Реки с весенним половодьем

123456

Гидрология

Предмет общей гидрологии как науки – природные воды Земли и наиболее общие закономерности происходящих в них процессов и явлений. Роль воды в природе определяется широким кругом факторов:

— формирование облика ландшафтов;

— формирование климата;

— носитель механической энергии;

— носитель тепловой энергии;

— транспортная роль;

— обмен веществ между компонентами ландшафта;

— обмен энергией;

— сильнейший растворитель.

Все изучаемые гидрологией водные объекты (табл. 2.1) разделяются на:

— водотоки — водные объекты на поверхности земли с поступательным движением воды в руслах в направлении уклонов (реки, ручьи, каналы);

— водоемы — водные объекты в понижениях земной поверхности с замедленным движением воды (океаны, моря, озера, водохранилища, болота);

— особые водные объекты — ледники, и подземные воды.

Таблица 2.1 — Запасы воды в четырех геосферах Земли

Геосфера и формы содержания воды	Количество, км3
Гидросфера
соленые воды
океан
озера
пресные воды
ледники и постоянно залегающий снежный покров
озера
водохранилища
реки
болота
Земная кора
общее количество воды:	905000000 (млрд.т)
химически связанной	415000000 (млрд.т)
гигроскопической поровой и пластовой	480000000 (млрд.т)
запасы воды в двухкилометровой зоне (гравитационной и капиллярной)
преимущественно пресные воды в зоне 0-600 м от земной поверхности
почвенная влага
подземные льды криолитозоны
Атмосферная вода
Биологическая вода

Часть земной поверхности, откуда вода поступает к данному объекту называетсяводосбором,а границы между водосборами –водоразделами. Выделяют поверхностные водоразделы (возвышенности, хребты) и подземные. Совокупность водосборов и водоразделов в пределах территории называются гидрографической сетью. Все природные воды Земли образуют ее гидросферу.

Гидросфера -это прерывистая водная оболочка земного шара, расположенная на поверхности земной коры и в ее толще, представляющая собой совокупность океанов, морей и водных объектов суши включая снежный покров и ледники.

Основная часть пресных вод суши (29×106 км3) сконцентрирована в ледниковых покровах Антарктиды и Гренландии (табл. 2.2). В среднем на каждого человека приходится куб воды (во всех ее проявлениях) со стороной 45 м.

Таблица 2.2 – Распределение запасов пресной воды у поверхности Земли*)

Местоположение	Запасы воды
%	n×106 км3
Полярные льды и горные ледники
Грунтовые воды на глубинах: до 750 м		4,2
750-4000 м	11,6	5,3
Озера	0,3	0,12
Реки	0,03	0,12
Почвы	0,06	0,24
Атмосфера	0,035	0,13
Всего

*) без учета в горных породах

Свойства природных вод

Вода на поверхности Земли появилась около 4,4 млрд лет назад. Основными источниками воды являлись кометы, метеориты на 20% состоящие из воды и дегазация мантии. Через 500 млн лет практически вся Земля была покрыта водой, зеленоватого, из-за обилия растворенного железа, цвета. После появления около 3,5 млрд лет назад первых фотосинтезирующих организмов – строматолитов ее химический состав стал меняться. Железо и другие химические элементы окислялись кислородом, выделяемом строматолитами, и выводились из раствора в осадки, формируя древнейшие залежи железа — джеспиллиты. Этот фактор существенно задержал трансформацию химического состава атмосферы, поэтому ее насыщение кислородом началось на 1 млрд лет позже.

Значение воды в эволюции Земли, развитии живых организмов и абиотической составляющей, определяется несколькими специфическими свойствами. Во-первых, температура замерзания и кипения воды значительно выше, нежели у других аналогичных химических соединений. Это обусловливает существование воды во всех агрегатных состояниях и ее всепроникающую способность в условиях Земли. Во-вторых, вода обладает аномально высокой теплоемкостью в сравнении с другими жидкостями и твердыми веществами, что усиливает ее роль в переносе тепла. В третьих, в диапазоне температур от 0 до +4оС плотность воды с повышением температуры увеличивается, а не уменьшается. В четвертых, плотность воды в твердом состоянии меньше, чем в жидком, так как при замерзании она увеличивается в объеме на 10%. Эти особенности воды имеют огромное гидрологическое значение. Благодаря им, даже при температурах близких к точке замерзания в водоемах не прекращаются конвективные процессы и они не промерзают до дна, а лед плавает на поверхности. В пресных и солоноватых водах зимой температура на дне выше, чем на поверхности, так как с повышением солености температура замерзания уменьшается.

