Учебник для географических факультетов университетов

Учебник для географических факультетов университетов
Давыдов Л.К., Дмитриева А.А., Конкина Н.Г. Общая гидрология. Л.: Гидрометеоиздат,
1973. - 463 с.
РЕКИ
Река, ее притоки, речная система.
Рекой называется водный поток, протекающий в естественном русле и
питающийся за счет поверхностного и подземного стока речного бассейна.
Атмосферные осадки не сразу попадают в реки. Сток их осуществляется сначала в
виде временных потоков, возникающих в период таяния или выпадения дождей. Сливаясь
вместе, они дают начало постоянным потокам;— сначала ручьям, малым речкам, а затем
рекам. Водность рек увеличивается притоком подземных вод, дренируемых речными.
руслами. Реки выносят свои воды в океаны, моря или озера. Река, впадающая в один из
таких водоемов, называется главной рекой, а реки, впадающие в нее, — ее притоками.
Совокупность всех рек, сбрасывающих свои воды через главную реку в. море или озеро,
называется речной системой или речной сетью.
Реки, озера, болота, балки, овраги данной территории составляют
гидрографическую сеть этой территории. Таким образом, речная сеть есть часть
гидрографической сети.
Различают притоки различных порядков. Реки, впадающие непосредственно в
главную реку, называются притоками первого порядит, притоки этих притоков —
притоками второго порядка и т. д. Американский гидролог Хортон предложил другую
систему классификации притоков. Хортон называет рекой первого порядка или
элементарной рекой реку, не имеющую притоков, рекой второго порядка— реку,
принимающую притоки только первого порядка, и т. д. Таким образом, чем больше номер
главной реки, тем более сложный характер носит речная система этой реки. В этом несомненное достоинство предлагаемой Хортоном системы.
Речная система характеризуется протяженностью рек, их извилистостью и
густотой речной сети. Под протяженностью понимается суммарная длина всех рек,
составляющих данную систему. Длина рек измеряется по карте возможно более крупного
масштаба. Извилистость реки характеризуется коэффициентом извилистости. Этот
коэффициент определяется для отдельных участков реки и представляет собой отношение
расстояния по прямой линии между начальным и конечным пунктами участка к длине
реки на этом участке. Густота речной сети характеризуется коэффициентом густоты,
представляющим собой отношение суммарной протяженности речной сети на данной
площади к величине этой площади. Коэффициент густоты речной сети выражается в
км/км2. Густота речной сети зависит от ряда природных факторов: рельефа, геологического строения местности, свойств почв, климата, в особенности от количества
осадков и условий их стока. Немаловажная роль принадлежит также историкогеоморфологическим факторам. Густота речной сети меняется в широких пределах. На
севере она обычно больше, чем на юге, в горах больше, чем на равнинах.
Водоразделы.
Линия на земной поверхности, разделяющая сток атмосферных осадков по двум
противоположно направленным склонам, назыг вается водоразделом. Весь земной шар
можно разделить на две основные покатости, по которым воды стекают с континентов в
Мировой океан: Атлантическую и Тихоокеанско-Индийскую. Водораздел между этими
двумя покатостями называется Мировым водоразделом.
Водоразделы между периферийными областями и областями внутреннего стока
называются внутренними водоразделами. Линии на земной поверхности, разделяющие
области суши, сток с которых направлен в различные океаны или моря, называются
водоразделами океанов и морей.
Водоразделы, отделяющие части суши, сток с которых направлен в те или иные
речные системы, называют речными водоразделами или водоразделами речных
бассейнов.
В горных районах водоразделы обычно хорошо выражены и проходят по вершинам
горных хребтов. На равнинах водоразделы нередко выражены неясно и определить их
бывает трудно.
Речной бассейн. Водосбор.
Часть земной поверхности, включающая в себя данную речную систему и
отделенная от других речных систем водоразделами, называется речным бассейном этой
системы. Поверхность суши, с которой речная система собирает свои воды, называется
водосбором.
