Гидрографические характеристики рек это



Гидрографические характеристики рек

Важной особенностью рек является их естественный гидрологический режим, который определяется как совокупность закономерно повторяющихся изменений состояния реки, которые формируются под влиянием климатических условий.

Принято различать водный и ледовый режим рек.

Водный режим характеризуется изменением во времени расхода воды, уровней и, соответственно, ширины, глубины и скорости течения.

Ледовый режим характеризуется процессами возникновения, развития и разрушения ледяных образований на реке.

Водный режим рек.

Объем воды в реке и, соответственно, расход воды в реке изменяется в течение года в зависимости от питания, что проявляется в колебаниях уровня. На равнинных реках, питающихся в основном талыми водами, наивысшие уровни наблюдаются весной. На реках Дальнего Востока — летом и осенью, в период выхода на этот район тропических циклонов. Уровень рек, вытекающих из озер, отличается плавным ходом в течение всего года.

Годовой цикл водного режима рек подразделяется на характерные фазы: половодье, паводки, межень (летняя и зимняя) (рис. 1.4.2.1).

Половодье — ежегодно повторяющееся в один и тот же сезон относительно длительное значительное увеличение количества воды в реке, обычно сопровождается выходом воды из русла и затоплением поймы. Оно вызывается весенним таянием снега на равнинах, ранним таянием снега и льда в горах. Время прохождения весеннего половодья зависит от географического положения водосбора. Так, на юге РФ оно проходит в среднем в марте — апреле, а на Севере — в мае — июле. Продолжительность половодья на малых реках колеблется в широких пределах и определяется интенсивностью снеготаяния; в нижнем течении больших рек она составляет два — три месяца.

Паводки — относительно кратковременные и непериодические подъемы уровня воды в реке, возникающие в результате быстрого таяния снега при оттепели, обильных дождях, попусках воды из водохранилищ. Обычно дождевые максимумы на средних и больших реках уступают по высоте максимума весенних половодий, но на реках с малыми водосборами, которые могут быть целиком охвачены интенсивными дождями, они значительно превосходят их. В районах с дождевым питанием рек (Дальний Восток), где доля талого стока в годовом цикле незначительна, максимальные расходы дождевых паводков независимо от размера реки превышают максимальные расходы половодий.

Межень — фаза водного режима продолжительностью не менее 10 дней, ежегодно повторяющаяся в одни и те же сезоны, характеризующаяся малой водностью. В умеренных и высоких широтах различают летнюю и зимнюю межень.

Рис. 1.4.2.1. Диаграмма расходов воды

Меженный сток зависит как от климатических условий (осадков и испарения), так и, главным образом, от количества и характера грунтового питания рек.

Термический и ледовый режимы рек.

Реки вместе с водой выносят в океаны, моря и внутренние водоемы большое количество тепла. Тепловой режим реки определяется поглощением тепла прямой солнечной радиации, эффективным излучением водной поверхности, затратами тепла на испарение, его выделением при конденсации, теплообменом с атмосферой и ложем русла. Изменение составляющих теплового баланса реки в течение суток, сезона, года вызывает соответствующие колебания температуры воды в реках.

Суточный ход температуры наиболее четко выражен летом, когда днем вода нагревается под действием солнечного тепла, а ночью остывает в результате преобладания эффективного излучения. Амплитуда суточных колебаний температуры воды зависит от широты места, водности рек, погодных условий. Так, в северных районах она меньше вследствие меньшей длительности ночи (ночного выхолаживания). На реках с малыми расходами она больше, чем на полноводных реках; при ясной погоде амплитуда больше, чем при облачной.

Годовой ход температуры также тесно связан с изменением теплового баланса. После вскрытия реки температура воды растет. В период нагревания воды (в первую половину лета) она несколько ниже температуры воздуха, в период охлаждения, наоборот, выше. Средняя годовая температура воды обычно выше средней годовой температуры воздуха, т. к. зимой в реке вода не охлаждается ниже 0° С, тогда как воздух может иметь отрицательную температуру.

