Гидрология 2012

ЛЕКЦИЯ 6. Питание рек. РАСХОДОВЫВАНИЕ воды в бассейне реки. Водный баланс речных водосборов.

Вопросы:

2.Расходование воды в бассейне реки. Виды расходования воды.

3.Водный баланс речного бассейна.

1.Питание рек. Типы питания рек. Классификация рек по типам питания.

Речной сток формируется в результате поступления в реки вод атмосферного происхождения, при этом часть атмосферных осад­ков стекает с реками в океан или бессточные озера, другая часть - испаряется. Однако при единстве атмосферного происхождения в конечном счете всех речных вод непосредственные пути поступ­ления вод в реки могут быть различными.

Типы питания рек.

Выделяют четыре вида питания рек: дождевое, снеговое, ледниковое и подземное. Атмосфер­ное происхождение вод, участвующих в дождевом, снеговом и лед­никовом питании рек, очевидно и не требует пояснения. Подзем­ное же питание рек, как следует из анализа водного баланса суши и изучения режима подземных вод, также формиру­ется, в конечном счете, в основном из вод атмосферного происхож­дения, но прошедших более сложный путь. Лишь в редких случаях можно говорить об участии в подземном питании рек вод не атмосфер­ного, а «ювенильного» происхождения.

Для рек в условиях теплого климата главный вид питания - дождевое. Сток таких крупнейших рек мира, как Амазонка, Ганг и Брахмапутра, Меконг, формируется в основном за счет дождевых вод. Этот вид питания рек в глобальном масштабе является глав­нейшим. Вторым по важности служит снеговое питание. Его роль весьма велика в питании рек в условиях умеренного климата. Тре­тье место по объему поступающих в реки вод занимает подземное питание (на его долю в среднем приходит­ся около 1/3 объема речного стока). Именно подземное питание обусловливает постоянство или большую продолжительность стока реки в течение года, что и создает в конечном итоге реку. Послед­нее место по значимости приходится на ледниковое питание (около 1 % стока рек мира).

Дождевое питание . Каждый дождь характеризуется слоем выпав­ших осадков (мм), продолжительностью (мин,ч, сут), интенсивно­стью выпадения (мм/мин, мм/ч) и площадью распространения (км 2). В зависимости от этих характеристик дожди можно, например, подразделить на ливни и обложные дожди .

Интенсивность, площадь распространения, продолжительность и время выпадения дождей определяют многие особенности фор­мирования речного стока и пополнения подземныхвод. Чем боль­ше интенсивность, площадь распространения и продолжительность дождя, тем больше (при прочих равных условиях) величина дожде­вого паводка. Чем больше отношение между площадью распрост­ранения дождя и площадью бассейна, тем также больше величина возможного паводка. Катастрофические паводки происходят по этим причинам обычно лишь на малых и средних реках. Пополнение подземных вод, как правило, происходит при длительных дождях. Чем меньше влажность воздуха и суше почва в период выпадения дождя, тем больше затраты воды на испарение и инфильтрацию и тем меньше величина дождевого стока. Наоборот, дожди, выпа­дающие на влажную почву при пониженной температуре воздуха, дают большую величину дождевого стока. Таким образом, один и тот же дождь в зависимости от состояния подстилающей поверх­ности и влажности воздуха может быть в одних случаях стокообразующим, а в других - почти не давать стока.

Снеговое питание. В умеренных широтах основным источником питания рек служит вода, накапливающаяся в снежном покрове. Снег в зависимости от толщины снежного покрова и плотности может при таянии дать разный слой воды. Запа­сы воды в снеге (величину, очень важную для предсказания объема талого стока) определяют с помощью снегомерных съемок.

Запасы воды в снеге в бассейне зависят от величины зимних осадков, в свою очередь определяемой климатическими условиями. Запасы воды в снежном покрове распределяются по площади бас­сейна обычно неравномерно - в зависимости от высоты местности, экспозиции склонов, неровностей рельефа, влияния растительного покрова и т. д. Вследствие переноса ветром в понижениях, ложби­нах, оврагах обычно за зиму накапливается больше снега, чем на ровной поверхности; много снега накапливается на опушках леса и в местах распространения кустарниковой растительности.

Следует различать процессы снеготаяния и водоотдачи снежно­го покрова, т. е. поступления не удерживаемой снегом воды на поверхность почвы. Снеготаяние начинается после достижения тем­пературой воздуха положительных значений и при условии поло­жительного теплового баланса на поверхности снега. Водоотдача начинается позже начала снеготаяния и зависит от физических свойств снега - зернистости, капиллярных свойств и т. д. Сток возникает только после начала водоотдачи.

Весеннее снеготаяние подразделяют на три периода: 1) началь­ный период (снег залегает сплошным покровом, таяние замедлен­ное, водоотдачи снежного покрова практически нет, сток еще не формируется); 2) период схода основной массы снега (начинается интенсивная водоотдача, возникают проталины, быстро нарастаетвеличина стока); 3) период окончания таяния (стаивают оставши­еся запасы снега). В течение первого периода стаивает около 30 % запасов снега, в течение второго - 50, в течение третьего - 20 %. Водоотдача максимальна в течение второго периода (более 80 % запасов воды в снеге). В это время снежный покров отдает воду, накопившуюся в снеге как за второй, так и за первый периоды.

Территорию, где происходит в данный момент таяние снега, называют зоной одновременного снеготаяния. Эта зона ограничена фронтом таяния (линией, отделяющей зону таяния от области, где таяние снега еще не началось) и тылом таяния (линией, отделяю­щей зону таяния от области, где снег уже сошел). Вся зона одно­временного снеготаяния перемещается весной на равнинах в Се­верном полушарии с юга на север, а в горах - вверх по склонам. Скорость распространения тыла таяния на равнинах обычно со­ставляет 40-80 км/сут, иногда достигая 150-200 км/сут.

Важной характеристикой снеготаяния служит его интенсивность. Она определяется характером изменения температуры воздуха в ве­сенний период («дружностью весны») и особенностями подстилаю­щей поверхности.

