Способы увеличения скорости течения реки. Течение и расход воды в реках
Средняя скорость по глубине представляет собой отношение площади годографа к максимальной глубине реки. Площадь годографа можно вычислить либо по палетке, либо так как вычисляется площадь живого сечения реки (см. задание 2).
Задание 2
Определите площадь живого сечения реки используя данные таблицы 8:
Таблица 8
Глубина реки по поперечному сечению
|
I вариант |
II вариант |
||
|
Глубина реки, м |
Расстояние от постоянного начала створа, м |
Глубина реки, м |
|
Площадь живого сечения реки вычисляется как сумма ряда элементарных геометрических фигур (рис.9).
Фигуры А 1 А 2 В 1 и А 5 В 4 А 6 представляют собой треугольники, площадь каждого из них равна половине произведения основания на высоту. Остальные фигуры - трапеции. Площадь каждой трапеции равна произведению полусуммы оснований на высоту.
Рис. 9. Поперечное сечение реки
Точки А 1 , А 2 , А 3 и т.д., в которых проводились измерения глубины, называются промерными точками. Начальная точка, от которой производят измерения А 1, называется постоянным началом створа.
Задание 3
Вычислите расходы воды в реке, если известно, что площадь живого сечения составляет 42,2 м 2 , максимальная скорость воды в реке 0,5 м/с, средняя глубина реки 4, 5 м.
Вычисление средней скорости реки по максимальной поверхностной производится по формуле:
,
где, V ср - средняя скорость; V мах - максимальная скорость, К – коэффициент перехода максимальной скорости к средней. Коэффициент К представлен в табл. 9.
Таблица 9
Значения коэффициента перехода от максимальной скорости к средней
Задание 4
Определить по формуле Шези
(
,
гдеС
скоростной коэффициент, R
– гидравлический радиус, i
– средний уклон реки), среднюю скорость
реки, если известно, что на данном отрезке
дно русла сложено песчаным материалом,
встречаются острова и отмели. Средний
уклон реки – 0,000056, гидравлически радиус
– 1,8 м.
Скоростной коэффициент С
в формуле Шези определяется по формуле
Базена
.
Коэффициент шероховатости y определяется по таблице 10.
1. Из предложенного списка выделите холодное течение:
А) Гольфстрим
В) Куросио
С) Перуанское
D) Гвинейское
2. Назовите «лишние» горы по их местонахождению:
А) Гималаи
В) Анды
С) Тибет
D) Альпы
3. Какой климатический пояс Евразии занимает наибольшую территорию?
А) субарктический
В) субтропический
С) субэкваториальный
D) умеренный
4. Какие из перечисленных гор являются самыми низкими?
А) Гималаи
В) Кордильеры
С) Уральские
D) Анды
5. Материк, который не принадлежит ни одному государству:
А) Антарктида
В) Африка
С) Евразия
D) Австралия
6. К бассейну Северного-Ледовитого океана не относится море:
А) Чукотское
В) Баренцево
С) Балтийское
D) Лаптевых
7. Самый солёный океан:
А) Тихий
В) Северный Ледовитый
С) Атлантический
D) Индийский
8. На метеорологических станциях атмосферное давление определяют с помощью:
А) термометра
В) барометра
С) флюгера
D) осадкомера
9. Какие ветры имеют сезонный характер?
А) пассаты
В) западные ветры
С) муссоны
D) бризы
10. Для какого типа воздушных масс характерна низкая влажность и высокая летняя температура?
А) тропического
В) умеренного
С) арктического
D) экваториального
11. Львы, бегемоты, жирафы, антилопы обитают в какой природной зоне?
А) экваториальные леса
В) пустыни
С) жестколистные леса
D) саванны
12. Окраинным является море:
А) Чёрное
В) Белое
С) Баренцево
D) Балтийское
13. От чего зависит сила ветра?
А) от скорости вращения Земли
В) от близости океанов
С) от разницы атмосферного давления
D) от времени года
14. Избыточно увлажнённый участок суши с влаголюбивой растительностью – это…
А) водохранилище
В) болото
С) река
D) озеро
15. Высота над уровнем моря называется?
А) относительная
В) горизонтальная
С) вертикальная
D) абсолютная
решить экологические проблемы океанов и морей подтвердите конкретнымы примерами 4.используя физическую карту,дайте описание (по выбору) одного из морей по следуюшеиу плану; а) к басеину какого окена относится море;б)внутренее или внешнее море;в) в каком направлении тянется;г) на каком растояние от вашей мместности оно расположено;замерзает ли водда?? ж)какие реки в него впадают. 5.каково значение озер в хозяйстве 6.как человек использует подземные воды 7.почему охрана подземных вод-одна из главных проблем современности. 8.чем отличаются покровные ледники от горных. 9.напишите географическое сочинение по теме"мой проект по охране океана(моря,озера,реки)" заранее спс огромное вам за то что помогли даю много пк спс
Где проходят границы между плитами литосферы?а) по оврагам; б) по равнинам и рекам; в) по срединно-океаническим хребтам и глубоководным желобам;г) побереговой линии материков.Как называются древние устойчивые участки литосферных плит?а) складчатые области; б) платформы; в) равнины; г) ложе океана.Как называется многолетний режим погоды, повторяющийся в данной местности из года в год?а) климат; б) погода; в) изотерма; г) парниковый эффект.Чем ближе к экватору, тем:а) больше угол падения солнечных лучей и меньше нагревается земная поверхностьб) меньше угол падения солнечных лучей и выше температура воздуха в тропосферев) больше угол падения солнечных лучей и сильнее нагревается земная поверхность, а значит, выше температура воздуха в приземном слое атмосферыг) меньше угол падения солнечных лучей и меньше нагревается земная поверхность.Какие ветры преобладают в тропических широтах?а) пассаты; б) западные; в) северные; г) муссоны.Где на Земле находятся области низкого давления?а) близ экватора и в умеренных широтах; б) в умеренных и тропических широтахв) у полюсов; г) только над материками. В каких широтах наблюдается восходящее движение воздуха?а) в тропических; б) в экваториальных; в) в антарктических; г) в арктических.В каком климатическом поясе в течение года господствуют 2 воздушные массы: умеренная и тропическая?а) в умеренном; б) в тропическом; в) в субтропическом; г) в субэкваториальном.Для какого клим. пояса характерны господство западных ветров, ярко выраженные времена года?а) для тропического; б) для экваториального; в) для умеренного; г) для арктического.От чего зависит соленость океанических вод? а) от количества атмосферных осадков; б) от испарения; в) от притока речных вод; г) от всех перечисленных причин.Температура поверхностных океанических вод:а) одинакова везде; б) неодинакова и зависит от широты;в) изменяется только с глубиной; г) изменяется с глубиной и с широтой.Чем обусловлено чередование природных зон на суше?а) количеством влаги; б) количеством тепла; в) растительностью; г) соотношением тепла и влаги. Часть Б.Какие три слоя составляют материковую земную кору?В чем значение атмосферы для живых организмов? (не менее 3х факторов)Укажите, благодаря чему все компоненты географической оболочки связаны в единое целое?Дайте определение понятию раса, и укажите основные человеческие расы.Часть С.Какая сила движет плиты литосферы?Почему воздушные массы перемещаются в течение года то к северу, то к югу?Что такое высотная поясность? И ее основная закономерность.
Уклон русла. Наиболее характерным признаком всякой реки является то непрерывное движение воды от истока к устью, которое называют течением. Причина течения заключается в наклоне русла, по которому, повинуясь силе тяжести, вода движется с большей или меньшей скоростью. Что же касается скорости, то она находится в прямой зависимости от уклона русла. Уклон же русла определяется отношением разности высот двух пунктов к длине участка, расположенного между этими пунктами. Так, например, если от истока Волги до Калинина 448 км, а разность высот между истоком Волги и Калин и ном равна 74,6 м, то средний уклон Волги на данном участке равен 74,6 м, деленным на 448 км, т. е. 0,00017. Это значит, что на каждый километр длины Волги на данном участке падение - 17 см.
Продольный профиль реки. Отложим по горизонтальной линии последовательно длину различных участков реки, а по вертикальным линиям- высоты этих участков. Соединив концы вертикалей линией, мы получим чертеж продольного профиля реки (рис. 112). Если не обращать особенного внимания на детали, то продольный профиль большинства рек упрощенно можно представить в виде ниспадающей, слегка вогнутой кривой, наклон которой прогрессивно уменьшается от истоков к устью.
Уклон продольного профиля реки для различных участков реки неодинаков. Так, например, для верхнего участка Волги, как мы уже видели, он равен 0,00017, для участка же, расположенного между Горьким и устьем Камы 0,00005, а для участка от Сталинграда до Астрахани - 0,00002.
Примерно то же у Днепра, где в верхнем участке (от Смоленска до Орши) уклон равен 0,00011, а в нижнем участке (от Каховки до Херсона) 0,00001. На участке же, где расположены пороги (от Лоцманской Каменки до Никополя), средний уклон продольного профиля реки 0,00042, т. е. почти в четыре раза больше, чем между Смоленском и Оршей.
Приведенные примеры показывают, что продольный профиль различных рек далеко не одинаков. Последнее понятно: на продольном профиле реки отражается рельеф, геологическое строение и многие другие, географические особенности местности.