Благодаря интенсивному турбулентному перемешиванию, обусловленному течением реки и сравнительно малым объемом воды в русле, изменения температуры в зависимости от глубины незначительны и не превышают десятых долей градуса, и только летом температуры у дна на 2-3° С ниже, чем у поверхности. В распределении температуры по ширине также существуют определенные закономерности. Температура воды большинства рек в период нагревания в прибрежной части выше, чем на стрежне, в период охлаждения — ниже.

Направление течения реки может обусловливать некоторое несоответствие термического режима и местных метеоусловий. Реки, текущие с севера на юг, в период нагревания могут выносить более холодную воду, а для рек, текущих с юга на север и пересекающих ряд климатических зон, в период остывания может наблюдаться обратная картина — температура воды может быть выше температуры воздуха из-за выноса теплых вод из южных районов.

Термический режим рек на отдельных участках в значительной мере может определяться хозяйственной деятельностью человека. Сброс в реки теплых промышленных вод нарушает их естественный тепловой режим.

В ледовом режиме рек обычно выделяют три фазы: замерзание (образование ледяного покрова), ледостав (наличие на реке сплошного ледяного покрова), ледоход (разрушение ледяного покрова) (рис. 1.4.2.2).

Рис. 1.4.2.2. Диаграмма ледовой обстановки

Зимой при охлаждении воды несколько ниже температуры ее замерзания начинается процесс льдообразования. Первое ледовое явление на рейх — сало — плавающие на поверхности воды скопления смерзшихся ледяных игл в виде пятен или тонкого сплошного слоя.

При обильных снегопадах, при обрушении в воду масс снега с крутых высоких берегов, при сдувании снега со склонов на охлажденной водной поверхности образуется снежура в виде рыхлой несмерзшейся массы. Образование сала, скопление снежуры на участках с замедленными скоростями течения, наиболее интенсивное охлаждение потока на мелководных прибрежных участках приводят к тому, что почти на всех замерзающих реках вдоль берегов происходит образование заберегов — полос льда, смерзшихся с берегами при незамерзшей основной части водного пространства. Одновременно с появлением заберегов при свободной поверхности воды, охлаждаемой за счет потерь тепла в атмосферу, образуется внутриводный лед — скопление ледяных кристаллов в толще воды в виде губчатой непрозрачной массы. Скопление и рост подобных кристаллов на дне реки и на подводных предметах дают начало образованию донного льда.

Образование внутриводного льда создает большие затруднения при эксплуатации водопроводов, гидроэлектростанций, мостов.

Одна из весьма распространенных форм ледяных образований на реках, связанных с внутриводным льдом, — шуга. Шугой называется всплывший на поверхность внутриводный лед в виде комьев и подледных скоплений, в массе которого часто содержится снежура, сало и мелкобитый лед. На шугоносных реках нередко образуются зажоры — стеснение водного сечения массой внутриводного льда и шугой. Выше зажора уровень воды резко повышается, взламывая ледяной покров, и вызывает затопление прилегающих участков долины. При замерзании воды, вышедшей на поверхность льда, образуются наледи. Для борьбы с зажорными явлениями прибегают к взрывным и ледокольным работам.

Плывущие по реке льдины и ледяные поля, сформировавшиеся в результате смерзания обломившихся заберегов, снежуры и шуги, образуют на некоторых реках осенний ледоход, во время которого в сужениях русла и на крутых поворотах могут наблюдаться заторы-скопления льдин, вызывающие стеснение живого сечения. Подъемы уровня при осенних заторах относительно невелики вследствие малой водности реки в этот период. Образование внутриводного льда прекращается с момента установления на реке ледостава — сплошного ледяного покрова, препятствующего переохлаждению воды. К концу зимы ледяной покров на реках Восточной Сибири достигает толщины 1,5 — 2,0 м и более, на реках северной и центральной части РФ он значительно тоньше — не более 1 м, а в южных районах не превышает 20 — 40 см. Продолжительность ледостава тоже колеблется в широких пределах: Лена в среднем покрыта льдом 270 дней в году, Ока — 139.