Объем весеннего половодья определяется в основном полным запасом воды в снежном покрове, а нарастание расходов воды в реке и величина максимального расхода воды половодья, помимо этого,- интенсивностью снеготаяния и фильтрационными свойства­ми почвы в период снеготаяния (мерзлая или влажная почва умень­шает инфильтрационные потери и увеличивает талый сток).

Расчет таяния снега и оценку его роли в формировании стока проводят различными способами. Простейшие из них основаны на данных об изменении температуры воздуха как главной причины снеготаяния. Так, нередко используют эмпирическую формулу вида

h =  T , (6.1)

где h -слой талой воды (мм) за интервал времени t;

T - сумма положительных средних суточных температур воздуха за тот же интервал времени,

 - коэффициент пропорциональности, называ­емый коэффициентом стаивания (это слой талой воды, приходя­щийся на один градус положительной средней суточной темпера­туры воздуха).

Среднее значение коэффициента стаивания а для открытой местности на территории, лежащей к северу от 55° с. ш., приблизи­тельно равно 5 мм на 1, для леса она изменяется от 1,5 мм/град для густых хвойных лесов до 3-4 мм/град для лиственных лесов средней густоты.

Интенсивность снеготаяния более точно можно определить с по­мощью метода теплового баланса .

Подземное питание рек.

Оно определяется характером взаимодей­ствия подземных (грунтовых) и речных вод. Подземные воды формируются в результате просачивания атмосферных осадков (таю­щий снег и дожди) через пустоты в почве и грунтах. При достижении просочившейся воды водо­упорного слоя (чаще всего глинистые отложения), она накапливается и образует водо­ носный горизонт , т.е. слой водопроницаемого пласта, насыщенного водой, которая движется по поверхности водоупора в сторону его уклона под влиянием силы тяжести. Там, где отрицательные формы рельефа (речные долины, овраги, озерные котловины) вскрывают водоносный горизонт, подземные воды выходят на поверхность в виде род­ников или рассредоточенного высачивания на участке склона.

При определенном геологическом строении грунтовые воды до выхода на по­верхность перекрываются другим водоупором, затем вторым и.т.д. Воды, перекрытые сверху водоупорными слоями, называются межпластовыми подземными водами. Питание этих вод осуществляется на участках, где соответствующий водоносный гори­зонт не перекрыт сверху водоупором. Для межпластовых вод характерно возникнове­ние напора, вследствие которого вода при вскрытии водоносного горизонта буровой скважиной или по естественным трещинам поднимается вверх. Уровень, до которого поднимается вода, называется пьезометрическим уровнем. Превышение этого уровня над уровнем воды в водоносном горизонте называется высотой напора. Подъем воды под действием напора может достигать земной поверхности. Особенно это свойственно артезианским водам, приуроченным к геологическим структурам синклинального типа - артезианским бассейнам.

Между водоносными горизонтами обычно существует связь вследствие циркуля­ции воды по трещинам в водоупорах или путем медленного просачивания через них по порам.

Подземные воды, приуроченные к водоносным горизонтам, называются пласто­выми водами. В горных породах подземные воды чаще перемещаются по системе те­щин в породах (трещинные воды), по изолированным трещинам или жилам с повы­шенной трещиноватостью (жильные воды), по карстовым пустотам (карстовые во­ды).

В зоне распространения многолетнемерзлых пород различают подмерзлотные воды, залегающие под толщей мерзлых пород, межмерзлотные воды внутри мерзлой толщи и надмерзлотные воды, для которых мерзлые породы служат водоупором.

Грунтовые и тем более межпластовые воды существуют, как правило, в течение всего года и обеспечивают постоянное питание рек. В зоне распространения многолет­немерзлых пород это относится только к подмерзлотным водам.

Верхний слой грунта до уровня грунтовых вод назы­вают зоной аэрации. Воды зоны аэрации, оставшиеся в порах грунта, постепенно расходуются на испа­рение, в основном путем транспирации растений.

Временные скопления гравитационных вод, в зоне аэрации могут возникать над отдельными линзами водоупорных пород (верховодка) и над относительным водоупором, например, над иллювиальным горизонтом подзолистых почв, водопроницаемость которого значительно меньше вышележащих слоев. Перемещение воды по относитель­ному водоупору в сторону его уклона образует почвенный, или внутрипочвенный сток.

Глубина распространения межпластовых подземных вод, участвующих в круго­вороте воды на земле, достигает, как правило, нескольких сотен метров. Глубина зале­гания грунтовых вод, сильно изменяясь по территории в зависимости от локальных ус­ловий в целом, подчинена закону географической зональности, увеличиваясь от долей метра в зоне тундр до десятков метров в степной зоне.

Выделяютследующиетипы водного режима грунтовых вод:

1) сезонный (преимущественно весеннего и осеннего питания): максимальный уровень грунтовых вод весной, меньшее повышение осенью, низкий уровень в конце лета и особенно в конце зимы; наблюдается на большей части территории стран СНГ;

2) кратковременный летнего питания : максимальный уровень в июне - июле (иногда августе-сентябре); наблюдается в зоне многолетней мерзлоты;

3) круглогодичный, преимущественно зимне-весеннего питания : максимальный уровень в феврале-апреле, минимальный - в летне-осеннее время (юг и запад террито­рии бывшего СССР с непромерзаемой зоной аэрации).

При оценке подземного питания следует учитывать следующиетипы взаимодействия подземных и поверхностных вод:

1) Двухсторонняя гидравлическая связь. При низком уровне воды в реке уровень грунтовых вод находится выше, река получает грунтовое питание. При высоком уровне воды в реке уровень грунтовых вод оказывается ниже. Происходит инфильтрация реч­ной воды в грунт. Этот тип характерен для средних и крупных равнинных рек.

2) Односторонняя гидравлическая связь. Уровень воды в реке постоянно выше уровня грунтовых вод. В течение всего года речная вода питает грунтовые воды. Ха­рактерно для некоторых засушливых, а также карстовых районов.

3) Отсутствие гидравлической связи. Водоупор расположен выше максимального уровня воды в реке. Происходит постоянное питание реки грунтовыми водами, разгру­жающимися на склонах долины в виде ключей или рассредоточенного высачивания. Наиболее характерно для горных районов.

