Лекция 3. Гидрология рек.Морфометрия. Типы речн..

Гидрология рек
Основные понятия. Классификации рек
Основным понятием в гидрологии суши является «водный объект». Водные объекты суши подразделяются на водотоки и водоемы.
Водоемы – это водные объекты в углублении суши, характеризующиеся замедленным движением воды или полным его отсутствием. Различают естественные водоемы – природные скопления воды во впадинах, и искусственные – специально созданные скопления воды в искусственных или естественных углублениях земной поверхности.
В отличие от водоемов, водотоки – это водные объекты, в которых вода движется в направлении уклона в углублении земной поверхности. Различают постоянные водотоки – движение происходит в течение всего года и временные водотоки – движение происходит в меньшую часть года.
Наиболее типичная форма водотоков на земле – реки.
Река – это водоток сравнительно больших размеров, как правило, постоянный, питающийся стоком атмосферных осадков со своего водосбора и текущий в разработанном им русле.
Реки типизируют по различным признакам, например по размеру, условиям протекания, источникам (видам) питания, водному режиму, степени устойчивости русла, ледовому режиму и т. д.
По размеру реки подразделяют на большие, средние и малые. К большим обычно относят реки с площадью бассейна более 50 000 км2, к средним – с площадью бассейна в пределах 2000 – 50 000 км2, к малым – с площадью бассейна менее 2000 км2. Нижняя граница площади бассейна (50 км2), отделяющая малые реки от ручьев,– весьма условна.
Большая река обычно имеет бассейн, расположенный в нескольких географических зонах. Гидрологический режим большой реки в целом не свойствен рекам каждой географической зоны в отдельности и поэтому полизонален.
Средняя река обычно имеет бассейн в пределах одной географической зоны. Гидрологический режим средней реки характерен для большинства рек данной географической зоны и поэтому зонален.
Малая река также имеет бассейн, расположенный в пределах одной какой-либо географической зоны, но ее гидрологический режим под влиянием местных условий может существенно отличаться от режима, свойственного большинству рек данной географической зоны, и стать, таким образом, азональным. Малые реки, в отличие от средних и больших, могут не полностью дренировать грунтовые воды, что также определяет отличие их режима от режима, свойственного более крупным рекам данной географической зоны.
В России насчитывается свыше 120 тыс. рек длиной более 10 км. Их общая протяженность составляет свыше 2,3 млн.км. Самая длинная река из всех, протекающих по территории России, Обь с Иртышем (5410 км). Она же имеет и самую большую площадь бассейна, часть которого находится за пределами России. Из рек, бассейн которых полностью находится на территории России, самой длинной является Лена (4400 км). Самая многоводная река Енисей (624 км2/год).
В Пермском крае всех рек более 29 тыс., а их общая протяженность свыше 90 тыс. км.
В Пермском крае реки относятся к бассейну одной реки - Камы, крупнейшего левого притока Волги. Кстати, если подходить строго с позиции науки гидрологии, учитывая все правила выявления главной реки, то получается, что не Волга, а Кама впадает в Каспийское море. По длине Кама (1805 км) - шестая река в Европе после Волги, Дуная, Урала, Дона и Печоры. Абсолютное большинство ее притоков - малые, то есть менее 100 км. 42 реки Прикамья имеют длину более 100 км каждая, но из них только Кама и Чусовая относятся к разряду больших рек (более 500 км).


Самые протяженные и многоводные реки Пермского края:
Чусовая
529 км
Косьва
283 км