В ледяном покрове иногда сохраняются участки открытой воды, называемые полыньями. Возникают они на участках с большими скоростями течения воды (более 0,6 — 0,7 м/с), в местах выходов грунтовых вод, сбросов промышленных стоков или, если реки вытекают из озера, вследствие притока более теплых вод озера.

Вскрытие рек начинается близ берегов под влиянием солнечных лучей, тепла атмосферы и поступающих в реку талых вод. Приток талых вод вызывает подъем уровня, лед всплывает, отрываясь от берегов, и вдоль берегов протягиваются полосы воды без льда — закраины. Одновременно в местах с быстрым течением в ледяном покрове появляются промоины — небольшие открытые участки воды. На отдельных участках реки, чаще всего на перекатах, где лед тоньше, начинаются подвижки льда — перемещение ледяного покрова вниз по течению. При дружной весне одна-две подвижки обычно приводят к весеннему ледоходу. На реках, текущих с севера на юг ледоход проходит более спокойно, чем на реках, текущих с юга на север. В последнем случае вскрытие начинается с верховьев, в то время как среднее и нижнее течение реки сковано льдом. Волна весеннего половодья перемещается вниз по реке; при этом образуются мощные заторы, вызывающие большие подъемы уровня воды. Так, заторы на Енисее за период, меньший суток, могут вызвать подъем уровня на 12 м.

На малых реках вскрытие может проходить без весеннего ледохода; на реках, вытекающих из озер, часто наблюдается два весенних ледохода — сначала идет речной лед, затем озерный.

Источник

Речная система и ее гидрографические характеристики

Речную систему составляют главная река, впадающая в приемный водоем (океан, море, бессточное озеро), и все впадающие в нее притоки различного порядка.

Вода, стекая со склонов после выпадения осадков, сначала образует мелкие бороздки, которые, сливаясь, образуют русла.

Руслом называется выработанное водотоком ложе, по которому постоянно или периодически происходит движение воды.

Совокупность русел постоянных и временных водотоков называется русловой сетью. Часть русловой сети из русел постоянных водотоков называется речной сетью.

Все водотоки (постоянные и временные), а также водоемы в виде озер, болот и водохранилищ составляют гидрографическую сеть территории. Таким образом, речная сеть лишь часть гидрографической сети.

Каждая река имеет исток, т.е. место на земной поверхности, откуда она берет начало. Истоком может быть озеро, ледник, болото, родники и место слияния двух рек.

Устьем реки называется место впадения ее в море, озеро или другую реку.

В реке также различают верхнее, среднее и нижнее течение.

Основные гидрографические характеристики речной системы: длина составляющих ее рек, густота речной сети, извилистость и разветвленность рек.

Отношение длины участка реки L_i к длине l_i, соединяющей концы этого участка, называется коэффициентом извилистости реки на данном участке:

Коэффициент извилистости на отдельных участках рек изменяется от 1 до 2-3, а иногда и больше.

Поскольку на отдельных участках извилистость реки разная, общий коэффициент извилистости реки определяют по формуле:

Между длиной реки L (км) и площадью бассейна F (км 2 ) имеется определенная связь, близкая к квадратичной:

. (24)

Например, для рек бывшего СССР получена такая осредненная эмпирическая зависимость:

Сумма длин всех рек в пределах бассейна или какой- либо территории дает протяженность речной сети ∑L_i. Отношение протяженности речной сети к площади бассейна F характеризует густоту речной сети бассейна или территории:

Густота речной сети в пределах равнинных территорий Европейской части России в целом уменьшается с севера на юг: в лесной зоне она составляет 04- 0,6 км/км 2 , 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/км 2 (А. Н. Важнов, 1976).