Ледниковое питание. Это питание имеют лишь реки, вытекаю­щие из районов с высокогорными ледниками и снежниками.

Ледники представляют собой движущиеся скопления фирна и льда на поверхности суши, образо­вавшиеся в результате преобразования твердых атмосферных осадков. Способность ледника перемещаться под влиянием силы тяжести обусловлено пластичностью льда.

Ледники образуются в результатепревышения накопления снега над его таяни­ем и испарением.Граница между территорией, покрытой снегом и свободной от него, называется снеговой линией. Ее среднее положение - климатическая снеговая линия - опреде­ляется температурными условиями и количеством твердых осадков. Высота климати­ческой снеговой линии над уровнем моря: в Антарктиде 0 м, на Земле Франца-Иосифа - 50-100 м, на Кавказе - 2700-3800 м, в экваториальной области - 4500-5200 м, в тро­пиках - > 6000 м.

Выделяют два основных типа ледников - покровные и горные . Покровные лед­ники занимают сплошным покровом обширные площади на материках и крупных ост­ровах. Образование горных ледников связано с горными поднятиями. Среди них выде­ляют ледники вершин; ледники склонов, занимающие отдельные впадины, кары; до­линные ледники, располагающиеся в горных долинах, часто имеющие сложную фор­му. Отдельные горные ледники, соединяясь, образуют ледниковые системы. Горные поднятия с наибольшей площадью оледенения (в тыс. км 2): Гималаи (33), Тянь-Шань (17,9), Каракорум (16,3), Береговые хребты Кордильер Сев. Америки (15,4).

Площадь ледника, где происходит накопление массы ледника, называется обла­стью питания. Избыток льда под влиянием силы тяжести и градиентов давления сме­щается в область, где расход льда на таяние и испарение превышает его накопление. Это область абляции; у горных ледников ее часто называют языком ледника.

Изменение его объема (массы) и фор­мы ледника называется режимом ледника , и он проявляется в наступании и отступании ледника. Эти изменения имеют различ­ную продолжительность геологического, векового, многолетнего, внутригодового масштабов. Наступание ледников наблюдается обычно в холодные и влажные клима­тические периоды, отступание - в теплые и сухие. Во внутригодовом разрезе это соот­ветственно зима и лето.

Доля ледникового питания в речном стоке тем больше, чем больше оледенение бассейна:

Ледники влияют на водный режим следующими путями:

Многолетним регулированием стока - в жаркие засушливые годы снижение осад­ков компенсируется повышенным ледниковым питанием и наоборот;

Сезонным перераспределением стока - перемещением половодья с весеннего сезона на летний;

Возникновением внутрисуточных колебаний стока на участках рек вблизи лед­ников.

Классификация рек по видам питания.

У каждой реки доля отдельных видов питания может быть различной. Определение в каждом конкретном случае вклада раз­личных видов питания в речной сток - задача исключительно слож­ная. Наиболее точно ее можно решить либо с применением «мече­ных атомов», т. е. путем радиоактивной «маркировки» вод различ­ного происхождения, либо путем анализа изотопного состава при­родных вод. Более простой, но приближенный способ выделения различных видов питания - это графическое расчленение гидро­графа.

Известный русский климатолог А. И. Воейков пред­ложил классификацию рек земного шара по видам питания. Классификация Воейкова одновременно была и районированием земного шара по характеру питания рек. Были выделены области, где реки получают питание преимущественно от таяния сезонного снега и ледников; области, где реки получают воду преимуществен­но от дождей; области, где постоянных водотоков нет.

В России, в основном, используется классификация рек по источникам или видам питания, М. И. Львовича. Она предложена в 1938 г. В основу определения типов положены два признака: источники питания рек и внутригодовое распределение стока. Для оценки источников питания использован метод расчленения гидрографа. Сезонное распределение стока бралось средним за многолетний период. Всего выделено четыре основных вида питания – снеговое (S), дождевое(R), ледниковое(G) и подземное(U). В каждом виде выделено 3 подтипа по степени преобладания ->80% (почти исключительное), 50-80% (преимущественное), <50% (преобладающее). Внутригодовое распределение подразделяется по величине стока за сезон – весеннее (P), летнее (E), осеннее (A) зимнее (H) и на три подтипа по степени преобладания. Схема приведена в таблице 1.

Если один из видов питания дает более 80 % годового стока реки, следует говорить об исключительном значении данного вида питания (другие виды питания не учитываются). Если на долю данного вида питания приходится от 50 до 80 % стока, то этому виду питания придается преимущественное значение (другие виды питания учитываются лишь, если на их долю приходит­ся больше 10 % годового стока). Если же ни один из видов питания не дает больше 50 % годового стока, то такое питание называют сме­шанным. Указанные диапазоны градаций (80 и 50 %) относятся ко всем видам питания, кроме ледникового. Для ледникового пита­ния соответствующие диапазоны градаций уменьшены до 50 и 25 %.

Таблица 1

Типологическая схема водного режима рек по М.И.Львовичу

х – другие районы земного шара

Большая часть рек на территории СНГ имеет преоб­ладающее снеговое питание. Почти исключительно снеговое пита­ние имеют реки Северного Казахстана и Заволжья. Реки дождевого питания занимают южную часть территории к востоку от Байкала, а также бассейны Яны и Индигирки, Черноморское побережье Кавказа и Крыма, Северный Кавказ. Ледниковое питание имеют реки на Кавказе и в Средней Азии.

Виды питания рек. Характер питания рек водой обусловлен комплексом природных условий. Различают следующие виды питания рек: дождевое, снеговое, ледниковое и грунтовое.

Д о ж д е в о е п и т а н и е происходит или от периодических дождей в определенные сезоны года, или от краткосрочных ливневых дождей. Этот вид питания является преобладающим на реках юго-западной части Кавказа, Крыма, Карпат и некоторых других районов южной части европейской территории СНГ. Периодические летние дожди играют существенную роль в питании многих рек Восточной Сибири и Дальнего Востока (Амура, Зеи и др.).

Ливневые дожди наблюдаются летом и осенью в различных районах европейской части СНГ. Благодаря большой интенсивности они способны вызвать на реках малых бассейнов подъемы уровней воды, превышающие весенние.

