Тема 4. РЕКИ Река – это водоток сравнительно крупных

Тема 4. РЕКИ
Река – это водоток сравнительно крупных размеров, питающийся
атмосферными осадками со своего водосбора и имеющий четко выраженное
сформированное самим потоком русло. К рекам обычно относят лишь водотоки с
площадью бассейна не менее 50 км2. Водотоки меньшего размера называют ручьями.
Реки – это, как правило, постоянные водотоки, текущие в течение всего года.
Однако встречаются реки, которые могут в течение некоторого непродолжительного
периода времени перемерзать или пересыхать. Если же водоток пересыхает большую
часть года (как, например, сухие долины в пустынях – вади), то такой водоток рекой
не считают. К рекам не относятся водотоки, которые не имеют водосбора (как,
например, русла, сформированные течениями во время приливов или сгоннонагонных явлений в приморских районах или на островах). Не являются реками даже
крупные водотоки (проливы), соединяющие лагуны с морем. Не могут считаться
реками и водотоки с искусственным руслом (каналы).
4.1. ТИПЫ РЕК
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.
По условиям протекания реки подразделяют на равнинные, полугорные и горные.
У равнинных и полуторных рек наблюдается спокойный характер движения воды, у
горных – бурный.
По источникам (видам) питания реки подразделяют на различные типы в
зависимости от вклада снегового, дождевого, ледникового и подземного питания в
формирование речного стока.
По водному режиму, т. е. характеру внутригодового распределения стока,
выделяют реки с весенним половодьем, с половодьем в теплую часть года, с
паводочным режимом.
По степени устойчивости русла можно выделить, например, реки устойчивые и
неустойчивые, а по ледовому режиму – реки замерзающие и незамерзающие.
Выделяют также реки промерзающие (перемерзающие) и пересыхающие. Следует
различать промерзание и перемерзание рек. Промерзание – это замерзание всей
толщи воды до дна на большом протяжении реки. Перемерзание – это образование
ледяных перемычек лишь на отдельных мелководных участках русла (например, на
перекатах). Промерзают или перемерзают обычно малые и средние реки во время
суровых зим, когда поверхностное питание отсутствует, а подземное истощается изза промерзания грунтовых вод.
Некоторые реки пересыхают в засушливые периоды года, когда из-за отсутствия
дождей поверхностное питание прекращается, а подземное (грунтовое) истощается.
Временно пересыхают обычно лишь малые реки.
4.2. 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 (рис. 4.1).
Бассейн реки – это часть суши, включающая данную речную систему и ограниченная
орографическим водоразделом.
Рис. 4.1. Схема бассейна и водосбора реки в плане (а) и в поперечном разрезе (б) по
линии А – Б:
1 – граница бассейна и поверхностного водосбора реки (орографический водораздел);
2 – граница подземного водосбора (подземный водораздел); 3 – бессточные области, не входящие
в водосбор реки; 4 – водоупор; 5 – осадки; 6 – поверхностный сток;
7 – подземный сток; 8 – русла рек
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.
Бессточные территории в пределах речных бассейнов могут иногда достигать
больших площадей; например, в Северном Казахстане в бассейне Тобола выше
г. Кустаная – 16 300 км2 (> 50 % площади бассейна).
Несовпадение границ бассейна, выделяемых по орографическому водоразделу, и
границ водосбора может быть и в тех случаях, когда границы поверхностного и
2
подземного водосборов не совпадают, т. е. когда часть подземного стока либо
поступает из-за пределов данного бассейна, либо уходит за его пределы.
Бассейны (водосборы) рек, впадающих в один и тот же приемный водоем (озеро,
море, океан), объединяются соответственно в бассейны (водосборы) озер, морей,
океанов. Выделяют главный водораздел земного шара, который разделяет бассейны
рек, впадающих в Тихий и Индийский океаны, с одной стороны, и бассейны рек,
впадающих в Атлантический и Северный Ледовитый океаны,– с другой. 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 Волги,
Урала, Терека, Куры, Амударьи, Сырдарьи.