Сылва
493 км
Коса
267 км

Вишера
415 км
Весляна
266 км

Колва
460 км
Иньва
257 км

Яйва
403 км
Обва
247 км




Реки Западного Урала очень живописны и разнообразны по характеру. Одни - типично равнинные (это все правые притоки Камы: Коса, Уролка, Кондас, Иньва, Обва и другие: некоторые левые: Весляна, Лупья, Южная Кельтма, Тулва, Сайгатка). У них спокойное течение, извилистое русло с многочисленными меандрами, островами, протоками, водной растительностью. Их поймы изобилуют старицами, озерами и часто заболочены.
Левобережные притоки Камы, берущие начало в Уральских горах, в верховьях - типично горные реки с быстрым течением. По берегам этих рек часто встречаются обнажения многочисленных камней и живописные скалы. Русло изобилует перекатами, порогами и небольшими водопадами. Выходя на равнину, реки теряют свой горный характер.
Совокупность рек, сливающихся вместе и выносящих свои воды в виде общего потока, называют речной системой. Иначе говоря, речная система включает в себя главную реку и большое количество притоков, т.е. рек, впадающих в нее прямо или посредством других.
Различают притоки различных порядков. Притоки, непосредственно впадающие в главную реку, называются притоками (реками) первого порядка, притоки этих притоков – притоками второго порядка и т.д. Такая классификация притоков называется нисходящей (от главной реки). Недостатком ее является включение в один порядок притоков различной категории, т.е. совершенно различных как по размеру водосборов, так и по водности.
Существует и другая классификация (американского гидролога Хортона) – восходящая, в которой порядок притоков устанавливается в направлении от истоков к устью главной реки. Согласно этой классификации, за реку первого порядка принимается река, не имеющая притоков. Река второго порядка образуется при слиянии двух рек первого порядка, причем второй порядок распространяется на одну из слившихся рек (наибольшую) до ее истока. Река третьего порядка образуется при слиянии двух рек второго порядка и т.д. таким образом, порядок реки увеличивается на одну единицу только после слияния двух рек одного порядка. Если же сливаются две реки разных порядков, то после их слияния порядок реки не меняется, а сохраняется наибольших порядок одной из двух слившихся рек. Достоинством этой классификации является то, что по номеру порядка реки можно судить о ее длине, площади водосбора, водоносности и других характеристиках.
Так, по данным Ржаницына, средняя длина рек I и II порядков менее 1 км, IV порядка – около 5 км, IX порядка – около 100 км, XIII – около 1300 км, XV – около 3700 км. Например, XV порядок имеет р. Волга ниже впадения в нее р.Камы.
Каждая речная сеть имеет свою область питания. Следует различать водосбор и бассейн реки.
Водосбор реки – это часть земной поверхности и толщи почв и грунтов, откуда данная река получает свое питание.
Бассейном реки называют часть земной поверхности, включающая данную речную систему и ограниченная водоразделом.
Совокупность водотоков (рек, ручьев, каналов), водоемов (озер и водохранилищ) и особых водных объектов (болот, ледников) в пределах речного бассейна составляет гидрографическую сеть бассейна.
Обычно водосбор и бассейн реки совпадают. Несовпадение границ бассейна и границ водосбора характерно для засушливых районов с плоским рельефом.
Поскольку питание может быть поверхностным и подземным, различают поверхностный и подземный водосборы.
Поверхностный водосбор представляет собой участок земной поверхности, с которого стекают воды в отдельную реку или речную систему.
Подземный водосбор – это толща почво-грунтов, из которых вода поступает в речную сеть.
Поверхностный и подземный водосборы в общем случае не совпадают. Существенное несовпадение наблюдается у малых рек и у рек, у которых в силу геологических условий происходит активный водообмен между бассейнами.
Границы подземного водосбора определить затруднительно. А границы поверхностного водосбора фиксируются на карте линией водораздела.
Водораздел – граница между смежными водосборами. Она проводится по наивысшим точкам земной поверхности для речных систем и представляет собой замкнутый контур, отделяющий рассматриваемый водосбор.
Выделяют главный водораздел земного шара, который разделяет всю поверхность земли на 2 склона (покатости): Атлантико-Ледовитую и Тихоокеанско-Индийскую, по которым воды суши стекают в Мировой океан. Кроме того, выделяют бессточные области земного шара, откуда находящиеся там реки не доносят воду до Мирового океана. К таким бессточным областям относятся, например, бассейны Каспийского и Аральского морей, включающие бассейны таких крупных рек как Волга, Урал, Терек и др.
В России речная сеть принадлежит бассейнам 3 океанов: к бассейнам Северно-Ледовитого океана относятся Енисей, Лена, Обь, Печора, Сев.Двина. Горы и равнины Дальнего Востока дренируются реками – Амур, Анадырь и др., стекающими в моря Тихого океана. В моря Атлантического океана стекают реки Дон, Кубань, Нева.