С н е г о в о е п и т а н и е является преобладающим на большинстве рек. Бассейны этих рек занимают более ¾ территории СНГ. Несмотря на сравнительно небольшую продолжительность таяния снегов, реки со снеговым питанием получают в период весеннего половодья до 60–80% общего объема воды, стекающей по ним за год.

Л е д н и к о в о е п и т а н и е характерно для рек высокогорных районов Кавказа и Средней Азии. Оно происходит от таяния ледников и вечных снегов в горах. Реки с ледниковым питанием имеют летние паводки, часто с резко выраженными суточными колебаниями уровней, обусловленными изменениями температуры в течение суток.

Г р у н т о в о е п и т а н и е происходит или за счет неглубоко залегающих грунтовых вод, или за счет подземных вод, расположенных на значительных глубинах. В чистом виде грунтовое питание встречается очень редко. Как правило, грунтовые и подземные воды служат источником питания рек в периоды уменьшения или отсутствия поверхностного стока.

Многие равнинные реки питаются летом преимущественно грунтовыми водами, а в зимний период этот вид питания является для них единственным.

В формировании речного стока в разные периоды года участвуют различные виды питания. Например, р. Кубань имеет в весенний период снеговое питание за счет таяния снегов в правобережной равнинной части бассейна; в летние месяцы – ледниковое питание с Кавказских гор; осенью – дождевое питание от интенсивных ливней и зимой – грунтовое питание.

Режим уровней и расходов. У р о в н е м в о д ы в реке называется возвышение поверхности воды над некоторой условной горизонтальной плоскостью.

Уровни воды в реках постоянно изменяются. Основной причиной колебания уровней является разница в количестве воды, поступающей в реки в разные периоды года. Помимо величины расхода воды, на высоту уровня могут оказывать влияние ряд других факторов: наличие ледяного покрова, размывы русла и отложение наносов, морские приливы и отливы на устьевых участках рек, естественный подпор от другой реки, искусственный подпор от гидротехнических сооружений и др.

Годовой график колебаний уровня воды в течение года составляется по данным фактических наблюдений (рис. 8.3).

Для анализа многолетних колебаний уровня на один график наносят несколько линий, характеризующих изменение уровня в разные годы. Характер колебания уровня зависит прежде всего от режима питания реки.

Равнинные реки с преимущественным снеговым питанием характеризуются большим подъемом уровней в весенний период от таяния снегов и сравнительно низкими горизонтами воды в остальную часть года. На многих из них наблюдаются подъемы уровней в осенний период за счет выпадающих дождей, а на малых реках этой группы – подъемы уровней, вызванные дождями, и в летние месяцы.

Рис. 8.3. Годовой график колебания уровня воды

Крупные реки с преимущественным дождевым или ледниковым питанием характеризуются растянутым периодом стояния высоких уровней в летние и осенние месяцы. Малым горным рекам с дождевым или ледниковым питанием свойственны резкие краткосрочные подъемы уровней от ливней и таяния снегов в горах в разные периоды года. Нередко на этих реках наблюдаются интенсивные внутрисуточные колебания уровней.

Реки, вытекающие из озер или болот, имеют плавный ход уровней. Благодаря регулирующей роли озер и болот подъем уровней, вызванный весенним половодьем, растягивается на этих реках до середины лета.

Важнейшей характеристикой режима уровней реки является амплитуда колебаний, т. е. разность между наивысшими и наинизшими уровнями за определенный период времени. Различают амплитуды колебания годовых уровней, многолетнюю и отдельных периодов года. Амплитуда многолетних колебаний уровней на крупных реках достигает 15–20 м и более.

Колебания уровней воды в реке обусловлены изменениями расходов. График, изображающий связь между расходом и уровнем в определенном створе реки, называется к р и в о й р а с х о д о в.

Имея годовой график колебания уровня в рассматриваемом створе реки и кривую расходов, легко установить среднесуточные расходы для всех дней года. По найденным значениям среднесуточных расходов строят годовой график их изменения, который называется г и д р о г р а ф о м. Поскольку между расходом и уровнем существует прямая связь, гидрограф имеет очертание, аналогичное с графиком колебания уровня.

Фазы в режиме рек. Характерные уровни и расходы воды. В водном режиме рек можно выделить ряд характерных фаз, каждой из которых свойственны определенные признаки.

На реках с преимущественным снеговым питанием такими фазами являются: весеннее половодье, летняя межень, летне-осенние дождевые паводки и зимняя межень.

В е с е н н е е п о л о в о д ь е является основной фазой в водном режиме большинства рек. Оно характеризуется резким подъемом уровня воды и менее крутым спадом. На крупных реках весеннее половодье длится от 1,5 до 3 месяцев, а на малых и средних реках – от 10–15 до 30–45 дней.

Л е т н я я м е ж е н ь наступает после окончания весеннего половодья и длится до наступления осенних дождей. Эта фаза характеризуется на большинстве рек низкими и устойчивыми уровнями. Некоторые малые реки южных и юго-восточных районов европейской части СНГ в летний период пересыхают.

О с е н н и е д о ж д е в ы е п а в о д к и наблюдаются на многих реках европейской части СНГ, западной и восточной Сибири. Они вызываются увеличением количества осадков и одновременным уменьшением испарения с поверхности речных бассейнов.

З и м н я я м е ж е н ь совпадает на большинстве равнинных рек с периодом ледостава. Наименьшие расходы воды наблюдаются в конце зимы. Небольшие северные реки в зимний период иногда промерзают до дна.

Основными характеристиками каждой из перечисленных фаз в режиме реки являются: ее продолжительность, величина характерных уровней и расходов, даты наступления и окончания фазы. Наряду со средними значениями этих характеристик часто бывает необходимо знать и их возможные колебания за многолетний период.

Водный режим реки в каждом году и за многолетний период характеризуется следующими основными уровнями:

наивысшим уровнем весеннего половодья;

наивысшим и наинизшим уровнями весеннего ледохода;

наивысшим и наинизшим уровнями очищения реки от льда;

наинизшим и средним меженними уровнями;

наивысшим и наинизшим уровнями летних и осенних паводков;

средним зимним уровнем.