Речные бассейны отличаются друг от друга размерами и формой. Основной
морфометрической характеристикой речного бассейна является его площадь, выражаемая
обычно в квадратных километрах.
Бассейны рек нередко отличаются значительной асимметрией, что имеет-большое
значение для формирования водного режима реки. При асимметрии бассейна в главную
реку будет поступать при прочих равных условиях различное количество воды с правой и
левой частей водосбора.
Физико-географические характеристики речных бассейнов.
К числу физико-географических характеристик речных бассейнов относится,
прежде всего, их географическое положение, которое дается в виде географических
координат крайних точек бассейна (крайние западные и восточные, крайние южные и
северные точки).
Для суждения о ряде гидрологических свойств бассейна (питание рек,
формирование режима стока) важно знать климатические условия бассейна, рельеф
местности, геологическое строение, характер почвенного и растительного покрова, а
также иметь данные о наличии и характере озер, болот, ледников. Из климатических
элементов при изучении их влияния на гидрологический режим, в частности режим стока,
выделяются атмосферные осадки (их количество, распределение, интенсивность дождей),
снежный покров (мощность и запас воды в нем), температура и недостаток насыщения
влагой воздуха, радиационный баланс.
Исток, верхнее, среднее и нижнее течение, устье.
Истоком называется место на земной поверхности, где русло реки приобретает
отчетливо выраженные очертания и где в нем наблюдается течение. Река может
образоваться из слияния двух рек. Тогда за начало реки принимается место слияния этих
рек.
Нередко на равнинах реки берут начало из болота. Иногда из одного болота
вытекают ручьи и речки, принадлежащие к разным речным системам.
Иногда ручьи и речки берут начало из родников. В горных районах, там, где
развито оледенение, многие реки вытекают из ледников.
Течение рек можно разделить на три части, имеющие обычно более или менее
общие черты для разных рек: верхнее, среднее и нижнее течение. В верхнем течении река
обычно отличается большими уклонами и в соответствии с этим большими скоростями. В
этой части течения река, как правило, энергично размывает свое русло. В средней и
нижней частях течения уклоны водной поверхности, и скорости течения уменьшаются,
эрозионная деятельность потока ослабевает. В средней части река проносит транзитом
продукты размыва, принесенные сверху. В нижнем течении происходит по преимуществу
аккумуляция продуктов размыва, поступивших из верхних частей речного бассейна.
Иногда на отдельных участках река под влиянием особенностей рельефа теряет
указанные черты, характерные для верхнего, среднего, и нижнего течения.
Место, где река впадает в другую реку, озеро или море, называется устьем реки.
Иногда вследствие затрат на испарение и отчасти фильтрацию в грунт, слагающий русло,
реки заканчиваются «слепыми устьями». Так называются участки, где такие реки прекращают свое течение.
Речная долина и русло реки.
Реки обычно текут в узких вытянутых пониженных формах рельефа,
характеризующихся общим наклоном своего ложа от одного конца к другому и
называемых долинами. Элементами речной долины являются: дно долины, тальвег, русло
реки, пойма, склоны долины, террасы и бровка. Дно, или ложе, долины — наиболее
пониженная часть ее. Тальвег — непрерывная извилистая линия, соединяющая наиболее
глубокие точки дна долины. Дно долины в продольном направлении пересекается речным
руслом, представляющим собой эрозионный врез, образованный водным потоком. Часть
дна долины, заливаемая высокими речными водами, называется поймой. Склоны долины
редко бывают ровными. На них часто образуются располагающиеся уступами на
некоторой высоте над тальвегом более или менее горизонтальные площадки, называемые
речными террасами. Пойма представляет собой нижнюю террасу. Линия сопряжения
склонов долины с поверхностью прилегающей местности называется бровкой.
Схематический поперечный профиль речной долины.