К числу главных ионов солей, находящихся в природных водах, относят положительно заряженные (катионы) Ca2+, Mg+, Na+, K+ и отрицательно заряженные (анионы) HCo3-, SO42-, Cl-. По анионам воды делят на три класса — гидрокарбонатный, сульфатный, хлоридный. По катионам — на три группы: кальциевые, магниевые, натриевые. Содержание солей в воде измеряется в г/л и мг/л (минерализация) или в г/кг воды – промилле, ‰ (соленость). При невысоком содержании солей эти цифры практически не отличаются. В гидрологии природные воды по общей минерализации разделяют на 4-е группы:

1. пресные <1 г/л;

2. солоноватые 1-25 г/л;

3. соленые 25-50 г/л (морские соли);

4. высокосоленые >50 г/л (рассолы);

При величине солености 24,7‰ температура наибольшей плотности и температура замерзания совпадают.

Все водные объекты Земли являются предметом изучения специальных наук. Например, подземные воды изучает гидрогеология, ледники – гляциология, озера – лимнология, океаны и моря – океанология и так далее. Основой общей гидрологии или гидрологии суши является гидрология рек.

Гидрология рек

Река — это водоток значительных размеров, питающийся атмосферными осадками со своего водосбора, и имеющий четко сформированное самим потоком русло. К рекам относятся постоянные и относительно крупные водотоки с площадью бассейна не менее 50 км2. Водотоки меньшего размера называют ручьями. Исходя из данного определения к рекам не могут быть отнесены даже крупные, но временные водотоки (например, сухие долины в пустынях — вади); водотоки, не имеющие водосбора (например, сформированные приливными или сгонно-нагонными течениями водотоки в приморских районах или на островах); водотоки с искусственным руслом, т.е. каналы.

По размеру реки подразделяют на: большие — площадь бассейна составляет около 50 тыс.км2; средние — от 2 до 50 тыс.км2; малые — менее 2 тыс.км2 . Большая река имеет бассейн расположенный в разных климатических зонах, ее гидрологический режим более азонален. Средняя река обычно имеет бассейн в пределах одной географической зоны. Малая река имеет бассейн расположенный в пределах одной географической зоны, но ее гидрологический режим может существенно отличаться от режима свойственного большинству рек данной географической зоны и стать, таким образом азональной.

Режим и баланс воды в реке зависит от физико-географических и геологических характеристик бассейна реки:

— географического положения бассейна на континенте, которое может быть выражено через удаленность (в км) от океана, широту и долготу центра и крайних точек бассейна;

— географической зоны (подзоны) или высотного пояса;

— геологического строения, тектоники, физических и водных свойств подстилающих грунтов, гидрогеологических условий;

— рельефа, который может быть охарактеризован количественно через среднюю высоту и средний уклон бассейна;

— климата, т.е. характера циркуляции атмосферы, режима температуры и влажности воздуха, количества и режима атмосферных осадков, испарения;

— почвенно-растительный покрова, который можно охарактеризовать данными о доли площади (в %), занятой лесами и почвами того или иного типа;

— характера речной сети;

— наличие и особенности других водных объектов, озер, болот, ледников;

— степень преобразования речного бассейна хозяйственной деятельностью. При этом различают искусственное преобразование поверхности бассейна и искусственное преобразование гидрографической сети бассейна и режима самих рек.

Речной сток формируется за счет вод атмосферного происхождения, однако, пути поступления вод в реки могут быть различными. Поэтому выделяют четыре основных вида питания рек.

Дождевое питание является главным для рек теплого климата и в глобальном масштабе является важнейшим.

Снеговое питаниеявляется вторым по важности, его роль весьма велика для рек умеренного климата.

Подземное занимает третье место по объему вод, поступающих в реки, и составляет почти 1/3 речного стока. Именно этот вид питания обусловливает постоянство и большую продолжительность стока реки в течение года, что и создает в конечном итоге реку.

Ледниковое питание занимает последнее место (около 1% стока всех рек), хотя в отдельных реках может составлять до 70%.

У каждой реки доля отдельных видов питания может быть различной. Определение вклада различных видов питания в речной сток — задача исключительно сложная. Наиболее простой, но приближенный способ выделения различных видов питания реки — это графическое расчленение гидрографа. В России наиболее распространена классификация рек по источникам, или видам питания, М. И. Львовича.

Если один из видов питания дает более 80% годового стока реки, следует говорить об исключительном значении данного вида питания реки (другие виды питания реки не учитываются).

Если на долю данного вида питания реки 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 более 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%.