4.3. МОРФОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БАССЕЙНА РЕКИ
Основными морфометрическими характеристиками речного бассейна (рис. 4.1)
служат: площадь бассейна F; длина бассейна Lб, обычно определяемая как прямая,
соединяющая устье реки и точку на водоразделе, прилегающую к истоку реки;
максимальная ширина бассейна Вб тах которая определяется по прямой, нормальной к
длине бассейна в наиболее широкой его части; длина водораздельной линии Lвдp;
средняя ширина бассейна Вб ср, вычисляемая по формуле
Вб ср = F / Lб
Важной характеристикой бассейна служит распределение площади бассейна по
высотам местности, представленное гипсографической кривой (рис. 4.2),
показывающей, какая часть площади бассейна (в км2 или %) расположена выше
любой заданной отметки местности.
Рис. 4.2. Распределение площади бассейна по высотам и гипсографическая кривая
С помощью гипсографической кривой можно рассчитать такую важную
характеристику, как средняя высота бассейна. Для этого площадь фигуры F' на
рис. 4.2, ограниченной гипсографической кривой и осями координат, делят на
площадь бассейна F. Среднюю высоту бассейна можно определить и без
гипсографической кривой по формуле
где Hi, – средняя высота любых высотных интервалов в пределах бассейна,
3
вычисляемая как среднее из отметок горизонталей (изогипс), ограничивающих эти
интервалы; fi – площадь части бассейна между этими горизонталями; F– полная
площадь бассейна; п – число высотных интервалов.
Средний уклон поверхности бассейна определяют по формуле
,
где li – длины горизонталей; ΔH – разность отметок смежных горизонталей (сечение
рельефа); F– полная площадь бассейна; п – число высотных интервалов.
4.4. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ И ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
БАССЕЙНА РЕКИ
К числу главнейших физико-географических и геологических характеристик
речного бассейна относятся:
1) географическое положение бассейна на континенте, которое может быть
выражено через удаленность (км) от океана, широту и долготу центра и крайних точек
бассейна;
2) географическая зона (зоны) или высотные пояса;
3) геологическое
строение, тектоника, физические и водные свойства
подстилающих грунтов, гидрогеологические условия;
4) рельеф, который может быть охарактеризован количественно через среднюю
высоту бассейна и средний уклон бассейна;
5) климат (характер циркуляции атмосферы, режим температуры и влажности
воздуха, количество и режим атмосферных осадков, испарение);
6) почвенно-растительный покров, который можно охарактеризовать данными о
доли площади бассейна (%), занятой лесами и почвами того или иного типа;
7) характер речной сети;
8) наличие и особенности других водных объектов – озер, болот, ледников.
Важнейшая особенность любого речного бассейна – это степень его
преобразования хозяйственной деятельностью. При этом следует различать
искусственное преобразование поверхности бассейна (сведение лесов, распашка
земель и другие агролесотехнические мероприятия, оросительные и осушительные
мелиорации) и искусственное преобразование гидрографической сети бассейна и
режима самих рек (сооружение плотин и водохранилищ, каналов, шлюзов,
осуществление других гидротехнических мероприятий в руслах рек, регулирование,
изъятие и переброска стока и др.).
Такие характеристики бассейна, как его озерность, болотистость, лесистость и др.,
могут быть выражены количественно через соответствующие коэффициенты
озерности kоз, болотистости kбол, лесистости kлес, вычисляемые по формулам вида
k = f / F,
где f – площадь, занятая озерами (болотами, лесами, ледниками и т. д.); F – полная
площадь бассейна; k – выражаются либо в долях единицы, либо в процентах.
4
4.5. РЕЧНАЯ СЕТЬ
Совокупность водотоков (рек, ручьев, временных водотоков, каналов), водоемов
(озер, водохранилищ) и особых водных объектов (болот, ледников) в пределах
речного бассейна составляет гидрографическую сеть бассейна. Совокупность
естественных и искусственных водотоков называют русловой сетью.
Частью гидрографической (и русловой) сети является речная сеть. Речную
систему составляют главная река, впадающая в приемный водоем (океан, море,
бессточное озеро), и все впадающие в нее притоки различного порядка. Притоками
первого порядка называются реки, непосредственно впадающие в главную реку,
второго порядка – притоки притоков первого порядка и т. д. В качестве главной реки
в разных случаях считают либо наиболее длинную реку в бассейне (Волга длиннее
более полноводного притока Камы), либо наиболее многоводную реку (Миссисипи
при слиянии с более длинной Миссури).