Строение речных долин, их форма, размеры оказывают большое влияние на ряд
гидрологических процессов, происходящих в них, на свойства реки и особенности ее режима. Большая или меньшая крутизна склонов долины способствует ускорению или
замедлению стока поверхностных вод с них в русло реки, усилению или ослаблению
процессов размыва поверхности склонов долины, а, следовательно, и поступлению
продуктов размыва в речное русло. Мощные аллювиальные отложения, скопившиеся в
долинах рек, являются вместилищем грунтовых вод и тем самым оказывают влияние на
питание рек грунтовыми водами.
Размеры речной поймы имеют существенное значение для уровенного и
расходного режима рек. В период высоких вод поймы задерживают большое количество
воды с тем, чтобы позднее отдать их реке (при понижении уровней), являясь, таким
образом, естественным регулятором водного режима рек. На пойме в период высоких, вод
происходит накопление речных наносов. Размеры и форма русла сильно меняются по
длине реки в зависимости от её водности, строения долины, характера породсла гающих
русло.
Продольный профиль рек.
Продольный профиль реки характеризуется продольным профилем русла и
продольным профилем водной поверхности. Разность высот двух каких-либо точек
водной поверхности по длине реки называется падением. Отношение величины падения к
длине данного участка называется уклоном реки. Падение выражается обычно в метрах,
уклон представляет собой величину безразмерную и выражается в виде десятичной дроби
или в промилле (в тысячных долях длины участка).
По характеру распределения падений и уклонов по длине реки выделяют четыре
основных типа продольных профилей рек:
 Профиль равновесия, имеющий вид вогнутой кривой, более крутой в истоках реки
и пологой ближе к устью. Этот тип характерен для болыцинства рек.
 Прямолинейный профиль, характеризующийся более или менее равномерным
распределением падений и уклонов по длине реки. Подобное очертание профиля
имеют часто малые реки равнин.
 Сбросовый профиль, имеющий вид параболической кривой с малым падением в
верхней части и большим в нижней части: реки.
 Ступенчатый профиль, отличающийся чередованием участков с малым и
сосредоточенным падением, иногда в виде отвесных уступов.
Участки рек с сосредоточенным падением и бурным течением, приуроченные к местам
выходов на поверхность трудноразмываемых пород, носят название порогов. Падение
воды с отвесного уступа называется водопадом. Ступенчатый продольный профиль с
Многочисленными порогами и водопадами свойствен горным рекам.
Поперечный профиль водной поверхности реки.
Поперечный профиль водной поверхности реки не представляет собой горизонтальную
линию — он характеризуется наличием превышения уровня воды у одного берега над
уровнем у другого. Причины, вызывающие разность уровней у противоположных
берегов, следующие. Русло реки никогда не бывает прямолинейным. При движении воды
на участке с закруглением развивается центробежная сила. Степень кривизны русла
характеризуется так называемым радиусом кривизны, представляющим собой радиус
окружности, дуга которой совпадает с кривой, изображающей очертание русла на данном
участке. Каждая частица воды, движущаяся на закруглении, испытывает действие
центробежной силы, направленной по радиусу кривизны.
Действие центробежной силы на водную поверхность на изгибе:
Скорость течения горных и равнинных рек.
Течение равнинных рек значительно более спокойное, чем горных. Водная
поверхность равнинных рек сравнительно ровная. Препятствия обтекаются потоком
спокойно.
Горные реки отличаются крайней неровностью водной поверхности (пенистые
гребни, взбросы, провалы). Взбросы возникают перед препятствием (нагромождением
валунов на дне русла) или при резком уменьшении уклона дна.
Таким образом, между характером течения, глубиной, скоростью, а,
следовательно, и уклоном существуют следующие соотношения: с увеличением уклона и
скорости и уменьшением глубины при данном расходе течение становится более бурным;
с уменьшением уклона и скорости и увеличением глубины при данном расходе течение
приобретает более спокойный характер.
