины разного строения, что должно обязательно учитываться при проектировании, например, мостовых переходов (рисунок 4).

В зоне эрозии реки протекают по узким долинам – каньонам. При этом происходит необратимое врезание русла в современный аллювий или коренные породы с соответствующим выносом продуктов размыва на нижележащие участки реки и уменьшением продольных уклонов. Долины рек в зоне эрозии относительно узкие, они характеризуются высоким залеганием коренных пород и небольшой толщиной аллювиальных отложений (руслоформирующих наносов). Темп необратимого понижения дна реки (и соответственно уровней воды) оценивают по результатам измерений высот (отметок) дна или уровней воды за разные годы.

Тогда общее необратимое понижение за расчетный срок службы моста , которое обязательно нужно учитывать при фундировании опор, будет равно:

,

где - измеренное понижение дна (или уровней воды) за период Т лет.

а – в зоне эрозии; б – в зоне транзита; в – в зоне аккумуляции;

1 – коренные породы; 2 – древний аллювий; 3 – наилок поймы;

4 - современный аллювий; 5 – дамбы обвалования

Рисунок 4 – Строение долин рек в разных характерных зонах

В зоне транзита наносы, приносимые с верховий реки, полностью транспортируются потоком на нижележащие участки. При этом уклоны и размеры русел рек остаются неизменными в течение многих десятилетий. Долины рек в зоне транзита характеризуются, как правило, большой шириной, существенной толщиной аллювиальных отложений и сравнительно глубоким залеганием не размываемых коренных пород. Непосредственно выше коренных пород залегает древний аллювий, образовавшийся на ранних этапах (в древний период) формирования реки. Выше залегает толща несвязного современного аллювия, периодически переносимого речным потоком. Еще выше залегают связные грунты наилка поймы.

К количественной характеристике речной сети относится ее густота . Густотой речной сети называется длина речной сети, приходящаяся на единицу площади какой-либо территории. Можно подсчитать густоту речной сети в пределах бассейна реки. Тогда получим густоту речной сети для данной речной системы: ,

где - длина всех водотоков (км) на рассматриваемой площади F (км).

Густота речной сети увеличивается с ростом атмосферных осадков и убывает с увеличением водопроницаемости почвы, заболоченности и залесенности территории. Корневая система растений способствует водопроницаемости почвы.

Влияние заболоченности на густоту речной сети выражается зависимостью Н.Н. Захаровской:

,

где - густота речной сети бассейна;

- средняя густота речной сети региона, найденная по большому числу бассейнов, входящих в данный регион, в том числе и незаболоченных бассейнов;

- коэффициент заболоченности;

е – основание натуральных логарифмов;

А, В, К – параметры уравнения.

В равнинных условиях русла практически всех рек (кроме отдельных крупных) в плане извилистые. Степень извилистости русла характеризуется коэффициентом извилистости русла:

,

где L – длина реки на рассматриваемом участке;

- длина прямой от начала до конца участка.

Длина реки обычно отсчитывается от истока вниз по течению по линии наибольших глубин. Положение этой линии определяет фарватер, по которому осуществляется судоходство.

Фарватер, проходящий по главным рукавам реки, называют главным фарватером. Линию с наиболее низкими отметками дна русла реки называют тальвегом реки.

Участок извилистого речного русла между двумя смежными точками перегиба его осевой линии называется излучиной реки.

Характерная для равнинных рек форма донного рельефа, сложенная наносами и обычно в виде широкой гряды пересекающая русло под углом к общему направлению течения, вызывающая отклонение его от одного берега к другому, называется перекатом.

Глубоководный участок реки, находящийся между перекатами, называется плесом.

2.2 Основные гидрологические характеристики реки

Расход воды Q, м/с – количество воды, проходящее через поперечное сечение реки за 1 секунду. Расход воды равен произведению площади водного сечения реки на среднюю для этого сечения скорость течения.

Объем стока V, мили км- это количество воды, проносимое рекой через ее поперечное сечение за больший промежуток времени (сутки, месяц, год).

,

где Q – средний расход воды за рассматриваемый промежуток времени;

t – количество секунд в этом промежутке (для года t =31,54·10с).

Для сравнения величины речного стока с атмосферными осадками или испарением, сток характеризуют высотой слоя воды. Слой стока, мм – это такой слой, который получается, если объем стока распределить равномерно по всей площади речного бассейна: .

Для сравнения условий формирования стока в различных бассейнах часто используют величину расхода воды, отнесенную к площади бассейна, т.е. количество воды, стекающее с каждого квадратного километра – это модуль стока , л/c∙км.

