Сток явл. элементом геогр. оболочки. Она рассматривается как крупный природный комплекс. Все компоненты геогр. ландшафта в силу цельности и неразрывности природы взаимосвязаны. Прир. воды, являясь элементом геогр. ландшафта, явл. связующим звеном всех геогр. процессов.
Рассмотрение стока как элемента геогр. среды предполагает его исследование на широкой геогр. основе. Именно такой подход сток à окруж. среда разрабатывался В.Г. Глушковым в виде географ-гидрол. метода. Этот метод устанавливает причинную связь всех вод данного района с географическим ландшафтом в целом, включая в себя кроме климата геологию, геоморфологии, почвы и растит., и на основе этих связей устанавл. характеристики св-в самих вод.
Т.об., Глушков впервые в истории отеч. гидрологии сформулировал необходимость изучения вод на генетич. основе в зависимости от прир. условий, в кот. эти воды находятся. Такой путь исследования (диалектический) тесно связан с учением Докучаева о геогр. зональности почв с исследованиями Л.С. Берга о ландшафтах, Воейкова о взаимосвязи природных вод и климата, Вернадского о единстве природных вод, Тригорьева о физ. геогр. процессе развития природной среды. По мнению Кузина (1960 г) предст. единств. попытку в гидрологии, где ясно и четко сформулирована необх. генетич. изучения вод суши в зависим. от тех прир. условий, в кот. эти воды находятся. Данное определение очень важное. В гидрологии находит применение геосистемный анализ метод сравнения и др. Статистические методы также широко используются. Исследов. речного стока на генетич. основе позволяет выделить геогр. закономерности пространств. изменчивости характеристик речного стока.
Простр. характеристику распред. речного стока наглядней всего представляют карты изолиний годового стока. Карта стока обладает тем огромным достоинстом, что весьма информативно показывает территориальные изменения картируемой характеристики. Расмотрим карты стока рек для территории б. СССР и отдельных регионов страны.
Изолтинии годового стока (карты годового стока)
Первая карта была составлена Д.И Кочериным в 1927 г. Она охватывала Европейскую часть СССР. В ее основе были наблюдения по 34 пунктам. Научное значение карты: впервые при построении карты была наглядно показана роль климат. зональности и зависимости речн. стока от климата. Было подтверждено учение А.И Воейкова, что реки – продукт климата, и Э.М: Ольдекова о том, что главный физ.-геогр. фактор – климат, определяющий речн. сток на 75-85%. Широтное направление изолиний, почувствованное автором интуитивно, впоследствии получило практическое подтверждение. Карта имела практич. значение, т.к с 1927 по 1936г., до появл. следующ. карты, она явилась основой для обоснования десятков и сотен гидротехн. объектов. По карте определялись водн. ресурсы неизученных бассейнов.
Впоследствии работы продолжались. В 1936г. была составлена карта стока Европейской части СССР. На ней мы видим широтное расположение изолиний речного стока (на Урале – меридиональное). Авторы карты – Б.Д Зайков и С.Ю. Беленков. Для построения использованы 1280 пунктов. были сделаны наметки для построения карты азиатской территории. Уточнение карты было произведено в 1946 г. Зайковым.
После 1946 г. в гидрол. картировании было затишье. Только в 1961 г. была произв. новая карта (К.П. Воскресенский, 5690 пунктов наблюдения).
В 1980 г. была составлена еще одна карта (А.В Рождественский с коллегами). Эта карта вошла в СниП 2.01.14-83., а также в пособие по определению гидрол. характеристик. Средний многолетний сток был расечитан от начала открытия гидрол. и до 1975 г. включительно. Масштаб карты 1:10 000 000. Принципиальных отличий этой карты от предыдущей нет. Кол-во наблюдений то же самое, что и в предыдущей карте. Карта годового речн. стока составлена в модулях стока М (л/с.км 2). Также возможна единица измерения Н мм = W/A . Для равнинной части Европ. территории страны амплитуда колебаний модуля среднегод. стока заключается между 10-12 л/с.км 2 в бассейне Сев. Двины, Печоры, на реках Карелии до 0,5-1,0 на юге в Приазовье. На равнинн. терр. ход изолиний отражает широтную зональность. В предгорьях и горах набл. значит. увеличение стока. Так в Хибинах модуль стока увел. до 18 , на Сев. Урале до 20, в Карпатах – до 25-30, на Ю-З. склоне Кавказе – до 75-80 л/с.км 2 . На Кавказе самый большой сток у р. Ухалта, приток р. Кодори - 88 л/с.км 2 . На возвышенности напр. изолиний тягожит к меридиональному, модуль стока от подножия гор к вершинам. Отриц. формы рельефа обусловливают четко выраженное понижение. Ваметный минимум в Ловатско-Ильменской низм (6 л/с.км 2). Более сложное распределение в Азиатской части СССР, изменчив. стока на Зап. – Сиб. низм. такая, же, как на Вост.-Европ. равнине. С севера на юг идет уменьшение стока. Защищенность Зап. – Сиб. низм. Уралом от зап. атлантич. возд. масс и близость пустынных районов Средней Азии обусловливают большую сухость климата по сравн. с Европой. Модуль стока М ↓ от 8 л/с.км 2 на п-ове Ямал, Гыданский, большей части Зап. Сиб. низм. до 0,2 – 0,1 л/с.км 2 в верховьях Иртыша, Иншма. Таким обр. , разница в модулях стока на одной и тойже широте перед и за Уралом достигает 2 л/с.