Горные реки характеризуются, как правило, бурным течением, равнинные реки
имеют спокойный режим течения. Бурный режим течения может быть и на порожистых
участках равнинных рек. Переход к бурному течению резко усиливает турбулентность
потока.
Поперечные циркуляции.
Одной из особенностей движения воды в реках является непараллельноструйность
течений. Она отчетливо проявляется на закруглениях и наблюдается на прямолинейных
участках рек. Наряду с общим параллельным берегам движением потока в целом имеются
внутренние течения в потоке, направленные под различными углами к оси движения
потока и производящие перемещения водных масс в поперечном к потоку направлении.
На изогнутых участках русла струи воды, встречаясь с вогнутым берегом,
отбрасываются от него. Массы воды, переносимые этими отраженными струями,
обладающими меньшими скоростями накладываясь на массы воды, переносимые
набегающими на них следующими струями, повышают уровень водной поверхности у
вогнутого берега. Вследствие этого возникает перекос водной поверхности, и струи воды,
находящиеся у вогнутого берега, опускаются по откосу его и направляются в придонных
слоях к противоположному выпуклому берегу. Возникает циркуляционное течение на
изогнутых участках рек.
ЭЛЕМЕНТЫ ВОДНОГО РЕЖИМА И МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА НИМИ.
Под влиянием ряда причин изменяются расходы воды в реках, положение
уровенной поверхности, ее уклоны и скорости течения. Совокупное изменение расходов
воды, уровней, уклонов и скоростей течения во времени называется водным режимом, а
изменение величин расходов, уровней, уклонов и скоростей в отдельности — элементами
водного режима.
Расходом воды называется то количество воды, которое протекает через данное
живое сечение реки в единицу времени. Величина расхода выражается в м/с.
Уровень воды — высота поверхности воды (в сантиметрах), отсчитываемая от
некоторой постоянной плоскости сравнения.
Наблюдения за уровнями и методы их обработки.
Наблюдения за колебанием уровня проводятся на водомерных постах и заключаются в
измерении высоты водной поверхности над некоторой постоянной плоскостью,
принимаемой за начальную, или нулевую. За такую плоскость обычно принимают
плоскость, проходящую через отметку несколько ниже наинизшего уровня воды.
Абсолютную или относительную отметку этой плоскости называют нулем графика, в
превышениях над которым и даются все уровни. Измерения производятся при помощи
водомерной рейки с точностью до 1 см.
По данным всех измерений вычисляются средние уровни за каждый день и
составляются таблицы ежедневных средних уровней за год. В этих таблицах помещаются,
кроме того, средние уровни за каждый месяц и за год и выбираются наивысшие и
наинизшие уровни за каждый месяц и год. Средние, наибольшие и наименьшие уровни
называются характерными уровнями.
Методы измерения скоростей течения рек.
Скорости течения рек обычно измеряются либо поплавками, либо
гидрометрическими вертушками. Простейшие и наиболее часто употребляемые поплавки
изготовляются из дерева. Поплавки сбрасываются в воду на малых реках с берега, на
больших — с лодки. По секундомеру определяется время прохождения поплавка: между
двумя соседними створами, расстояние между которыми известно.
Более точно скорости течения измеряются при помощи гидрометрической
вертушки. Она позволяет определять осредненную скорость течения в любой точке
потока.
Методы определения расходов воды.
Расход воды в данном живом сечении может быть определен как отношение средней
скорости для всего живого сечения к площади этого сечения. Последняя определяется в
результате промеров глубин русла реки по поперечному створу.
ПИТАНИЕ РЕК.
Источники питания рек.