Отношение слоя стока к слою выпавших на площадь бассейна осадков, обуславливающих возникновение данной величины стока, называется коэффициентом стока . Он показывает, какая часть осадков расходуется на образование стока: .

2.3 Питание, водный режим рек, водный баланс речного бассейна

Для рек необходимо различать: процесс питания, режим водного стока и процесс формирования русла и долины.

Источники питания рек – дождевые, снеговые, ледниковые и подземные воды.

Дождевое питание преобладает в теплом поясе и в районах умеренного пояса с муссонным климатом. Доля стекающих дождевых осадков увеличивается при выпадении на увлажненную почву.

Снеговое питание преобладает в холодном и умеренном поясах. Стеканию снеговых вод способствуют повышенная интенсивность снеготаяния, зимнее промерзание грунта и особенно наличие ледяной корки на почве.

Ледниковое питание происходит в результате таяния ледников. Основные факторы – площадь водосбора, занятая ледниками, и температура воздуха.

Подземное питание – поступление в реку грунтовых и межпластовых вод (сток в реки почвенных вод и верховодки условно относится к поверхностному питанию). Зависит от геологического строения и распространения в бассейне водопроницаемых почв, трещиноватых пород, от лесистости.

Поверхностный сток, весьма неравномерный во времени, обычно существенно преобладает над медленным подземным стоком. Периоды максимального поверхностного стока всегда приурочены к определенному времени года. Быстрое поступление в реку огромных масс воды в периоды максимального поверхностного стока вызывает в ней резкое увеличение расходов и соответствующее повышение уровней воды.

Для большинства равнинных рек РФ сток весеннего половодья составляет более 50 % суммарного годового стока.

Питание рек подземными водами наиболее устойчиво и равномерно в течение круглого года. Подземное питание в той или иной мере имеют почти все реки, например у Волги оно составляет около 30 %. На некоторых малых реках подземное питание достигает 60 %.

В зависимости от условий питания в режиме рек выделяют: половодье, паводки и межень.

Половодье – фаза водного режима реки, ежегодно повторяющаяся в данных климатических условиях в один и тот же сезон, характеризующаяся наибольшей водностью, высоким и длительным подъемом уровня воды. Половодье вызывается на равнинных реках - снеготаянием (весеннее половодье), на высокогорных – таянием снега и ледников (летнее половодье), в муссонных и тропических зонах – выпадением летних, затяжных дождей.

Паводок - фаза водного режима реки, которая может многократно повторяться в различные сезоны года, характеризуется интенсивным, обычно кратковременным, увеличением расходов и уровней воды и вызывается дождями или снеготаянием во время оттепелей. Выдающийся по величине и редкий по повторяемости паводок (половодье), могущий вызвать жертвы и разрушения, называют катастрофически паводком.

В инженерной практике термин половодье часто заменяют словом паводок.

Межень - фаза водного режима реки, ежегодно повторяющаяся в одни и те же сезоны, характеризующаяся малой водностью, длительным стоянием низкого уровня и возникающая вследствие уменьшения питания рек. К летней (летне-осенней) межени относят период от конца половодья до осенних паводков, а при их отсутствии – до начала зимнего периода, то есть до возникновения на реке ледовых явлений. Летняя межень может быть устойчивой, продолжительной, а также прерывистой, неустойчивой (периодически нарушаемой дождями).

Зимняя межень совпадает обычно с периодом ледостава. Расходы воды от начала замерзания рек постепенно снижаются, достигая минимума перед вскрытием; это связано с истощением запасов подземных (грунтовых) вод.

Чередование на реках маловодных и многоводных периодов стока является объективным и объяснимым свойством рек, в конечном счете, оказывающем существенное влияние на работу дорожных водопропускных сооружений и мостовых переходов.

Общие закономерности изменения стока по территории можно проследить на примере распределения стока на европейской части бывшего СССР. На широтах 60-65наблюдается «климатический гребень стока» со значением 350-400 мм. Отсюда понижение стока к северу до 300-350 мм из-за уменьшения осадков при более медленном уменьшении испарения. На севере Кольского полуострова повышение стока под влиянием относительно теплого Баренцева моря. Понижение стока к югу до 50-100 мм в степной зоне, до 20 мм на побережье Азовского моря и 5 мм в Прикаспийской низменности, связанное с уменьшением осадков и увеличением испаряемости. Некоторое увеличение стока на возвышенностях (Валдайская, Донецкий кряжи и др.) и существенное в горах – В Крыму с 20 до 150 мм, на Кавказе до 2000-3000 мм.