Длина реки L – это расстояние вдоль русла между истоком и устьем реки. Длины
рек обычно определяют по крупномасштабным картам или аэрофотоснимкам
(расстояния измеряют по геометрической оси русла или фарватеру). При определении
длины рек по мелкомасштабным картам должны вводиться поправки на масштаб и
извилистость русла: чем мельче масштаб карты и больше извилистость реки, тем
больше ошибки при расчете длин рек.
Исток – это место начала реки (выход из озера, 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 реки – это место впадения реки в море, озеро, 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).
Отношение длины участка реки Li, к длине прямой li, соединяющей концы этого
участка, называется коэффициентом извилистости реки на данном участке:
kизв = Li / li,
Поскольку на отдельных участках извилистость реки разная, общий коэффициент
извилистости реки определяют по формуле
5
Между длиной реки L (км) и площадью бассейна F (км2) имеется определенная
связь, близкая к квадратичной:
L F .
Например, для рек бывшего СССР получена такая осредненная эмпирическая
зависимость:
L  1,36F 0.56
Сумма длин всех рек в пределах бассейна или какой-либо территории дает
протяженность речной сети ΣL,. Отношение протяженности речной сети к площади
бассейна характеризует густоту речной сети бассейна или территории, имеющую
размерность км/км2:
d = ΣLi/f,
здесь f – площадь рассматриваемой территории.
Средняя густота речной сети в Украине составляет 0,34 км/км 2. Все реки
относятся к бассейнам Черного, Азовского и Балтийского морей, однако на южные
моря приходится 98% площади водосбора Наибольшей густоты речная сеть
достигает в Украинских Карпатах – 2,0 км/км2. В бассейне Днепра коэффициенты
густоты речной сети уменьшается от 1,0-1,7 км/км2 до 0,20-0,18 км/км2 у устья. А
наименьшая густота речной сети наблюдается на юге степной зоны: 0,09-0,17
км/км2.
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, 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.).
4.6. ДОЛИНА И РУСЛО РЕКИ
Речные долины по происхождению могут быть тектоническими, ледниковыми и
эрозионными.
По форме поперечного профиля речные долины подразделяют на теснины, ущелья,
каньоны, V-образные, трапецеидальные, ящикообразные, корытообразные и др. В
6
поперечном профиле долины (рис. 4.3, а) выделяют склоны долины (вместе с уступом
долины и надпойменными террасами) и дно долины. В пределах дна (ложа) долины
находятся русло реки (наиболее низкая часть долины, занятая водным потоком в
межень) и пойма (заливаемая водами половодья или значительных паводков часть
речной долины).
Рис. 4.3. Поперечный профиль долины (а) и русла (б) реки:
1 – бровка долины (коренного берега); 2 – уступ коренного берега; 3 – первая надпойменная
терраса (аккумулятивная); 4 – вторая надпойменная терраса (эрозионная); 5 – бровка террасы;
б – русло реки; 7 – низкая пойма; 8 – высокая пойма; 9 – коренные породы; 10 – аллювиальные
отложения; 11 – прирусловой вал
Русла рек по форме в плане подразделяются на прямолинейные, извилистые
(меандрирующие), разделенные на рукава, разбросанные (блуждающие) (рис. 4.4).
Рис. 4.4. Типы речных русел:
а – прямолинейное; 6 – извилистое; в – разделенное на рукава; г – разбросанное; 1 – линия
наибольших глубин; 2 – отмель; 3 – осередок или остров; 4 – размываемый участок берега; 5 –
направление течения
7
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 (см. рис. 4.3, б)
являются площадь поперечного сечения w, ширина русла В между урезами русла при
заданном его наполнении, максимальная глубина русла hmax. Среднюю глубину русла
hcp в данном поперечном сечении вычисляют по формуле
hcp = w/B
Для большинства речных русел выполняется приближенное соотношение
hcp ≈ 2/3 hmax.
В извилистом русле максимальная глубина обычно смещена к вогнутому берегу.