Для примера рассмотрим «ступени» на продольном профиле р. Енисея. Здесь участки крупных уклонов мы видим в районе пересечения Западного Саяна, потом Восточного Саяна и, наконец, у северной оконечности Енисейского кряжа (рис. 112). Ступенчатый характер продольного профиля р. Енисея свидетельствует о том, что поднятия в районах указанных гор произошли (геологически) сравнительно недавно, и река еще не успела выровнять продольную кривую своего русла. То же самое приходится сказать о Буреинских горах, прорезаемых р. Амуром.
До сих пор мы говорили о продольном профиле всей реки. Но при изучении рек иногда бывает необходимо определить уклон реки на данном небольшом участке. Этот уклон определяется непосредственно путем нивелировки.
Поперечный профиль реки. В поперечном профиле реки мы различаем две части: поперечный профиль речной долины и поперечный профиль самой реки. Представление о поперечном профиле долины реки мы уже имеем. Он получается в результате обычной съемки рельефа местности. Для получения же представления о профиле самой реки или, точнее, речного русла необходимо произвести промеры глубин реки.
Промеры производятся или ручным способом или механическим. Для промеров ручным способом применяют наметку или ручной лот. Наметка представляет собой шест из гибкого и прочного дерева (ель, ясень, орешник) круглого сечения диаметром 4-5 см, длиной от 4 до 7 м.
Нижний конец наметки отделывается железом (железо предохраняет от раскалывания и помогает своим весом). Наметка окрашивается в белый цвет и размечается на десятые доли метра. Нулевое деление соответствует нижнему концу наметки. При всей простоте устройства наметка дает точные результаты.
Измерение глубин производится также и ручным лотом. Течением реки лот отклоняется от вертикали на некоторый угол, что и заставляет вносить соответствующую поправку.
Промеры на малых реках обычно производятся с мостиков. На реках, достигающих 200-300 м ширины, при скорости течения не более 1,5 м в сек., промеры можно производить с лодки по тросу, протянутому с одного берега реки на другой. Трос должен быть туго натянут. При ширине реки более 100 м необходимо в середине реки ставить на якоре лодку для поддержания троса.
На реках, ширина которых более 500 ж, линия промера определяется створными знаками, поставленными на обоих берегах, и точки промеров определяются угломерными инструментами с берега. Количество промеров по створу зависит от характера дна. Если рельеф дна меняется быстро, промеров должно быть больше, при однообразии дна - меньше. Понятно, что чем больше промеров, тем точнее получается профиль реки.
Для вычерчивания профиля реки проводится горизонтальная линия, на которой по масштабу откладываются точки промеров. От каждой течки вниз проводится перпендикулярная линия, на которой также по масштабу откладываются полученные от промеров глубины. Соединяя нижние концы вертикалей, мы получаем профиль. Ввиду того что глубина рек по сравнению с шириной очень небольшая, при вычерчивании профиля вертикальный масштаб берут больше горизонтального. Поэтому профиль является искаженным (преувеличенным), но более наглядным.
Имея профиль русла реки, мы можем вычислить площадь живого сечения (или площадь водного сечения) реки (Fm 2 ), ширину реки (В), длину смоченного периметра реки (Рм) , наибольшую глубину (h max м), среднюю глубину реки ( h cp м) и гидравлический радиус реки.
Живым сечением реки называют поперечное сечение реки, заполненное водой. Профиль русла, полученный в результате промеров, как раз и дает представление о живом сечении реки. Площадь живого сечения реки по большей части вычисляется аналитически (реже определяется по чертежу при помощи планиметра). Для вычисления площади живого сечения ( F м 2) берут чертеж поперечного профиля реки, на котором вертикали разбивают площадь живого сечения на ряд трапеций, а береговые участки имеют вид треугольников. Площадь каждой отдельной фигуры определяется по формулам, известным нам из геометрии, а потом берется сумма всех этих площадей.
Ширина реки просто определяется по длине верхней горизонтальной линии, изображающей поверхности реки.
Смоченный периметр - это длина линии дна реки на профиле от одного уреза берега реки до другого. Вычисляется он путем сложения длины всех отрезков линии дна на чертеже живого сечения реки.
Гидравлический радиус - это частное от деления площади живого сечения на длину смоченного периметра ( R = F /Р м).
Средняя глубина - это частное от деления площади живого сечения
реки на ширину реки ( h ср = F / B м).
Для равнинных рек величина гидравлического радиуса обыкновенно очень близка к величине средней глубины ( R ≈ h cp ).
Наибольшая глубина восстанавливается по данным промеров.
Уровень реки. Ширина и глубина реки, площадь живого сечения и другие приводимые нами величины могут оставаться неизменными лишь в том случае, если уровень реки остается неизменным. На самом же деле этого никогда не бывает, потому что уровень реки все время изменяется. Отсюда совершенно ясно, что при изучении реки измерение колебания уровня реки является важнейшей задачей.
Для водомерного поста выбирается соответствующий участок реки с прямолинейным руслом, поперечное сечение которого не осложнено мелями или островами. Наблюдение над колебаниями уровня реки обычно ведется при помощи футштока. Футшток - это шест или рейка, разделенная на метры и сантиметры, установленная у берега. За нуль футштока принимается (по возможности) наиболее низкий горизонт реки в данном месте. Выбранный один раз нуль остается постоянным для всех последующих наблюдений. Нуль футштока связывается постоянным репером .
Наблюдение колебаний уровня обычно производится два раза в день (в 8 и 20 час). На некоторых постах устанавливаются самопишущие лимниграфы, которые дают непрерывную запись в виде кривой.
На основании данных, полученных из наблюдений над футштоком, вычерчивается график колебания уровней за тот или другой период: за сезон, за год, за целый ряд лет.
Скорость течения рек. Мы уже говорили, что скорость течения реки находится в прямой зависимости от уклона русла. Однако эта зависимость не так уж проста, как она может показаться с первого взгляда.
Всякий, кто хоть немного знаком с рекой, знает, что скорость течения у берегов значительно меньше, нежели на середине. Особенно хорошо это известно лодочникам. Всякий раз, когда лодочнику приходится подниматься по реке вверх, он держится берега; когда же ему необходимо быстро спуститься вниз, он держится середины реки.
Более точные наблюдения, производимые в реках и искусственных потоках (имеющих правильное корытообразное русло), показали, что слой воды, непосредственно примыкающий к руслу, в результате трения о дно и стенки русла движется с наименьшей скоростью. Следующий слой имеет уже большую скорость, потому что он соприкасается не с руслом (которое неподвижно), а с медленно движущимся первым слоем. Третий слой имеет еще большую скорость и т. д. Наконец, самую большую скорость обнаруживают в части потока, далее всего отстоящей от дна и стенок русла. Если взять поперечное сечение потока и соединить места с одинаковой скоростью течения линиями (изотахами), то у нас получится схема, наглядно изображающая расположение слоев различной скорости (рис. 113). Это своеобразное слоистое движение потока, при котором скорость последовательно увеличивается от дна и стенок русла к средней части, называют ламинарным. Типичные особенности ламинарного движения можно коротко характеризовать так:
1) скорость всех частиц потока имеет одно постоянное направление;
2) скорость вблизи стенки (у дна) всегда равна нулю, а с удалением от стенок плавно возрастает к середине потока.
Однако мы должны сказать, что в реках, где форма, направление и характер русла сильно отличаются от правильного корытообразного русла искусственного потока, правильного ламинарного движения почти никогда не наблюдается. Уже при одном только изгибе русла в результате действия центробежных сил вся система слоев резко перемещается в сторону вогнутого берега, что в свою очередь вызывает ряд других
движений. При наличии же выступов на дне и по краям русла возникают вихревые движения, противотечения и прочие, весьма сильные отклонения, еще более усложняющие картину. Особенно сильные изменения в движении воды происходят в мелких местах реки, где течение разбивается на струи, расположенные веерообразно.
Кроме формы и направления русла, большое влияние оказывает увеличение скорости течения. Ламинарное движение даже в искусственных потоках (с правильным руслом) резко изменяется при увеличении скорости течения. В быстро движущихся потоках возникают продольные винтообразные струи, сопровождающиеся мелкими вихревыми движениями и своеобразной пульсацией. Все это в значительной степени усложняет характер движения. Таким образом, в реках вместо ламинарного движения чаще всего наблюдается более сложное движение, называемое турбулентным . (Подробнее на характере турбулентных движений мы остановимся позже при рассмотрении условий формирования русла потока.)
Из всего сказанного ясно, что изучение скорости течения реки является делом сложным. Поэтому вместо теоретических вычислений здесь чаще приходится прибегать к непосредственным измерениям.
Измерение скорости течения. Наиболее простым и самым доступным способом измерения скорости течения является измерение при помощи поплавков. Наблюдая (с часами) время прохождения поплавка мимо двух пунктов, расположенных по течению реки на определенном расстоянии друг против друга, мы всегда можем вычислить искомую скорость. Эту скорость обычно выражают количеством метров в секунду.
Указанный нами способ дает возможность определить скорость только самого верхнего слоя воды. Для определения скорости более глубоких слоев воды употребляют две бутылки (рис. 114). При этом верхняя бутылка дает среднюю скорость между обеими бутылками. Зная среднюю скорость течения воды на поверхности (первый способ), мы легко можем вычислить скорость на искомой глубине. Если V 1 будет скорость на поверхности, V 2 - средняя скорость, а V - искомая скорость, то V 2 =( V 1 + V )/2 , откуда искомая скорость v = 2 v 2 - v 1 .