км 2 . В Вост. Сибири, Приморском крае, Якутии и Камчатке напр. изолиний меняется с широтн. на меридиональное. Вдоль побережья Берингова моря амплитуда колеблений изм. от 25-30 л/с.км 2 на Памире, Алтае, Саянах до 2 л/с.км 2 в бассейне Яны, Индширки, до 0,1 л/с.км 2 в пустынях Казахстана. На полярных о-вах Врангеля, Новосибирских, Северной Земле, Земле Франца-Иосифа модуль стока М изменяется от 2 до 8 л/с.км 2 в названной последов. В современных границах России величина модуля колеблется от 75 до 0,1 (75 – На Камчатке, 0,1 – в Приазовье). Карта среднемноголетнего годового слоя стока в мм и водоносности рек имеется в учебнике Михайлова, Добровольского 1991 г. Колебания годов. стока на терр. Росси находятся в пределах от 1800 мм на Камчатке и 1000 мм на Сахалине до 5 мм и менее в Прикаспии и приазовье. На равнинах Европ. части слой стока ↓ с севера на юг от 400 до 10-20 мм. В горах сток увеличивается на Кольском п-ове – 400-600, Сев. Кавказ – 1000 мм, в Зап. Сибири – от 300 до 10 мм с Сев. на Юг. В Вост. Сибири, Якутии, Приморье и Камчатке широтное направление переходит в меридиональное, слой стока колеблется от 1800 м в горах до 10-20 мм в бассейне Лены. для терр. России в среднем слой стока составл. 198 мм. В Центр. Черноземье – 105 мм. Неравномерное распр. стока неслучайное объясняется изменчивостью осн. факторов, определяющих речн. сток. Дифференциация речн. стока по территории связана с изменчивостью атм. осадков и рельефа. В соотв. с этими 2-мя главными прир. факторами формируются геогр. закономерности, т.е широтная зональность на равнине, высотная – в горах.
Региональные карты стока рек.
Карты изолиний речн. стока, составл. для макротерриторий, позволяют выделить геогр. закономерность простр. изменчивости речн. стока, но оценка водных ресурсов может быть очень низкой. В 1965 г. появилась карта годового стока для Центрального Черноземья.
При пострении карт речного стока не рассматриваются аномальные значения стока.
Водный фонд России.
Это 2,5 млн. рек; 2,8 млн. озер, свыше 30 000 водохранилищ и прудов.
Ледники имеют покровное и горное распределение.
Реки России принадлежат к бассейнам 12 морей: Баренцево, Балтийское, Карское, море Лаптевых, Восточно-Сибирское море, Белое море, Чукотское, Берингово, Охотское, Японское, Азовское, Черное моря.
К Бассейну Сев. Ледовитого океана отн. 80% площади водосборов, Атлантического и Тихого по 10%. Волга формирует крупнейший бесточный бассейн. На его территории располагаются 39 субъектов РФ. Волга – крупнейшая водная магистраль, важнейший международный транспортный коридор. В пределах России 5 рек с площадью водосбора свыше 1 млн км 2: Обь, Енией, Лена, Волга, Амур и 50 рек с площадью водосбора свыше 100 000 км 2 . Густота речной сети значительно меняется с Севера на Юг и при переходе от равнин к горам. Густота речной сети больше на Севере и в горах, чем на Юге и на равнинах. Крупнейшие реки: Дон, Печора, Сев. Двина, Енисей, Яна, Индигирка, Таз, Колыма, Урал, Амур образуют народное достояние страны. Эти реки формируют водные ресурсы России. Кол-во и качество вод определяет качество жизни.
К естесств. пов. водным объектам относятся озера. Они встречаются чаще всего на Северо-Западе. В Карелии 60 000 озер. Самый крупный пресноводный водоем – Байкал. это самое глубокое озеро. Абсолютное большинство озер России пресные, но есть и соленые озера – Эльтон, Баскунчак. Многие озера имеют огромное водохозяйственное и рекреационное значение. К ним относятся Ладожское озеро, Елигер, Кроноцкое озеро и др. К естесств. водным объектам относятся также болота. Известно, что площадь болотных массивов.
Ледники в стране преимущественно распространены в горах. Площади ледников распространены на Новой Земле, Земле Франца Иосифа. Ледники есть на Кавказе, Саянах, Алтае, Урале, Становом хребте.
Огромные запасы воды содержатся в искусств. водоемах. Водохранилищ 2290, крупнейший объем свыше 100 млн. км 3 – Ю.З водохранилица. 363 водохранилица – крупные.
Все водоемы, имеющие объем свыше 1 млн. м 3 – водохранилица, что меньше - пруд.
Водный фонд Центрального Черноземья.
Водные объекты ЦЧ принадлежат к бассейнам Черного, Азовского и Каспийского морей. Вся рассматриваемая территория делится водоразделами 3-х речн. бассейнов: Дона, Волги, и Днепра. По терр. ЦЧ протекает из названных только Дон. а Волга и Днепр представлены их притоками. 2/3 территортии приходится на бассейн Дона, 1/3 – на бассейн Волги и Днепра. Речн. сист. Дона предст. реки Сосна, Воронеж, Хопер, Битюг, Ворона, Северский Донец и др. , протекающие в пределах Липецкой, Тамбовской, Воронежской, Белгородской, Курской. Бассейн Волги: Цна с притоками (Тамбовская обл.). Бассейн Днепра: Сейм с притоками, Ворскла, Псел (Курская и Белгородская обл.). Гидрогр. сеть представлена руъями, реками и временными водотоками, сток кот. имеет место только весной или летом. Гидрографию рек дополняют озера и болота. И те и другие – небольшие по площади водного зеркала, их распр. по терр. не превышает 1% от общей площади. На терр. ЦЧР – 5164 водотока протяж. свыше 35 000 км. Они сост. небольшую часть от общего числа рек России. Густота речн. сети невелика, но варьирует: 0,27 км/км 2 в Тамб. обл., в Липецкой обл. – 0,23 км/км 2 ; в Воронежской обл. – 0,18 км/км 2 ; в Белг. обл. – 0,11.