В гидравлических расчетах часто используют еще две характеристики русла реки
– длину смоченного периметра р (см. рис. 4.3, б) и гидравлический радиус R, равный
R = w/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.
4.7. ПРОДОЛЬНЫЙ ПРОФИЛЬ РЕКИ
Продольный профиль реки – это график изменения отметок дна и водной
поверхности вдоль русла. На горизонтальной оси графика откладывают расстояние
по длине реки, на вертикальной – абсолютные или условные отметки дна (обычно по
линии наибольших глубин) и уровня воды. Для продольных расстояний и высот
обычно берут разные масштабы.
Разность отметок дна или водной поверхности реки на каком-либо ее участке
называется падением (ΔН). Разность отметок истока и устья реки составляет полное
падение реки.
В связи с тем, что у рек глубины обычно несоизмеримо меньше полного падения,
графики изменения отметок дна и водной поверхности для всей реки сливаются в
одну линию.
Продольные профили рек могут быть плавновогнутыми, прямолинейными,
выпуклыми, ступенчатыми (рис. 6.5, а). Характер продольного профиля
определяется геологическим строением и рельефом речного бассейна, а также
8
эрозионно-аккумулятивной деятельностью самого потока.
Рис. 6.5. Продольные профили реки (а) и ее участка (б):
1 – плавновогнутый; 2 – прямолинейный; 3 – выпуклый; 4 – ступенчатый; 5 – дно реки; 6 – водная
поверхность в межень; 7 – водная поверхность в половодье; ΔНм – падение между створами А и Б
в межень; ΔНп – то же, в половодье; Пл – плес (глубокий участок русла реки); Пр – перекат
Перегибы продольного профиля обычно приурочены к местам впадения притоков
(ниже их профиль, как правило, становится более пологим), 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.
Весьма характерен продольный профиль реки на коротком ее участке,
включающем плесы и перекаты (рис. 6.5, б). В этом случае продольный профиль
строят отдельно для дна и водной поверхности реки. Из данных рис. 6.5, б видно, как
изменяется продольный профиль водной поверхности с изменением уровня воды в
реке. При низких уровнях (в межень) продольный профиль водной поверхности более
крутой на перекатах и более пологий на плесах. При высоких уровнях (в половодье)
продольный профиль обычно выравнивается или даже становится на плесах более
крутым, чем на перекатах.
Для характеристики крутизны продольного профиля рек используют понятие
уклон реки (отдельно для дна и водной поверхности). Уклон реки вычисляют по
формуле
I = ΔHi/ Li
где ΔHi – падение, Li – длина реки на участке.
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 i0) 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, %, ‰.
9
Вопросы и задания для самоконтроля
1. По каким признакам различают реки и ручьи?
2. Как различают реки по размеру?
3. Как различают реки по условиям протекания?
4. Как различают реки по источникам (видам) питания?
5. Как различают реки по водному режиму?
6. Как различают реки по степени устойчивости русла?
7. Как различают реки по ледовому режиму?
8. В чем отличие понятий: «промерзание реки» и «перемерзание реки»?
9. Раскройте понятия: «водосбор реки» и «бассейн реки».
10. В каком случае площадь водосбора и площадь бассейна реки не совпадают?
11. Нарисуйте схему бассейна и водосбора реки в плане.
12. Нарисуйте схему бассейна и водосбора реки в поперечном разрезе.
13. Приведите примеры бессточных областей.
14. Назовите основные морфометрические характеристики речного бассейна.
15. Раскройте порядок определения средней высоты бассейна с помощью
гипсографической кривой и по формуле.
16. Как определить средний уклон поверхности бассейна?
17. Назовите главные физико-географические и геологические характеристики
речного бассейна.
18. Раскройте понятия: «гидрографическая сеть бассейна», «русловая сеть».
19. Какие водные объекты включает речная сеть?
20. Какую величину называют коэффициентом извилистости реки?
21. Какую величину называют густотой речной сети бассейна?
22. Как различают речные долины по происхождению?
23. Как различают речные долины по форме поперечного профиля?
24. Как различают речные долины в плане?
25. Назовите основные морфологические элементы русла.
26. Покажите на чертеже продольный профиль реки.
27. По какой формуле вычисляют уклон реки?
10