Лекции по гидрологии

При определении  расхода воды скорости течения на гидрологических постах измеряются гидрометрической вертушкой, в экспедиционных условиях — часто поверхностными поплавками. Измерение глубины (для вычисления площади водного сечения) осуществляют с помощью наметки — размеченного на дециметры шеста, лота — груза, опускаемого на размеченном тросе, эхолота, определяющего глубину по времени возвращения отраженного от дна звукового сигнала, поданного на поверхности воды.

 

Питание, водный режим рек, водный баланс речного бассейна

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.

Основной  отрицательный фактор формирования стока — испарение с поверхности бассейна, включающее транспирацию, физическое испарение с поверхности почвы и пустот внутри почвы, с поверхности водных объектов. Испарение зависит от температуры воздуха и испаряющей поверхности (воды, льда, снега), влажности воздуха, скорости ветра, глубины залегания подземных вод. Для транспирации кроме указанных факторов важен вид растительности, для испарения с ледников — их высотное положение и, следовательно, атмосферное давление. Перечисленные факторы определяют потенциальную возможность испарения, называемую испаряемость. Фактическое испарение лимитируется наличием испаряющейся влаги. Для водной поверхности рек, озер и ледников испарение практически равно испаряемости. В пустынях тропического пояса испаряемость наибольшая, а испарение наименьшее. В полярных странах испаряемость наиболее низкая; испарение практически равно испаряемости.

Естественный водный баланс речного бассейна:

x + w₁ = z + у + w₂ ± ∆U,

где х — осадки на поверхность бассейна, z — суммарное испарение с его поверхности, у — речной сток, w₁ - приток подземных вод, получающих питание за пределами данного бассейна, w₂ - отток подземных вод, сформировавшихся в данном бассейне, за его пределы не в составе речного стока, ± ∆U - изменение запасов воды в бассейне, содержащейся в подземных водоносных горизонтах, в почве, в водоемах и русловой сети, в снежном покрове и ледниках.

При наличии антропогенного влияния в уравнение водного  баланса вводятся соответствующие составляющие.

В среднем за многолетний  период в целом за год ∆U = 0, величины w₁ и w₂ имеют значение, как правило, лишь для части малых рек, поэтому уравнение водного баланса можно записать в простом виде:

х = z + у.

Фазы  водного режима рек: половодье, паводки, межень.

Половодье - это фаза, ежегодно повторяющаяся в данных климатических условиях в один и тот же сезон и характеризующаяся наибольшей водностью, высоким и продолжительным подъемом уровня воды.

Паводок - это фаза водного режима, которая может многократно повторяться в различные сезоны года и характеризуется интенсивным, обычно кратковременным увеличением расходов и уровней воды и вызывается дождями или снеготаянием во время оттепелей. Иногда паводок накладывается на волну половодья.

Межень - это фаза водного режима, ежегодно повторяющаяся в один и тот же сезон, характеризующаяся малой водностью, длительным стоянием низкого уровня и возникающая вследствие уменьшения питания реки. Основной источник питания, как правило, подземные воды.

Классификация рек территории бывшего СССР по водному  режиму Б.Д. Зайкова:

реки  с весенним половодьем; типы: а) казахстанский, б) восточноевропейский, в) западносибирский, г) восточносибирский, д) алтайский;

реки с половодьем в теплую часть года; типы: а) дальневосточный, б) тянь-шанский;

реки  с паводочным режимом; типы: а) причерноморский, б) крымский, в) северокавказский.

Факторы формирования среднего многолетнего стока:

а) климатические  — количество осадков и величина испарения, связанные с планетарными условиями - общий перенос влаги, траектории циклонов, влияние океана и морей.

б) подстилающей поверхности - рельеф, геология, почвы, растительность, хозяйственная деятельность.