Наиб. число озер в басс. Цны, Вороны, Дона, Битюга. Они располаг. в поймах рек, имеют вытянутую форму, что указывает на их старичное происх. В пойме Дона озера Тыгоново, Кременчуг, Тахта и др. В басс. Цны Святовское, Княжое и др. В басс. Сейма линево. Самое большое озеро – Ильмень в басс. Хопра.
Болот на терр. ЦЧР мало, они есть в бассейне Вороны, Усмани, Савалы, Воронежа. Наиболее известное болото-Клюквенное (рядом с Воронежом). Подземные источники – особая группа объектов. Они дают начало многим рекам. Много родниковых рек в Липецкой обл. В наст. время набл. подъем уровня грунтовых вод. Наиболее крупные родники – Нижнекисляйский, Белая торка. Минеральные источники – Липецкий, Углянческий, Икорецкий. На основе их функционируют санатории. Пруды и водохранилица в большом кол-ве присутствуют на территории ЦЧР. На нач. 60-х гг насчитывалось неск. тыс. прудов. Самое крупное водохранилице – Воронежское, затем идут матырское, Старооскольское, Курчатовское, Илушпанское. При использовании вод для нужд человека встает вопрос о водных запас.
Для определения расхода воды в реке нужно еще определить среднюю скорость течения реки . Это можно сделать различными способами:
Для определения стока реки в зависимости от площади бассейна, высоты слоя осадков и т.д. в гидрологии применяются следующие величины:
Стоком реки называют расход воды за продолжительный период времени, например за сутки, декаду, месяц, год.
Модулем стока называют выраженное в литрах количество воды, стекающее в среднем в 1 секунду с площади бассейна реки в 1 км2:
Коэффициентом стока называют отношение стока воды в реке к количеству выпавших осадков (М) на площадь бассейна реки за одно и то же время, выраженное в процентах:
где а - коэффициент стока в процентах, Qr - величина годового стока в кубических метрах, М - годовое количество выпавших осадков в миллиметрах.
Для определения годового стока воды исследуемой реки нужно расход воды умножить на число секунд в году, т. е. на 31,5-106 сек.
Для определения модуля стока нужно знать расход воды и площадь бассейна выше створа, по которому определялся расход воды данной реки.
Площадь бассейна реки можно измерить по карте. Для этого применяют следующие способы:
Мы считаем, что учащимся легче всего будет использовать третий способ и производить измерение площади посредством палетки, т. е. прозрачной бумаги (кальки) с нанесенными на нее квадратиками (если нет кальки, то можно промаслить бумагу).
Имея карту исследуемого района в определенном масштабе, нужно изготовить палетку с квадратиками, соответствующими масштабу карты. Предварительно следует оконтурить бассейн данной реки выше определенного створа, а затем наложить на карту палетку, на которую перенести контур бассейна. Для определения площади требуется сосчитать сначала число полных квадратиков, расположенных внутри контура, а затем сложить данные квадратики, частично покрывающие бассейн данной реки. Сложив квадратики и умножив полученное число на площадь одного квадратика, узнаем площадь бассейна реки выше данного створа.
где Q - расход воды. Для перевода кубических метров в литры умножаем расход на 1000, S - площадь бассейна.
Для определения коэффициента стока реки нужно знать годовой сток реки и объем воды, выпавшей на площади данного бассейна реки. Объем воды, выпавшей на площади данного бассейна, легко определить. Для этого нужно площадь бассейна, выраженную в квадратных километрах, умножить на толщину слоя выпавших осадков (тоже в километрах).
Например, если осадков на данной площади выпало за год 600 мм, то толщина будет равна 0,0006 км и коэффициент стока будет равен
где Qp -годовой сток реки, а М - площадь бассейна; умножаем дробь на 100 для определения коэффициента стока в процентах.
Нужно выяснить виды питания реки: грунтовое, дождевое, от таяния снега, озерное или болотное. Например, р. Клязьма имеет питание грунтовое, снеговое и дождевое, из них грунтовое питание составляет 19%, снеговое - 55% и дождевое - 26%.
Эти данные в процентах школьник сам вычислить не сможет, их придется взять из литературных источников.
Для характеристики режима стока реки нужно установить:
а) каким изменениям по сезонам подвергается уровень воды (река с постоянным уровнем, сильно мелеющая летом, пересыхающая, теряющая воду в понорах и исчезающая с поверхности);
б) время половодья, если оно бывает;
в) высоту воды во время половодья (если нет самостоятельных наблюдений, то по опросным сведениям);
г) продолжительность замерзания реки, если это бывает (по своим личным наблюдениям или же по сведениям, полученным путем опроса).