Разветвленность. Нередко русло разветвляется на несколько притоков (рукавов). Степень разветвленности выражается отношением суммы длин всех притоков и главного русла к длине соответствующего участка главного русла L:

Водосбор и бассейн реки

Следует различать водосбор и бассейн реки. Водосбор реки — это часть земной поверхности и толщи почв и грунтов, откуда данная река получает свое питание. Поскольку питание рек может быть поверхностным и подземным. Различают поверхностный и подземный водосборы, которые могут не совпадать. Бассейн реки — это часть суши, включающая данную речную систему и ограниченная орографическим водоразделом.

Обычно водосбор и бассейн реки совпадают. Однако нередки случаи и их несовпадения. Так, если в пределах речного бассейна часть территории оказывается бессточной, то она, оставаясь частью бассейна, в состав водосбора реки не входит. Такие случаи весьма характерны для засушливых районов с плоским рельефом.

Различают физико-географические и морфометрические характеристики бассейнов.

К первым относятся: географическое положение, климатические условия (осадки, температура), геологическое строение и почвенный покров, рельеф водосбора, растительный покров, озерность, заболоченность.

К морфометрическим характеристикам относятся: площадь, форма, высота и уклон водосбора.

Площадь водосбора определяет водность реки и условия формирования стока. Определяют планиметром или палеткой по картам.

Суммируя последовательно от истока к устью площади бассейнов рек 1-го порядка можно построить график нарастания площади бассейна по длине главной реки.

Длина площади бассейна L_б определяется расстоянием по прямой от устья реки до наиболее отдаленной точки бассейна.

Наибольшая ширина бассейна В_б проводится перпендикулярно длине его в наиболее широком месте.

Средняя ширина бассейна В_б.ср. определяется путем деления площади бассейна на его длину , т. е.

Форма водосбора может характеризоваться коэффициентом асимметрии бассейна:

где F_л и F_п — площадь левобережной и правобережной частей водосбора.

Речные бассейны обычно имеют грушевидную форму и характеризуются коэффициентом развития водораздельной линии бассейна – К_в, определяемом как отношение длины водораздельной линии S к длине окружности круга s с площадью равной площади речного бассейна

F= πR 2 , тогда (30)

К_в=S/s=0.282 S/ . (31)

Наименьшее возможное значение К_в = 1, а обычно он составляет от 1,2 до2,6.

Среднюю высоту бассейна определяют по карте бассейна в горизонталях:

где f_i— площадь между горизонталями; h_i— ср. высота площадки между горизонталями; F- площадь бассейна.

Уклон водосбора. Уклон между двумя горизонталями iбудет равен:

b, (33)

где ∆H — сечение горизонталей; b- среднее расстояние между горизонталями.

Средневзвешенный уклон водосбора равен:

где l_i— длина горизонталей, м.

Долина и русло реки

Долины – вытянутые пониженные формы рельефа с общим наклоном тальвега. По происхождению речные долины могут быть тектоническими, ледниковыми и эрозионными.

По форме поперечного профиля их подразделяют на теснины, каньоны, ущелья, V-образные, трапециевидные, корытообразные и др.

В долинах могут образовываться террасы: аккумулятивные – в результате врезания реки в собственные отложения и эрозионные – в результате воздействия потока на коренные породы.

Руслом реки называется часть долины, по которой осуществляется речной сток. Часть дна долины, по которой проходит сток в период низких вод — коренное или меженное русло, а часть долины, сложенная наносами и периодически затапливаемая в половодье и паводки, — пойма.

Границы русла реки четко определяются берегами и бровками русла. Пойма четких границ не имеет.

В поперечном профиле долины выделяют склоны долины (вместе с уступом долины и надпойменными террасами) и дно долины. В пределах дна (ложа) долины находятся русло реки и пойма.