Общие закономерности изменения стока по территории можно проследить на примере распределения стока на европейской части бывшего СССР. На широтах 60-65° наблюдается "климатический гребень стока" со значениями 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 др.) и существенное в горах - в Крыму с 20 до 150 мм, на Кавказе до 2000-3000 мм.

Движение  воды в реках.

Средняя для поперечного сечения скорость течения определяется по формуле Шези

где I - продольный уклон, R - гидравлический радиус, h_cp - средняя глубина в сечении, С - коэффициент Шези: (п - коэффициент шероховатости, зависящий от неровностей дна, водной растительности, извилистости русла).

Поперечная  циркуляция воды возникает при наличии перекоса уровня по ширине реки, что обычно связано с центробежной силой на повороте реки. Происходит повышение воды и гидростатического давления у вогнутого берега. В результате в придонных слоях возникает течение, направленное в сторону выпуклого берега. В поверхностных слоях поперечное течение направленно от выпуклого берега к вогнутому. Поперечные течения, складываясь с основным продольным переносом воды, создают спиралевидное движение.

Если на прямолинейном  участке реки скорость течения обычно уменьшается от середины к берегам, то на повороте реки струи с максимальной скоростью течения смещаются к вогнутому берегу.

При нормальном распределении скоростей течения по глубине их максимальные значения наблюдаются в слое от поверхности воды до глубины 0,2 h. На глубине 0,2 h она примерно равна средней скорости на вертикали, минимальное ее значение (не равное нулю) наблюдается у дна. При ледяном покрове максимум скорости смещается примерно на глубину 0,6 h. Под воздействием ветра, неровностей дна, водной растительности нормальное распределение скоростей течения нарушается,

Линии, соединяющие  точки в поперечном сечении реки с одинаковой скоростью течения называются изотахами.

 

 

Речные наносы и русловые процессы.

Характеристики  речных наносов:

- мутность  воды (s г/м³) -количество взвешенных веществ (т) в единице объема воды (V), s = m/V;,

- геометрическая крупность наносов (D мм) - размер взвешенных или влекомых частиц (условный диаметр);

- гидравлическая  крупность наносов (ω мм/с) - скорость осаждения частиц в неподвижной воде.

Взвешенные  наносы переносятся при условии v_в.в. > ω, где v_в.в. — вертикальная составляющая турбулентного потока, направленная вверх.

Перемещение влекомых наносов происходит при  условии v_дно > v_дно.0, где - v_дно скорость течения у дна, v_дно.0 — начальная скорость, при которой частица на дне теряет свою устойчивость, зависящая от размера и плотности частиц наносов, шероховатости дна и др. Согласно закону Эри, вес частицы (F_g), приходящей в движение по дну под воздействием водного потока пропорционален шестой степени скорости течения у дна:

F_g = Av_дно⁶,

где А - коэффициент  пропорциональности.

Расход  наносов (R кг/с) — количество твердых веществ (в кг), проносимое через поперечное сечение реки за 1 с.

Сток наносов - количество твердых веществ, проносимое через поперечное сечение за некоторый интервал времени (∆t). Сток взвешенных наносов W_в.н. = R_cp·∆t·10^-3 тонн, где R_cp - средний расход наносов. За год W_в.н. = R_ср31,54·10³

тонн. Сток влекомых наносов обычно составляет 5-10% от общего стока наносов.

Русловые  процессы — постоянно происходящие изменения размеров и положения в пространстве отдельных русловых образований в результате взаимодействия речного потока и русла.

Русловые образования - скопления отложившихся наносов, создающих специфические формы рельефа русла и поймы. Различают микро-, мезо- и макроформы.

К микроформам относятся гряды, высота которых значительно меньше глубины реки; самые мелкие гряды высотой в нескольких сантиметров — рифели.