Несравненно более точные результаты получаются при измерении особым прибором, носящим название вертушки. Существует много типов вертушек, но принцип их устройства одинаков и заключается в следующем. Горизонтальная ось с лопастным винтом на конце подвижно укреплена в раме, имеющей на заднем конце рулевое перо (рис. 115). Прибор, опущенный в воду, повинуясь рулю, встает как раз против течения,
и лопастной винт начинает вращаться вместе с горизонтальной осью. На оси имеется бесконечный винт, который можно соединить со счетчиком. Глядя на часы, наблюдатель включает счетчик, который начинает отсчитывать количество оборотов. Через определенный промежуток времени счетчик выключается, и наблюдатель по количеству оборотов определяет скорость течения.
Кроме указанных способов, применяют еще измерение особыми батометрами, динамометрами и, наконец, химическими способами, известными нам по изучению скорости течения грунтовых вод. Примером батометра может служить батометр проф. В. Г. Глушкова, представляющий собой резиновый баллон, отверстие которого обращено навстречу течению. Количество воды, которое успевает попасть в баллон за единицу времени, дает возможность определить скорость течения. Динамометры определяют силу давления. Сила давления позволяет вычислить скорость.
Когда требуется получить детальное представление о распределении скоростей в поперечном сечении (живом сечении) реки, поступают следующим образом:
1. Вычерчивается поперечный профиль реки, причем для удобства вертикальный масштаб берется в 10 раз больше горизонтального.
2. Проводятся вертикальные линии по тем пунктам, в которых производились измерения скоростей течения на разных глубинах.
3. На каждой вертикали отмечается соответствующая глубина по масштабу и обозначается соответствующая скорость.
Соединив точки с одинаковыми скоростями, мы получим систему кривых (изотах), дающую наглядное представление о распределении скоростей в данном живом сечении реки.
Средняя скорость. Дли многих гидрологических расчетов необходимо иметь данные о средней скорости течения воды живого сечения реки. Но определение средней скорости воды представляет собой довольно сложную задачу.
Мы уже говорили о том, что движение воды в потоке отличается не только сложностью, но и неравномерностью, во времени (пульсация). Однако, исходя из ряда наблюдений, мы всегда имеем возможность вычислить среднюю скорость течения для любой точки живого сечения реки. Имея же величину средней скорости в точке, мы можем на графике изобразить распределение скоростей по взятой нами вертикали. Для этого глубина каждой точки откладывается по вертикали (сверху вниз), а скорость течения по горизонтали (слева направо). То же проделываем и с другими точками взятой нами вертикали. Соединив концы горизонтальных линий (изображающих скорости), мы получим чертеж, дающий ясное представление о скоростях течений на различных глубинах взятой нами вертикали. Этот чертеж носит название графика скоростей или годографа скоростей.
По данным многочисленных наблюдений выявилось, что для получения полного представления о распределении скоростей течения по вертикали достаточно определить скорости на следующих пяти точках: 1) на поверхности, 2) на 0,2 h , 3) на 0,6 h , 4) на 0,8 h и 5) на дне, считая h - глубиной вертикали от поверхности до дна.
Годограф скоростей дает ясное представление об изменении скоростей от поверхности до дна потока на взятой вертикали. Наименьшая скорость у дна потока обусловлена главным образом трением. Чем больше шероховатость дна, тем резче уменьшаются скорости течений. В зимнее время, когда поверхность реки покрыта льдом, возникает трение еще и о поверхность льда, что также отражается на скорости течения.
Годограф скоростей позволяет нам вычислить среднюю скорость течения реки по данной вертикали.
Средняя скорость течения по вертикали живого сечения потока проще всего определить по формуле:
где ώ - площадь годографа скоростей, а Н - высота этой площади. Иначе говоря, для определения средней скорости течения по вертикали живого сечения потока нужно площадь годографа скоростей разделить на ее высоту.
Площадь годографа скоростей определяется или при помощи планиметра или аналитически (т. е. разбивая на простые фигуры - треугольники и трапеции).
Средняя скорость потока определяется различными способами. Наиболее простым способом является умножение максимальной скорости (V max ) на коэффициент шероховатости (п) . Коэффициент шероховатости для горных рек приблизительно можно считать 0,55, для рек с руслом, выстланным гравием, 0,65, для рек с неровным песчаным или глинистым ложем 0,85.
Для точного определения средней скорости течения живого сечения потока пользуются различными форхмулами. Наиболее употребительной является формула Шези.
где v - средняя скорость живого сечения потока, R - гидравлический радиус, J - поверхностный уклон потока и С - коэффициент скорости. Но здесь значительные трудности представляет определение коэффициента скорости.
Коэффициент скорости определяется по различным эмпирическим формулам (т. е. полученным на основе изучения и анализа большого количества наблюдений). Наиболее простой является формула:
где п - коэффициент шероховатости, a R - уже знакомый нам гидравлический радиус.
Расход. Количество воды в м, протекающее через данное живое сечение реки в секунду, называют расходом реки (для данного пункта). Теоретически расход (а) вычислить просто: он равен площади живого сечения реки ( F ), умноженной на среднюю скорость течения ( v ), т. е а = Fv . Так, например, если площадь живого сечения реки равна 150 м 2 , а скорость 3 м/сек, то расход будет равен 450 м 3 в секунду. При вычислении расхода за единицу количества воды берется кубический метр, а за единицу времени - секунда.
Мы уже говорили о том, что теоретически расход реки для того или другого пункта вычислить нетрудно. Выполнить же эту задачу практически дело значительно более сложное. Остановимся на простейших теоретических и практических способах, чаще всего применяемых при изучении рек.
Существует много различных способов определения расхода воды в реках. Но все их можно разбить на четыре группы: объемный способ, способ смешения, гидравлический и гидрометрический.
Объемный способ с успехом применяется для определения расхода самых небольших речек (ключей и ручьев) с расходом от 5 до 10 л (0,005- 0,01 м 3) в секунду. Суть его заключается в том, что ручей запруживается и вода спускается по желобу. Под желоб ставится ведро или бак (в зависимости от величины ручья). Объем сосуда должен быть точно измерен. Время наполнения сосуда измеряется в секундах. Частное от деления объема сосуда (в метрах) на время наполнения сосуда (в секундах) как. раз и дает искомую величину. Объемный способ дает наиболее точные результаты.
Способ смешения основан на том, что в определенном пункте реки впускается в поток раствор какой-либо соли или краски. Определяя содержание соли или краски в другом, ниже расположенном, пункте потока, вычисляют расход воды (простейшая формула
где q - расход соляного раствора, к 1 -концентрация раствора соли при выпуске, к 2 - концентрация раствора соли в нижележащем пункте). Этот способ является одним из наилучших для бурных горных рек.
Гидравлический способ основан на применении различного рода гидравлических формул при протекании воды как через естественные русла, так и искусственные водосливы.
Приведем простейший пример способа водослива. Строится запруда, верх которой имеет тонкую стенку (из дерева, бетона). В стенке прорезан водослив в виде прямоугольника, с точно определенными размерами.основания. Вода переливает через водослив, и расход вычисляется по формуле
(т - коэффициент водослива, b - ширина порога водослива, H -напор над ребром водослива, g -ускорение силы тяжести), При помощи водослива можно с большой точностью измерять расходы от 0,0005 до 10 м 3 /сек. Особенно широко он применяется в гидравлических лабораториях.
Гидрометрический способ основан на измерении площади живого сечения и скорости течения. Он является наиболее распространенным. Вычисление ведется по формуле, о чем мы уже говорили.
Сток. Количество воды, протекающее через данное живое сечение реки в секунду, мы называем расходом. Количество же воды, протекающее через данное живое сечение реки на протяжении более долгого периода, называют стоком. Величина стока может быть исчислена за сутки, за месяц, за сезон, за год и даже за ряд лет. Чаще всего сток исчисляется за сезоны, потому что сезонные изменения для большинства рек особенно сильны и характерны. Большое значение в географии имеют величины годовых стоков и в особенности величина среднего годового стока (сток, вычисленный из многолетних данных). Средний годовой сток дает возможность вычислять средний расход реки. Если расход выражается в кубических метрах в секунду, то годовой сток (во избежание очень крупных чисел) выражается в кубических километрах.
Имея сведения о расходе, мы можем получить данные и о стоке за тот или другой период времени (путем умножения величины расхода на количество секунд взятого периода времени). Величину стока в данном случае выражается объемно. Сток крупных рек выражается обыкновенно в кубических километрах.
Так, например, средний годовой сток Волги 270 км 3 , Днепра 52 км 3 , Оби 400 км 3 , Енисея 548 км 3 , Амазонки 3787 км, 3 и т. д.
При характеристике рек очень важное значение имеет отношение величины стока к количеству осадков, выпадающих на площади бассейна взятой нами реки. Количество осадков, как мы знаем, выражается толщиной слоя воды в миллиметрах. Следовательно, для сравнения величины стока с величиной осадков необходимо величину стока выразить также толщиной слоя воды в миллиметрах. Для этого величину стока за данный период, выраженную в объемных мерах, распределяют равномерным слоем по всей площади бассейна реки, лежащей выше пункта наблюдения. Эта величина, называемая высотой стока (А), вычисляется по формуле:
А - это высота стока, выраженная в миллиметрах, Q - расход, Т - период времени, 10 3 служит переводом метров в миллиметры и 10 6 для перевода квадратных километров в квадратные метры.