Русла рек по форме в плане подразделяются на прямолинейные, извилистые (меандрирующие), разделенные на рукава, разбросанные (блуждающие).

Основные морфологические элементы русла следующие: излучины (меандры), затопляемые подвижные повышения дна – осередки и более высокие, более стабильные и закрепленные растительностью острова, глубокие и мелкие участки русла – плесы и перекаты, донные гряды различного размера.

Полоса в русле реки с глубинами, наиболее благоприятными для судоходства, называется фарватером. Иногда помимо фарватера выделяют линию наибольших глубин. Линии на дне речного русла, соединяющие точки с одинаковыми глубинами, называют изобатами.

Основными морфометрическими характеристиками речного русла являются площадь поперечного сечения , ширина русла В между урезами при заданном его наполнении, максимальная глубина русла h_max . Среднюю глубину русла h_ср. в данном поперечном сечении вычисляют по формуле:

h_ср= /В. (35)

Для большинства речных русел выполняется приближенное соотношение h_ср

2/3h_max. В извилистом русле максимальная глубина обычно смещена к вогнутому берегу.

В гидравлических расчетах часто используют еще две характеристики русла реки – длину смоченного периметра p и гидравлический радиус R, равный:

R= /p. (36)

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 h_ср практически совпадают, поскольку в этих случаях p

Максимальная ширина русла на реках может достигать десятков километров (р. Амазонка), а максимальная глубина – 100 -110 м (низовья Енисея).

Продольный профиль реки

Продольный профиль характеризует изменение по длине реки отметок дна и водной поверхности. Строится обычно по данным наблюдений за уровнем в меженный период. Данные приводятся к одному мгновенному уровню (особенно тщательно в паводок).

Типы продольных профилей.

1. Профиль равновесия реки или вогнутый профиль характеризуется уменьшением уклона дна от истока к устью. Образуется в результате наступления равновесия между эрозией, транспортом и аккумуляцией наносов при стабильном базисе эрозии. (Хотя полного равновесия никогда не наблюдается).

2. Прямолинейный, наблюдается чаще у малых рек (степное Заволжье).

3. Выпуклый или сбросовый, характеризуется увеличением уклона дна от истока к устью. Встречается редко.

Иногда как отдельный выделяют ступенчатый профиль – с водопадами и порогами (в горах).

Определяющими тип продольного профиля причинами являются:

— топография (удаленность от базиса и разность высот устья и истока);

— литология (какими геологическими породами сложен водосбор);

— гидрологический режим территории (количество осадков, их распределение во времени, дружность паводков и пр.).

Перегибы продольного профиля обычно приурочены к местам впадения притоков (ниже их профиль, как правило, выполаживается), а также к местным базисам эрозии, в качестве которых могут быть главная река для притока, пороги, водопады, проточные озера, водохранилища и др. Уровень приемного водоема (океана, моря, бессточного озера), куда впадает река, называют общим базисом эрозии.

Для характеристики крутизны продольного профиля рек используют понятие уклон реки (отдельно для дна и водной поверхности). Уклон реки вычисляют по формуле:

где ∆H_i — падение, L_i— длина реки на участке. Длину измеряют вдоль русла, и поэтому I представляет собой не тангенс, а синус угла наклона дна или водной поверхности к горизонту. Величина I для водной поверхности реки всегда положительна (исключения – лишь устья рек, подверженных действию приливов и нагонов), а для дна (в этом случае вместо I обычно пишут i_о) может на некоторых участках принимать и отрицательные значения, например в месте резкого уменьшения глубин на перекате. Уклон реки I – величина относительная, и ее выражают в долях единицы, %, %о. Во многих случаях гидрологи используют также такое понятие, как падение на 1 км длины реки: величину падения уровня ∆H, выраженную в сантиметрах, делят на длину участка русла L_i в километрах. Эту величину называют километрическим падением.

Источник