Морфометрические характеристики реки и бассейна
Каждая река и ее бассейн могут быть охарактеризованы количественными показателями – морфометрическими характеристиками.
К основным морфометрическим характеристикам реки относятся их длина, коэффициент извилистости, густота речной сети.
Длина реки L – это расстояние вдоль русла между истоком и устьем реки. Длины рек обычно определяют по крупномасштабным картам или аэрофотоснимкам – расстояние измеряют по фарватеру или геометрической оси русла.
Исток – место начала реки (выход из озер, болота, ледника, родника и т.д.). Если река начинается в гористой местности там, где подземные воды выходят из-под скопления обломочного материала (осыпи), то это место и считают истоком. Откуда бы река ни вытекала, ее исток не может находиться на самом орографическом водоразделе. Хотя водоток, который дает начало реке по своим размерам формально рекой не является (это скорей ручей), исток такого небольшого водотока все равно принимается за исток всей реки. Так, например, Волга – крупнейшая река Европы – берет начало в болотах Валдайской возвышенности, и ее истоком считается родник, крепленный деревянным срубом, у которого имеется надпись «Исток Волги». На первых километрах после истока Волга представляет собой небольшой ручей со слабым течением.
Устье – место непосредственного впадения реки в приемный водоем (океан, море, озеро) ил в другую реку. Иногда река заканчивается там, где прекращается речной сток из-за потерь на испарение и инфильтрацию или в результате полного разбора воды на орошение. Такое место иногда называют слепым устьем. При определении устья реки, если она впадает в море или озеро, нередко возникают еще большие трудности, чем при определении места истока реки. Во-первых, если река имеет дельту с многочисленными рукавами, то возникает вопрос: устье какого из них считать устьем всей реки? Во-вторых, места впадения дельтовых рукавов в море или озеро очень изменчивы. В большинстве случаев за устье реки принимают устье (точнее устьевой створ) крупного судоходного рукава в месте его непосредственного выхода в море (отсюда обычно и идет отсчет километража вдоль реки).
Реки практически всегда имеют извилистые очертания в плане. Извилистость рек определяется рельефом местности, по которой протекает река, сопротивляемостью горных пород и грунтов, слагающих долину и русло, а также размывающей деятельностью потока. Извилистость реки характеризуется коэффициентом извилистости Кизв, который определяется как отношение длины реки L к длине прямой l, соединяющей концы этого участка при относительно постоянном направлении течения, т.е. 13 EMBED Equation.3 1415.
Если отдельные участки реки имеют разное направление течения, то коэффициент извилистости определяется для каждого из этих участков, имеющих более или менее общее направление течения. Средний коэффициент извилистости реки в этом случае определяется как средне взвешенное значение из коэффициентов всех участков рек: 13 EMBED Equation.3 1415
Густотой речной сети называется длина речной сети, приходящаяся на единицу площади (на 1 км2) водосбора или какой-либо территории. Для речных бассейнов густота речной сети (р определяется как отношение суммарной длины всех водотоков к площади водосбора реки, т.е. 13 EMBED Equation.3 1415.
Густота речной сети характеризует условия стока атмосферных осадков, питания грунтовыми водами и зависит от климата, геологического строения местности и рельефа.
Густота речной сети в пределах равнинных территорий Европейской части России в целом уменьшается с севера на юг: в лесной зоне она составляет 0,4–0,6 км/км2, в степной 0,2–0,3, на Прикаспийской низменности уменьшается до 0,05. На Кавказе с увеличением высоты местности густота речной сети возрастает до 0,8–1,0, а иногда и до 2 км/км2.
Речная сеть по характеру рисунка может быть древовидной (или центрической), прямоугольной, центростремительной и др.
Речная сеть – это сложный результат тектонических и эрозионно-аккумулятивных процессов, движения ледников, крупномасштабных колебаний уровня океана и морей и т. д. Понять происхождение структуры современной речной сети невозможно без детальных геологических, палеогеоморфологических и палеогидрологических исследований. Многие реки на отдельных участках унаследовали свое направление от крупных разломов земной коры (Нил, Миссисипи, Амазонка, Лена и др.), другие изменяли свое направление в результате собственной эрозионно-аккумулятивной деятельности (низовья Хуанхэ, Амударьи, Или, Терека, Миссисипи и др.), третьи изменяли свою русловую сеть, следуя за повышающимся или понижающимся уровнем бессточного озера, моря или океана (низовья Волги, Св. Лаврентия, Темзы и др.).
К основным морфометрическим характеристикам бассейна относятся площадь бассейна F, длина бассейна Lб, ширина бассейна Вб, средняя высота и средний уклон бассейна, гипсографическая кривая.
Площадь бассейна – F, км2 – является одной из основных характеристик, за нее принимают площадь поверхностного водосбора, ограниченную линией водораздела.