Отношение количества стока к количеству выпавших осадков называют коэффициентом стока. Если коэффициент стока обозначить буквой а, а количество осадков, выраженное в миллиметрах,- h , то
Коэффициент стока, как и всякое отношение,- величина отвлеченная. Ее можно выразить в процентах. Так, например, для р. Невы А=374 мм, h = 532 мм; следовательно, а = 0,7, или 70%. В данном случае коэффициент стока р. Невы позволяет нам сказать, что из всего количества осадков, выпадающих в бассейне р. Невы, 70% стекает в море, а 30% испаряется. Совершенно иную картину мы наблюдаем на р. Ниле. Здесь А=35 мм, h =826 мм; следовательно а=4%. Значит, 96% всех осадков бассейна Нила испаряется и только 4% доходит до моря. Уже из приведенных Примеров видно, какое огромное значение коэффициент стока имеет для географов.
Приведем в качестве примера среднее значение осадков и стока для некоторых рек Европейской части СССР.
В приведенных нами примерах количество осадков, величины стоков, а, следовательно, и коэффициенты стоков исчислены как средние годовые на основании многолетних данных. Само собой разумеется, что коэффициенты стоков могут быть выведены на любой период времени: сутки, месяц, время года и т. д.
В некоторых случаях сток выражается количеством литров в секунду на 1 км 2 площади бассейна. Эта величина стока носит название модуля стока.
Величину среднего многолетнего стока при помощи изолиний можно положить на карту. На такой карте сток выражен модулями стока. Она дает представление о том, что средний годовой сток на равнинных частях территории нашего Союза имеет зональный характер, причем величина стока уменьшается к северу. По такой карте можно видеть, какое огромное значение для стока имеет рельеф.
Питание рек. Различают три основных вида питания рек: питание поверхностными водами, питание подземными водами и смешанное питание.
Питание поверхностными водами можно подразделить на дождевое, снеговое и ледниковое. Дождевое питание свойственно рекам тропических областей, большинству муссонных областей, а также многим районам Западной Европы, отличающимся мягким климатом. Снеговое питание характерно для стран, где в течение холодного периода накапливается много снега. Сюда относится большая часть рек территории СССР. В весеннее время для них характерны мощные паводки. Особо необходимо выделить снега высоких горных стран, которые наибольшее количество воды дают в конце весны и в летнее время. Это питание, носящее название горноснегового, близко к ледниковому питанию. Ледники, как и горные снега, дают воду главным образом в летнее время.
Питание подземными водами осуществляется двумя путями. Первый путь - это питание рек более глубокими водоносными слоями, выходящими (или, как говорят, выклинивающимися) в русло реки. Это достаточно устойчивое питание для всех времен года. Второй путь - питание грунтовыми водами аллювиальных толщ, непосредственно связанных с рекой. В периоды высокого стояния воды аллювий насыщается водой, а после спада вод медленно возвращает реке свои запасы. Это питание менее устойчиво.
Реки, получающие свое питание от одних поверхностных или одних подземных вод, встречаются редко. Значительно чаще встречаются реки со смешанным питанием. В одни периоды года (весна, лето, начало осени) для них преобладающее значение имеют поверхностные воды, в другие периоды (зимой или в периоды засухи) грунтовое питание становится единственным.
Можно упомянуть еще о реках, питающихся конденсационными водами, которые могут быть и поверхностными и подземными. Подобные реки чаще встречаются в горных районах, где скопления глыб и камней на вершинах и склонах конденсируют влагу в заметных количествах. Эти воды могут влиять на увеличение стока.
Условия питания рек в различные времена года. В зимнее время боль шая часть наших рек питается исключительно грунтовыми водами. Это питание довольно равномерно, поэтому зимний сток для большинства наших рек можно характеризовать как наиболее равномерный, очень слабо убывающий от начала зимы к весне.
Весной характер стока и вообще весь режим рек резко изменяется. Накопившиеся за зиму осадки в виде снега быстро стаивают, и талые воды в огромном количестве сливаются в реки. В результате получается весеннее половодье, которое в зависимости от географических условий бассейна реки длится более или менее продолжительное время. О характере весенних половодий мы будем говорить несколько позже. В данном же случае отметим лишь один факт: весной к грунтовому питанию прибавляется огромное количество весенних талых снеговых вод, что увеличивает сток во много раз. Так, например, для Камы средний расход в весеннее время превышает зимний расход в 12 и даже в 15 раз, для Оки в 15-20 раз; расход Днепра у Днепропетровска в весеннее время в некоторые годы превышает зимний расход в 50 раз, у мелких рек разница еще значительнее.
В летнее время питание рек (в наших широтах) осуществляется, содной стороны, грунтовыми водами, с другой - непосредственным стоком дождевых вод. Согласно наблюдениям акад. Оппокова в бассейне верхнего Днепра этот непосредственный сток дождевых вод в течение летних месяцев достигает 10%. В горных районах, где условия стока более благоприятны, этот процент значительно увеличивается. Но особенно большой величины он достигает в тех районах, которые отличаются широким распространением вечной мерзлоты. Здесь после каждого дождя уровень рек быстро повышается.
В осеннее время по мере понижения температур испарение и транспирация постепенно уменьшаются, и поверхностный сток (сток дождевых вод) увеличивается. В результате осенью сток, вообще говоря, увеличивается вплоть до того момента, когда жидкие атмосферные осадки (дожди) сменяются твердыми (снегом). Таким образом, осенью, как и
мы имеем грунтовое плюс дождевое питание, причем дождевое постепенно уменьшается и к началу зимы прекращается вовсе.
Таков ход питания обычных рек в наших широтах. В высокогорных странах летом прибавляются еще талые воды горных снегов и ледников.
В пустынных и сухостепных областях талые воды горных снегов и льдов играют доминирующую роль (Аму-Дарья, Сыр-Дарья и др.).
Колебание уровней вод в реках. Мы только что говорили об условиях питания рек в различные времена года и в связи с этим отмечали, как изменяется сток в различное время года. Наиболее наглядно эти изменения показывает кривая колебания уровней воды в реках. Вот перед нами три графика. Первый график дает представление о колебании уровня рек лесной зоны Европейской части СССР (рис. 116). На первом графике (р. Волги) характерен
быстрый и высокий подъем с продолжительностью около 1 / 2 месяца.
Теперь обратите внимание на второй график (рис. 117), характерный для рек таежной зоны Восточной Сибири. Здесь резкий подъем весной и ряд подъемов летом в связи с дождями и наличием вечной мерзлоты, увеличивающей быстроту стока. Наличие той же мерзлоты, снижающей зимнее грунтовое питание, приводит к особенно низкому уровню воды в зимний период.
На третьем графике (рис. 118) кривая колебаний уровня рек таежной зоны Дальнего Востока. Здесь в связи с мерзлотой тот же очень низкий уровень в холодный период и непрерывные резкие колебания уровня в теплые периоды. Они обусловливаются весной ив начале лета таянием снегов, а позже дождями. Наличие гор и вечной мерзлоты ускоряет сток, что особенно резко сказывается на колебании уровня.
Характер колебания уровней одной и той же реки в различные годы неодинаков. Вот перед нами график колебания уровней р. Камы для различных лет (рис. 119). Как видите, река в различные годы имеет весьма различный характер колебаний. Правда, здесь выбраны годы наиболее резких отклонений от нормы. Но вот перед нами второй график колебаний уровней р. Волги (рис. 116). Здесь все колебания однотипные, но размах колебаний и продолжительность разлива весьма различны.
В заключение необходимо сказать, что изучение колебания уровней рек, помимо научного значения, имеет также огромное практическое значение. Снесенные мосты, разрушенные плотины и прибрежные сооружения, затопленные, а иногда совершенно разрушенные и смытые селения уже давно заставили человека внимательно отнестись к этим явлениям и заняться их изучением. Немудрено, что наблюдения за колебаниями уровней рек ведутся с глубокой древности (Египет, Месопотамия, Индия, Китай и т. д.). Речное судоходство, строительство дорог, и в особенности железных дорог, потребовало более точных наблюдений.
Наблюдение над колебаниями уровней рек у нас в России началось, по-видимому, очень давно. В летописях, начиная с XV в., мы встречаем нередко указания на высоту разливов р. Москвы и Оки. Наблюдения над колебаниями уровня Москвы-реки производились уже ежедневно. С начала XIX в. ежедневные наблюдения проводились уже на всех крупных пристанях всех судоходных рек. Из года в год количество гидрометрических станций непрерывно возрастало. В дореволюционное время у нас в России существовало более тысячи водомерных постов. Но особенного развития эти станции достигли в советское время, что легко видеть из приведенной таблицы.
Весеннее половодье. В период весеннего таяния снегов уровень воды в реках резко повышается, и вода, переполняя обычно русло, выходит из берегов и нередко заливает пойму. Это явление, характерное для большинства наших рек, носит название весеннего половодья.