Основной источник питания всех рек на земном шаре — атмосферные осадки. При
определенных условиях часть выпадающих жидких осадков образует поверхностный сток
и служит непосредственным источником питания рек в периоды паводков. Твердые
осадки аккумулируются на поверхности земли в виде снежного покрова. На равнинах и
невысоких горах накопившийся за зиму снег тает в теплое время и также служит
источником питания рек. Снег, накопившийся в более высоких горах, в отдельные годы
стаивает не весь, пополняет запасы вечных снегов и дает начало ледникам. Талые воды
этих снегов и ледников являются еще одним источником питания рек. Часть талых и
дождевых вод просачивается в верхние слои земли и при некоторых условиях быстро
дренируется реками, при этом несколько растягивается процесс стока этих вод в речную
сеть. Некоторая часть талых и дождевых вод идет на пополнение запасов подземных вод,
которые значительно медленнее попадают в русла рек. Подземные воды являются также
источником питания рек: они обеспечивают устойчивость речного стока. Таким образом,
существуют четыре источника питания рек — жидкие осадки, снежный покров,
высокогорные снега и ледники и подземные воды.
Соотношения между количеством воды, поступающим в реки от того или иного
источника питания, неодинаковы в различных районах. Меняются они и от сезона к
сезону для одной и той же реки. Эти различия зависят главным образом от климатических
условий: режима осадков и температуры воздуха в течение года.
Климатическая классификация рек А. И. Воейкова
Рассматривая реки как продукт климата их бассейнов, Воейков считал возможным
использовать особенности их режима как индикатор климата. Для этой цели им была
разработана климатическая классификация рек. Воейков разделил все реки на следующие
типы:
 Тип А. Реки, получающие воду от таяния снега на равнинах и невысоких горах (до
1 ООО м). В чистом виде этот тип не существует нигде.
 Тип В. Реки, получающие воду от таяния снега в горах. Этот тип тоже не
существует в чистом виде.
 Тип С. Реки, получающие воду от дождей и имеющие половодье в летнее, время.
Этот тип рек характерен для областей с тропическими дождями и муссонами.
 Тип D. Реки, у которых половодье происходит вследствие таяния снега весной или
в начале лета, причем значительная часть воды рек доставляется дождями. К этому
типу относятся реки стран «с суровой и снежной зимой и дождливым летнеосенним периодом.
 Тип Е. Вода доставляется дождями: она выше в холодные месяцы, но правильное
периодическое изменение невелико.
 Тип F. Вода доставляется дождями: она выше в холодное время, чем летом, и
разница значительна. Реки получают воду только в дождливое время осенью и
зимой. Летом реки нередко пересыхают.
 Тип G. Отсутствие рек и вообще постоянных водотоков вследствие сухости
климата.
 Тип Н. Страны, где дождливое время коротко и реки имеют воду тогда и несколько
времени после, а в остальное время пересыхают или превращаются в ряд луж с
подземным течением в промежутках между ними.
 Тип I. Страны без рек вследствие того, что они сплошь покрыты снегом и
ледниками; здесь реки заменяются ледниками с их подледниковыми потоками. §
ВОДНЫЙ РЕЖИМ.
Фазы водного режима.
Годовой цикл водного режима рек можно подразделить на несколько характерных
периодов, называемых фазами водного режима. Характерные особенности этих фаз и их
продолжительность определяются условиями питания, изменением этих условий в
течение года, что в свою очередь зависит от климата речных бассеинов. Число фаз может
быть неодинаковым для различных рек и колеблется от четырех до двух. На одних реках,
как, например, в равнинной части нашей страны, наблюдаются четыре фазы: весеннее
половодье, летняя межень, осенние паводки, зимняя межень. На других (крайний юг
Русской равнины) фаза осенних дождевых павюдков отсутствует; на реках с длительным
летним половодьем не бывает летней межени.
Половодье
— фаза водного режима, характеризующаяся ежегодно
повторяющимся в один и тот же сезон длительным и значительным увеличением
водности реки, вызывающим подъем ее уровня. Во время половодья воды реки обычно
затопляют пойму. Значительные подъемы уровня приводят иногда к катастрофическим
наводнениям.
В разных климатических зонах половодье наблюдается в различные сезоны года.