Длина бассейна – Lб – расстояние по прямой от устья реки (замыкающего створа) до самой удаленной точки водосбора. В случае изогнутости бассейна, прямая заменяется ломаной, каждый отрезок которой повторяет главные изгибы русла.
Средняя ширина бассейна Вср - отношение площади бассейна к его длине, т.е. 13 EMBED Equation.3 1415.
Гипсографическая кривая – распределение площадей бассейна по высотам местности, показывающей какая часть площади бассейна (в км2 или %) расположена выше или ниже любой заданной отметки. С помощью гипсографической кривой можно рассчитать такую важную характеристику как средняя высота бассейна.
Средняя высота бассейна – Нср, м – является одной из важнейших морфометрических характеристик, особенно в горных районах, т.к. она в неявном виде характеризует основные составляющие водного баланса, а также другие элементы гидрометеорологического режима. Она может быть вычислена двумя способами:
По гипсографической кривой. Для этого площадь фигуры, ограниченной гипсографической кривой и осями координат, делят на площадь бассейна.
По формуле 13 EMBED Equation.3 1415,
где Нi - средняя высота любых высотных интервалов в пределах бассейна, вычисляемая как среднее из отметок, ограничивающих эти интервалы горизонталей, fi - площадь части бассейна между этими горизонталями, F – полная площадь бассейна, п – число высотных интервалов. Для этого необходима карта с горизонталями.
Средний уклон поверхности бассейна – оказывает большое влияние на скорость стекания дождевых и талых вод по склонам водосбора и поэтому влияет на максимальные расходы воды, продолжительность паводков и половодий, склоновую эрозию и т.д. Он вычисляется как средневзвешенное значение из уклонов участков бассейна 13 EMBED Equation.3 1415,
где lk и lk+1 – длины смежных горизонталей; (Н – разность отметок смежных горизонталей; F – полная площадь бассейна, п – число высотных интервалов.
Все характеристики включаются в формулу в одних размерностях. Уклон в этом случае получается в относительных единицах. Для получения уклона в промилях необходимо полученное значение умножить на 1000.
К числу главнейших физико-географических характеристик бассейна относятся:
Географическое положение бассейна, которое определяется географическими координатами 4-х крайних точек бассейна
Рельеф бассейна, который может быть охарактеризован количественно через среднюю высоту бассейна и средний уклон
Геологическое строение, тектоника, гидрогеологические условия
Климатические условия включающие режим температуры и влажности воздуха, количество и режим атмосферных осадков, испарение
Водные объекты – озера, болота, водохранилища, пруды
Почвенно - растительный покров, который может быть охарактеризован данными о доли площади бассейна в %, занятого лесами и почвами того или иного типа
Леса, болота и озера существенно влияют на режим многих гидрометеорологических элементов. Такие характеристики бассейна как его озерность, лесистость, болотистость могут быть выражены количественно через соответствующие коэффициенты озерности Коз, болотистости Кбол, лесистости Клес, вычисляемые по формулам вида 13 EMBED Equation.3 1415, где f – площадь, занятая озерами (болотами, лесами, ледниками), F – полная площадь бассейна, К – выражается либо в % либо в долях единицы. Измерение площадей f производится путем планиметрирования на картах по контурам границ участков, занятых тем или иным объектом.
Речная долина и русло
Речной долиной называют выработанные водой, стекающей с поверхности материков, относительно узкие, вытянутые в длину полые формы рельефа с общим наклоном дна от своих верховьев к низовьям, и характерные тем, что имеют в своих пределах русло потока.
Речные долины никогда не пересекаются, а сливаются, образуя ниже точки слияния общую полую форму. Рассмотрим поперечный профиль долины.
1 – бровка долины (коренного берега); 2 – уступ коренного берега; 3 – первая надпойменная терраса (аккумулятивная); 4 – вторая надпойменная терраса (эрозионная); 5 – бровка террасы; 6 – русло реки; 7– низкая пойма; 8 – высокая пойма; 9 – коренные породы; 10 – аллювиальные отложения
В долине различают следующие составные части:
Самая низкая часть долины дно, или ложе. Часть ложа долины, занятая водами реки, называется руслом. В долинах, по которым сток имеет место в редких случаях, наиболее глубоко врезанную часть их называют сухим руслом.
Повышенные участки суши, ограничивающие с боков ложе долины, называются склонами долины.
Места сопряжения дна долины со склонами отмечаются часто более или менее заметным изломом в поперечном профиле и называются подошвой склонов.
Зона сопряжения склонов долины с прилегающей местностью называется бровкой долины.
Относительно горизонтальные площадки, располагающиеся уступами по высоте в пределах дна и склонов долины, называются террасами.
Терраса, расположенная в пределах дна долины и заливаемая речными водами во время половодья, носит название поймы. Терраса, залегающая непосредственно над дном долины (поймой), считается первой террасой, следующая за ней, располагающаяся выше, второй и т. д.