Время наступления половодья зависит от климатических условий местности, а продолжительность периода половодья, кроме того, от размеров бассейна, отдельные части которого могут находиться при различных климатических условиях. Так, например, для р. Днепра (по наблюдениям у г. Киева) продолжительность половодья от 2,5 до 3 месяцев, тогда как для притоков Днепра - Сулы и Псёла - продолжительность половодья всего около 1,5-2 месяцев.
Высота весеннего половодья зависит от многих причин, но главнейшими из них являются: 1) количество снега в бассейне реки к началу таяния и 2) интенсивность весеннего таяния.
Некоторое значение имеет также степень насыщенности водой почвы в бассейне реки, мерзлота или талость почв, весенние осадки и др.
Для большинства крупных рек Европейской части СССР характерен весенний подъем воды до 4 м. Однако в различные годы высота весеннего половодья подвержена очень сильным колебаниям. Так, например, для Волги у г. Горького подъемы воды доходят до 10-12 м, у г. Ульяновска до 14 м; для р. Днепра за 86 лет наблюдений (с 1845 по 1931 г.) от 2,1 м до 6-7 и даже 8,53 м (1931 г.).
Наиболее высокие подъемы воды приводят кнаводнениям, которые причиняют большой ущерб населению. Примером может служить наводнение в Москве 1908 г., когда значительная часть города и полотно Московско-Курской железной дороги на десятки километров оказались под водой. Очень сильное наводнение испытал ряд волжских городов (Рыбинск, Ярославль, Астрахань и др.) в результате необычайно высокого подъема воды р. Волги весной 1926 г.
На больших сибирских реках в связи с заторами подъем воды доходит до 15-20 и более метров. Так, на р. Енисее до 16 м, а на р. Лене (у Булуна) до 24 м.
Паводки. Помимо периодически повторяющихся весенних половодий, наблюдаются еще внезапные подъемы воды, вызванные или выпадением сильных дождей, или какими-либо иными причинами. Эти внезапные подъемы воды в реках в отличие от периодически повторяющихся весенних половодий называют паводками. Паводки в отличие от половодий могут иметь место в любое время года. В условиях равнинных областей, где уклон рек очень невелик, эти паводки могут вызвать резкие повышения 1 уровней главным образом в небольших реках. В горных условиях паводки проявляются и на более крупных реках. Особенно сильные паводки наблюдаются у нас на Дальнем Востоке, где, помимо горных условий, мы имеем внезапные продолжительные ливни, дающие за один-два дня более 100 мм осадков. Здесь летние паводки нередко принимают характер сильных, иногда губительных наводнений.
Известно, что на высоту половодий и характер стока вообще огромное влияние оказывают леса. Они прежде всего обеспечивают медленное таяние снега, что удлиняет продолжительность половодья и снижает высоту паводка. Кроме того, лесная подстилка (опавшая листва, хвоя, мхи и т. д.) сохраняет влагу от испарения. В результате коэффициент поверхностного стока в лесу в три-четыре раза меньше чем на пашне. Отсюда и высота паводка уменьшается до 50%.
В целях уменьшения разливов и вообще регулирования стока у нас в СССР правительством обращено особое внимание на сохранение лесов в районах питания рек. Постановлением (от 2/ VII 1936 г.) предусмотрено сохранение лесов по обоим берегам рек. При этом в верхних течениях рек должны сохраняться полосы леса в 25 км ширины, а в нижнем течения 6 км .
Возможности дальнейшей борьбы с разливами и развитие мероприятий по регулированию поверхностного стока в нашей стране, можно сказать, неограниченны. Создание лесных полезащитных полос и водохранилищ регулирует сток на огромных пространствах. Создание огромной сети каналов и колоссальных водохранилищ еще в большей степени подчиняет сток воле и наибольшей выгоде человека социалистического общества.
Межень. В период, когда река живет почти исключительно за счет питания грунтовыми водами при отсутствии питания дождевыми водами, уровень реки является наиболее низким. Этот период наиболее низкого стояния уровня вод в реке носит название межени. Началом межени считают конец спада весеннего половодья, а концом межени - начало осеннего подъема уровня. Значит, межень или меженный период для большинства наших рек соответствует летнему периоду.
Замерзание рек. Реки холодных и умеренных стран в холодный период года покрываются льдом. Замерзание рек начинается обыкновенно у берегов, где наиболее слабое течение. В дальнейшем на поверхности воды появляются кристаллики и ледяные иглы, которые, собираясь в большом количестве, образуют так называемое «сало». По мере дальнейшего охлаждения воды в реке появляются льдины, количество которых постепенно увеличивается. Иногда сплошной осенний ледоход продолжается несколько дней, а при тихой морозной погоде река «встает» довольно быстро, особенно на поворотах, где накапливается большое количество льдин. После того как река покрылась льдом, она переходит на питание грунтовыми водами, причем уровень воды нередко понижается, а лед на реке прогибается.
Лед путем нарастания снизу, постепенно утолщается. Толщина ледяного покрова в зависимости от условий климата может быть очень различна: от нескольких сантиметров до 0,5- 1 м, а в некоторых случаях (в Сибири) до 1,5-2 м. От таяния и замерзания выпавшего снега лед может утолщаться и сверху.
Выходы большого количества источников, приносящих более теплую воду, в некоторых случаях приводят к образованию «полыньи», т. е. незамерзающего участка.
Процесс замерзания реки начинается охлаждением верхнего слоя воды и образованием тонких пленок льда„ известных под названием сала. В результате турбулентного характера течения происходит перемешивание воды, что приводит к охлаждению всей массы воды. При этом температура воды может быть несколько ниже 0° (на р. Неве до - 0°,04, на р. Енисее -0°,1): Переохлажденная вода создает благоприятные условия для образования кристалликов льда, в результате чего возникает так называемый глубинный лед. Глубинный лед, образовавшийся на дне, называется донным льдом. Глубинный лед, находящийся во взвешенном состоянии, называют шугой. Шуга может находиться во взвешенном состоянии, а также всплывать на поверхность.
Донный лед, постепенно нарастая, отрывается от дна и в силу своей меньшей плотности всплывает на поверхность. При этом донный лед, отрываясь от дна, захватывает с собой и часть грунта (песок, гальку и даже камни). Донный лед, всплывший на поверхность, также называют шугой.
Скрытая теплота ледообразования быстро расходуется, и вода реки все время, вплоть до образования ледяного покрова, остается переохлажденной. Но как только возникает ледяной покров, потеря тепла в воздух в значительной степени прекращается и вода больше уже не переохлаждается. Понятно, что и образование кристалликов льда (а следовательно, и глубинного льда) прекращается.
При значительной скорости течения образование ледяного покрова сильно замедляется, что в свою очередь приводит к образованию глубинного льда в огромных количествах. В качестве примера можно указать на р. Ангару. Здесь шуга. и. донный лед, забивая русло, образуют зажоры. Закупорка русла приводит к высокому подъему уровня воды. После образования ледяного покрова процесс образования глубинного льда резко сокращается, и уровень реки быстро понижается.
Образование ледяного покрова начинается с берегов. Здесь при меньшей скорости течения скорее образуется лед (забереги). Но этот лед нередко увлекается течением и вместе с массой шуги обусловливает так называемый осенний ледоход. Осенний ледоход иногда сопровождается заторами, т. е. образованием ледяных плотин. Заторы (как и зажоры) могут вызывать значительные подъемы воды. Заторы возникают обыкновенно в суженных участках реки, на крутых поворотах, на перекатах, а также у искусственных сооружений.
На больших реках, текущих на север (Обь, Енисей, Лена), низовья рек замерзают раньше, что способствует образованию особенно мощных заторов. Поднимающийся при этом уровень вод в некоторых случаях может создать условия для возникновения обратных течений в нижних участках притоков.
С момента образования ледяного покрова река вступает в период ледостава. С этого момента лед медленно нарастает снизу. На толщину ледяного покрова, помимо температур, большое влияние оказывает снеговой покров, предохраняющий поверхность реки от охлаждения. В среднем толщина льда на территории СССР достигает:
Полыньи. Нередки случаи, когда некоторые участки реки зимой не замерзают. Эти участки называют полыньями. Причины их образования различны. Чаще всего они наблюдаются на участках быстрого течения, на месте выхода большого количества источников, на месте спуска фабричных вод и др. В некоторых случаях подобные участки наблюдаются также при выходе реки из глубокого озера. Так, например, р. Ангара при выходе из оз. Байкал километров на 15, а в некоторые годы даже на 30, не замерзает вовсе (Ангара «подсасывает» более теплую воду Байкала, которая нескоро потом охлаждается до точки замерзания).
Вскрытие рек. Под влиянием весенних солнечных лучей снег на льду начинает таять, в результате чего на поверхности льда образуются линзообразные скопления воды. Потоки воды, стекающие с берегов, усиливают таяние льда особенно у берегов, что приводит к образованию закраин.
Обычно перед началом вскрытия наблюдается подвижка льда. При этом лед то начинает двигаться, то останавливается. Момент подвижек является наиболее опасным для сооружений (плотин, дамб, мостовых устоев). Поэтому около сооружений лед заблаговременно обкалывается. Начинающийся подъем вод взламывает льды, что в конечном итоге приводит к ледоходу.