К числу основных характерных расходов реки относятся: среднегодовой расход, максимальные расходы в весеннее половодье и в летне-осенние паводки, минимальные расходы в летнюю и зимнюю межени.

Зимний режим рек. С наступлением холодов реки на большей части территории СНГ замерзают. Продолжительность замерзания зависит от интенсивности похолодания и скорости течения. На малых реках она составляет 3–7 дней, а на больших – 8–15 дней. Нередко процесс замерзания рек сопровождается осенним ледоходом.

В течение зимы толщина льда постепенно увеличивается, достигая 0,6–1,0 м на реках центральных и северных районов европейской части СНГ и 1,0–1,5 м – на реках Сибири.

Весной в результате таяния снегов начинается вскрытие рек, за которым следует ледоход. Последний длится от 1–3 дней на малых реках, до 8–10 дней – на больших. Характер вскрытия рек весеннего ледохода зависит прежде всего от географического положения реки. На реках, текущих с севера на юг, от ледяного покрова сначала освобождается нижнее течение, что обеспечивает беспрепятственное продвижение льда с вышерасположенных участков. Поэтому ледоход на этих реках проходит сравнительно спокойно. На реках, текущих в северном направлении, условия ледохода очень тяжелые. Позднее вскрытие нижних участков этих рек препятствует ледоходу и на вышерасположенных участках образуются ледяные заторы, вызывающие значительные подъемы уровней воды, приводящие нередко к наводнениям.

Все мы прекрасно знаем, что по территории России протекает несколько крупнейших рек нашей планеты, ширина которых достигает 50-60 километров.


Но истоком даже самой большой реки является тоненький неприметный ручеёк. Лишь пробежав многие сотни километров, напитавшись влагой множества крупных и маленьких притоков, река становится по-настоящему мощной и широкой. А знаете ли вы, что такое питание реки, и каковы его источники? Да, река тоже питается, но, конечно, не котлетами с картофельным пюре, а водой из своих притоков.

Питание и режим реки

Как измерить реку? Можно замерить её длину, ширину русла и глубину дна. Ещё одной немаловажной характеристикой является расход воды, т.е. количество воды, которое протекает по руслу в единицу времени. Если делать эти замеры в течение года, то обнаружится, что уровень и расход воды в разные периоды неодинаковы.

Продолжая наблюдения в течение нескольких лет подряд, можно заметить, что весной и осенью река становится более полноводной, а летом и зимой количество воды в ней уменьшается. Эти сезонные колебания учёные называют режимом реки.

Принято выделять три основных периода в режиме любой реки:

— – длительный период, когда количество воды достигает максимума, как правило, благодаря весеннему таянию снега;

— – периоды снижения уровня воды, обычно наступают летом и зимой;

— – кратковременное и резкое, длящееся всего несколько дней, повышение уровня воды из-за обильных дождей или резкого таяния снега.

Несложно заметить, что колебания уровня воды в реке вызваны увеличением или уменьшением её питания, т.е. воды, поступающей в реку от притоков, ручьёв и подземных источников. Гидрологи (специалисты, изучающие «поведение» природных вод и водоёмов) выделяют четыре основных источника питания рек – снеговой, ледниковый, дождевой и подземный. Один из них обычно является преобладающим, но и от остальных река тоже не отказывается.

Дождевое, снеговое питание

Для рек, питающихся исключительно дождями, характерны частые и внезапные паводки. Как правило, это тропические и субтропические реки, стекающие с вершин или возвышенностей.


В нашей стране тоже есть реки с преимущественно дождевым источником питания. Они текут с вершин Алтая, Кавказа, в Прибайкалье и других подобных регионах. Но для наших рек не менее мощным источником, чем дожди, является снег, вернее, его весеннее таяние. «Снеговые» реки, как правило, отличаются мягкостью воды и низким содержанием в ней солей. Весной для них характерно обильное половодье, после чего река входит в привычные берега. Аналогичная картина наблюдается и после сильных дождей.

Ледниковое питание

Основным источником воды в реке может быть горный ледник, таяние которого пополняет уровень воды в русле. Такие реки берут начало на высоких вершинах гор, покрытых многометровым слоем льда. Летом, когда ледник активно тает, уровень воды в них увеличивается, поток становится бурным и размывает берега, снося вниз плодородную почву.

Поэтому, как правило, ледниковые реки не пользуются популярностью у населения, а их берега пустынны и бесплодны. Порой ледниковая река, стекающая с горной вершины, в течение многих веков протачивает в скалах глубокое ущелье, дно которого становится её руслом.

Подземное питание

На равнинах и в низменностях встречаются реки, питающиеся преимущественно из подземных источников. Их не так много, и режим их питания до сих пор не слишком хорошо изучен. Установлено, что подземное питание может быть грунтовым, т.е. поступающим с верхнего водоносного горизонта, в котором скапливается впитавшаяся в почву дождевая вода, либо артезианским, поступающим из природной артезианской скважины.


Подземное питание характерно для маленьких речушек, а вот крупные водные потоки снабжаются в основном из притоков.

У некоторых рек из-за сильного таяния снегов происходят постоянные весенние половодья. К ним относятся практически все водотоки бывшего Советского Союза. Они же, в свою очередь, делятся еще на несколько видов. Наиболее распространенные типы режима рек: казахстанский, западносибирский, алтайский, восточноевропейский, восточносибирский.

Питание рек

Еще в младших классах изучают, что питание рек объясняется круговоротом воды в природе. Однако эта формулировка общая; для того чтобы полностью проникнуться в этот вопрос и понять, где и какой способ будет уместным, необходимо изучить все наиболее подробно. Существует дождевое, ледниковое, снеговое и подземное питание. И режим рек, и пополнение вод потока зависит в основном от климатических условий. Например, в странах с жаркой погодой снеговой тип питания практически отсутствует. В холодных условиях главную роль играют талые и грунтовые воды. В умеренном климате преобладает смешанное питание.

Дождевое и снеговое питание рек

Режим реки, которая питается дождями, обладает такой особенностью, как возникновение частых паводков. В отличие от половодий, они возникают абсолютно в любое время года. Случаются паводки там, где дожди идут достаточно часто, а зимой температура настолько благоприятная, что водный поток не покрывается льдом. Некоторые реки гор имеют исключительно дождевое питание. Это водотоки Прибайкалья, Камчатки, Алтая и др.