Классификация рек по водному режиму.

Реки с весенним половодьем, типы:

- Казахстанский – характеризуется очень высокой волной половодья и низким (до полного пересыхания) стоком в остальную часть года. Сток дают почти исключительно зимние осадки, быстрое таяние которых вызывает высокое, но не продолжительно е половодье;

- Восточноевропейский – характеризуется высоким весенним половодьем, летней меженью, прерываемой эпизодически ливнями, низкой зимней меженью и повышенным осенним стоком. Некоторые реки этого типа имеют два максимума: весной и осенью;

- Западносибирский – имеет небольшое, растянутое половодье, повышенный летне-осенний сток и низкую зимнюю межень. Наличие в бассейнах рек этого типа болт, озер, обширных, заливаемых пойм оказывает регулирующее влияние на сток. Длительная зима предопределяет низкий зимний сток;

- Восточносибирский – характеризуется высоким половодьем, систематическими летне-осенними паводками и очень низким зимним стоком. Этот тип рек связан с обильными дождями летом и осенью и ограниченностью подземного питания;

- Алтайский – отличается невысоким, растянутым, гребенчатовидным половодьем, повышенным летне-осенним и низким зимним стоком. Характер половодья рек этого типа обуславливается особенностями таяния снега в горах. На снеговое половодье накладываются дождевые паводки. Устойчивый зимний сток обусловлен запасом подземных вод.

Р еки с половодьем в теплую часть года, типы: дальневосточный, тяньшанский.

Р еки с паводочным режимом, типы: причерноморский, крымский, северокавказский.

Естественный водный баланс речного бассейна:

;

где x – осадки на поверхность бассейна;

z – суммарное испарение с его поверхности;

y – речной сток;

- приток подземных вод, получающих питание за пределами данного бассейна;

- отток подземных вод, сформировавшихся в данном бассейне, за его пределы не в составе речного стока;

- изменение запасов воды в бассейне, содержащейся в подземных водоносных горизонтах, в почве, в водоемах и русловой сети, в снежном покрове и ледниках.

В среднем за многолетний период в целом за год , величины и имеют значение, как правило, лишь для части малых рек, поэтому уравнение водного баланса можно записать в простом виде:

.

2.4 Водомерные графики и гидрографы паводков

Изменение водности рек в ходе годового цикла наглядно характеризуется водомерными графиками и гидрографами паводков.

Водомерным графиком паводка называют график хода уровня воды во времени для данного створа реки (рисунок 5 а). Однако такие графики, являющиеся одними из важнейших характеристик реки в данном сечении, не всегда в полной мере отражают ее водность. Высокие уровни в реках могут формироваться в результате ледяных заторов, зажоров шуги, подпорами от материнской реки, ветровыми нагонами и т.д. В таких случаях при проектировании обязательно используют и гидрографы паводков.

Гидрографом паводка называют график хода расхода воды во времени для данного створа реки (рисунок 5 б). Площадь фигуры, образованной линией гидрографа и осью абсцисс, представляет собой годовой объемстока W, а площадь части этой фигуры, ограниченной двумя любыми абсциссами, определяет часть объема стока за соответствующий промежуток времени.

а – водомерный график паводка; б – гидрограф паводка

Рисунок 5 – Графики, характеризующие водность реки

Реки по типу питания принято подразделять на четыре группы:

- реки с дождевыми паводками, питающимися в течение теплого периода года преимущественно за счет ливневого стока (например, р. Амур). На реках с дождевым питанием в течение теплого периода обычно наблюдается несколько пиков, поэтому водомерный график стока таких рек, как правило, многомодален (рисунок 6);

- реки с паводками от талых вод (р. Ока). Поскольку снеготаяние обычно приурочено к весеннему периоду года, то водомерный график рек со стоком от талых вод обычно одномодален;

- реки с паводками от таяния ледников (р. Аму-Дарья) имеют растянутый в течение теплого периода времени года пилообразный водомерный график;

- реки с комбинированным питанием (р. Кубань). Здесь на ход преимущественного питания (например, от таяния ледников или снеготаяния) накладываются отдельные ливневые пики.

Характерные очертания водомерных графиков и гидрографов паводков для каждого конкретного створа той или иной реки обычно сохраняются год от года, отображая закономерную смену времен года и особенности ее питания.

Для каждого створа реки наблюдается обязательная закономерная последовательность наступления соответствующих максимальных значений гидрометрических характеристик паводка:

.