Весенний ледоход обыкновенно бывает много сильнее осеннего, что обусловливается значительно большим количеством воды и льда. Ледяные заторы весной также больше осенних. Особенно больших размеров они достигают на северных реках, где вскрытие рек начинается сверху. Приносимые рекой льды задерживаются на ниже расположенных участках, где лед еще крепок. В результате образуются мощные ледяные плотины, которые за 2-3 часа поднимают уровень воды на несколько метров. Последующий прорыв плотины вызывает очень сильные разрушения. Приведем пример. Река Обь вскрывается у Барнаула в конце апреля, а у Салехарда в начале июня. Толщина льда у Барнаула около 70 см, а в низовьях Оби около 150 см. Поэтому явление заторов здесь совершенно обычно. При образовании заторов (или, как здесь называют, «зажоров») уровень вод за 1 час поднимается на 4-5 м и так же быстро понижается после прорыва ледяных плотин. Грандиозные потоки воды и льда могут уничтожать леса на больших площадях, разрушать берега, прокладывать новые русла. Заторы могут легко разрушать даже самые крепкие сооружения. Поэтому при планировании сооружений необходимо учитывать места сооружений, тем более, что заторы обычно бывают на одних и тех же участках. Для защиты сооружений или зимних стоянок речного флота лед на данных участках обычно взрывается.
Подъем воды при заторах на Оби достигает 8-10 м, а в низовьях р. Лены (у г. Булуна) - 20-24 м.
Гидрологический год. Сток и другие характерные черты жизни рек, как мы уже видели, в различные времена года различны. Однако времена года в жизни реки не совпадают с обычными календарными временами года. Так, например, зимний сезон для реки начинается с того момента, когда дождевое питание прекращается и река переходит к зимнему грунтовому питанию. В пределах территории СССР этот момент в северных районах наступает в октябре, а в южных в декабре. Таким образом, одного точно установленного момента, подходящего для всех рек СССР, не существует. То же самое нужно сказать и относительно других сезонов. Само собой разумеется, что начало года в жизни реки, или, как говорят, начало гидрологического года не может совпадать с началом календарного года (1 января). Началом гидрологического года считают момент перехода реки к исключительно грунтовому питанию. Для различных мест территории даже одного нашего государства начало гидрологического года не может быть одно и то же. Для большинства рек СССР начало гидрологического года приходится на период от 15/ XI до 15/Х II .
Климатическая классификация рек. Уже из того, что было сказано о режиме рек в различные времена года, ясно, что климат оказывает огромное влияние на реки. Достаточно, например, сравнить реки Восточной Европы с реками Западной и Южной Европы, чтобы заметить разницу. Наши реки замерзают на зиму, вскрываются весной и дают исключительно высокий подъем воды в период весеннего половодья. Реки Западной Европы очень редко замерзают и почти не дают весенних разливов. Что же касается рек Южной Европы, то они вовсе не замерзают, и самый высокий уровень вод имеют в зимнее время. Еще более резкую разницу мы находим между реками других стран, лежащих в других климатических областях. Достаточно вспомнить реки муссонных областей Азии, реки северной, центральной и южной Африки, реки Южной Америки, Австралии и т. д. Все это вместе взятое дало основание нашему климатологу Воейкову классифицировать реки в зависимости от тех климатических условий, в которых они находятся. Согласно этой классификации (несколько измененной позже) все реки Земли делятся на три типа: 1) реки, питающиеся почти исключительно талыми водами снегов и льдов, 2) реки, питающиеся только дождевыми водами, и 3) реки, получающие воду обоими способами, указанными выше.
К рекам первого типа относятся:
а) реки пустынь, окаймленных высокими горами со снежными вершинами. Примерами могут служить: Сыр-Дарья, Аму-Дарья, Тарим и др.;
б) реки полярных областей (северной Сибири и Северной Америки), находящихся главным образом на островах.
К рекам второго типа относятся:
а) реки Западной Европы с более или менее равномерным дождевым питанием: Сена, Майн, Мозель и др.;
б) реки средиземноморских стран с зимним разливом: реки Италии, Испаниии др.;
в) реки тропических стран и муссонных областей с летними разливами: Ганг, Инд, Нил, Конго и др.
К рекам третьего типа, питающимся как талой, так и дождевой водой, относятся:
а) реки Восточно-Европейской, или Русской, равнины, Западной Сибири, Северной Америки и другие с весенним разливом;
б) реки, получающие питание с высоких гор, с весенним и летним разливом.
Существуют и другие более новые классификации. Среди них следует отметить классификацию М. И. Львовича, который взял в основу ту же классификацию Воейкова, но в целях уточнения принял во внимание не только качественные, но и количественные показатели источников питания рек и сезонное распределение стока. Так, например, он берет величину годового стока и определяет, какой процент стока обусловливается тем или другим источником питания. Если величина стока какого-либо источника более 80%, то этому источнику придается исключительное значение; если величина стока от 50 до 80%, то - преимущественное; менее 50%-преобладающее. В результате у него получается 38 групп водного режима рек, которые объединяются в 12 типов. Эти типы следующие:
1. Амазонский тип - почти исключительно дождевое питание и преобладание осеннего стока, т. е. в те месяцы, которые в умеренном поясе считаются осенними (Амазонка, Рио-Негро, Голубой Нил, Конго и др.).
2. Нигерианский тип - преимущественно дождевое питание с преобладанием осеннего стока (Нигер, Луалаба, Нил и др.).
3. Меконгский тип - почти исключительно дождевое питание с преобладанием летнего стока (Меконг, верховья Мадейры, Мараньона, Парагвая, Параны и др.).
4. Амурский - преимущественно дождевое питание с преобладанием летнего стока (Амур, Витим, верховья Олекмы, Яны и др.).
5. Средиземноморский - исключительно или преимущественно дождевое питание и господство зимнего стока (Мозель, Рур, Темза, Агри в Италии, Альма в Крыму и др.).
6. Одерианский - преобладание дождевого питания и весеннего стока (По, Тисса, Одер, Морава, Эбро, Огайо и др.).
7. Волжский – в основном снеговое питание с преобладанием весеннего стока (Волга; Миссисипи, Москва, Дон, Урал, Тобол, Кама и др.).
8. Юконский - преобладающее снеговое питание и господство летнего стока (Юкон, Кола, Атабаска, Колорадо, Вилюй, Пясина и Др.).
9. Нуринский - преобладание снегового питания и почти исключительно весенний сток (Нура, Еруслан, Бузулук, Б. Узень, Ингулец и др.).
10. Гренландский - исключительно ледниковое питание и кратковременный сток летом.
11. Кавказский - преобладающее или преимущественно ледниковое питание и господство летнего стока (Кубань, Терек, Рона, Инн, Ааре и др.).
12. Лоанский - исключительное или преимущественное питание за счет подземных вод и равномерное распределение стока в течение года (р. Лоа в северной части Чили).
Многие реки, особенно те, которые имеют большую длину и большую площадь питания, могут оказаться отдельными своими частями в различных группах. Так, например, реки Катунь и Бия (от слияния которых образуется Обь) питаются главным образом талыми водами горных снегов и ледников с подъемом воды летом. В таежной зоне притоки Оби питаются талыми снеговыми и дождевыми водами с разливами весной. В низовьях Оби притоки относятся к рекам холодного пояса. Река Иртыш сама по себе имеет сложный характер. Все это, конечно, необходимо учитывать.
— Источник—
Половинкин, А.А. Основы общего землеведения/ А.А. Половинкин.- М.: Государственное учебно-педагогическое издательство министерства просвещения РСФСР, 1958.- 482 с.
Post Views: 444
Скорость течения рек. Расход и сток рек
течение скорость сток вода
Роль текучей воды на земле громадна и всегда обращала на себя внимание человека, недаром с глубокой древности многие реки были олицетворены; и в глазах современной науки реки являются наиболее активным элементом физической географии. Одни из них спокойны, имеют медленное течение и правильные подъемы воды, которые легко предвидеть; другие - быстро и стремительно несут бурные воды, внезапно вздымают свой уровень и так же внезапно понижают его.
Но реки являются географическим фактором не только сами, но себе, они в то же время неустанно работают над изменением земли; результаты этой геологической работы текучей воды, суммируясь на протяжении веков, бывают настолько велики, что страны совершенно утрачивают свой первоначальный вид: там, где вздымались некогда высокие горы, в настоящее время мы находим частой лишь волнистую равнину, а, с другой стороны, высокие плоскогорья превращены в гористые или холмистые местности.
Жизнь человека находится в такой тесной связи с режимом текучих вод, что само собой понятен тот высокий интерес, которые проявляет человек по отношению к рекам. Большие реки служат наиболее дешевыми естественными путями сообщения во многих странах, а на далеком севере это часто единственные пути сообщения и не только летом, но и зимой, когда их закованная льдом поверхность представляет наилучшую дорогу. Даже в пустынных странах, как, например, в Сахаре, сухие русла рек определяют направление караванных путей. С незапамятных времен Аму-Дарья (древний Оксус), Сыр-Дарья (древний Яксарт) определяли направление торговых путей через Среднюю Азию. Быстрая колонизация некоторых стран как, например, Канады, средней части Соединенных Штатов Америки и Сибири, делается понятной лишь в том случае, если принять во внимание расположение рек в этих странах. Удобства, которые представляют реки как пути сообщения, притягивают население к их берегам и являются одним из факторов возникновения городов, в особенности в местах пересечения речных путей. Еще большее значение имеют реки как посредники между океаном и внутренними частями стран, недаром недалеко от их устья возникли величайшие торговые города как Лондон, Роттердам, Антверпен, Гамбург, Александрия, Калькутта, Шанхай, Монреаль, Квебек, Новый Орлеан, Монтевидео, Ленинград и др.