Мезоформы:

перекат — крупная русловая гряда по всей ширине русла, расположенная перпендикулярно к нему (нормальный перекат) или под углом (косой перекат); относительно глубокие участки русла между перекатами называются плесами;

ленточная гряда - крупная гряда, занимающая всю ширину русла или значительную его часть, обычно дугообразной формы с выпуклостью вниз по течению;

побочень — отмель (относительно мелкое пространство), примыкающая к берегу и обсыхающая в межень;

осередок - отделенная от берегов подвижная отмель обычно вытянутой формы, обсыхающая в межень;

коса - гряда, примыкающая в верхней (по течению) части к берегу и вытянутая вдоль русла под углом к берегу;

пляж - скопление речных отложений на выпуклой стороне излучины;

остров - относительно стабильное образование, закрепленное растительностью, часть затапливаемое при высоком уровне воды.

Макроформы: речная излучина, система протоков, система осередков.

Излучина (меандра) — изгиб русла реки в плане. Излучины характерны для типа извилистого русла. В процессе развития кривизна излучины увеличивается, в итоге происходит прорыв ее перешейка и образование старицы, т.е. отделенной от русла излучины.

Система проток (рукавов) между островами, свойственная типу многорукавного русла.

Система осередков, свойственная типу разбросанного  русла.

 

 

Температура воды и ледовые явления.

Температура подо льдом 0,1-0,3° выше нуля, весной во время ледохода она не превышает 1°. В периоды без ледовых явлений температура воды зависит в основном от температуры воздуха. Среднесуточная температура воды до середины лета обычно ниже, чем воздуха, в конце лета и осенью - выше.

Ниже водохранилищ температура речной воды летом существенно  ниже обычной, зимой выше, что приводит к возникновению многокилометровых незамерзающих участков реки. Обильное подземное питание реки охлаждает ее воду в летний период, зимой приводит к уменьшению ледяного покрова, а иногда - к образованию полыньей.

Суточные  максимумы температуры воды запаздывают на 1-2 часа по сравнению с температурой воздуха.

На малых  и средних реках температура  воды по глубине практически не меняется, на крупных реках возможно ее уменьшение летом в нижних слоях на 1-2°.

Тепловой  сток (W_m в Дж или ккал) - количество тепла, проносимое через заданный створ реки за интервал времени (∆t):

W_m = L_тпл·ρ·T·V, где V - объем водного стока за тот же интервал времени, Т -средняя температура воды, ρ - ее плотность, L_тпл - удельная теплоемкость воды.

Крупные реки, текущие в меридиональном направлении - трансзональные реки - имеют температуру воды, не свойственную рекам данной местности.

Реки по характеру  ледового режима делятся на три группы: замерзающие, с неустойчивым ледоставом и незамерзающие.

На замерзающих реках выделяют три периода с характерными ледовыми явлениями: 1) замерзания, или осенних ледовых явлений, 2) ледостава, 3) вскрытия, или весенних ледовых явлений.

Замерзание  рек. При снижении температуры воды до нуля в реке начинаются осенние ледовые явления. Сало - плывущие пятна ледяной пленки, состоящие из кристалликов льда в виде тонких игл. Примерно в то же время образуются забереги - полосы неподвижного льда у берегов. При переохлаждении воды (до долей градуса ниже нуля) в ее толще и на дне может образовываться внутриводный лед - непрозрачная губчатая, ледяная масса из хаотически сросшихся кристалликов льда. Скопление внут-риводного льда на поверхности или в толще потока образуют шугу. Ее движение называется шугоходом. Одновременно на поверхности образуются льдины, состоящие из кристаллического льда. Их движение - осенний ледоход. Закупорка русла шугой называется зажором, а льдинами - затором.

Ледостав - образование сплошного неподвижного ледяного покрова. Небольшие незамерзающие участки - полыньи. Они связаны с выходами подземных вод или с бурным течением, иногда со сбросом в реку теплых вод промышленными и коммунальными предприятиями. По мере нарастания толщины ледяного покрова, поперечное сечение русла уменьшается. Под влиянием возникающего напора вода может изливаться на поверхность льда. При ее замерзании образуется наледь.