Если основными источниками питания рек являются талые воды сезонных снегов или
ледников, то половодье проходит весной или летом. Весеннее половодье характерно для
равнинных рек континентального климата. Исключение составляют реки северных
районов с длительной зимой и поздним снеготаянием. На этих реках половодье
наблюдается летом. Значительную часть лета захватывает половодье на реках горных
районов в связи с удлинением периода таяния сезонных снегов вследствие вертикальной
поясности этого явления. Для высокогорных рек, в питании которых принимают участие
высокогорные снега и ледники, характерно летнее половодье.
Половодье, вызванное дождями, бывает: во все сезоны года. Время его
наступления определяется режимом осадков и температурой воздуха. Ежегодно
повторяющиеся в течение длительного периода времени дожди обусловливают
возможность образования дождевого половодья; температурный режим (высокие температуры) и сухость воздуха ограничивают эту возможность вследствие потерь дождевых
вод на инфильтрацию и испарение. В районах с муссонным климатом дождевые
половодья охватывают все теплое время года, включая весну и лето. На реках средней
части Европы, юга Скандинавии и Северной Америки (США), центральной и северной
частей Малой Азии и вдоль южного берега Каспия дождевые половодья проходят весной.
Осенние половодья характерны для рек экваториальной зоны. Зимой половодье
наблюдается в районах со средиземноморским климатом. К районам с повышенным
зимним стоком относятся Южная и Западная Европа, Юго-Западная Азия, западная и
южная части Австралии, Новая Зеландия, Северная Африка, Тихоокеанское побережье
Южной и Северной Америки.
Дождевыми паводками называются относительно кратковременные и быстрые
подъемы уровней и увеличение расходов воды под влиянием выпадающих в речном
бассейне дождей и столь же быстрый спад их. Относительная кратковременность
прохождения паводков, малые объемы стока по сравнению с половодьем и различное
время прохождения их в течение года на одной и той же реке и составляют отличие
паводков от половодий.
На одних реках паводки проходят в осенний период на других они бывают
преимущественно зимой и весной, на третьих — летом. Иногда паводки наблюдаются в
течение всего года. В этом случае выделение в годовом цикле водного режима отдельных
фаз носит условный характер.
Межень — фаза водного режима, характеризующаяся малой водностью
относительно периода половодья или фазы паводков. Причина малой водности — резкое
снижение поступления воды с водосборной площади реки.
Выделяются летняя и зимняя межени. В период летней межени река питается
преимущественно подземными водами и водами атмосферных осадков, выпадающих
нерегулярно. Летняя межень может быть устойчивой продолжительной, а также
прерывистой. Длительная устойчивая летняя, иногда летне-осенняя межень отличается
постепенным уменьшением расходов воды с конца половодья до конца лета, осени, что
связано с истощением запасов подземных (грунтовых) вод. Паводки на таких реках в
период межени бывают редко. На малых реках истощение грунтовых вод приводит к
летнему пересыханию.
Зимняя межень на реках континентального климата совпадает обычно с периодом
ледостава. Исключение составляют горные реки, где отсутствие ледостава
обусловливается большими скоростями течения. В период зимней межени реки питаются
грунтовыми водами, частично снеговыми водами во время зимних оттепелей. Расходы
воды от начала замерзания рек постепенно снижаются, достигая минимума перед вскрытием. В районах с суровым климатом, особенно в зоне многолетней мерзлоты, многие
реки перемерзают, что является следствием не только прекращения стока подземных вод
в русло рек, но и затрат воды на ледообразование.
Среди многообразия типов водного режима выделяются реки с простым и
сложным режимом. Сложный водный режим свойствен крупным рекам, притоки которых
собирают воды с бассейнов, расположенных в разных географических зонах. Малые и
средние реки имеют простой режим, формирующийся в пределах одной географической
зоны. В то же время водный режим малых рек иногда может значительно отклоняться от
характерного «зонального» режима под воздействием азональных факторов, таких,
например, как геологическое строение речного бассейна, с которыми тесно связано
питание рек подземными водами.