Для водотоков со снеговым питанием характерна мягкая вода и низкий уровень солей. Большая часть рек такого вида летом практически не пополняется. Также здесь часто встречаются водные потоки со смешанным режимом. Наиболее благоприятным расположением рек такого вида питания являются горы, которые ежегодно покрыты толстыми слоями снега.

Подземное и ледниковое питание рек

В странах, которые расположились на горах и у их подножья, реки имеют ледниковое питание. В летнее время происходит максимальное пополнение водных потоков в результате таяния многих крупных ледников. Этот тип питания является наиболее опасным, особенно в сочетании со снеговым. Зачастую талых вод слишком много (это зависит от размеров ледников), что дает возможность реке выходить из своих берегов. Именно поэтому земли, располагающиеся возле водотоков с таким питанием, мало заселены и редко поддаются обработке, так как ущерб, приносимый наводнениями, слишком велик.

Подземный (или грунтовой) режим реки распространен меньше, чем уже описанные виды питания. Этот тип изучается Государственным гидрологическим институтом России. Сам режим разделяется на грунтовое и артезианское питание. Однако основным источником пополнения рек являются все же подземные воды. Ученые в ходе исследований выяснили тот факт, что данный тип питания отлично подходит для небольших водных потоков, а для крупных он абсолютно не характерен.

Реки с алтайским, восточносибирским и западносибирским режимом

Невысокое, растянутое половодье, низкий уровень воды в зимний промежуток времени, повышенный сток в летний и осенний сезон - черты алтайского типа. Данный режим реки отличается от остальных тем, что основным питанием являются не только талые воды, но и дождевые осадки. Половодье затяжное с низким уровнем поднятия воды. Снег, тая с разных сторон, попадает в реки равномерно - это и объясняет данное явление.

Для восточносибирского типа характерны такие черты, как высокие паводки летом и осенью, а также повышенный уровень половодья весной. Колыма, Алдан, Тунгуска - реки, относящиеся к данному режиму. Зимой они часто перемерзают полностью из-за низкого стока. Это можно объяснить тем, что питание водотоков преимущественно грунтовое, а зимой оно сокращается до минимума.

Такой водный режим рек, как западносибирский, встречается в районе лесной зоны. Весеннее половодье нерезкое, растянутое, не отличается высокими уровнями поднятия воды. Летом и осенью сток повышен, зимой характерна межень. Подобное "поведение" рек обусловлено равнинным рельефом и заболоченностью низменностей, на которых они располагаются.

Реки с восточноевропейским и казахстанским режимом

Характерное высокое весеннее половодье, повышенный уровень стока осенью (из-за обильных осадков) и межень в летнее и зимнее время года четко определяют восточноевропейский режим реки. Осенние паводки выражены достаточно сильно во всех районах, кроме южного. Небольшие реки, площадью не более 300 км 2 , склонны к пересыханию и промерзанию в летний и зимний период. Для крупных водотоков подобные явления являются большой редкостью.

Для рек с казахстанским типом характерно высокое весеннее половодье, в то время как летом, зимой и осенью они весьма маловодны и чаще всего пересыхают. Встречаются такие потоки в Казахстане, Заволжье, в районе Арало-Каспийской низменности. По факту, распространены они в тех местах, где является лишь снег.

Известным фактом является то, что не существует даже двух рек которые обладали бы одинаковым химическим составом, одинаковой фауной, имели бы одинаковый цвет и другие характеристики. То же самое можно сказать и о речном режиме, который претерпевает изменения на протяжении всего времени существования самой реки. Согласно определению, данному в литературе географической направленности, режим реки представляет собой обычный для каждой реки ход изменений уровня, скорости и температуры, а также движения, состава и берегового рельефа, который отвечает за форму реки.

Питание рек

Поступление воды в реки называется их питанием. Различают четыре основных источника питания рек: дождевое, снеговое, ледниковое и подземное. Питание рек, как и их режим, зависит главным образом от климатических условий. Дождевое питание свойственно рекам тропических и муссонных областей, а также многим рекам Западной Европы, отличающейся мягким климатом; снеговое - рекам, где в течение холодного периода накапливается много снега (большая часть рек СССР); ледниковое- рекам высоких горных областей; подземное - рекам, текущим в широких долинах. Однако значительно чаще встречаются реки со смешанным питанием.

Режим рек - закономерное изменение состояния реки во времени (изменение уровня, расходов, стока, скорости, температуры и т. д.). В годовом водном режиме рек выделяются периоды с типично повторяющимися уровнями, которые называются меженью, половодьем и паводком. Межень - наиболее низкий уровень воды в реке. В межень расход и сток рек незначительны, главным источником питания являются подземные воды. В умеренных и высоких широтах различают летнюю и зимнюю межень. Летняя межень наступает в результате большого поглощения осадков почвой и сильного испарения, зимняя - в результате отсутствия поверхностного питания.

Рис.1. Паводок в устье Совца (г. Дзержинск, Россия)

Половодье - высокий и длительный подъем уровня воды в реке, обычно сопровождающийся затоплением поймы; наблюдается ежегодно в один и тот же сезон. В половодье реки имеют наибольшую водность, на этот период приходится значительная часть годового стока (нередко до 60-80 %). Половодья вызываются весенним таянием снега на равнинах, летним таянием снега и льда в горах и в полярных странах, обильными дождями. Время наступления и продолжительность половодья в разных географических условиях различны.

Паводок - быстрое, но кратковременное поднятие уровня воды в реке и значительное увеличение ее водности; в отличие от половодья возникает нерегулярно. Образуется обычно от дождей, иногда в результате быстрого таяния снега, а также пропусков воды из водохранилищ. Вниз по реке паводок распространяется волной. Постепенно распластываясь, волна затухает. Наиболее высокие подъемы воды приводят к наводнениям - затоплениям местности, расположенной в речной долине выше ежегодно затопляемой поймы. Образуются наводнения в многоводные годы в результате обильного притока воды в период снеготаяния или ливней, а также вследствие загромождения русла льдом во время ледохода. На устьевых участках некоторых равнинных рек наводнения возникают вследствие ветровых нагонов воды со стороны моря и подпора речного потока, например на Неве, для предупреждения чего ведется строительство защитных сооружений со стороны моря.