Под водным режимом рек понимают закономерные изменения стока, скорости течения, уровней воды и уклонов водной поверхности, прежде всего во времени, но также и вдоль реки. В водном режиме выделяют прежде всего вековые, многолетние, внутригодовые (сезонные) и кратковременные колебания.

Вековые колебания водности рек отражают вековые изменения климатических условий и увлажнения материков с периодом в сотни и тысячи лет. В течение года реки, находящиеся в разных географических поясах, испытывают различные чередования многоводных и маловодных периодов.

Многолетние колебания водности рек также имеют, в основном, метеорологическую природу. Периодичность таких колебаний — десятки лет.

Внутригодовые (сезонные) колебания водности рек обусловлены сезонными изменениями составляющих водного баланса речного бассейна. В течение года реки, находящиеся в разных географических поясах, испытывают различные чередования многоводных и маловодных периодов.

Кратковременные колебания водности рек могут быть, прежде всего, естественными и обусловленными как метеорологическими факторами, так и геологическими процессами. Кратковременные колебания могут быть обусловлены и антропогенным фактором.

График изменения расхода воды (м3/с) в данном створе реки в течение года называется гидрографом реки. Типовой гидрографотражает наиболее общие черты внутригодового стока реки на основе гидрографов за ряд лет. Графическое построение и расчленение гидрографа позволяет определить характеристики годового стока и его распределение по месяцам. Во внутригодовом (сезонном) режиме рек выделяют ряд периодов (фаз) в зависимости от изменения условий питания и особенностей водного режима (рис. 5.1.). Для большинства рек мира различают следующие фазы водного режима: половодье, паводки, межень.

Половодье — это фаза водного режима реки, ежегодно повторяющаяся в данных климатических условиях в один и тот же сезон и характеризующаяся наибольшей водностью, высоким и продолжительным подъемом уровня воды. Оно часто сопровождается выходом воды на пойму и формируется как талыми снеговыми, так и дождевыми водами. Различают весеннее половодье и половодье в теплую часть года (весенне-летнее или летнее).

Паводок — это фаза водного режима, которая может многократно повторяться в различные сезоны года и характеризуется интенсивным, обычно кратковременным увеличением расходов и уровней воды и вызывается дождями и снеготаянием во время оттепелей. Различают однопиковые и многопиковые паводки, одиночные паводки и паводочные периоды, когда на реке проходят серии паводков.

Рис. 2.1. Расчленение гидрографа реки по видам питания и фазам водного режима

Межень- это фаза водного режима, ежегодно повторяющаяся в один и тот же сезон, характеризующаяся малой водностью, длительным стоянием низкого уровня, и возникающая вследствие уменьшения питания реки. В межень реки обычно питаются только за счет подземных вод. На многих реках России выделяют два периода пониженного стока — летнюю и зимнюю межень.

Фазы водного режима лежат в основе классификации рек по водному режиму Б.Д. Зайкова. Эта классификация довольна проста и широко распространена. В ней все реки России разделены на три большие группы: с весенним половодьем, половодьем в теплую часть года и паводочным режимом.

Реки с весенним половодьем

КАЗАХСТАНСКИЙ ТИП. У рек этого типа наблюдается исключительно резкая и высокая волна половодья весной, а в остальную часть года сток бывает очень мал, вплоть до полного пересыхания рек.

ВОСТОЧНОЕВРОПЕЙСКИЙ ТИП. Эти реки характеризуются высоким весенним половодьем, низкой летней и зимней меженью, несколько повышенным стоком осенью.

ЗАПАДНОСИБИРСКИЙ ТИП. Реки этого типа имеют невысокое растянутое весеннее половодье и повышенный летне-осенний сток.

ВОСТОЧНОСИБИРСКИЙ ТИП. У рек этого типа наблюдается высокое половодье, летне-осенние паводки и низкая зимняя межень.

АЛТАЙСКИЙ ТИП. Эти реки имеют невысокое растянутое весеннее половодье, повышенный летний сток и низкую зимнюю межень.

Режим рек. Реки с весенним половодьем. Анализ гидрографа

От соотношения различных источников питания зависит внутригодовое распределение стока, т.е. режим рек. Все реки нашей страны по режиму делятся на три типа: 1) реки с весенним половодьем; 2) реки с половодьем в теплую часть года; 3) реки с паводочным режимом. Рек с паводочным режимом чрезвычайно мало в России; к ним относятся реки Черноморского побережья Кавказа.