С другой стороны, разливы некоторых рек, как, например, Нила, Тигра и Евфрата, дали возможность развиться цивилизации у самых границ пустыни. Значение рек в жизни страны столь велико, что во всех культурных государствах возникли специальные организации для изучения гидрографии, и давно уже приступлено к систематическому изучению рек и их режима. Во Франции учреждение Service nydrometrique de la Seine предшествовало учреждению метеорологических станций, в Германии издан ряд ценных монографий, посвященных изучению всех больших рек, начиная от Рейна и кончая Вислой, в Соединенных Штатах Америки систематическое изучение рек ведет Geological Survey. Сильные и опустошительные разливы Дуная и в особенности его притоков Тиссы, Мароша и других в Венгрии повели к созданию целой сети гидрологических учреждений с центральной станцией в Будапеште. Из рек СНГ более подробному обследованию в XIX столетии подвергались Днепр, Волга и ряд других рек; в конце XIX столетия в Европейской России, кроме того, работала специальная экспедиция по обследованию истоков важнейших рек, под общим руководством А.А.Тилло, давшая ценный материал по гидрологии верховий ваших основных водных артерий. Наиболее характерной особенностью каждой реки является ее режим, т. е. изменение на протяжении года ее уровней: расходов, наносов, температуры, химизма и т. д. Чтобы выяснить режим реки, необходимо определить отношение, какое существует между количеством осадков, выпавших в ее бассейне, и массой воды, стекающей рекой.
Для определения же этой последней достаточно знать площадь поперечного сечения реки (так называемое живое сечение) и среднюю скорость ее течения в данном месте, так как произведение этих двух величии и дает нам искомое количество воды, протекающее рекой в определенную единицу времени, например в секунду, в минуту и т. д. Однако определение расхода воды в реке в течение более или менее значительного промежутка времени, а в особенности целого года, нелегкая задача, так как и скорость течения и живое сечение-реки постоянно изменяются на протяжении года.
Определение скорости течения производится или при помощи простых поплавков, например бутылок, или при помощи более точных приборов, называемых вертушками.
Наблюдения показывают, что скорость течения в реке обычно уменьшается от верховьев вниз по течению. Причина этого заключается в том, что вода при своем движении испытывает трение, как внешнее о дно, берега и о воздух, так и внутреннее, вследствие неодинаковой скорости и различного направления движения частиц воды. В конце концов препятствия, испытываемые водой при ее движении, настолько велики, что поглощают все ускорение, приобретаемое водой при падении от истоков к устью.
Вследствие трения в данном живом сечении реки наибольшая скорость (в случае правильного поперечника реки) находится в середине, но не на поверхности, а на некоторой небольшой глубине, так как на поверхности вода испытывает трение о воздух. В случае несимметричности живого сечения наибольшая скорость будет над самой глубокой ложбиной реки, ближе к одному из берегов. Соединяя точки поперечных сечений реки, в которых течение наиболее быстрое, получим извилистую линию, которая называется стрежнем, или осью, реки. Наглядное понятие о распределении скоростей в данном живом сечении реки можно получить, соединив линиями - изотахами - точки, имеющие одинаковую скорость. По середине высшей изотахи проходит стрежень реки.
Если ветра нет и шероховатость дна обычна, то на каждой отдельной вертикали наибольшая скорость будет находиться от поверхности на расстоянии приблизительно 1/5 глубины вертикали.
Положение точки с наибольшей скоростью определяется соотношением между скоростями поверхностной и придонной (соотношением трения поверхностного и продольного). Увеличение шероховатости дна повлечет за собой уменьшение придонной скорости и соответствующее приближение точки с наибольшей скоростью к поверхности.
Уровень воды в реке не всегда одинаков. Во время прибыли (подъема) воды горизонт ее в середине русла несколько повышается, а во время убыли понижается в середине и повышается у берегов. Это объясняется тем, что дно русла около берегов создает сопротивление движению воды.
Схема живого течения при убыли и при резкой прибыли воды
При резкой убыли воды все плавающие на реке предметы (бревна, мусор и т. д.) втягиваются в среднюю ее часть, на прямом участке русла и ближе к вогнутому берегу на изгибе его. Особенно хорошо это видно весной, когда разлившаяся река входит в русло и отдельные льдины и другие плавающие предметы движутся по воде, строго очерчивая лентообразный контур стрежня.
Во время подъема воды различные плавающие предметы движутся у берегов, соскальзывая с водной выпуклости, образовавшейся в середине потока. Заплесок подрезается течением, от чего он делается обрывистым, вода имеет мутновато-желтый или темный цвет. При убыли воды заплесок увеличивается и становится пологим.
Направление стрежня особенно ярко выражено там, где течение сильное, а его поверхность, волнистая от ветра, представляет собою светлую, ясно очерченную лентообразную полосу, местами прерывающуюся.
Направления и скорости течений могут быть определены судоводителем по контурам берегов исходя из того, что стрежень проходит близко к вогнутым берегам. Если берег обрезной, то течение в непосредственной близости от него особенно быстрое. Скорость течения тем больше, чем меньше ширина русла и чем больше его уклон.
Направление и скорость течения можно определить по различным видимым с судна береговым предметам: кустам, сваям, камням и т. д. При большой скорости течения вода поднимается выше этих предметов, образуя подпор.
Затопленные кусты под напором течения ритмично раскачиваются, вибрируют, а от жестких предметов -- столбов, свай, мостовых опор -- отходят в стороны волны. Чем больше скорость течения, тем острее угол волнообразования и выше волна. При небольшом течении виден слабый след ниже предмета.
Направление и примерную скорость течения определяют по плывущим по поверхности воды предметам, в том числе и специально для этого брошенным в воду, и по расположению угла плотиков, на которых установлены бакены. Чем сильнее течение, тем больше наклоняются буи и вехи.
Встречный ветер, усиливая трение, уменьшает поверхностную скорость и удаляет наибольшую скорость от поверхности. В случае, если поверхностная скорость равна при этом придонной, наибольшая скорость окажется по середине вертикали. Зимой подо льдом, с сильно шероховатой нижней поверхностью, наибольшая скорость перемещается ближе ко дну.
Ветер, дующий по направлению течения, будет не тормозить поверхностные слои воды, а подгонять их, поэтому наибольшая скорость по вертикали поднимется на поверхность.
Таким образом, скорость течения определяется:
- 1) уклоном поверхности реки,
- 2) формой русла,
- 3) шероховатостью русла.
При этом нужно иметь в виду, что скорость определяется уклоном поверхности воды в реке, а не уклоном русла. Если поверхность воды горизонтальна (например перед плотиной), то течения не будет.
Формула Шези, давая зависимость скорости от факторов, ее определяющих, позволяет предвидеть, как будет меняться скорость при изменении этих факторов.
Вследствие неодинаковых скоростей движения воды в живом сечении поверхность реки не является горизонтальной; при повышении уровня реки к середине притекает более воды, чем к краям, и поверхность принимает выпуклый вид, что весьма наглядно обнаруживается, например, в наших реках до вскрытия льда: лед вследствие прибыли воды к середине принимает также выпуклую форму, причем поверхностные талые воды собираются около берегов, образуя здесь длинные лужи, тогда как поверхность льда посредине остается сухой. При спаде вод стекает наибольшее количество воды серединой реки, и поверхность реки принимает вогнутую форму. Проистекающая от этого разность уровней в Миссисипи достигает 2 м.
Кроме того, поперечный профиль реки искажается центробежной силой, силой Кориолиса, происходящей от вращения земли, и сгоно-нагонными ветрами, дующими поперек реки. Различают два типа движения жидкости - ламинарное и турбулентное.
Если скорость в каждой точке изобразить вектором (стрелкой, дающей направление скорости и ее величину), то при ламинарном движении вектор скорости в каждой заданной точке будет постоянен, не будет меняться. Такое движение жидкости наблюдается в узких трубочках при малых скоростях. В природе к ламинарному приближается движение подземных вод по мелким порам. Частным случаем ламинарного движения будет параллелоструйное.
Турбулентное движение характеризуется непостоянством, изменчивостью вектора скорости в каждой заданной точке живого сечения или вертикали. Эта изменчивость называется пульсацией. Таким образом, при турбулентном движении каждая отдельная частица воды, приходя в заданную точку, будет проходить ее в разных направлениях и с разной линейной скоростью. Турбулентное движение широко распространено в природе. Все достаточно быстро текущие поверхностные воды турбулентны. Можно с уверенностью утверждать, что реки имеют только турбулентное течение. Частным случаем турбулентного движения является вихревое (водовороты, воронки и т. д.).
Вектор скорости турбулентного движения можно разложить на составляющие - горизонтальную, вертикальную и боковую. Горизонтальная составляющая характеризует снос по течению, а вертикальная - перемещение частиц воды вверх или вниз.
Значение турбулентности речного течения исключительно велико. Ею определяется перемешивание речной воды и перенос материала во взвешенном состоянии.