Наводнения часты на реках Дальнего Востока, где вызываются обильными муссонными дождями, случаются на Миссисипи, Огайо, Дунае и других реках. Они причиняют большой вред. Высота подъема воды в половодье и паводки весьма различна. Так, весенний подъем воды на большинстве крупных рек европейской части СССР достигает 4 м; на больших сибирских реках в связи с заторами льда подъем воды может доходить до 15-20 м. Человек активно воздействует на сток рек. Он строит плотины, водохранилища, каналы, изменяет поверхностный сток путем лесонасаждения, устройства прудов и снегозадержания. Накопленные весенние воды в летний сезон поддерживают более высокий уровень рек. Реки холодных и умеренных стран в холодный период года покрываются льдом. Мощность ледяного покрова может достигать 2 м и более.

Рис.2. Последствия наводнения на реке Кроуфиш (Висконсин, США, 2008 г.)

Однако некоторые участки рек зимой не замерзают. Эти участки называются полыньями. Чаще всего полыньи наблюдаются в местах быстрого течения, при выходе реки из глубокого озера, на месте большого количества источников. Замерзание и вскрытие рек сопровождаются ледоходом, при котором наблюдаются заторы и зажоры. Заторы - скопления плывущего льда, вызванные какими-либо препятствиями. Зажоры - скопления внутриводного льда. Те и другие вызывают уменьшение поперечного сечения реки (иногда на 30 %), подъем уровня воды, а при прорыве - быстрое ее движение вместе со льдом. Заторы особенно характерны для рек, текущих с юга на север (Северная Двина, Макензи, Лена и др.), вскрытие которых начинается с верховьев.

Тепловой режим рек, уравнение теплового баланса участка реки

Уравнение теплового баланса Sсн+Scp+Sиа-Sив+-Sта+-Sик,

где Sсн - итоговый приход тепла к снегу в кал/(см 2 -мин); Sср - суммарная радиация; Sиа, Sив - излучение атмосферы и воды; Sта - турбулентный теплообмен с атмосферой; Sик - теплообмен с атмосферой при испарении и конденсации.

Процессы и факторы, влияющие на температуру воды в реках. Нагревание и охлаждение воды в реках и озерах происходит под влиянием теплообмена, совершающегося между массой воды и окружающей ее средой, выражением чего является тепловой баланс участка реки. Процесс обмена теплом водной массы с окружающей средой происходит по границе раздела воды с атмосферой и грунтами. Перенос тепла от поверхности раздела в толщу водной массы осуществляется в результате турбулентного перемешивания.

Некоторую роль в распространении тепла вглубь, помимо перемешивания, особенно в озерах и застойных участках рек, играет непосредственное проникновение солнечной энергии в воду. Таким путем в зависимости от мутности и цвета воды на глубину 1 м проникает от 1 до 30%, а на глубину 5 м -от 0 до 5% падающей да поверхность воды лучистой энергии. Процесс теплообмена существенно изменяется в течение суток я по времени года с изменением метеорологических условий и высоты солнца.

В соответствии с изменением теплового потока и ход температуры воды имеет периодический характер. Днем, весной и летом преобладает возрастание температуры, ночью, осенью и зимой - уменьшение. Особенно существенные изменения в процесс теплообмена вносит появление ледяного и снежного покрова. С его возникновением теплообмен с атмосферой резко уменьшается: прекращается турбулентный теплообмен и влагообмен с атмосферой и проникновение в воду лучистой энергии. В это время непосредственный обмен теплом между водной массой и атмосферой осуществляется только путем теплопроводности сквозь лед и снег.

Распределение температуры по живому сечению реки, длине и по времени

Распределение температуры по живому сечению реки. Турбулентный характер течения в реках, обусловливающий непрерывное перемешивание водных масс, создает условия для выравнивания температуры по живому сечению реки. В летнее время днем вода на поверхности несколько теплее, чем у дна, ночью же температура у дна несколько выше.

При установлении ледяного покрова более низкие температуры (0° С) наблюдаются у поверхности воды. При образовании ледяного покрова и появлении на нем снега толщиной 10-20 см практически прекращается доступ к воде лучистой энергии и исключается встречное излучение воды. При отсутствии же лучистого теплообмена тепловой режим воды будет целиком определяться потоком тепла от дна и берегов реки, что" приводит к возникновению теплового потока, направленного от придонных слоев воды к ее поверхности. Различия в температурах воды отдельных точек живого сечения обычно невелики: они находятся в пределах десятых и сотых долей градуса, редко достигая 2-3° С. В условиях сложного очертания русла при наличии заводей и зон с малыми скоростями течения распределение температуры по живому сечению и по глубине может быть более сложным. Но эти случаи являются исключениями из общей картины распределения температур по живому сечению.

Изменение температуры воды во времени. Изменение интенсивности теплового потока, поступающего в воду, и расходования полученною тепла в течение суток и года, вызывает соответствующие колебания температуры воды.

Суточный ход температуры воды наиболее четко выражен в теплую часть года. Основным фактором, определяющим амплитуду суточных колебаний температуры воды, является водность реки: чем больше водность реки, тем меньше суточная амплитуда. Кроме водности, амплитуда колебаний температуры воды зависит также от широты места. Меньшая амплитуда на северных реках является следствием того, что в этих районах в весенне-летний период ночь коротка и, следовательно, нет условий для большого ночного охлаждения. Суточные амплитуды колебания температуры воды в значительной степени зависят от условий погоды: при ясной погоде они больше, при пасмурной - меньше. Годовой ход температуры воды характеризуется следующими особенностями. В течение зимних месяцев температура воды весьма мало отличается от 0° С и практически принимается равной 0° С.