К типу рек с весенним половодьем относится большая часть рек России: реки Восточно-Европейской и Западно-Сибирской равнин, Среднесибирского плоскогорья и значительной территории Северо-Востока. Половодье на всех этих реках связано с таянием снегового покрова, поэтому приходится на весну — начало лета. Чем южнее, тем раньше и тем дружнее тает снег, тем раньше начинается половодье; в северных регионах, наоборот, половодье смещается на более поздние сроки и более растянуто во времени.

Для всех рек этого типа характерны контрастные сезонные колебания их стока, связанные с источниками питания. На крайнем севере Восточно-Европейской равнины, на большей части Сибири и на Северо-Востоке многоводные летние или весенние разливы рек сочетаются с крайне маловодной зимней меженью, когда реки скованы льдом и питаются исключительно грунтовыми водами, вплоть до полного прекращения стока (пересыхания) в районах многолетней мерзлоты. В южный районах распространения этого типа реки летом мелеют или даже пересыхают, несмотря на то, что на лето приходится максимум осадков. Это обусловлено значительным увеличением испарения при высоких летних температурах. Осенью при понижении температур и сокращении испарения уровень воды в реках увеличивается. На долю снегового питания в данном типе приходится 50-80% полного годового стока, а в южном Заволжье и в Прикаспийской низменности — свыше 80%. Лишь в северо-западных районах Восточно-Европейской равнины, на крайнем юге Средней Сибири, в Саянах и Туве за счет снегового питания формируется менее 50% речного стока, но объем его значительно больше, чем дождевого и подземного, т.е. снеговое питание преобладает.

Анализ гидрографа дает возможность установить режим питания реки и распределение стока в течение года, а также определить величину подземного стока.

По характеру весеннего половодья и другим особенностям режима реки этой группы разделяются на несколько типов, а именно: казахстанский, восточноевропейский, западносибирский, восточносибирский и алтайский.

Реки с казахстанским типом режима отличаются исключительно резко выраженной высокой волной весеннего половодья; в остальное время года они крайне маловодны, причем многие из них вообще пересыхают. Распространены они в засушливых полупустынных и степных районах Казахстана, Южном Заволжье, на северной окраине Арало-Каспийской низменности, т. е. в местах, где снег является основным и почти единственным источником питания рек. В качестве, примера можно привести p. Hypy, Сары-Су и др. Почти аналогичный характер режима имеют реки Барабинской, Кулундинской и Ишимской степей Западной Сибири и верховьев р. Тобола. Восточноевропейский тип режима рек, характеризуется высоким весенним половодьем, низкой летней и зимней меженью и повышенным осенним стоком за счет дождей. Наиболее ярким примером данного типа режима является Волга. На реках, расположенных в более южных районах Восточно-Европейской равнины, осенний паводок выражен слабо (Дон и другие реки).

Западносибирский тип режима рек отличается невысоким и растянутым весенним половодьем, повышенным летне-осенним стоком и низкой зимней меженью. Сглаженное половодье обусловливается не только равнинным характером рельефа, но и сильной заболоченностью Западно-Сибирской низменности. Особенно хорошо этот тип режима выражен у рек лесной зоны: Западной Сибири (pp. Васюган, Кеть, Омь и др.).

Для рек восточносибирского типа режима характерно высокое весеннее половодье, летне-осенние паводки и исключительно-низкий сток в зимний период вплоть до полного перемерзания к прекращения руслового стока даже на значительных реках. Это объясняется скудностью грунтового питания рек в условиях вечной мерзлоты. Примером данного типа режима могут служить pp. Алдан, Нижняя Тунгуска, Колыма и др.

Алтайский тип режима рек отличается невысоким и растянутым половодьем, имеющим на графике гребенчатый вид, повышенным летне-осенним стоком и низким стоком в зимнее-время. Растянутый характер половодья в основном определяется режимом таяния снега в горах и условиями стока дождевых осадков. Таяние снега в горных условиях, даже в границах небольших бассейнов, происходит не одновременно по всей площади, а по отдельным высотным зонам и склонам, в силу чего талые воды поступают в реки одновременно со сравнительно небольших площадей, а это делает половодье затяжным и обусловливает относительно невысокие амплитуды колебания уровня воды. В случаях, когда происходит интенсивное таяние снега, наблюдаются отдельные, более или менее высокие волны преимущественно в лобовой части основной волны половодья. Осадки, выпадающие в виде дождей, также вызывают увеличение стока в реках, однако подъемы воды от них обычно характерны для тыловой части основной волны половодья. Кроме Алтая, реки с таким типом режима распространены на Кавказе, в Средней Азии и Сахалине.