Для определения качества воды нужно узнать, мутная она или прозрачная, годная для питья или нет. Прозрачность воды определяется белым диском (диск Секки) диаметром приблизительно 30 см, подведенным на размеченном лине или приделанным к размеченному шесту. Если диск опускается на лине, то внизу, под диском, прикрепляется груз, чтобы диск не сносило течением. Глубина, на которой этот диск становится невидимым, и является показателем прозрачности воды. Можно диск сделать из фанеры и окрасить его в белый цвет, но тогда груз нужно подвесить достаточно тяжелый, чтобы он вертикально опускался в воду, а сам диск сохранял горизонтальное положение; или фанерный лист можно заменить тарелкой.
Температуру воды в реке определяют родниковым термометром, как на поверхности воды, так и на разных глубинах. Держать термометр в воде нужно в течение 5 минут. Родниковый термометр можно заменить обычным ванновым термометром в деревянной оправе, но, для того чтобы он опускался в воду на разные глубины, следует привязать к нему груз.
Можно определить температуру воды в реке при помощи батометров: батометра-тахиметра и бутылочного батометра. Батометр-тахиметр состоит из гибкого резинового баллона объемом около 900 см3; в него вставлена трубочка диаметром 6 мм. Батометр-тахиметр закрепляют на штанге и опускают на разные глубины для взятия воды. Полученную воду выливают в стакан и определяют ее температуру.
Батометр-тахиметр нетрудно сделать самому школьнику. Для этого нужно купить небольшую резиновую камеру, на нее надеть и привязать резиновую трубочку диаметром 6 мм. Штангу можно заменить деревянным шестом, разделив его на сантиметры. Штангу с батометром-тахиметром нужно опускать вертикально в воду до определенной глубины, так чтобы отверстие батометра-тахиметра было направлено по течению. Опустив на определенную глубину, штангу необходимо повернуть на 180° и держать примерно 100 секунд, для того чтобы набрать воды, после чего опять повернуть штангу на 180°. Вынимать ее следует так, чтобы из батометра вода не вылилась. Перелив воду в стакан, определяют термометром температуру воды на данной глубине.
В результате турбулентности движения воды в реке температура придонного и поверхностного слоя почти одна и та же. Например, придонная температура воды 20,5°, а на поверхности 21,5°.
Полезно одновременно измерить термометром-пращом температуру воздуха и сравнить ее с температурой речной воды, записав обязательно время наблюдения. Иногда разность температуры достигает нескольких градусов. Например, в 13 часов температура воздуха 20°, температура воды в реке 18°.
При исследовании на определенных участках характера русла реки необходимо:
а) отметить главнейшие плесы и перекаты, определить их глубины;
б) при обнаруживании порогов и водопадов определить высоту падения;
в) зарисовать и по возможности измерить острова, отмели, осередки, побочные протоки;
г) собрать сведения, в каких местах река размывает берега, и на местах, особенно сильно размываемых, определить характер размываемых пород;
д) изучить характер дельты, если исследуется приустьевой участок реки, и нанести ее на глазомерный план; посмотреть, соответствуют ли отдельные рукава изображенным на карте.
При изучении внешнего вида русла реки следует дать его описание и сделать зарисовки разных участков русла, лучше всего возвышенных мест.
При общей характеристике реки нужно выяснить:
а) в какой части река является главным образом эродирующей и в какой аккумулирующей;
б) степень меандрирования.
Для определения степени меандрирования нужно узнать коэффициент извилистости, т.е. отношение длины реки на изучаемом участке к кратчайшему расстоянию между определенными пунктами исследуемой части реки; например, река А имеет длину 502 км, а кратчайшее расстояние между истоком и устьем всего 233 км, следовательно, коэффициент извилистости
где К - коэффициент извилистости, L - длина реки, l - кратчайшее расстояние между истоком и устьем, а потому
Река
- естественный водный поток, протекающий постоянно в сформированном им углублении (русле).
В каждой реке различают исток, верхнее, среднее, нижнее течения и устье. Исток
- начало реки. Реки начинаются при слиянии ручьев, возникающих в местах выходов подземных вод или собирающих воду атмосферных осадков, выпавших на поверхность. Вытекают они из болот (например, Волга), озер и ледников, питаясь скопившейся в них водой. В большинстве случаев определить исток реки можно только условно.
От истоков реки начинается ее верхнее течение.
В верхнем
течении речной поток обычно менее многоводен, чем в среднем и нижнем течениях, уклон поверхности, наоборот, больше, и это отражается на скорости течения и на размывающей деятельности потока. В среднем
течении река становится многоводнее, но скорость течения уменьшается, и поток переносит главным образом продукты размыва русла в верхнем течении. В нижнем
течении при медленном движении потока преобладает отложение приносимых им сверху наносов (аккумуляция). Нижнее течение реки заканчивается устьем.
Устье
реки - место ее впадения в море, озеро, в другую реку. В условиях сухого климата, там, где реки расходуют много воды (на испарение, орошение, фильтрацию), они могут постепенно иссякнуть, не донеся своих вод до моря или до другой реки. Устья таких рек называют «слепыми». Все реки, протекающие по той или иной территории, образуют ее речную сеть
, входящую вместе с озерами, болотами и ледниками в гидрографическую сеть.
Речная сеть состоит из речных систем.
Речная система включает главную реку (название которой она носит) и притоки. Во многих речных системах главная река отчетливо выделяется только в нижнем течении, в среднем и особенно в верхнем течениях определить ее очень трудно. В качестве признаков главной реки можно принять длину, водность, осевое положение в речной системе, относительный возраст речной долины (долина более старая, чем у притоков). Главные реки большинства крупных речных систем не отвечают сразу всем этим признакам, например: Миссури длиннее и полноводнее Миссисипи; Кама приносит в Волгу не меньше воды, чем Волга несет у устья Камы; Иртыш длиннее Оби и его положение больше соответствует положению главной реки речной системы. Главной рекой речной системы исторически становилась та, которую раньше и лучше других рек этой системы знали люди.