Изменение температуры по длине реки. Температура воды рек, особенно имеющих достаточно большую длину, изменяется и вдоль по течению в соответствии с изменением прежде всего климатических условий и характера водного питания. Изменение температуры воды равнинных рек, текущих в меридиональном направлении (с юга на север или с севера на юг), зависит от многих причин: времени года, источника питания, приточности, наличия в бассейне реки озер, а также от смены ландшафтных зон, через которые протекает река. По мере удаления от истока вода в реке нагревается. Достигнув наиболее высокого для данной реки значения, далее на некотором участке вниз по течению температура воды существенно не меняется. Длина участка с относительно более высокими температурами зависит, в частности, от длины самой реки: чем меньше река, тем короче этот участок.

В период охлаждения происходит выравнивание температуры воды по длине реки, в некоторые моменты времени и в нижнем ее течении температуры могут быть выше, чем в верхнем. Это объясняется более высокой водностью реки в нижнем течении и, следовательно, большей тепловой инерцией. Температура воды рек, текущих с севера на юг, обычно повышается до самого устья, но это повышение различно и зависит от ряда указанных выше причин.

Зимний режим рек. Фазы зимнего режима – замерзание, ледостав, вскрытие рек

Ледовый режим рек. При охлаждении воды до 00С и продолжающейся после этого отдаче тепла с водой поверхности на реках возникают ледовые образования- реки вступают в фазу зимнего режима. За начало зимнего периода условно принимают установление отрицательных температур воздуха, сопровождающихся возникновения на реке ледовых образований. Концом зимнего периода считают момент очищения реки ото льда. Для многих рек отождествление конца зимнего периода с моментом очищение их ото льда зачастую может оказаться нецелесообразным, так как часто даже максимум весеннего половодья сопровождается ледоходом или значительная часть паводка проходит поверх льда. Поэтому правильнее с точки зрения выделения зимней фазы стока за момент окончания зимнего режима принимать момент начало первой интенсивной прибыли весенней воды.

Рис.3. Ледостав на реке Томь (Западная Сибирь, Россия)

Период жизни реки, связаны с ледовыми явлениями, может быть разделен на 3 характерные части: замерзание реки, включающее время осеннего ледохода, ледостав и вскрытие реки. В зимний период реки бывшего СССР живут исключительно за счет питания грунтовыми водами. Только на юге и в период сравнительно кратковременных оттепелей в северных районах может наблюдаться более или менее значительный поверхностный сток. В огромном же большинстве случаев расходы рек в зимний период резко уменьшаются (на некоторых реках до полного прекращения стока) за счет промерзания грунтов и иссякания запасов грунтовых вод.

Ледостав. С увеличением числа льдин и их размеров скорость движения ледяных полей уменьшается и в местах сужения русла, на мелких участках, у островков и у искусственных сооружений происходят временные задержки, приводящие в условиях отрицательных температур воздуха к быстрому смерзанию ледяных полей и образованию сплошного ледяного покрова, или ледостава. Описанный процесс замерзания рек является наиболее типичным, однако на малых реках и даже на отдельных участках больших рек с очень спокойным течением ледостав может установиться в течение короткого периода времени с низкими температурами без осеннего ледохода.

Вскрытие рек. С наступлением периода положительных температур начинается таяние льда и поступление воды в реки за счет поверхностного стока. Вследствие таяния снега появляется вода поверх льда сначала у берегов, затем снег на всем ледяном покрове пропитывается постепенно скапливающейся водой. Таяние льда наиболее интенсивно происходит вдоль берегов как за счет поступления талых вод с бассейна, так и в результате того, что почва нагревается быстрее. Вследствие подъема уровня воды лед несколько вспучивается. Вдоль берегов образуется понижение, по которому течет вода и размывает ледяной покров. Образующиеся при этом полосы воды, свободные ото льда, называются закраинами.

Испарение и его роль в балансе влаги. Испаряемость и суммарное испарение

Характеристика процесса испарения с водной поверхности. Процесс испарения состоит в том, что вода из жидкого или твердого состояния превращается в газ (пар). Молекулы воды, находясь в непрерывном движении, преодолевают силу взаимного молекулярного притяжения и вылетают в воздух, находящийся над поверхностью воды. Чем выше температура воды, тем больше скорость движения молекул и тем, следовательно, большее количество молекул воды отрывается от ее поверхности и переходит в атмосферу - испаряется. Поэтому интенсивность испарения зависит, прежде всего, от температуры испаряющей поверхности. Кроме того, часть молекул, оторвавшихся от поверхности воды и находящихся в воздухе, в процессе движения может снова попасть в воду.

Если количество молекул, переходящих из воздуха в жидкость, окажется больше, чем количество молекул, вылетающих из жидкости в воздух, происходит процесс, обратный испарению. Такой процесс называется конденсацией. Испарение зависит от разности между упругостью водяного пара, насыщающего пространство при температуре испаряющей поверхности, и упругостью водяного пара, фактически находящегося в воздухе. Интенсивность испарения возрастает, если в прилегающем к испаряющей поверхности слое воздуха существуют восходящие и нисходящие токи, называемые конвекционными. Они возникают в том случае, когда температура воздуха, непосредственно прилегающего к испаряющей поверхности, выше, чем температура вышележащих слоев.

Над большими водными пространствами, где испарение происходит одновременно с большой площади, горизонтальное перемещение воздуха не может обеспечить сколько-нибудь значительный горизонтальный приток более сухих масс воздуха. Однако с увеличением горизонтальной скорости ветра увеличиваются и вертикальные составляющие, вызывающие вертикальное перемещение масс воздуха, проходящих над поверхностью водоема. Это вертикальное перемещение воздуха и является основным для процесса испарения над обширными водными пространствами (океаны, моря, крупные озера). Испарение с поверхности почвы и испарение растительным покровом протекает значительно сложнее. Испарение с поверхности почвы определяется не только разностью упругости водяного пара и коэффициентом обмена, но и количеством влаги, находящейся в почве, и особенностями строения почвы. Суммарное испарение с поверхности почвы и растительным покровом (транспирация). С участков суши, покрытых растительностью, суммарное испарение формируется из трех составляющих: испарение непосредственно с почвы, испарение растительностью в процессе ее жизнедеятельности (транспирация), испарение осадков, задержанных растительной массой. Для определения испарения могут быть использованы следующие методы: а) испарителей, б) водного баланса, в) турбулентной диффузии, г) теплового баланса.