Количество (объем) воды, протекающей через площадь живого сечения в единицу времени, называется расходом реки. Расход за продолжительное время называется стоком. Обычно различают сток годовой, месячный, суточный.
Зная массу воды, протекающей рекой в разные времена года, мы можем составить представление о ее режиме. Для наглядности можно выразить изменение расхода воды графически, обозначая количество воды, протекающее в данное время, прямоугольниками, пропорциональными соответствующим массам воды. Так как определение расхода сопряжено с большими трудностями и произведено для небольшого числа рек, то часто ограничиваются лишь наблюдениями по водомерной рейке над колебанием уровня реки и на основании этих колебаний судят и об изменении расхода, получая эмпирические формулы зависимости расхода от высоты уровня. Эти формулы теряют смысл, если русло неустойчиво (размывается или заносится).
Выпавшие на поверхности осадки, как известно, стекают, растворяются и просачиваются. Просочившаяся вода рано или поздно или испарится или присоединится к стоку, поэтому в среднем за большой промежуток времени можно считать, что выпавшая вода частью испаряется, а частью стекает. Если коэффициент стока равен 30%, то, это значит, что из общего количества выпавших осадков 30% стекли, а остальные 70% испарились.
Величина коэффициента стока определяется общей географической обстановкой - климатом, рельефом, растительностью. Так, для река северной Европы - Невы, Северной Двины, Печоры и др. - коэффициент стока больше 60%, для Дона он около 15%, для Нила - около 4%, для Амазонки - около 30%. Громадное испарение в бассейне Нила и слабое на севере Европы и дает такой резкий контраст. В разные годы для одной и той же реки коэффициент стока меняется в зависимости от количества осадков. Во влажные годы коэффициент стока больше, в засушливые - меньше.
В бессточных областях коэффициент стока равен нулю.
Среди причин, обусловливающих коэффициент стока, на первое место надо поставить климат данной местности. Температура влияет на форму выпадающих осадков и на ход испарения. Высокая температура и малая влажность уменьшают поверхностный сток и прекращают действие неглубоких источников. Во время зимнего покоя прекращается испарение растительности, промерзшая почва мешает проникновению воды в глубину. В местностях с продолжительными холодными зимами выпавший на зиму снег остается лежать до весны. Весной же коэффициент стока сильно повышается талыми водами.
Рельеф тоже оказывает влияние на величину коэффициента стока: значительной величины склон облегчает сток даже на проницаемых породах. Горные потоки после дождя несут громадное количество вод, а в без дождевое время почти пересыхают, не вследствие недостатка осадков, а вследствие того, что воды их слишком быстро стекают. Проницаемые породы обусловливают более равномерный сток, непроницаемые - режим потоков.
В горных местностях лес благотворно действует на режим рек, замедляя сток воды и тем предохраняя горные склоны от размыва. Вообще лес имеет регулирующее влияние на речной сток, уменьшая размер половодья и сохраняя запасы влаги к началу лета. Болота же, вопреки распространенному мнению, неблагоприятны для питания рек. Торф, подобно губке, во влажное время впитывает много воды, а в жары много испаряет. По исследованиям Оппокова, осушение болот не только не влечет за собой обмеления рек, но содействует более правильному их питанию.
Кроме коэффициента стока для характеристики стока пользуются также модулем стока.
Модулем стока называется выраженное в литрах количество воды, стекающее в среднем в одну секунду с 1 кв. км площади бассейна. Инженер Кочерин построил карту изолиний модуля стока для Европейской территории Союза. Зная средний модуль стока бассейна, можно рассчитать величину годового стока, умножив модуль стока на число секунд в году и на площадь бассейна. Также очевидно, что модуль стока тесно связан с количеством осадков, испарением, рельефом, растительностью и характером поверхности.
Скорости течения речного потока (или кинематики потока) подробно изучаются в курсе гидравлики. Здесь же мы обратим внимание лишь на те особенности кинематики потока, которые необходимо знать для понимания основных разделов гидрологии.
Вода в реках движется под действием силы тяжести. Скорость течения зависит от соотношения между величиной составляющей силы тяжести, параллельной линии продольного уклона потока и силы сопротивления, возникающего в потоке в результате трения движущейся массы воды между дном и берегом. Величина продольной составляющей силы тяжести зависит от уклона русла, а сила сопротивления - от степени шероховатости русла. Если сопротивление оказывается равным движущей силе, то движение воды становится равномерным. Если же движущая сила превышает силу сопротивления, движение приобретает ускорение; при обратном соотношении этих сил движение замедляется. Существует две категории движения воды - ламинарное и турбулентное.
Ламинарное движение представляет собой параллелоструйчатое движение. Ламинарное движение отличается следующими особенностями: 1) Все частицы потока движутся в одном общем направлении, не испытывая поперечных отклонений; 2) скорость течения воды плавно возрастает от нуля у стенка русла до максимума на свободной поверхности; 3) скорость течения прямо пропорциональна уклону свободной поверхности и зависит от вязкости жидкости.
Турбулентное движение имеет следующие особенности: 1) скорости потока пульсируют, т. е. направление и величина скорости в каждой точке все время колеблется; 2) Скорость течения от нуля на стенке быстро растет в пределах тонкого придонного слоя; в дальнейшем, по направлению к водной поверхности скорость возрастает медленно; 3) скорость течения воды не зависит или почти не зависит от вязкости жидкости и при отсутствии влияния вязкости пропорциональна корню квадратному из уклона.; 4) частицы воды перемещаются не только вдоль потока, но также по вертикали и в поперечном направлении, т.е. происходит перемещивание всей текущей массы воды.
Таким образом в турбулентном движении установлено, что в открытых потоках амплитуда пульсаций увеличивается от поверхности ко дну. В поперечном сечении потока амплитуда пульсаций возрастает от оси потока к берегам.
В связи с извилистостью и разнообразными формами русел течение воды в реках почти никогда не бывает параллельно берегам, и водный поток разбивается на отдельные так называемые внутпенние течения. Эти течения размывают русло, переносят продукты размыва (наносы) и откладывают их в русле, в результате чего возникают косы, осередки, перекаты, перевалы и другие подводные препятствия.
В речном потоке существуют следующие внутренние течения: 1) течение, вызываемое кривизной русла; 2) течение, возникающее при вращении земли вокруг оси; 3) вращательное (вихревое) движение воды, обусловленное недостаточной обтекаемостью русловых форм.
Различают мгновенную скорость и местную скорость в точке потока. Мгновенной скоростью (U) (см. рис. 1) называется скорость в данной точке потока в данное мгновение. В прямоугольной системе координат мгновенная скорость имеет продольную составляющую, направленную горизонтально вдоль продольной оси потока и вертикальную - направленную по вертикальной оси потока.
В практических расчетах, как правило, приходится иметь дело со скоростями течения, осредненными во времени. Скорость течения в точке потока, осредненная за достаточно продолжительный период времени, называется местной скоростью и определяется выражением
| (1) |
где - площадь графика пульсации скорости в пределах периода времени T (рис. 1).
Рис. 1. График пульсаций продольной составляющей скорости течения воды.
Распределение скоростей в речном потоке.
Распределение скоростей течения воды в речном потоке разнообразно и зависит от типа реки (равнинная, горная и др.), морфометрических особенностей, шероховатости русла, уклона водной поверхности. При всем разнообразии существуют некоторые общие закономерности в распределении скоростей по глубине и по ширине реки.
Рассмотрим распределение продольных скоростей на различных глубинах по вертикали. Если от направления вертикали отложить величины скоростей и соединить их концы плавной линией, то эта линия будет представлять собой профиль скоростей. Фигура, ограниченная профилем скоростей, направлением вертикали, линиям поверхности воды и дна, называется эпюрой скоростей (рис. 2). Как видно из рисунка 2, наибольшая скорость (в открытом потоке) наблюдается обычно на поверхности (U пов). Скорость у дна потока называется донной скоростью (U д).
Если измерить площадь эпюры скоростей и разделить ее на глубину вертикали, то получим величину, которая называется средней скоростью на вертикали и выражается формулой
 | (2) |
Средняя скорость на вертикали открытого потока располагается на глубине от поверхности, равной примерно 0.6h .
Нормальный вид профиля скоростей, показанный на рис. 2, в условиях естественных водотоков может искажаться воздействием различных факторов: неровностями дна, водной растительностью, ветром, ледяными образованиями и др.
При значительных неровностях дна скорость у дна может резко снижаться, примерно так, как показано на рис. 3.
При ветре по течению поверхностные скорости могут увеличиваться, а уровень воды несколько понижаться; при ветре против течения наблюдается обратная картина (рис. 4).
Подобно эпюрам скоростей на вертикалях можно построить эпюру скоростей по ширине реки (рис. 5), например поверхностных или средних скоростей на вертикалях очертания эпюры обычно следуют очертаниям дна; местоположение наибольшей скорости приближенно совпадает с положением наибольшей глубины.
При наличии ледяного покрова влияние шероховатости нижней поверхности льда обуславливает смещение максимальной скорости на некоторую глубину от поверхности, обычно на (0.3-0.4)h (рис. 6а). Если имеется подледная шуга, то смещение максимальной скорости вниз может быть еще более значительным, до (0.6-0.7)h (рис. 6б).