Притоки главной реки называются притоками первого порядка, их притоки - притоками второго порядка и т. д.
Речная система характеризуется протяженностью составляющих ее рек, их извилистостью и густотой речной сети. Протяжённость рек
- суммарная длина всех рек системы, измеряемая по карте крупного масштаба. Степень извилистости реки определяется коэффициентом извилистости
(рис. 87) - отношением длины реки к длине прямой линии, соединяющей исток и устье. Густота речной сети
- отношение суммарной протяженности всех рек рассматриваемой речной сети к занимаемой ею площади (км/км2). На карте, даже не очень крупного масштаба, видно, что густота речной сети в различных природных зонах неодинакова.
В горах густота речной сети больше, чем на равнинах, например: на северных склонах Кавказского хребта она составляет 1,49 км/км2, а на равнинах Предкавказья - 0,05 км/км2.
Участок поверхности, с которого вода стекает в одну и ту же речную систему, называется бассейном этой речной системы или ее водосбором. Бассейн речной системы складывается из бассейнов притоков первого порядка, которые в свою очередь состоят из бассейнов притоков второго порядка и т. д. Бассейны рек входят в бассейны морей и океанов. Все воды суши делятся между главными бассейнами: 1) Атлантического и Северного Ледовитого океанов (площадь 67 359 тыс. км2), 2) Тихого и Индийского океанов (площадь 49 419 тыс. км2), 3) областью внутреннего стока (площадь 32 035 тыс. км2).
Речные бассейны имеют различные размеры и очень разнообразную форму. Выделяются бассейны симметричные (например, бассейн Волги) и асимметричные (например, бассейн Енисея).
Размеры и форма бассейна в значительной степени определяют величину и режим стока реки. Важно также положение речного бассейна, который может находиться в разных климатических поясах и может протягиваться в широтном направлении в пределах одного и того же пояса.
Бассейны ограничены водоразделами. В горных странах они могут представлять собой линии, в общем совпадающие с гребнями хребтов. На равнинах, особенно плоских и заболоченных, водоразделы четко не выражены.
В некоторых местах водоразделы провести вообще невозможно, так как масса воды одной реки делится на две части, направляющиеся в разные системы. Такое явление называется бифуркацией реки (делением ее на две). Яркий пример бифуркации - деление верхнего течения Ориноко на две реки. Одна из них, за которой сохраняется название Ориноко, течет в Атлантический океан, другая - Касикьяре - впадает в приток Амазонки Риу-Негру.
Водоразделы ограничивают бассейны рек, морей, океанов. Главные бассейны: Атлантический и Северного Ледовитого океана (Атлантико-Арктический), с одной стороны, и Тихого и Индийского - с другой - ограничены главным (мировым) водоразделом Земли.
Положение водоразделов не остается постоянным. Их перемещения связаны с медленным врезанием верховий рек в результате развития речных систем и с перестройкой речной сети, вызываемой, например, тектоническими движениями земной коры.
Русло реки. Водные потоки протекают по земной поверхности в созданных ими продольных углублениях - руслах. Без русла не может быть реки. Понятие «река» включает и поток и русло. У большинства рек русло врезано в поверхность, по которой река протекает. Ho есть немало рек, русла которых возвышаются над пересекаемой ими равниной. Эти реки проложили свои русла в отложенных ими же наносах. Примером могут быть реки Хуанхэ, Миссисипи и По в нижнем течении. Такие русла легко перемещаются, нередко происходят прорывы их бокового вала, грозящие наводнениями.
Поперечное сечение русла, заполненного водой, называют водным сечением реки. Если все водное сечение представляет собой сечение движущегося потока, оно совпадает с так называемым живым сечением. Если же в водном сечении есть участки неподвижные (со скоростью движения, не улавливаемой приборами), их называют мертвым пространством. В этом случае живое сечение будет меньше водного на величину, равную площади мертвого пространства. Поперечное сечение русла характеризуется площадью, гидравлическим радиусом, шириной, средней и максимальной глубиной.
Площадь поперечного сечения (F) определяется в результате промеров глубины по всему поперечному сечению через определенные интервалы, принимаемые в зависимости от ширины реки. По В.A. Aпполову, площадь живого сечения связана с шириной (В) и наибольшей глубиной (H) уравнением: F=2/3BH.
Гидравлический радиус (R) - отношение площади поперечного сечения к смоченному периметру (P), т. е. к длине, линии соприкосновения потока с его ложем:
Гидравлический радиус характеризует форму русла в поперечном разрезе, так как зависит от соотношения его ширины и глубины. У мелких и широких рек смоченный периметр почти равен ширине, в этом случае гидравлический радиус почти равен средней глубине.
Средняя глубина (Hcp) поперечного сечения реки определяется делением его площади на ширину (В): Hcp = S/B. Ширину и максимальную глубину получают путем непосредственных их измерений.
Все элементы поперечного сечения изменяются вместе с изменением положения уровня реки. Уровень реки подвержен постоянным колебаниям, наблюдения над которыми систематически ведутся на специальных водомерных постах.
Продольный профиль речного русла характеризуется падением и уклоном. Падение (Δh) - разность высот двух точек (h1-h2). Отношение падения к длине участка (l) называется уклоном (i):
Падение выражается в метрах, уклон показывается десятичной дробью - в метрах на километр падения, или тысячными долями (промилле - ‰).
Реки равнин имеют небольшие уклоны, уклоны горных рек значительны.
Чем больше уклон, тем быстрее течение реки (табл. 23).
Продольный профиль дна русла и продольный профиль водной поверхности отличаются: первый представляет собой всегда волнистую линию, второй - плавную линию (рис. 88).
Скорость движения речного потока.
Для водного потока характерно турбулентное движение. Скорость его в каждой точке непрерывно изменяется и по величине и по направлению. Это обеспечивает постоянное перемешивание воды и способствует размывающей деятельности.
Скорость течения речного потока неодинакова в разных частях живого сечения. Многочисленные измерения показывают, что наибольшая скорость обычно наблюдается близ поверхности. По мере приближения к дну и к стенкам русла скорость течения плавно убывает, и в придонном слое воды, толщиной всего несколько десятков миллиметров она резко уменьшается, достигая у самого дна величины, близкой к 0.
Линии распределения равных скоростей по живому сечению реки - изотахи. Ветер, дующий по течению, увеличивает скороеть на поверхности; ветер, дующий против течения, замедляет ее. Замедляет скорость движения воды на поверхности и ледяной покров реки. Струя в потоке, имеющая наибольшую скорость, называется его динамической осью, струя наибольшей скорости на поверхности потока - стрежень. При некоторых условиях, например при ветре, попутном течению, динамическая ось потока оказывается на поверхности и совпадает со стрежнем.
Средняя скорость в живом сечении (Vср) вычисляется по формуле Шези: V=C √Ri, где R - гидравлический радиус, i - уклон водной поверхности на участке наблюдений, С - коэффициент, зависящий от шероховатости и формы русла (последняя определяется с помощью специальных таблиц).
В пределах Африки выделено 4 гидрологических района с различным внутригодовым распределением речного стока (рис. 6.1). При этом значительные территории в Северной, Восточной и Юго- Западной Африке остались вне этих районов, хотя на карте № 28 «Внутригодовое распределение стока» в Атласе МВБ в их пределах показано еще более 30 гистограмм, соответствующих створам на реках со специфическими особенностями водного режима. К ним, в первую очередь, относятся Белый Нил, сток которого зарегулирован озерами Виктория, Кьёга, Альберт, а также болотами области Сэдд, и Замбези, сток которой регулируется водохранилищами Кариба и Кабора-Басса. Кроме того, не использованы створы на часто пересыхающих реках полупустынных и пустынных районов, в которых имеющиеся гидрографы рек недостаточно репрезентативны из-за сильной изменчивости внутри- и межгодового распределения речного стока.
Рис. 6.1.
а - сеть учтенных 73 пунктов наблюдений (показаны точками) и границы районов; б- осредненные гидрографы в пределах районов {1-4). Месячные доли стока (% годовой его величины) показаны столбиками с января
по декабрь или феврале, реже в марте. Зимняя межень - с июня по сентябрь, что соответствует типу речного режима Rey. Естественная зарегулированность в среднем для рек этого района умеренная (ф = 0,33). Модуль стока наносов несколько выше, чем в районе 7, хотя столь же изменчив от одного водосбора к другому - от 50 до 500 т/(км 2 -год) и более на горных степных склонах, освоенных под земледелие и пастбища, на которых нередок перевыпас скота. В бассейне Оранжевой, где имеются наблюдения за стоком наносов за несколько десятков лет, средний многолетний модуль составляет 890 т/(км 2 год) на главной реке и до 1000 - 2000 т/(км 2 * год) на малых ее притоках . Резкое увеличение расхода наносов происходило в первые годы хозяйственного освоения территории колонистами. По мере развития регулирования стока водохранилищами произошло сокращение мутности РВМ.
3. Восточноафриканский район охватывает верховья бассейна Конго-Луалабы, водосборы озер Танганьика, Руква, Эяси и р. Ру- фиджи - главной реки Танзании. В нем максимальная водность рек наблюдается осенью (в марте -мае), а межень - с июня по декабрь (тип водного режима RAy, как и в районе 7, но расположенном в Северном полушарии). Зарегулированность здесь речного стока в среднем такая же, как в районе 2 (ф = 0,33). Вариация мутности рек столь же большая и пестрая, как и в районе 2, но в основном от 20 до 200 т/(км 2 - год), а на массивах пропашных зерновых культур (кукуруза, пшеница) на плато Центральной Танзании модуль эрозии достигает 1500т/(км 2 -год) .
В горах Атласа вследствие большой пространственной изменчивости условий формирования речного стока реки имеют различный тип его внутригодового распределения, присущий рекам рассмотренных выше трех гидрологических районов (см. рис. 6.1). Наиболее многоводны реки северного и северо-западного склонов, а водоносность рек, стекающих к Сахаре, в среднем в 100 раз меньше. Вниз по течению они постепенно превращаются во временные водотоки. Этому способствует не только испарение, но и распространенный здесь карст. На отдельных участках речки текут под землей, превращаясь в предгорьях в источники с дебитом до 1-1,5 м 3 /с.
4. Центральноафриканский район занимает плоскую аллювиальную поверхность котловины древнего оз. Бусир, существовавшего до позднего плейстоцена. Она заполнена отложениями р. Конго и ее притоков. К этому району отнесены также расположенные между ней и восточным побережьем Гвинейского залива водосборы впадающих в него рек. Реки района отличаются наиболее равномерным стоком в течение года с длительным, в среднем 8-месячным многоводным летне-осенним периодом без четко выраженного максимума стока и с пониженным стоком в июле -октябре (Ray). Из-за наличия озер и обширных болот под пологом густых экваториальных лесов в центре бассейна Конго интенсивность склоновой и русловой эрозии не превышает 10 т/(км 2 - год). Поэтому на периферийных склонах этого бассейна мутные РВМ в верхних звеньях речной сети в центральной его части осветляются по мере седиментации взвешенных веществ. Поскольку в питании этих рек главную роль играют дождевые воды местного происхождения, минерализация РВМ очень мала. Так, судя по значениям удельной электропроводности воды (3-4 мкСм/см) в некоторых речках области Шаба (бывшая Катанга) на юго-восточной окраине бассейна Конго в горах Митумба, минерализация воды вдвое меньше, чем в атмосферных осадках чисто океанического происхождения. Это - свидетельство интенсивного внутрирегионального (в котловине Конго) влагооборота, не только обусловливающего промывку и обессоливание почв и грунтов в зоне их аэрации, но и дистилляцию участвующей в этом круговороте атмосферной и речной воды.
Вследствие очень короткого зимне-весеннего периода пониженной водности в Центральноафриканском гидрологическом районе коэффициент ср = 0,28 указывает на якобы малую естественную за- регулированность речного стока, меньшую, например, чем в Восточноафриканском районе. В то же время максимальный месячный сток в апреле в районе 4 всего втрое превышает минимальный в сентябре, тогда как в районе 3 различие экстремальных месячных величин стока в те же месяцы 8-кратное, т.е. внутригодовое распределение стока там гораздо неравномернее. Таким образом, коэффициент естественной зарегулированности стока (применяемый для характеристики стока российских рек, где межень продолжительнее половодья) недостаточно информативен для суждения о внутригодовой изменчивости стока экваториальных рек.
Сток - это движение воды по поверхности, а также в толще почв и горных пород в процессе ее круговорота в природе. При расчетах под стоком понимается количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо период времени. Это количество воды может быть выражено в виде расхода Q, объема W, модуля M или слоя стока h.
Объем стока W - количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо период времени (сутки, месяц, год и т.п.), - определяется по формуле
W=QT [м 3 ], (19)
где Q - средний расход воды за расчетный период времени, м 3 /с, T - число секунд в расчетном периоде времени.
Так как средний расход воды был вычислен ранее как норма годового стока, объем стока р. Кегеты за год W = 2.39 365,25 24 3600 = 31764096м 3 .
Модуль стока М - количество воды, стекающей с единицы площади водосбора в единицу времени, - определяется по формуле
М=103Q/F [л/(скм2)], (20)
где F - площадь водосбора, км 2 .
Модуль стока р. Кегеты М=10 3 2.39/178 = 13.42 л/(скм 2).
Слой стока h мм - количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо период времени, равное толщине слоя, равномерно распределенного по площади этого водосбора, - определяется по формуле
h=W/(F 10 3)=QT/(F 10 3). (21)
Слой стока для бассейна р. Кегеты h = 31764096/ (178 10 3) = 178.44 мм.
К безразмерным характеристикам относятся модульный коэффициент и коэффициент стока.
Модульный коэффициент К представляет собой отношение стока за какой либо конкретный год к норме стока:
К = Q i /Q 0 = W i /W 0 = h i /h 0 , (22)
и для р. Кегеты за рассматриваемый период К меняется от К =1.58 / 2.39= 0.66 для года с минимальным расходом до К = 3.26 / 2.39 = 1.36 для максимального расхода.
Коэффициент стока - отношение объема или слоя стока к количеству выпавших на площадь водосбора осадков х, обусловивших возникновение стока:
Коэффициент стока показывает, какая часть осадков идет на образование стока.
В курсовой работе необходимо определить характеристики годового стока для принятого к рассмотрению бассейна, приняв норму стока из раздела
Внутригодовое распределение стока рек занимает важное место в вопросе изучения и расчетов стока как в практическом, так и в научном отношении, являясь в тоже время наиболее сложной задачей гидрологических исследований /2,4,13/.
Основные факторы, определяющие внутригодовое распределение стока и его общую величину, - климатические. Они определяют общий характер (фон) распределения стока в году того или иного географического района; территориальные изменения распределения стока следуют за изменением климата.
К факторам, влияющим на распределение стока в течении года относятся озерность, лесистость, заболоченность, размеры водосборов, характер почв и грунтов, глубина залегания грунтовых вод, и т.д., которые в определенной мере должны учитываться в расчетах как при отсутствии, так и при наличии материалов наблюдений.
В зависимости от наличия данных гидрометрических наблюдений применяются следующие методы расчета внутригодового распределения стока:
при наличии наблюдений за период не менее 10 лет: а) распределение по аналогии с распределением реального года; б) метод компоновки сезонов;
при отсутствии или недостаточности (менее 10 лет) данных наблюдений: а) по аналогии с распределением стока изученной реки-аналога; б) по районным схемам и региональным зависимостям параметров внутригодового распределения стока от физико-географических факторов.
Внутригодовое распределение стока обычно рассчитывается не по календарным годам, а по водохозяйственным, начиная с многоводного сезона. Границы сезонов назначаются едиными для всех лет с округлением до месяца.
Расчетная вероятность превышения стока за год, лимитирующие период и сезон назначается в соответствии с задачами водохозяйственного использования стока реки.
В курсовой работе необходимо выполнить расчеты при наличии гидрометрических наблюдений.
Расчеты внутригодового распределения стока методом компоновки
Исходными данными для расчета являются среднемесячные расходы воды и в зависимости от цели использования расчета - заданный процент обеспеченности Р и деление на периоды и сезоны.
Расчет делится на две части:
межсезонное распределение, имеющее наиболее важное значение;
внутрисезонное распределение (по месяцам и декадам, устанавливаемое с некоторой схематизацией.)
Межсезонное распределение. В зависимости от типа внутригодового распределения стока год делится на два периода: многоводный и маловодный (межень). В зависимости от цели использования один из них назначается лимитирующим.
Лимитирующий-это наиболее напряженный с точки зрения водохозяйственного использования период (сезон). Для целей осушения лимитирующим периодом является многоводный; для целей орошения, энергетики-маловодный.
В период включается один или два сезона. На реках с весенним половодьем для целей орошения выделяются: многоводный период (он же сезон) - весна и маловодный (лимитирующий) период, включающий в себя сезоны; лето-осень и зима, причем лимитирующим сезоном при орошении является лето-осень (при энергетическом использовании-зима).
Расчет выполняется по гидрологическим годам, т.е. по годам, начинающимся с многоводного сезона. Сроки сезонов назначаются едиными для всех лет наблюдений с округлением их до целого месяца. Продолжительность многоводного сезона назначается так, чтобы в границах сезона помещалось половодье как в годы с наиболее ранним сроком наступления, так и с наиболее поздним сроком окончания.
В задании продолжительность сезонов можно принять следующей: весна - апрель, май, июнь; лето-осень - июль, август, сентябрь, октябрь, ноябрь; зима - декабрь и январь, февраль, март следующего года.
Величина стока за отдельные сезоны и периоды определяется суммой среднемесячных расходов (табл. 10). В последнем году к расходу за декабрь прибавляются расходы за три месяца (I, II, III) первого года.
При расчете по методу компоновки внутригодовое распределение стока принимается из условия равенства вероятности превышения стока за год, стока за лимитирующий период и внутри его за лимитирующий сезон. Поэтому необходимо определить расходы заданной проектом обеспеченности (в задании Р=80%) для года, лимитирующих периода и сезона. Следовательно, требуется рассчитать параметры кривых обеспеченности (О 0 , С v и С s) для лимитирующих периода и сезона (для годового стока параметры вычислены выше). Вычисления производятся методом моментов в табл. 10 по схеме, изложенной выше для годового стока.
Определять расчетные расходы можно по формулам:
годового стока
Орасгод = Kр"12Q 0 , (26)
лимитирующего периода
Орасмеж= KрQ0меж, (27)
лимитирующего сезона
Орасло= Kр"Qло (27)
где Kр", Kр, Kр" - ординаты кривых трехпараметрического гамма-распределения, снятые с таблицы соответственно для С v - годового стока. С v меженного стока и С v для лета-осени.
Примечание. Так как расчеты выполняются по среднемесячным расходам, расчетный расход за год требуется умножить на 12.
Одним из основных условий метода компоновки является равенство
Орасгод= Орассез. Однако это равенство нарушится, если расчетный сток за не лимитирующие сезоны определять также по кривым обеспеченности (ввиду различия параметров кривых). Поэтому расчетный сток за не лимитирующий период (в задании - за весну) определяют по разности
Орасвес = Орасгод - Орасмеж, (28)
а за не лимитирующий сезон (в задании-зима)
Орасзим = Орасмеж. - Qло (29)
Расчет удобнее выполнить в форме табл. 10.
Внутрисезонное распределение - принимается осредненным по каждой из трех групп водности (многоводная группа, включающая годы с обеспеченностью стока за сезон Р<33%, средняя по водности 33<Р<66%, маловодная Р>66%).
Для выделения лет, входящих в отдельные группы водности, необходимо суммарные расходы за сезоны расположить по убыванию и подсчитать их фактическую обеспеченность. Так как расчетная обеспеченность (Р=80%) соответствует маловодной группе, дальнейший расчет можно производить для лет, входящих в маловодную группу (табл. 11).
Для этого в. графу «Суммарный сток» выписать расходы по сезонам, соответственные обеспеченности Р>66%, а графу «Годы» - записать годы, соответственные этим расходам.
Среднемесячные расходы внутри сезона расположить в убывающем порядке с указанием календарных месяцев, к которым они относятся (табл. 11). Таким образом, первым окажется расход за наиболее многоводный месяц, последним-за маловодный месяц.
Для всех лет произвести суммирование расходов отдельно за сезон и за каждый месяц. Принимая сумму расходов за сезон за 100%, определить процент каждого месяца А%, входящего в сезон, а в графу «Месяц» записать наименование того месяца, который повторяется наиболее часто. Если повторений нет, выписать любой из встречающихся, но так, чтобы каждый месяц, входящий в сезон, имел свой процент от сезона.
Затем, умножая расчетный расход за сезон, определенный в части межсезонного распределения стока (табл. 10), на процентную долю каждого месяца А% (табл. 11), вычислить расчетный расход каждого месяца.
Орас v = Орасвес А % v / 100% (30)
Полученные данные заносятся в табл. 12 «Расчетные расходы по месяцам» и на миллиметровке строится расчетный гидрограф Р-80% изучаемой реки (рис. 11).
Таблица 12. Расчетные расходы (м3/с) по месяцам