а – дождевой сток; б – сток талых вод; в – сток от таяния ледников;

г – сток при комбинированном питании

Рисунок 6 – Характерные водомерные графики рек с различными типами

преимущественного питания

2.5 Ледовый режим рек

Началом ледового режима принято считать момент устойчивого понижения температуры воздуха ниже нуля; концом – момент очищения реки ото льда. Весь зимний период делится на три части: замерзание реки, ледостав и вскрытие.

Замерзание реки. При появлении отрицательных температур воздуха начинается процесс охлаждения поверхностных слоев воды, на ее поверхности появляется так называемое сало – тонкая пленка, имеющая вид разлитой масляной жидкости. Одновременно возникают ледовые образования у берегов – забереги, т.е. появляется корка тонкого льда в тихих заводях и на участках со слабым течением или почти стоячей водой.

Выпадение в это время обильного снега приводит к образованию на поверхности воды снежуры – комковатого скопления льда со снегом.

Вследствие непрерывного перемешивания воды в реках охлажденные верхние слои охлаждают воду во всем живом сечении потока. Переохлаждение воды создает благоприятные условия для образования внутри потока кристаллов льда, которые затем объединяются в глыбы губчатой структуры - внутриводного льда.

Внутриводный лед в реках причиняет большой вред: закупоривает всасывающие трубы городских водопроводов, забивает турбины гидростанций, водозаборные сооружения на оросительных и осушительных системах. В этих случаях нарушается или полностью прекращается на некоторый период нормальная работа сооружений.

Борьба с внутриводным льдом заключается в уменьшении скорости течения путем устройства запаней на поверхности воды из дерева или хвороста. Уменьшение скорости течения влечет за собой быстрое образование поверхностного льда и прекращение процесса образования внутриводного льда.

Всплывший внутриводный лед, снежура, сало образуют большие скопления льда, называемые шугой. При движении шуги по поверхности водного потока (шугоход) скопления ее, соприкасаясь с холодным воздухом, смерзаются в льдины или ледяные поля, и шугоход переходит в осенний ледоход.

Осенний ледоход иногда сопровождается зажорами – скоплением в живом сечении реки масс внутриводного льда с включением мелкобитого кристаллического льда. Зажоры преграждают путь движущейся воде, вызывая подъем уровня и затопление территории.

Ледостав. С увеличением числа и размеров льдин на поверхности воды скорость движения их уменьшается. В местах сужения или крутого поворота реки, у островов или искусственных сооружений скорость плывущих льдин замедляется. В условиях отрицательных температур воздуха это приводит к быстрому смерзанию ледяных полей и образованию сплошного ледяного покрова, или ледостава.

Некоторые участки реки не замерзают в течение всей зимы или части ее. Такие незамерзающие участки называются полыньями. Причины их образования – большие скорости течения, например на порогах, выход в русло относительно теплых подземных вод. Полыньи способствуют образованию внутриводного льда и зажоров.

В период ледостава на поверхности ледяного покрова иногда возникают наледи – наросты льда в виде напластований, утолщений, бугров.

После установления на реке поверхностного ледяного покрова происходит увеличение его толщины. Основной фактор, влияющий на толщину льда, - температура воздуха. Толщину льда (h) в естественных условиях, т.е. при покрытии его снегом, можно рассчитать по эмпирической формуле:

,

где - сумма среднесуточных отрицательных температур воздуха от начала образования до данного момента;

n – показатель степени (для северных рек n = 0,5);

- коэффициент, колеблющийся в пределах 1,2-2,0.

Вскрытие реки. С наступлением положительных температур воздуха начинается таяние снега, льда и поступление талых вод в реки. Прежде всего стаивает снег на поверхности льда, затем лед оттаивает возле берегов, образуются полосы воды вдоль берегов – закраины. Образование закраин обусловлено поступлением теплых талых вод с бассейна и теплоотдачей берегов.

Увеличение расхода и повышение уровней воды реки приводит в движение ледяные массы, происходит подвижка льда. Лед трогается большими полями, движется медленно, а затем останавливается. Подвижек льда может быть несколько, в зависимости от типа весны. Дальнейшее поступление воды и повышение уровня способствуют поднятию, разламыванию и передвижению льда по течению – начинается весенний ледоход, который значительно превосходит осенний.

Большие массы льда, нагромождаясь в сужениях русла, образуют заторы. Заторы нередко приобретают большую силу, особенно на реках, текущих с юга на север, т.к. вскрытие реки в северной части происходит позднее, чем в южной.

2.6 Движение наносов (см. самостоятельно в МУ по практике).