В поперечном разрезе поймы различаются следующие ее части:
а) наиболее возвышенная полоса, непосредственно прилегающая к руслу реки, называемая прирусловой поймой;
б) средняя часть поймы, обычно более низкая и ровная, называемая центральной поймой;
в) наиболее пониженная часть, имеющая иногда вид заболоченной ложбины, прилегающая к коренному берегу долины, называется притеррасной поймой. Пойма может отсутствовать, например, у горных рек, которые не имеют развитой долины и протекают в глубоких и узких расщелинах гор.
Самая верхняя (по течению) часть долины, где склоны утрачивают свои отчетливые очертания, называется в зависимости от своей формы началом долины, или долинным замыканием. В равнинных и холмистых странах долины в верховьях часто незаметно переходят в широкие, расплывчатые, без ясно выраженных склонов ложбины, которые служат путями для стока атмосферных вод и потому называются ложбинами стока.
Долина, служащая вместилищем водотока, называется речной долиной.
Основными морфометрическими характеристиками речного русла являются площадь поперечного сечения (, ширина русла В между урезами русла при заданном его наполнении, максимальная глубина русла hmах. Среднюю глубину русла hср в данном поперечном сечении вычисляют по формуле hcp = (/B
Для большинства речных русел выполняется приближенное соотношение 13 EMBED Equation.3 1415. В извилистом русле максимальная глубина обычно смещена к вогнутому берегу.
В гидравлических расчетах часто используют еще две характеристики русла реки – длину смоченного периметра р и гидравлический радиус R, равный R= (/p.
Смоченный периметр – это длина подводного контура поперечного сечения речного русла, т. е. линия контакта воды с ограничивающими ее твердыми поверхностями – с дном и берегами, а зимой также и с ледяным покровом.
Для широких и относительно неглубоких русел и для периода открытого русла (без ледяного покрова) величины гидравлического радиуса R и средней глубины hcp практически совпадают, поскольку в этих случаях р ~ В.
Максимальная ширина русла на реках может достигать десятков километров (р. Амазонка), а максимальная глубина – 100 –110 м (низовья Енисея). Здесь не учитываются те случаи, когда море затопило древние русла или каньоны (устья Конго, Св. Лаврентия) и когда глубины достигают 300 – 400 м.
Речные долины по происхождению могут быть тектоническими, ледниковыми и эрозионными.
По форме поперечного профиля речные долины подразделяют на следующие основные типы:
Щелевидная речная долина – глубокая и очень узкая долина реки с отвесными, а местами даже нависшими склонами. Ширина долины почти одинакова с шириной русла, распространена только в горных районах.
Каньонообразная речная долина – несколько более широкая долина, чем предыдущая, характеризующаяся почти отвесными, часто с нависшим уступом склонами и плоским сравнительно узким дном. Встречается также только в горных районах.
Ущелье – глубокая горная речная долина с выпуклыми склонами, приобретающими к низу значительную крутизну. Дно узкое, но может быть не полностью занято руслом реки.
V-образная речная долина – разновидность ущелья, но с более пологими
склонами и большей шириной дна.
Корытообразная речная долина (трог) – характеризуется крутыми, вогнутыми склонами, выполаживающимися ко дну долины. Нижняя часть такой долины как бы врезана в дно более широкой долины. Этот тип свойственен, главным образом, эрозионным долинам, образованным деятельностью ледника.
Трапецеидальная – широкая долина с прямыми или выпуклыми склонами и плоским дном
Ящикообразная – сходна с предыдущей, но склоны более крутые. Это наиболее распространенные 2 типа речных долин в равнинны условиях.
Неясно выраженная речная долина – с очень пологими склонами, постепенно сливающимися с окружающей местностью. Границы дна определить трудно. Это неглубокие речные долины.
Важной частью речной долины является русло, т.к. именно здесь протекает водный поток. В плане русла рек имеют, как правило, извилистую форму. Это объясняется тем, что извилистая форма является наиболее устойчивой для рек, протекающих в сравнительно легко размываемых грунтах. Речные извилины часто называют меандрами по имени реки Меандр в Турции, имеющей сильно извилистые очертания. Процесс формирования меандр под влиянием размывающей деятельности потока в пределах дна долины называют меандрированием.
Меандрирование – это сложный процесс, протекающий по-разному в зависимости от конкретных условий. В одних условиях, например, река может в течение длительного времени сохранять синусоидальную извилистость, извилины при этом как бы сползают вниз по течению. В других – извилины развиваются до образования петель и их прорывов с образованием стариц, проток и других русловых форм.











Гидрология рек. Основные понятия. Морфометрические характеристики реки, методы их определения. Типы речных долин.

13PAGE 15


13PAGE 14115








Root Entry

Приложенные файлы

  • doc 7512643
    Размер файла: 151 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий