Прочие материалы

Тема 1. Химические и физические свойства природных вод

1.1. Основные физические свойства воды, снега и льда

Общие свдения. Вода имеет большое значение в жизни Земли. Являясь одним из распространенных и наиболее подвиж­ных природных тел, она участвует почти во всех физических, кли­матических и биологических процессах, совершающихся на Земле.

При анализе гидрологических явлений принимается, что коли­чество свободной воды на Земле сохраняется постоянным. Вода в результате некоторых процессов вступает в прочные соединения с другими веществами и перестает существовать как свободное образование, однако в глубоких слоях земной коры имеют место и обратные процессы: при высоких давлениях и температурах вновь образуется некоторое количество воды.

Жидкая вода в тонких слоях бесцветна, в толстых имеет голу­бовато-зеленый оттенок. Чистая вода, без примесей, почти не про­водит электрический ток. Температура замерзания дистиллирован­ной воды принята за 0° С, а температура кипения при нормальном давлении - за 100° С.

Природная вода никогда не бывает совершенно чистой. Наи­более химически чистой является дождевая вода, но и она содер­жит различные примеси, которые захватывает из воздуха. Попадая на землю, дождевая вода отчасти стекает по поверхности, отчасти просачивается в почво-грунты, образуя подземные воды. Стекая по поверхности земли и в толще почво-грунтов, вода растворяет различные вещества и превращается в раствор. Качественный и количественный характер изменений химического состава раство­ренных веществ и физических свойств воды весьма различен и за­висит от всего комплекса физико-географических условий, в кото­рых совершается процесс круговорота воды на Земле.

Строение воды. Вода состоит из 11,11% водорода и 88,89% кислорода (по весу). При образовании воды с одним ато­мом кислорода соединяются два атома водорода. В молекуле воды атомы водорода и кислорода расположены по углам равнобедрен­ного треугольника: при вершине находится атом кислорода, а в уг­лах при основании - по атому водорода .

Молекула воды характеризуется значительной полярностью вследствие того, что в ней оба атома водорода располагаются не на прямой, проведенной через центр атома кислорода, а как бы по одну сторону от атома кислорода. Это приводит к неравномер­ности распределения электрических зарядов. Сторона молекулы с атомом кислорода имеет некоторый избыток отрицательного за­ряда, а противоположная сторона, в которой размещены атомы водорода, - избыток положительного заряда электричества. На­личием полярности и некоторых других сил обусловлена способ­ность молекул воды объединяться в агрегаты по несколько мо­лекул.

Простейшую формулу H2O имеет молекула парообразной воды - гидроль.

Молекула воды в жидком состоянии представляет собой объедине­ние двух простых молекул (Н2O)2 - дигидроль.

Молекула льда - объединение трех простых молекул (Н20)з - тригидроль.

В парообразном состоянии при температуре свыше 100° С, вода состоит главным образом из молекул гидроля, так как зна­чительная скорость движения молекул при этой температуре на­рушает ассоциацию (объединение) молекул.

В жидком состоянии вода представляет собой смесь гидроля, дигидроля и тригидроля, соотношение между которыми меняется с изменением температуры.

Во льду преобладают молекулы тригидроля, имеющие наиболь­ший объем, а простые, необъединившиеся молекулы в нем отсут­ствуют.

Возможность перехода воды из одного агрегатного состояния в другое (из жидкого в лед или в пар и обратно) определяется температурой и давлением. 

Линия АВ показывает границу равновесия между парооб­разной и твердой водой, линия ВС - между парообразной и жидкой во­дой. При температуре 0,0075°С и давлении 6,1 мб в устойчивом рав­новесии могут одновременно суще­ствовать лед, пар и жидкая вода (точка В на графике).

Если очень чистую воду охлаж­дать, тщательно предохраняя ее от сотрясения, то лед долго не образу­ется, несмотря на низкую темпера­туру; практически такое охлажде­ние производилось до -72° С. Од­нако переохлажденная вода малоус­тойчива: при внесении в нес кристаллика льда или при встряхивании она сразу же превращается в лед. Переохлаждение воды в естественных водоемах на 0,005-0,01° С встречается весьма часто. В грунтах вследствие повышенной минерализации переох­лаждение воды может быть более значительным.


Плотность и удельный объем

Под плотностью воды r по­нимается отношение ее массы m к объему V, занимаемому ею при данной температуре, т.е.

r = m/V где r - в г/см3.

За единицу плотности принята плотность дистиллированной воды при 4° С.

Величина, обратная плотности, т. е. отношение единицы объема к единице массы, называется удельным объемом:

v = V/m где v - в см3/г.

Плотность воды зависит от ее температуры, минерализации, дав­ления, количества взвешенных частиц и растворенных газов.

С по­вышением температуры плотность всех жидкостей, как правило, уменьшается. Вода в этом отношении ведет себя аномально: при температурах выше 4° С плотность ее с повышением температуры уменьшается, а в интервале температур 0-4° С увеличивается. Аномальное изменение плотности воды объясняется особенностями ее строения. При нагревании воды идут два параллельных про­цесса: первый - нормальное увеличение объема за счет увеличения расстояния между молекулами, второй - уменьшение объема бла­годаря возникновению более плотных гидролей и дигидролей.

В зоне температур выше 4° С интенсивнее происходит первый процесс, в интервале 0-4°С - второй. В момент выравнивания влияния, оказываемого этими процессами на изменение объема воды, наступающего при 4° С, наблюдается наибольшая плотность.

Изменения плотности воды на один градус температуры в раз­личных интервалах температуры неодинаковы. Они очень малы около температуры наибольшей плотности и быстро возрастают по мере удаления от нее. Так, при температуре, близкой к 4°С, из­менение плотности воды на один градус температуры составляет 8*10-6, при температуре около 30°С - до 3*10-4.

При переходе воды из жидкого состояния в твердое (лед) плот­ность резко, скачкообразно изменяется приблизительно на 9%; плот­ность дистиллированной воды при 0°С равна 0,99987, а плотность льда, образовавшегося из той же воды при 0°С, равна 0,9167.

С понижением температуры плотность чистого льда несколько возрастает и при -20° С достигает 0,92.

Своеобразный режим изменения плотности воды в связи с из­менениями температуры имеет колоссальное значение в природе. Благодаря этому естественные водоемы (например, озера) при от­рицательных температурах воздуха зимой даже в условиях суро­вого климата не промерзают до дна в случае достаточной глубины водоема. При этом под ледяным покровом остается жидкая вода, потому что при промерзании лед, значительно более легкий, чем вода, остается на поверхности водоема, на дно которого опуска­ются охладившиеся до 4°С наиболее плотные массы воды.

Плотность снега rс выражается в виде от­ношения веса снега к весу воды, взятых в равных объемах, или отношения веса снега Р в граммах к его объему W в кубических сантиметрах

rс = P/W, где вес снега Р в граммах, объем снега W в куб. см.

Слой воды hв, содержащийся в снеге, выражается как произве­дение высоты снега hс на его плотность rс

hв = rс hс

С плот­ностью снега непосредственно связаны пористость, теплопровод­ность, водоудерживающая способность, твердость и другие меха­нические и водно-физические свойства снежного покрова.

Плотность снега колеблется в широких пределах как по вре­мени, так и по площади. Наименьшей плотностью, порядка 0,01 г/см3, обладает свежий снег, выпавший при низкой темпера­туре и безветренной погоде. С течением времени под влиянием ветра и оттепелей снег уплотняется. Сильно промокший и затем смерзшийся снег обладает плотностью до 0,70 г/см3.


Удельная теплота парообразования воды и плавления снега и льда.

Удельной теплотой парообразования L (кал/г) называется количество тепла, необходимое для перевода 1 г воды из жидкого состояния в парообразное без изменения температуры при нормаль­ном атмосферном давлении.

Теплота, затрачиваемая на перевод жидкости в пар, состоит из двух частей

L = L1 + L2,

где L1 - тепло, расходуемое на преодоление межмолекулярных сил сцепления, т. е. на повышение внутренней энергии, и называе­мое внутренней теплотой испарения; L2 - тепло, расходуемое на увеличение объема, занимаемого единицей массы вещества, т. е. на работу против внешнего давления.

С повышением температуры удельная теплота парообразования уменьшается. Эта зависимость может быть охарактеризована сле­дующей эмпирической формулой:

L = 597 - 0,57t, где t - температура испаряющей поверхности, L - в кал/г.

Количество тепла Qис, затрачиваемого на испарение столбика воды высотой E см с площадью основания 1 см2 при плотности воды = 1, определяется по формуле

Qис = EL = Е (597 - 0,570 t), где Qис - в калориях.

Удельной теплотой плавления Lпл называется количество тепла, поглощаемого при переходе 1 г снега или льда в жидкую воду той же температуры. Это же количество тепла выделяется при за­мерзании 1 г воды.

Количество теплоты, поглощаемое при плавлении или выделяе­мое при кристаллизации столбиком чистого льда высотой h см и площадью 1 см2, определяется выражением

Qл = rлhLпл, где Qл - в калориях.

Интересно отметить, что удельная теплота испарения воды и удельная теплота плавления льда значительно больше, чем мно­гих других жидкостей. Эта аномалия объясняется, так же как и аномалия плотности, особенностями строения воды. При переходе жидкой воды в пар и льда в жидкую воду энергия затрачивается не только на преодоление сил взаимного притяжения молекул, но и на разрушение агрегатов двойных и тройных молекул.


Теплоемкость и теплопроводность.

Количество тепла, необ­ходимое для нагревания 1 г воды на 1°С, называется удельной теплоемкостью Cp. В гидрологии теплоемкость обычно выражается в кал/(г*град).

Вода характеризуется наибольшей теплоемкостью по сравнению с другими жидкими и твердыми веществами, за исключением во­дорода и аммиака.

Благодаря большой теплоемкости воды суточные и сезонные изменения ее температуры оказываются менее значительными, чем изменение температуры воздуха, удельная теплоемкость которого в 4 раза меньше, чем теплоемкость воды.

Так же как и плотность, теплоемкость воды изменяется с температурой аномально: при 30°С она наименьшая - 0,9975 кал/(г*град) при 15 и 70°С равна 1,000, при 3,6 и 100°С возрастает до 1,0057; теплоемкость водяного пара при 100°С и давлении 760 мм равна 0,462, теплоемкость льда при 0°С - 0,485, а при 10°С - 0,444 кал/(г*град).

Передача тепла путем молекулярной теплопроводности состоит в том, что повышенные колебания молекул в более нагретых слоях постепенно передаются молекулам смежных слоев и таким обра­зом энергия теплового движения постепенно передается от слоя к слою. В результате возникает поток тепла от более нагретых слоев к слоям с более низкой температурой.

Характеристика молекулярной теплопередачи - коэффициент теплопроводности воды (l) в кал/(см*с*град) при 0°С равен 0,001358 кал/(см*с*град). С повышением температуры он увели­чивается и при температуре 20° С равен 0,00143 кал/(см*с*град).

Коэффициент теплопроводности чистого, лишенного пузырьков воздуха льда равен 0,0054 кал/(см*с*град). С понижением тем­пературы теплопроводность льда несколько уменьшается.

Тепло­проводность снега зависит в значительной мере от его плотности.

Зависимость коэффициента теплопроводности снега lс от его плот­ности может быть выражена в следующей форме:

lс = 0,0067rс2, где rс - плотность снега; lс - в кал/(см*с*град).


Молекулярная вязкость. Поверхностное натяжение.

Вяз­костью жидкости называется ее свойство оказывать сопротивление взаимному передвижению смежных слоев. Вязкость играет двой­ную роль при движении жидкости. С одной стороны, она высту­пает как фактор, формирующий скоростное поле потока, передаю­щий скорости от одного слоя к другому, сглаживающий различие скоростей в соседних точках, а с другой - как фактор, оказываю­щий сопротивление движению, т. е. способствующий превращению механической энергии в тепловую.

Коэффициент вязкости воды (m) зависит от температуры: с повы­шением температуры он значительно уменьшается.

Силы притяжения, действующие между молекулами воды, вы­зывают на поверхностях раздела вода – воздух - твердое тело яв­ление, называемое поверхностным натяжением а. Оно проявляется на границе раздела вследствие разности сил молекулярного при­тяжения, так как поверхностные молекулы испытывают притяже­ние, направленное к массе воды, большее, чем в направлении па­рообразных частиц воды, находящихся в воздухе.

Каждая молекула, расположенная под поверхностью на глу­бине, большей, чем радиус сил молекулярного притяжения, окружена со всех сторон молекулами воды, дей­ствующими на нее с некоторыми силами. Благодаря симметрич­ному расположению эти силы будут компенсироваться. Когда мо­лекула попадает в поверхностный слой воды толщиной, равной радиусу сил молекулярного притяжения, возникает равнодейст­вующая молекулярных сил, направленная внутрь жидкости. Этот радиус превышает радиус самих молекул, но нена­много, так как силы молекулярного притяжения с увеличением расстояния быстро затухают.

РИС. 3. Действие молекулярных сил на молекулу, находящуюся внутри жидкости (а) и вне ее (б)

Водоудерживающая способность (влагоемкость) снега. Образовавшаяся при таянии снега вода перво­начально содержится в виде пленочной и подвешенной капилляр­ной влаги, удерживаемой прочно на поверхности частиц снега и в промежутках между ними молекулярными и капиллярными си­лами.

Относительное количество воды, которое снег способен удер­живать в своих порах и капиллярных промежутках вне зоны ка­пиллярного поднятия в виде гигроскопической, пленочной и ча­стично гравитационной воды, представляет собой водоудерживающую способность (влагоемкость) снега у, определяемую отноше­нием количества жидкой воды hж к общему количеству воды h, содержащейся в данном объеме снега в жидкой и твердой фазах. Водоудерживающая способность снега может быть выражена в процентах или в долях единицы

у = hж/h*100%.

где hж - количество жидкой воды в данном объеме снега в мил­лиметрах; h - общее количество воды, содержащейся в данном объеме снега в жидкой и твердой фазах, в миллиметрах.

Водоудерживающая способность (влагоемкость) снега зависит от степени его перекристаллизации и плотности. Мелкозернистый метелевый снег обладает большей водоудерживающей способностью, чем крупнозернистый при одной и той же плотности. В процессе таяния мелкозернистый снег быстро перекристаллизовывается и его водоудерживающая способность убывает.

Влажностью снега называ­ется количество воды, содержащейся в нем в рассматриваемый мо­мент времени, выраженное в процентах к общему весу пробы влаж­ного снега.

Водоотдача. С развитием процесса таяния промежутки ме­жду частицами снега заполняются водой, сила тяжести которой превосходит капиллярные силы. Появляется так называемая гра­витационная вода, которая под действием силы тяжести передви­гается вниз, пока не достигает почвы, и пока, таким образом, не наступит момент водоотдачи.

Водоотдачей называется процесс поступления воды из снега на почву; интенсивность водоотдачи определяется количеством воды (обычно в миллиметрах слоя), поступающей из снега на поверх­ность почвы за единицу времени.


1.2. Химические свойства воды

В природе нет абсолютно нерастворимых веществ. Все они в той или иной степени подвергаются воздействию воды, отличаясь, друг от друга только количеством переходящего в раствор вещества. Поэтому в естественном состоянии вода всюду представляет собой сложный раствор различных веществ, который принято называть природной водой в отличие от химически чистой воды Н2О.

Таким образом, под химическим составом природных вод надо понимать весь сложный комплекс минеральных и органических веществ, находящихся в разных формах ионно-молекулярного и коллоидного состояния.

С некоторой условностью химический состав природных вод можно разделить на следующие пять групп:

1) главные ионы, т. е. ионы, содержащиеся в наибольшем количестве (хлоридные Сl-, сульфатные SO4-, гидрокарбонатные НСОз-, карбонатные СО3-, натрия Na+; калия К+, магния Mg2+ и кальция Са2+); 

2) растворенные газы (кислород О2, азот N2, двуокись углерода СО2, сероводород H2S и др.); 

3) биогенные элементы (соединения азота,   фосфора, кремния);

4) микроэлементы - соединения всех  остальных химических элементов;

5) органические вещества.

Несколько особое положение занимают ионы водорода Н+, находящиеся в природных водах в очень небольшом количестве, но играющие очень большую роль в химических и биологических  процессах, протекающих в природных водах.

Деление на эти группы в известной мере условно, так как некоторые элементы, например, кальций, калий, также усваиваются и необходимы организмам, как и биогенные элементы, а концентрации биогенных элементов часто бывают еще меньше, чем микроэлементов.

Некоторая условность создается и в результате определения суммарной концентрации нескольких видов ионов, близких по химическим свойствам и поэтому аналитически трудно разделяемых, например, фосфора с мышьяком, кальция с барием и стронцием, хлора с бромом и йодом. Разумеется, существуют аналитические методы и раздельного определения указанных сходных по свойствам элементов. Однако такое определение элементов отнимает много времени и труда и в большинстве случаев ограничивается только суммарной концентрацией с  пересчетом ее на главный определяемый элемент.

Кроме перечисленных компонентов, состав природной воды обладает качественными характеристиками: жесткость, щелочность, окисляемость, агрессивность.

Эти свойства обусловлены не одним, а совокупностью нескольких компонентов состава воды.

Жесткость воды представляет собой свойство природной воды, зависящее от наличия в ней главным образом растворенных солей кальция и магния. Суммарное содержание этих солей называют общей жесткостью (мг-экв/дм3, мг-экв/л).

Классификация: мягкая (12 мг-экв/л).

Щелочность - способность сильной кислоты реагировать с различными компонентами природной воды. Поскольку в большинстве природных вод преобладают карбонаты, то обычно различают лишь гидрокарбонатную и карбонатную щелочность. В редких случаях, при рН>8.5 возникает гидратная щелочность.

Окисляемость - это величина характеризует содержание в воде органических и минеральных веществ, окисляемых (при определенных условиях) одним из сильных химических окислителей.

Химическое потребление кислорода (ХПК) - показатель, характеризующий суммарное содержание в воде органических веществ по количеству израсходованного на окисление химически связанного кислорода.

Биохимическое потребление кислорода (БПК) – количество кислорода в миллиграммах, требуемое для окисления находящихся в 1 л воды органических веществ в аэробных условиях, без доступа света, при 20°С, за определенный период в результате протекающих в воде биохимических процессов.

Агрессивность - способность воды и растворенных в ней веществ разрушать путем химического воздействия различные материалы (бетон, металлы и т.д.).

Широко распространено еще понятие минерализация воды, под которым понимают сумму всех найденных при анализе минеральных веществ в мг/л или г/кг (при сумме больше одного г/кг), содержащихся в данной воде.

В океанологии вместо минерализации употребляется термин соленость.


В воде растворяются твердые, жидкие и газообразные вещества, которые делятся на три группы:

- хорошо растворимые (в 100 г воды растворяется более 10 г вещества);

- плохо растворимые, или малорастворимые (в 100 г воды растворяется менее 1 г вещества);

- практически не растворимые (в 100 г воды растворяется менее 0,01 г вещества).

Горные породы и минералы как источники солей для минерализации природных вод целесообразно разделить на три группы:

а) изверженные, магматические породы, образующие растворимые соли при их разложении;

б) соли, рассеянные в сухом, растворенном или адсорбированном состоянии в различных осадочных породах;

в) минералы и растворимые соли, находящиеся в виде скоплений или залежей (известняки, мергели, доломиты, гипсы, каменная соль и пр.).

Наиболее часто используется классификация вод по степени минерализации

< 0.2 мг/л - ультрапресные

0.2 - 0.5 мг/л - пресные

0.5 - 1.0 мг/л - воды с относительно повышенной минерализацией

1.0 - 3.0 мг/л - солоноватые

3 - 10 мг/л - соленые

10 - 35 мг/л - воды повышенной солености

> 35 мг/л – рассолы

Можно использовать и другую классификацию:

Пресные                            -       до 1,0 г/кг

Солоноватые                     -       1—25г/кг

С морской соленостью    -       25—50г/кг

Рассолы                            -       выше 50г/кг

Кроме минерализации, существует ещё близкое к ней по величине понятие сумма ионов, т. е. сумма всех видов ионов в мг/л или г/кг, концентрация которых больше 0, 1 мг/л.


1.3. Характеристика состава природных вод

В природных водах всегда присутствуют газы в растворенном состоянии. Их качественный и количественный состав зависит от природных условий, в которых находится вода. Происхождение этих газов связано:

а) с составом атмосферы (азот N2, кислород О2, аргон Аr и другие инертные газы, двуокись углерода СО2),

б) с биохимическими процессами (двуокись углерода, метан СН4 и другие тяжелые углеводороды, сероводород Н2S, азот N2, водород Н2);

в) с процессами дегазации мантии и метаморфизацией гордых пород в глубинных слоях земной коры при высоких температурах и давлении (двуокись углерода, окись углерода СО, сероводород, водород, метан, аммиак  NH3, хлористый водород HCl и другие соединения водорода с галогенами и бором).

Первая группа газов характерна главным образом  для вод земной поверхности и подземных, в которые проникают инфильтрационные воды с поверхности,   вторая - для поверхностных и подземных вод и третья - в основном для подземных вод.

Наиболее широко распространены в поверхностных водах кислород и двуокись углерода, в подземных - сероводород и метан.

Источники образования органического вещества по происхождению органических веществ в природных водах могут быть разделены на:

1)   поступающие извне (с водосборной площади)

2)   образующиеся в самом водоеме.

К биогенным элементам в природных водах относятся азот, фосфор и кремний в различных соединениях. Они имеют особое значение в развитии жизни в водоемах. Азот и фосфор являются обязательными составными частями тканей каждого живого организма. Выделение этой группы до некоторой степени условно, так как в жизненных процессах, происходящих в природных водах, участвует и ряд других элементов (Са, Мg, К и др.).

Микроэлементы представляют собой самую большую группу состава природных вод в нее входят все остальные элементы периодической системы.  Условно их можно разделить на пять подгрупп:

1) типичные катионы (Li, Rb, Cs, Ве, Sr , Ва и др),

2) ионы тяжелых металлов (Сu, Аg, Аu, РЬ , Fe, Ni, Со и др);

3) амфотерные комплексообразователи (Сг, Мо, V, Мn);

4) типичные анионы (Br, J, F, В),

5) радиоактивные элементы.


Факторы, определяющие формирование химического состава природных вод, могут быть разделены на две основные группы.

1. Прямые факторы, непосредственно  воздействующие на воду (т. е. действие веществ, которые могут,  обогащать воду растворимыми соединениями, или, наоборот, выделять их из воды):

- горные породы,

- почвы,

- живые организмы,

- деятельность человека.

2. Косвенные факторы, определяющие условия, в которых протекает взаимодействие веществ с водой:

- климат,

- рельеф,

- водный режим,

- растительность, 

- гидрогеологические,

- гидродинамические условия и пр.

Действие этих факторов проявляется косвенно, через прямые факторы, однако, роль их при этом в формировании состава воды часто бывает решающей. В свою очередь все косвенные факторы тесно взаимосвязаны между собой.


Климат прежде всего определяет баланс тепла и влаги, и от которого зависит увлажненность местности и величина водного стока, а следовательно, разбавление или концентрирование природных растворов, и возможность растворения веществ или выпадения в осадок.

С климатическими условиями  связано направление движения почвенных и грунтовых растворов вблизи поверхности Земли. От климатических характеристик также зависят условия взаимодействия воды с породами, процесс выветривания горных пород тип почвообразования и растительности и характер разложения остатков последней, что в свою очередь влияет на минерализацию воды. Климатические условия определяют не только количество, но и характер атмосферных осадков (дождь, снег), их распределение в течение года, условия миграции различных элементов, промерзаемость почвы, существование вечной мерзлоты, с которыми тесно связан гидрохимический режим вод на поверхности Земли и вблизи нее.

Роль климатических условий нельзя игнорировать и для подземных вод, влияние которых прослеживается на значительную глубину. Влияние климата на химический состав, воды настолько существенно, что часто является решающим фактором, определяющим не только величину минерализации воды, но и ее состав. Климат создает общий фон, на котором происходит большинство процессов, влияющих на формирование химического состава природных вод.

Важнейшим фактором состава природных вод является также рельеф местности, хотя его роль носит менее явный характер. С рельефом местности связаны условия поверхностного и подземного стока, водный и солевой режим почв, освещенность склонов и расчлененность местности, способствующая созданию неоднородности состава воды, заболоченность местности, обусловливающая специфический состав воды, и др.

Существен в формировании химического состава воды и водный режим водоёмов, который в свою очередь зависит от ряда физико-географических условий. Состав воды рек зависит от времени наступления половодья, от характера их питания. Влияет на изменение состава воды рек также и их протяженность, которая определяет различие гидрологического режима отдельных частей реки, наличие притоков, протекание реки через водоем и мн. др. Наличие стока из озера определяет величину минерализация воды, водообмен между отдельными его частями. Минерализация подземных вод в сильнейшей мере зависит от степени влияния поверхностных вод на данный водоносный горизонт, наличия трещин, скорости движения воды в породах.

Растительность, помимо прямого воздействия в водоемах на состав растворенных газов, обмен с ионным составом и растворенные органические вещества, большую роль играет и на суше, где она формирует почвы, создает запасы растительных остатков, являющихся основным источником растворенных органических веществ, смываемых в водоемы с  поверхности. Продукты трансформации остатков органических веществ определяют условия для подвижности многих элементов (особенно микроэлементов), способствуя образованию комплексов и, влияя на величину рН.


1.4. Классификации состава природных вод

Классификация С.А. Щукарева основана на делении вод по шести главным ионам, присутствующим в воде в количестве, большем, чем 12,5 % -экв.

Такими могут быть только. Na, Мg, Са, Сl, SO4 и НСО3. Комбинацией трех катионов с тремя анионами можно получить 49 сочетаний, которые, по С. А. Щукареву, соответствуют 49 классам природных вод. Например, состав девятого класса воды определяется присутствием ионов Са, Мg, НСО3 и SO4  в количестве, большем, чем 12,5 %-экв каждого из них, считая сумму эквивалентов анионов за 50 %. 

Классификация О. А. Алекина сочетает принцип деления по преобладающим анионам и катионам с делением по  количественному соотношению между ними. Все природные воды делятся сначала по преобладающему аниону (по эквивалентам) на три класса гидрокарбонатных и карбонатных, сульфатных и хлоридных вод. Каждый класс по преобладающему катиону подразделяется далее на три группы кальциевую, магниевую и натриевую. Каждая группа в свою очередь подразделяется на четыре типа вод, определяемых соотношением между ионами в эквивалентах.

1. НСО3->Са2++Мg ,

2. НCОз-<Са2++Mg2+3-+SO42- ,

3.НCОз-+SO42-<Са2++Mg2+илиСl->Na+,     
           4. НCОз- = 0.         

Воды типа 1 образуются или в процессе химического выщелачивания изверженных пород, или при обменных процессах Са и Mg на Na. Эти воды чаще всего маломинерализованные, исключение составляют бессточные озера, питаемые подобными водами.

Воды типа 2 - смешанные. Состав их может быть связан генетически как с осадочными породами, так и с продуктами выветривания изверженных пород. К этому типу относятся воды большинства рек, озер и подземные воды малой и умеренной минерализации.

Воды типа 3 - метаморфизированные. Они включают какую-то часть сильноминерализованных вод или вод, подвергшихся катионному обмену Na на Са или   Mg. К этому типу относятся воды океана, морей, лиманов реликтовых  водоемов и многие другие сильноминерализованные воды.

Для лучшей дифференциации состава воды типа 3 Е В. Посохов предложил ввести еще два подтипа

3а — с соотношением ионов Сl < Na+Мg,

3б — с соотношением ионов Сl > Nа+Мg.

Подтип 3б особенно характерен для сильно минерализованных вод лагунного происхождения. В водах этого подтипа Сl уравновешивает даже часть ионов кальция.

К типу 4, характеризуемому отсутствием НСОз-, относятся кислые воды, загрязнённые.


Классификация В.А.Александрова служит для характеристики лечебных вод. Воды по этой классификации подразделяются на 5 классов по аниону, превышающему 12,5 % экв, каждый из которых делится по преобладающим катионам:

- гидрокарбонатный,

- сульфатный,

- хлоридный,

- нитратный,

- смешанный — включает воды, содержащие одновременно разные анионы в количестве 12,5 % экв.

Кроме этих пяти классов, различающихся по ионному составу, предусматривается одновременное разделение вод по их особым свойствам.

А. Воды с активными ионами а) железистые (>10 мг/л),  б) мышьяковистые (>1 мг/л), в) йодо-бромистые (Вг> 25 мг/л, ,1>10 мг/л), г) кремнистые (>50 мг/л), д) с другими активными ионами (F, В, Li, Со и др.).

Б. Газовое воды а) углекислые (>075 г/л), 6) сероводородные (>10 мг/л), в) радоновые (>10 ед. Махе), г) другие (азотные, метановые и др ).      

В. Нормальные воды а) теплые (20—37°), б) горячие (>37°).

Тема 4. Гидрология водохранилищ

Основные особенности гидрологического режима водохранилищ

Интенсивное использование водных ресурсов связано с созда­нием водохранилищ различных размеров, позволяющих накапли­вать воду в период избытка речного стока и использовать ее затем для выработки энергии, водоснабжения, орошения полей, повыше­ния глубин рек в межень и др.

Водохранилищеискусственный водоём, образованный, как правило, в долине реки водоподпорными сооружениями для накопления и хранения воды в целях её использования в народном хозяйстве.

Для всех водохранилищ характерны:

- возрастание глубин по направлению к плотине, исключая те из них, в состав которых вошли глубокие озёра;

- весьма замедленные по сравнению с рекой водообмен и скорости течения;

- неустойчивость летней термической и газовой стратификации и некоторые другие особенности гидрологического режима.

Водохранилища в зависимости от их морфологических и гидро­логических особенностей можно разделить на несколько групп.

Так, по величине напора, создаваемого плотиной, среди крупных водо­хранилищ можно выделить:

1) равнинные с напором 15—35 м;

2) предгорные с напором 50—100м;

3) горные с напором у плотины 200 м и более.


Типы водохранилищ:

- речные или русловые, которые располагаются в долинах рек. Имеют вытянутую форму, течения в них обычно стоковые; водная масса по своим характеристикам близка речным водам. В условиях ши­роких долин приобретают ясно выражен­ные черты искусственных озер.

- озёрные, для которых характерно формирование водных масс, существенно отличных по своим физическим свойствам от свойств вод притоков. Течения в этих водохранилищах связаны больше всего с ветрами.

Образуются:

- на горных реках с большими уклонами;

- на равнинных реках, когда затапливаются не только долины, а и водораздельные пространства и междуречья. Поэтому озерные водохранилища не имеют четко выраженной русловой формы и многократного превышения длины над максимальной шириной.

Основными параметрами водохранилища являются объём, площадь зеркала и амплитуда колебания уровней воды в условиях его эксплуатации.


Режим уровней.

Участок реки выше плотины называется верхним бьефом. В нем происходит накопление воды и повышается уровень в результате подпора, который распространяется в больших водохранилищах на сотни км.

Ниже плотины располагается участок реки – нижний бьеф.

Естественный режим реки преобразуется как в верхнем, так и в нижнем бьефе в зависимости от величины подпора, количества воды, накопившейся в водохранилище, и типа регулирования речного стока, т. е. искусственного перераспределения его во времени.

Водохранилища бывают многолетнего, сезонного, годичного, недельного и суточного регулирования стока, задачей которых является перераспределение стока между маловодными и многоводными годами, между отдельными сезонами в каждом году, неделями и сутками.

В водохранилище различают (Рис. 1):

 

clip_image001[4]

Рис. 1. Характерные уровни водохранилища.

- НПУ или НПГ - нормальный подпорный уровень (горизонт)— высший подпорный уровень, который плотина может поддерживать в течение длительного времени при обеспечении нормальной эксплуатации всех сооружений. Это наивысший проектный уровень верхнего бьефа, выше которого подъем уровня в водохранилище, как правило, не разрешается.

- ФПУ - форсированный подпорный уровень — высший подпорный уровень, который можно поддерживать недолгое время в период пропуска очень больших половодий и паводков, обеспечивая сохранность сооружений.

УМО - уровень мёртвого объёма — минимальный уровень, допустимый в условиях нормальной эксплуатации.

Быстрое наполнение и сработка водохра­нилищ создают резкие колебания уровней. Интенсивность этих ко­лебаний зависит от соотношения объема притока и расходования воды из водохранилища. На крупных водохранилищах колебания уровней вследствие изменения условий притока и расходования воды осуществляются в течение годового цикла, при этом уровни достигают наивысшей отметки весной при заполнении водохранилища и снижаются до наименьших отметок к концу зимы.

На водохранилищах малой (по отношению к притоку) емкости уровни колеблются значительно более резко, существенно изменя­ясь в течение суток и даже нескольких часов.


Условия водообмена.

Особенностью водохранилищ является их относительно большая проточность по сравнению с озерами такой же площади. Вследствие повышенной проточности наблюдаются более высокие скорости постоянных течений.

Сравнительно быстрая смена водных масс обеспечивает боль­шее выравнивание температуры в водохранилищах, чем обычно наблюдается в озерах, а это в свою очередь приводит к меньшему нагреву поверхностных слоев воды по сравнению с теми усло­виями, которые имели бы место на озерах той же площади, распо­ложенных в однородных климатических условиях.

Отложение наносов в водохранилищах.

Общими чертами процесса отложения наносов в водохранилищах разных типов яв­ляются:

- формирование области интенсивного отложения более крупных наносов в зоне выклинивания подпора;

- распространение мелких фракций по акватории водохранилища.

Часть наносов мел­ких фракций выносится за пределы водохранилища при сбросе воды из него.

В периоды сработки водохранилища зона выклинивания под­пора перемещается к плотине и соответственно происходит пере­движение области сосредоточенного отложения наносов. Этот про­цесс, повторяющийся периодически, способствует передвижению донных наносов к плотине и заполнению ими мертвого объема во­дохранилища. Чем меньше относительная емкость водохранилища, тем резче выражен этот процесс.

Более мелкие фракции распределяются по всей акватории с уси­лением процесса отложения в пределах затопленных пойм и дру­гих участков, где наблюдаются особо малые скорости течения.

Интенсивность заполнения водохранилища наносами зависит от его емкости и годового стока наносов.

Для водохранилищ озеровидного типа количество наносов, выносимых вместе со сбросом воды, весьма невелико, и поэтому интенсивность годичного заполнения водохранилища наносами мо­жно принимать равной отношению мертвого объема к объему го­дового стока наносов. В русловых водохранилищах в силу их зна­чительно большей проточности задерживается только некоторая часть из поступающих в них наносов. Несмотря на это, русловые водохранилища, обладая существенно меньшими объемами по сравнению с озеровидными водохранилищами, заиливаются значи­тельно быстрее.

В русловых водохранилищах, создаваемых на реках, обладаю­щих весьма высокой мутностью, может возникать донный поток тя­желой смеси, двигающийся от зоны выклинивания подпора до самой плотины.


Формирование берегов.

С созданием водохранилищ ко­ренному переформированию подвергаются затапливаемые речные долины, особенно в береговой зоне водохранилища. Процессы, про­исходящие при формировании берегов водохранилищ, весьма су­щественно отличаются от тех, которые наблюдаются в береговой зоне озер.

Имеющиеся движения твердых частиц, образующих берег, обычно приводят к их перемещению в берего­вой зоне без существенного сноса в глубинную область. После со­здания водохранилищ ветровые волны, достигающие иногда вы­соты 3 м, сразу начинают интенсивно размывать склоны речной до­лины, которые до этого не соприкасались с водой и имели профиль, сформированный в условиях отсутствия постоянного воздействия воды. Внезапное нарушение условий существования склонов реч­ных долин, превращаемых в берега водохранилищ, приводит к стремительному одностороннему их преобразованию.

Можно сказать, что береговая зона водохранилищ на­ходится в стадии преобразования. В процессе преобразования бере­говой зоны водохранилищ даже в течение одного летнего сезона могут происходить обрушения берегов на расстоянии нескольких десятков метров от первоначального положения. При этом высота откосов может достигать 40—60 м и более. Общая зона разруше­ния береговой области до момента образования более или менее устойчивых береговых очертаний может достигать нескольких (двух-трех) километров.

В условиях водохранилищ, создаваемых подпором больших рек, основным фактором, определяющим процесс формирования береговой области, является ветровое волнение. Скорости течения, определяемые транзитными расходами воды, в больших водохранилищах малы для того, чтобы создать значительные размывы бе­регов.

При движениях воды, связанных с действием ветра, в том числе и сгонно-нагонных, так или иначе связанных с волнением, создаются скорости, способные размывать берега и дно, перемещать большие массы грунта (Рис. 2).

clip_image002[4]

Рис. 2. Схема образования береговой отмели водо­хранилища.

abc - первоначальный берег, H — глубина на внешнем крае береговой отмели, mб — под­водный склон береговой отмели, тксклон подводного бе­рега, debпризма отложений; bfq — призма размыва.

Под действием указанных причин первоначальный берег, линия профиля которого abc разрушается. Про­дукты разрушения отлагаются вниз по откосу в виде подводной бе­реговой отмели или береговой платформы. Рост береговой отмели и разрушение берега продолжаются, постепенно затухая, до тех пор, пока отмель не образует надежную защитную полосу, выполненную на поверхности из достаточно крупных частиц грунта, в пределах которой волны теряют значительную часть своей энер­гии и перестают действовать разрушающе на берега.

Емкость водохранилища постепенно изменяется благодаря процессам заиления, которое происходит путем осаждения в чаше водохранилища наносов, приносимых рекой и впадающими притоками, а также материалов, образующихся при подмыве и разрушении берегов, оседании на водную поверхность частиц приносимых ветром (эоловый перенос), отмерших остатков живых организмов.


Ледовый режим.

С образованием водохранилищ резко из­меняются термический режим и ледовые условия, наблюдавшиеся до этого на реке. Вместе с тем они существенно отличаются и от условий, наблюдающихся на озерах, расположенных в тех же кли­матических зонах. Эти отличия возникают прежде всего вследствие того, что амплитуда колебания уровней и степень проточности во­дохранилищ, как указывалось выше, являются существенно боль­шими, чем у озер.

В результате сработки уровня ледяной покров в прибрежной зоне водохранилищ деформируется, оседает на бе­рега и ломается. Режим нарастания и таяния ледяного покрова в центральной части водохранилища существенно не отличается от наблюдаемого на озерах.

Начало замерзания наступает одновременно с появлением льда на реках, который выносится в водохранилище.

Сплошной ледяной покров на водохранилищах устанавливается раньше, чем на соот­ветствующих участках рек в естественном состоянии. Это происхо­дит потому, что в водохранилищах скорости течения значительно меньше, чем в реках. В период ледостава на водохранилищах могут появляться полыньи, возникающие в суженных участках, где значительные скорости. При снижении уровня воды часть льда на мелководье может ложиться на дно и порой занимает значительные площади. Весной при наполнении водохранилищ этот лед всплывает.

Вскрытие водохранилищ начинается несколько позже, чем вскрытие рек, где разрушение ледяного покрова происходит в ре­зультате воздействия скорости течения.

Тема 6. Гидрология рек

Гидрографическая сеть. Речные системы. Главные реки и их притоки. Вода, поступающая на поверхность земли в виде осадков или выходящих подземных потоков, собирается в пониже­ниях рельефа и, стекая под действием силы тяжести в направлении понижения местности, образует поверхностные водотоки.

Поверхностные водотоки в зависимо­сти от их величины и физико-географических условий, в которых они протекают, могут быть постоянно или периодически действую­щими. Система постоянно и временно действующих водотоков и озер образует гидрографическую сеть поверхности суши. К гид­рографической сети не относятся многочисленные небольшие струйки воды, временно образующиеся в период таяния снега или выпадения жидких осадков, а также временные скопления воды, возникающие в небольших многочисленных понижениях местности.

Когда рассматривается система постоянно и временно дейст­вующих водотоков, применяется термин русловая сеть. Часть рус­ловой сети, включающая достаточно крупные, преимущественно постоянные русловые потоки, объединяется понятием речной сети. В строении гидрографической (русловой) сети можно выделить следующие основные звенья, последовательно сменяющиеся от верховьев вниз по течению: ложбины, лощины, суходолы, речные до­лины (Рис. 1).

clip_image002

Рис. 1. Схема основных звеньев гидрографической сети.

I — основные звенья сети; II — поперечные профили.


Ложбинаверхнее (по течению) звено гидрографической сети, представляет собой слабовыраженную, вытянутую впадину водно-эрозионного происхождения с пологими, обычно задернованными склонами и ровным, вогнутым, наклонным дном.

Лощина — следующее за ложбиной звено гидрографической сети, отличающееся от ложбины большей глубиной вреза, большей высотой и крутизной склонов и появлением форм донного и бере­гового размыва или ветвистого русла.

Суходол — преддолинное нижнее звено гидрографической сети без постоянного водотока; характеризуется асимметрией склонов и наличием извилистого русла временного потока.

Долинанаиболее полно разработанное деятельностью воды звено гидрографической сети, характеризующееся большой протя­женностью и наличием постоянного потока (речные долины).

Река – естественный водный приток, протекающий в вытянутых понижениях земной поверхности и имеющий относительно постоянное и разработанное им русло, по которому осуществляется сток воды.

Речная система - сово­купность рек, впадающих в рассматриваемую главную реку, вме­сте с главной рекой.

Речная система включает в себя одну главную реку, ряд прито­ков главной реки, притоки этих притоков и т. д. Реки, непосредст­венно впадающие в главную реку, называются притоками первого порядка. Притоки второго порядка по отношению к главной реке - реки, впадающие в притоки первого порядка, и т. д.

В последнее время находит применение иная классификация притоков (по Хортону). В этой классификации самые малые, неразветвленные притоки относятся к первому порядку (классу); следующие, принимающие в себя притоки первого по­рядка,— ко второму порядку; реки, принимающие притоки первого и второго порядка, относятся к притокам третьего порядка и т. д. вплоть до главной реки, которую относят к самому высшему по­рядку, характеризующему одновременно порядок всей системы (Рис. 2).

clip_image004

Рис. 2. Структура и морфологические характеристики речной сети.

а — схема речной системы; б — зависимость относительной глу­бины (h/В) от порядка потока (N) и среднего годового расхода (Q0). I-VIIIпорядки естественных потоков.


Исток и устье реки. Основные виды устьев. Устьевые об­ласти. Место начала реки называется истоком. Начало река может получить из ручьев и ключей, ледника, озера или болота. Когда река образуется от слияния двух рек, место слияния является нача­лом этой реки, однако за исток ее следует принимать место начала более длинной из двух слившихся рек. В этом случае можно разли­чать гидрографическую длину реки, т. е. длину от наиболее удален­ного истока, и длину реки данного названия.

При определении длины реки по карте необходимо прежде всего установить признаки выделения истока и устья.

В том случае, когда река образуется слиянием двух рек без названия, за исток реки принимается исток водотока большей длины, а при одинаковом их протяжении — исток левой состав­ляющей.

При образовании реки в результате слияния двух рек, имеющих самостоятельные названия, за начало этой реки принимается место слияния образовавших ее рек. Однако за исток рек в таких случаях, как и в случае слияния двух рек без названия, следует принимать исток водотока боль­шей длины.

Впадая в другую реку, озеро или море, река образует устье. Если река впадает в реку, озеро или море двумя рукавами, за устье принимается устье более крупного рукава. При наличии дельты за устье принимается устье основного рукава. Если река оканчивается оросительным или ирригационным веером, за устье принимается место разветвления реки на оросительные каналы.

Кроме истока и устья, на сравнительно крупных реках выделяют участки верхнего, среднего и нижнего течения. Для указанного разграничения общего протяжения реки на уча­стки не существует твердо установленных условий. Это деление про­изводится с учетом изменения вниз по течению реки рельефа мест­ности, скоростей течения, водности потока и других его характе­ристик.

В устьях рек возникают своеобразные процессы, связанные с от­ложением выносимых рекой наносов и взаимодействием вод впадающей реки и водоема, их принимающего (река, озеро, море).

При впадении в море или озеро река часто отлагает значитель­ное количество наносов и в этом случае создает многорукавное устье, называемое дельтой. Чем меньше несет река наносов, тем слабее выражены дельтовые формы. Приливы, отливы и морские течения затрудняют образование дельт. В этих случаях река часто вливается в море одним широким руслом, образуя губу, или эстуарий.

Особой формой эстуариев являются лиманы, представляющие собой затопленную морем устьевую часть долины. Образование ли­манов происходит при опусканиях береговой полосы. Лиманы со­храняют характерную извилистость речной долины. В отличие от лимана, участок моря, примыкающий к морскому берегу и отде­ленный от основного морского пространства косой, называется лагуной.

Таким образом, лиман представляет собой как бы часть реки, лагуна же является частью моря, примыкающей к устью реки.

Наносы, выносимые реками в море, откладываясь за пределами устья, образуют мелководное взморье — бар.

В конце нижнего течения реки при впадении ее в море и в пре­делах прибрежной части моря образуется переходная зона. На про­тяжении этой зоны под влиянием моря режим реки существенно изменяется: скорости течения уменьшаются, в реку проникают приливо-отливные течения, происходит смешение речной и мор­ской воды, ширина реки резко возрастает и образуется дельта или эстуарий.


В свою очередь прибрежная часть моря, непосредственно при­легающая к устью реки, испытывает влияние впадающей реки. Это влияние сказывается в понижении солености морской воды, в рас­пределении глубин, течений и изменении других характеристик гид­рологического режима. Указанная переходная зона называется устьевой областью. В пределах этой области в свою очередь разли­чают предустьевое взморье и приморский участок реки (Рис. 3).

clip_image006

Рис. 3. Районирование морского устья реки.

Приморский участок реки делится на предустьевой и усть­евой участки. Предустьевой участок реки имеет речной ре­жим, только временами нару­шаемый сгонно-нагонными и приливо-отливными явлениями. Его верхний створ находится на границе проникновения этих явлений, нижний —в месте раз­деления реки на рукава, а при однорукавных устьях и эстуа­риях — в сечении, где постоян­но наблюдается смешение реч­ной и морской воды.

Устьевой участок реки про­стирается от нижнего створа предустьевого участка до предустьевого взморья. По ширине устьевой участок ограничива­ется коренными берегами до­лины, а если они нечетко выра­жены, то линией наибольшего разлива в половодье.

Предустьевое взморье занимает пространство от нижней гра­ницы устьевого участка до зоны, дальше которой влияние реки на морской режим уже не прослеживается.


Выделяют следующие типы устьевых областей (Рис. 4):

clip_image008

Однорукавное устье.

clip_image010

Эстуарий.

clip_image012

Островное устье.

clip_image014

Лопастное устье.

clip_image016

Многорукавное, ветвящееся устье.

clip_image018

Блокированное, ли­манное устье.


Скорости течения воды и распределение их по живому сечению

Скорости течения в реках неодинаковы в различных точках по­тока: они изменяются и по глубине и по ширине живого сечения. На каждой отдельно взятой вертикали наименьшие скорости наблю­даются у дна, что связано с влиянием шероховатости русла. От дна к поверхности нарастание скорости сначала происходит быстро, а затем замедляется, и максимум в открытых потоках достигается у поверхности или на расстоянии 0,2H от поверхности.

Кривые из­менения скоростей по вертикали называются годографами или эпюрами скоростей (рис. 5).

clip_image020

Рис. 5. Эпюры скоростей.

а — открытое русло, б — перед препятствием, вледяной покров,

г — скопление шуги.

На распределение скоро­стей по вертикали большое влияние оказывают:

- неровности в рель­ефе дна,

- ледяной покров,

- ветер,

- водная растительность.

По ширине потока скорости как поверхностная, так и средняя на вертикалях меняются довольно плавно, в основном повторяя распределение глубин в живом сечении: у берегов скорость меньше, в центре потока она наибольшая.

Линия, соединяющая точки на поверхности реки с наибольшими скоростями, называется стреж­нем.

Наглядное представление о распре­делении скоростей в жи­вом сечении можно полу­чить построением изотах — линий, соединяющих в живом сечении точки с одинаковыми скоростями (рис. 6).

Область макси­мальных скоростей рас­положена обычно на не­которой глубине от по­верхности. Линия, соеди­няющая по длине потока точки отдельных живых сечений с наибольшими скоростями, называется динамической осью потока.

Средняя скорость на вертикали вычисляется делением площади эпюры скоростей на глубину вертикали или при наличии измеренных скоростей в характерных точках по глубине (vпов, v0,2, v0,6, v0,8, vдон) по одной из эмпирических формул, например

clip_image022

clip_image024

Рис. 6. Изотахи в живом сечении речного потока.


Средняя скорость в живом сечении. Формула Шези

Для вычисления средней скорости потока при отсутствии непосредственных измерений широко применяется формула Шези:

clip_image026

или

clip_image028

где Hср — средняя глубина, R - гидравлический радиус, С — скоростной коэффициент, зависящий от шероховатости русла и гидравлического радиуса, i – уклон водной поверхности на участке реки.

Величина коэффициента С не является величиной постоянной. Для ее определения существует несколько эмпирических формул. Приведем две из них:

формула Манинга

clip_image030

формула Базена:

clip_image032

формула Павловского

clip_image034

где п — коэффициент шероховатости, находится по специальным таблицам. Переменный показатель в формуле Павловского определяется зависимостью:

clip_image036

Его еще можно вычислить по таким упрощенным формулам:

при R < 1 м clip_image038

при R > 1 м clip_image040

Из формулы Шези видно, что скорость потока растет с увеличе­нием гидравлического радиуса или средней глубины. Это происхо­дит потому, что с увеличением глубины ослабевает влияние шеро­ховатости дна на величину скорости в отдельных точках вертикали и тем самым уменьшается площадь на эпюре скоростей, занятая малыми скоростями. Увеличение гидравлического радиуса приводит и к увеличению коэффициента С. Из формулы Шези следует, что скорость потока растет с увеличением уклона, но этот рост при тур­булентном движении выражен в меньшей мере, чем при ламинар­ном.


Поперечные циркуляции

Одной из особенностей движения воды в реках является непараллельноструйность течений. Она отчетливо проявляется на за­круглениях и наблюдается на прямолинейных участках рек. На­ряду с общим параллельным берегам движением потока в целом имеются внутренние течения в потоке, направленные под различ­ными углами к оси движения потока и производящие перемещения водных масс в поперечном к потоку направлении.

На стрежне вследствие больших скоростей на поверхности воды происходит втягивание струй со стороны, в ре­зультате в центре потока создается некоторое повышение уровня. Вследствие этого в плоскости, перпендикулярной направлению те­чения, образуются два циркуляционых течения по замкнутым кон­турам, расходящиеся у дна (рис. 7а). В сочетании с поступатель­ным движением эти поперечные циркуляционные течения приобре­тают форму винтообразных движений. Поверхностное течение, направленное к стрежню - сбойное, а донное расходящееся — веерообразное.

clip_image042

Рис. 7. Циркуляционные течения на прямолинейном (а) и на изогнутом (б) участке русла (по Н. С. Лелявскому).

1 план поверхностных и донных струй, 2 — циркуляционные тече­ния в вертикальной плоскости, 3 — винтообразные течения.

На изогнутых участках русла струи воды, встречаясь с вогнутым берегом, отбрасываются от него. Массы воды, переносимые этими отраженными струями, обладающими меньшими скоростями, накладываясь на массы воды, переносимые набегающими на них следую­щими струями, повышают уровень водной поверхности у вогнутого берега. Вследствие этого возникает перекос водной поверхности, и струи воды, находящиеся у вогнутого берега, опускаются по от­косу его и направляются в придонных слоях к противоположному выпуклому берегу. Возникает циркуляционное течение на изогнутых участках рек (рис. 7б).

Появление поперечных течений на закруглениях русла объ­ясняется развивающейся здесь центробежной силой инерции и связанным с ней поперечным уклоном водной поверхности. Центробежная сила инерции, возни­кающая на закруглениях, неодинакова на различных глубинах.

clip_image044

Рис. 8. Схема сложения сил, вызывающих циркуляцию.

а — изменение по вертикали центро­бежной силы P1, б — избыточное давление, в — результирующая эпю­ра действующих на вертикали сил центробежной и избыточного давле­ния, г — поперечная циркуляция.

У поверхности она больше, у дна мень­ше вследствие уменьшения с глубиной продольной скорости (рис. 8а). При перекосе водной поверхности возни­кает избыточное давление iпопg. где g — вес единицы объема воды; iпоп — поперечный уклон. Оно одинаково для каждой точки вертикали и направлено в противоположную сторону по отно­шению к центробежной силе инерции (рис. 8б, в). Вследствие неуравнове­шенности этих сил в отдельных точках по вертикали и возникает в потоке по­перечная циркуляция (рис. 8г).

В зависимости от направления из­лучины отклоняющая сила Кориолиса или усиливает, или ослабляет попереч­ные течения на закруглении. Эта же сила возбуждает поперечные течения на прямолинейных участках.

При низких уровнях на закругле­нии циркуляционные течения почти не выражены. С повышением уровней, увеличением скорости и центробежной силы циркуляционные тече­ния становятся отчетливыми. Скорость поперечных течений обычно мала — в десятки раз меньше продольной составляющей ско­рости. Описанный характер циркуляционных течений наблюдается до выхода воды на пойму. С момента выхода воды на пойму в реке создаются как бы два потока — верхний, долинного направления, и нижний, в коренном русле. Взаимодействие этих потоков сложно и еще мало изучено.


Вихре­вые движения

Помимо поперечных циркуляции, в потоке наблюдаются вихре­вые движения с вертикальной осью вращения (рис. 9). Одни из них подвижны и неустойчивы, другие стационарны и отличаются боль­шими поперечными размерами. Чаще они возникают в местах слия­ния потоков, за крутыми выступами берегов, при обтекании неко­торых подводных препятствий и т. д. Условия формирования ста­ционарных вихрей пока не исследованы. Вероятно, образованию устойчивого локализован­ного вихря способствует значительная глубина потока и сущест­вование восходящего течения воды. Эти вихри в потоке, извест­ные под названием водоворотов, напоминают воздушные ви­хри — смерчи.

clip_image046

Рис. 9 Схема вихрей с вертикальными осями (по К. В. Гришанину).

Поперечные циркуляции, вихревые движения играют большую роль в транспортировании наносов и формировании речных русел.


Основные закономерности структуры гидрографической сети. Густота речной сети. В зависимости от характера грунтов бассейна, рельефа местности, растительного покрова и количества выпадающих осадков русловая сеть обычно имеет различную разветвленность. В условиях легко проницаемых грунтов большая часть выпадающих осадков достигает речного русла подземным стоком, вследствие чего в этом случае русловая сеть менее развита. В горных районах, где осадков обычно больше, чем на равнине, а грунты ме­нее проницаемы, густота русловой сети больше, чем в равнинных.

В лесных районах вследствие более благоприятных условий для фильтрации воды наблюдается несколько меньшая густота русло­вой сети, чем в безлесных.

Следует учитывать, что в изолированном виде трудно устано­вить влияние какого-либо одного из указанных факторов; в боль­шинстве случаев они совместно определяют условия развития рус­ловой сети, хотя нередко какой-либо из них оказывает наибольшее воздействие. Это иногда приводит к противоречивым оценкам роли отдельных факторов в формировании речной сети.

Так, например, в гидрологической литературе встречаются утверждения, что по­вышенное развитие речной сети наблюдается на заболоченных тер­риториях, в озерных котловинах и в других местах, где грунтовые воды находятся близко к земной поверхности, в то же время отме­чается, что рельеф местности сравнительно мало влияет на плот­ность русловой сети.

Густота русловой сети обычно определяется как отношение длины всех водотоков данной площади, выраженной в километрах, к величине этой площади, выраженной в квадратных километ­рах, т. е.

clip_image048

Из определения понятия густоты русловой сети ясно, что число­вые значения густоты русловой сети будут сравнимы между собой для отдельных районов, если они получены по данным карт одних и тех же масштабов и съемкам одной и той же степени полноты. Действительно, на картах мелких масштабов очень малые водотоки не могут быть показаны и, следовательно, общая длина водотоков окажется меньше, чем в том случае, когда определение длин произ­водилось по картам более крупных масштабов.

Чем крупнее масштаб, тем точнее определяется густота русло­вой сети.

Наиболее часто определение густоты русловой сети произво­дится следующим образом: рассматриваемая территория разбива­ется на сеть равновеликих квадратов и измеряется суммарная длина водотоков, находящихся в пределах каждого квадрата.

Разделив найденное значение на площадь квадрата, полу­чим густоту речной сети в пределах этого квадрата.

Иногда степень развитости русловой сети характеризуют рас­члененностью рельефа, определяя величину площадей, ограничен­ных двумя соседними реками и линией, проводимой между их исто­ками.

Густота русловой сети характеризует и средние расстояния между смежными водотоками. Справедливость этого вытекает из следующих рассуждений.

Представим себе, что какая-то часть территории равномерно покрыта водотоками (в том числе и пересыхающими), причем на всей площади F число таких водотоков п и длина каждого L. Тогда можно считать, что к каждому водотоку длиной L будет примыкать площадка f=F/n.

Для густоты русловой сети d имеем

clip_image050

а отсюда

clip_image052

Но отношение площади примыкающего к водотоку участка к длине участка равно ширине участка, т. е. расстоянию от дан­ного водотока до ближайшего.

Для случая неравномерного распределения русловой сети вели­чина l/d, очевидно, есть среднее расстояние между водотоками, а величина l/2d характеризует среднюю ширину склонов, с кото­рых вода поступает в водотоки.

Учитывая, что тальвег водотока обычно начинается не от водо­раздела, а лишь на некотором расстоянии от него, среднюю ширину склона иногда рекомендуют вычислять по соотношению b = l/2,25d


Склоновая эрозия. Помимо основной гидрографической сети, образуемой системой ложбин, лощин, суходолов, малых рек, ручьев и реками средних и больших размеров, на поверхности земли имеется многочисленная сеть мельчайших борозд, промоин и ложбинок, распределенных в соответствии с микрорельефом мест­ности. Поэтому поверхностный сток дождевых, ливневых и та­лых вод происходит обычно не сплошным слоем, а струями различ­ной величины. Указанное струйчатое строение склонового стока обусловливает смывание верхнего слоя почвы. Этот процесс смы­вания почв поверхностным стоком носит название плоскостной эрозии.

При больших уклонах поверхности и на длинных склонах мель­чайшие струйки сливаются в более крупные ручейки, которые со­здают более крупные струйчатые, или ручейковые, размывы-рыт­вины, или ложбины. Если глубина этих ложбин не препятствует обычной обработке почвы и ложбины могут быть сглажены при очередной вспашке, то эта стадия разви­тия называется струйчатым подтипом плоскостной эрозии. В тех случаях, когда ложбины и размывы, созданные концентрирован­ными потоками талых и ливневых вод, не могут быть сглажены обычной обработкой почвы, возникает новый тип водной эрозии — овражная эрозия. Овражная эрозия является следующим этапом развития струйчатой эрозии.


Речной бассейн

Поверхностный и подземный водосборы. Водоразделы. Деление и смешение вод. После выяснения исходных понятий, от­носящихся к характеристике гидрографической сети вообще и рус­ловой в частности, рассмотрим более подробно структуру речных бассейнов. Территория земной поверхности, включая толщу почво-грунтов, откуда данная речная система или отдельная река полу­чает водное питание, называется бассейном речной системы или реки. Бассейн каждой реки включает в себя поверхностный и под­земный водосборы.

Поверхностный водосбор представляет собой площадь земной поверхности, с которой воды поступают в данную речную систему или отдельную реку.

Подземный водосбор образуют толщи почво-грунтов, из кото­рых вода поступает в речную сеть.

Поверхностный водосбор каждой реки отделяется от водосбора соседней реки водоразделом, проходящим по наиболее высоким точкам земной поверхности, расположенным между водосборами соседних рек. В общем случае поверхностный и подземный водо­сборы рек не совпадают. Однако в силу больших затруднений в определении границы подземного водосбора часто во всех расче­тах и при анализе явления стока за величину бассейна принимают только поверхностный водосбор и вследствие этого не делают раз­личия между терминами «речной бассейн» и «речной водосбор». Ошибки, возникающие в результате условного отождествления раз­меров бассейна и поверхностного водосбора, могут оказаться су­щественными только для малых рек и для рек, протекающих в гео­логических условиях, обеспечивающих хороший водообмен между бассейнами соседних рек (районы распространения карста). Для малых бассейнов ошибки могут оказаться велики потому, что те добавочные площади, которые в связи с несовпадением поверхно­стного и подземного водоразделов нужно прибавить или отнять от общей площади бассейна, в процентном отношении будут более значительными, чем для больших бассейнов.

В пределах бассейнов, расположенных на плоских равнинных пространствах засушливых районов, могут располагаться области значительных размеров, не имеющие стока в основную реку, полно­стью расходующие поступающую в виде осадков воду на испарение и питание подземных вод, уходящих за пределы речного бассейна. Такие бессточные области не должны включаться в величину водо­сборной площади реки.

Размеры бессточных областей могут меняться в зависимости от водности года: в многоводные годы они сокращаются, в мало­водные увеличиваются.

Процесс эрозии, продолжающийся непрерывно в течение весьма длительного периода, может закончиться прорывом водораздель­ной линии двух соседних рек. Такое явление называется перехва­том, или смешением (соединением), вод (рис. 10).

clip_image054

Рис. 10. Схема готовящегося речного перехвата.

Иногда смешение вод может осуществиться в результате бифур­кации, или процесса дробления реки на рукава, обычно в нижнем течении. Отходящие в результате бифуркации от основного русла рукава могут ниже по течению снова влиться в основное русло или проложить себе путь по направлению к соседнему водосбору. Ру­кава, отделяющиеся от основного русла, могут и не соединяться с ним ниже по течению, а иметь самостоятельное устье.

В условиях равнинного рельефа иногда встречаются случаи со­единения в верховьях рек, текущих в различных направлениях. Происходящее распределение поверхностного стока в верховьях различных речных систем называют делением вод. Случаи деления вод особенно широко распространены среди рек, протекающих по плоским, заболоченным территориям.

Отмеченные условия изменения границ бассейнов нужно особо иметь в виду при исследовании вопросов стока с малых низменно-болотистых бассейнов без ярко выраженной водораздельной линии, так как иногда это может оказать существенное влияние на вели­чину площади бассейна.

Руководствуясь положением истоков соседних рек и сообразу­ясь с рельефом местности, можно на карте провести линию водо­раздела и тем самым выделить водосборную площадь реки.

Применительно к различным задачам приходится принимать во внимание водосборную площадь или всей реки, или отдельных ее частей.


Морфометрические характеристики речного бассейна. Особенности геометрического строения речных водосборов обычно характеризуют некоторыми количественными показателями - морфометрическими характеристиками. Среди этих ха­рактеристик основными исходными являются длина реки и пло­щадь водосбора.

Длиной реки называется расстояние от истока до устья в ки­лометрах; счет километров принято вести от устья как от более определенной точки, чем исток. Следует при этом иметь в виду, что при сложном строении устьевой области выбор начального створа отсчета является условным. Однако при значительной длине реки это обстоятельство не имеет существенного значения, тем более, что устьевой створ принимается постоянным при всех последующих измерениях. Значительно большее влияние на изме­ряемую длину оказывает извилистость реки и масштаб топогра­фической карты. Чем крупнее масштаб карты, тем точнее можно определить длину реки. Влияние извилистости на длину реки, из­меренную по карте, учитывается введением поправок, установлен­ных для различных категорий извилистости (рис. 11).

 

clip_image056Рис. 11. Образцы извилистости рек.

Измерив длину рек, образующих данную речную систему, мо­жно построить так называемую гидрографическую схему, которая дает наглядное представление о том, куда какая река и после ка­кой впадает, какова ее длина по сравнению с длинами других рек бассейна. При построении гидрографической схемы по горизон­тальной линии откладывают в масштабе длину главной реки. При­токи вычерчиваются в том же масштабе в виде прямых линий, от­ходящих от места впадения под некоторым (произвольным) углом к этой горизонтальной линии.


Площадь водосбора рек, расположенных в одинаковых физико-географических условиях, непосредственно определяет водность реки: чем больше река, тем она полноводнее. Для определения площади водосбора на карте устанавливают водораздел и изме­ряют ограниченную им площадь. Измерение площади водосбора по картам производится планиметром. Произведя определение во­досборной площади главной реки и ее притоков, можно получен­ные данные обобщить в виде графиков, дающих наглядное пред­ставление о распределении всей площади между отдельными при­токами и об увеличении площади бассейна в зависимости от уве­личения длины реки. Для этой цели удобно предварительно вы­разить площади отдельных частных бассейнов в процентах от всей площади. Одним из способов графического изображения распределения общей площади водосбора реки между ее притоками яв­ляется так называемый круговой график водосбора (рис. 12).

clip_image058

Рис. 12. Круговой график бассейна р. Оки.

На этом графике общая площадь водосбора изображается в виде круга, а площади отдельных притоков в соответствующем мас­штабе в виде секторов. Нарастание площади водосбора по длине реки можно представить в форме графика, показанного на рис. 13.

clip_image060

Рис. 13. График нарастания площади водосбора р. Оки.

На этом графике по горизонтальной оси откладывается длина глав­ной реки в принятом масштабе, по вертикальной — площади водо­сбора главной реки между притоками и площади бассейнов при­токов. Постепенное нарастание площади бассейна главной реки в местах впадения притоков сменяется резким увеличением водосбора, что на графике отмечается отрезком вертикальной линии в принятом масштабе, соответствующим величине водосбора при­тока.

Между площадью водосбора F и длиной реки L существует корреляционная зависимость.

Форма речных водосборов обычно характеризуется расшире­нием в средней части и сужением к устью и истокам реки.

Наряду с этой наиболее часто встречающейся формой имеются водосборы с мало изменяющейся по длине шириной (равномерно развитые водосборы) и более расширенной частью в верховьях или, наоборот, в нижнем течении и, наконец, водосборы, характе­ризующиеся уменьшением ширины в средней части.

При географических обобщениях некоторых характеристик, на­пример стока, бывает целесообразно относить их к центру бас­сейна. При этом обычно за такую точку принимают геометриче­ский центр фигуры бассейна, хотя это и нельзя признать вполне правильным, особенно в тех случаях, когда в пределах речного бассейна сток распределяется неравномерно. Более правильным было бы отнесение данных по стоку не к геометрическому центру бассейна, а к центру питания, т. е. к точке, соответствующей сред­нему взвешенному стоку этого водосбора. Однако определить центр питания возможно лишь в тех случаях, когда имеются доста­точно подробные данные, освещающие территорию речной си­стемы.


Таблица 1

Отношение средней ширины водосбора к длине реки

Характеристика формы водосбора

Площадь водосбора, км2

100

2000

5000

10000

Широкий (округлый)

Обычный (грушевидный)

Узкий (вытянутый)

0,85

0,40

0,20

0,65

0,30

0,15

0,55

0,26

0,13

0,50

0,24

0,12

Ширина водосборной площади реки не остается постоянной, она изменяется по длине реки. Изменение ширины водосбора сказывается на количестве притекающей воды к руслу реки на различных участках, если на водосбор равномерно по его площади поступает вода, например от снеготаяния или дождя. Изменение ширины водосбора по длине реки может быть представлено в форме графика (идограммы). При построении этого графика (рис. 14) совмещают по оси абсцисс длины всех притоков с длиной основ­ного водотока и откладывают последовательно на оси ординат средние ширины частных площадей водосбора.

Исходные данные для построения графика получают следующим образом. На плане водосбора (рис. 14а) выделяют бассейны более или менее крупных прито­ков и участки, где сток непо­средственно поступает в основ­ную реку, и для каждого из них по данным о длине и площади определяют средние ширины.

Затем по оси абсцисс от­кладывают в масштабе гидро­графическую длину реки. Вдоль этой линии, как показано на рис. 14б, вначале откладыва­ют частные ширины так назы­ваемых бесприточных участков основного водотока 1-2, 2-3, 3-4, 4-5, а затем ширины водосборов притоков А, В, С; частная ширина первого при­тока А отложена вправо на протяжении 45 км от точки, находящейся на расстоянии 15 км по оси абсцисс от устья; эта частная ширина в соответ­ствии с длиной притока А расположилась над шириной участков 3-4, 2-3, 1-2. Частная ширина второго притока В отложена от точки, находящейся на расстоянии 32 км по оси абсцисс; эта ши­рина отложена над суммарной шириной участков 2—3 и над шириной участка 1—2 и т. д. В результате получаем график, поз­воляющий судить об изменении ширины бассейна по длине реки. Это построение иногда называют графиком единичных ширин.

clip_image062

Рис. 14. Схема построения графика из­менения ширины водосбора по длине реки (идограмма).


Физико-географические характеристики бассейна (геогра­фическое положение, климат, геологическое строение, почва, рас­тительность и рельеф) оказывают существенное влияние на про­цессы стока. Поэтому при исследовании реки и режима ее стока необходимо детальное их изучение.

В настоящем разделе приводится краткое пояснение применяю­щихся понятий и в отдельных случаях рассматривается влияние их на режим рек.

Более подробное изложение взаимосвязи режима вод суши с физико-географическими факторами дается в дальнейшем при рассмотрении различных элементов режима.

Географическое положение бассейна определяется географиче­скими координатами (широта и долгота), между которыми он на­ходится. Общее, но достаточно ясное представление о географиче­ском положении бассейна дает указание о его расположении по отношению к бассейнам других рек, горных хребтов и т. д.

Климатические (метеорологические) условия являются в боль­шинстве случаев решающими факторами, определяющими водный режим водоема. Из метеорологических факторов главнейшими в смысле влияния их на сток являются количество осадков, ха­рактер их выпадения, температура воздуха и дефицит влажности воздуха.

Геологическое строение и почвы бассейна определяют характер и размер подземного питания рек, потери осадков на просачива­ние, появление заболоченных пространств и пр. При исследовании малых бассейнов желательно геологическое строение и почвы оха­рактеризовать на основании специальных исследований.

Рельеф, влияя на количество, характер выпадения и распреде­ление осадков по территории бассейна, температуру воздуха и ус­ловия протекания воды по земной поверхности, является существенным фактором, опреде­ляющим водность рек и характер их режима. По­этому данные о рельефе имеют весьма важное значение в выяснении об­щих условий стока.

Растительный покров бассейна обычно харак­теризуется сведениями об основных видах расти­тельности, распространен­ной в пределах водосбора с указанием размеров за­нимаемых ими площа­дей. Важно знать, где расположены лесные мас­сивы (в верхней, средней или нижней частях водо­сбора, на водоразделах или в долине реки), иметь характеристику сельско­хозяйственного освоения территории водосбора (размеры пахотных угодий) и т. д. Количественной характеристикой степени залесенности речных бассейнов является коэффициент лесистости, пред­ставляющий собой отношение площади лесов, расположенных в бассейне, к общей площади бассейна. Указанный коэффициент может вычисляться как для водосбора в целом, так и для отдель­ных створов, например, по которым имеются данные о стоке реки. Коэффициент лесистости выражается или в процентах, или в до­лях единицы.

Озерность, заболоченность, распределение вечной мерзлоты и наличие ледников должны быть учтены достаточно полно по имею­щимся материалам или на основании специальных исследований.

В частности, важно установить так называемые коэффициенты озерности и заболоченности, представляющие собой соответственно отношение площади, занятой озерами или болотами, к общей пло­щади речного бассейна.

В условиях горных водосборов водность реки существенно из­меняется по высоте. Это изменение водности можно характеризо­вать гидрографической кривой бассейна. Она ана­логична гипсографической кривой, характеризующей нарастание по высоте площади бассейна. Гидрографическая кривая, кривая связи стока с высотой и гипсографическая кривая являются основ­ными характеристиками, наглядно иллюстрирующими распределе­ние среднего стока по площади и высотным зонам бассейна.


Речные долины

Элементы долины и поймы. Долинами называются отно­сительно узкие и вытянутые в длину, большей частью извилистые пониженные формы рельефа, характеризующиеся общим наклоном своего ложа к устью. Долины, встречаясь между собой, никогда не пересекаются, а сливаются вместе в одно общее понижение. Размеры долин, равно как и их очертания, а отчасти и происхож­дение, могут быть весьма различны, но отмеченные особенности свойственны всем долинам.

В долине различают следующие составные части:

1. Самая низкая часть долины — дно, или ложе. Линия, соеди­няющая самые глубокие точки долинного ложа, называется таль­вегом. Тальвег в общем совпадает с направлением линии наиболь­ших поверхностных скоростей течения речного потока. Часть ложа долины, занятая водами реки, называется руслом. В долинах, по которым сток имеет место в редких случаях, наиболее глубоко вре­занную часть их называют сухим руслом.

2. Повышенные участки суши, ограничивающие с боков ложе долины, называются склонами долины.

3. Места сопряжения дна долины со склонами отмечаются ча­сто более или менее заметным изломом в поперечном профиле и называются подошвой склонов.

4. Зона сопряжения склонов долины с прилегающей местностью называется бровкой долины.

5. Относительно горизонтальные площадки, располагающиеся уступами по высоте в пределах дна и склонов долины, называются террасами.

Терраса, расположенная в пределах дна долины и заливаемая речными водами во время половодья, носит название поймы. Тер­раса, залегающая непосредственно над дном долины (поймой), счи­тается первой террасой, следующая за ней, располагающаяся выше — второй и т. д.

В поперечном разрезе поймы различаются следующие ее ча­сти:

а) наиболее возвышенная полоса, непосредственно прилегаю­щая к руслу реки, называемая прирусловой поймой;

б) средняя часть поймы, обычно более низкая и ровная, назы­ваемая центральной поймой;

в) наиболее пониженная часть, имеющая иногда вид заболо­ченной ложбины, прилегающая к коренному берегу долины, назы­вается притеррасной поймой. Пойма может отсутствовать, напри­мер, у горных рек, которые не имеют развитой долины и проте­кают в глубоких и узких расщелинах гор.

6. Самая верхняя (по течению) часть долины, где тальвег ис­чезает, а склоны утрачивают свои отчетливые очертания, называ­ется в зависимости от своей формы началом долины, или долин­ным замыканием. В равнинных и холмистых странах долины в вер­ховьях часто незаметно переходят в широкие, расплывчатые, без ясно выраженных склонов ложбины, которые служат путями для стока атмосферных вод и потому называются ложбинами стока.

Долина, служащая вместилищем водотока, называется речной долиной.

Долинное ложе обычно бывает извилистым в плане и изменчи­вым по ширине: расширения чередуются с более или менее рез­кими и внезапными сужениями. Это чаще всего наблюдается в до­линах, пересекающих на своем пути различные горные гряды, раз­деленные понижениями, или же полосы пород различного состава и различной сопротивляемости выветриванию и размыву. Сужения долин могут нередко обусловливаться и другими причинами, на­пример выносами продуктов размыва из боковых долин в главную (конусы выноса), обвалами, осыпями и пр.


Перекаты, перевалы и их элементы. Нормальный и сдви­нутый перекаты. Эволюция перекатов в пределах перекатных уча­стков. Закономерно связано с очертанием русла равнинных рек в плане распределение глубин. Произведя промеры глубин, можно на плане изобразить русло в изобатах (линиях равных глубин). Расположение изобат показывает, что равнинные реки представ­ляют собой чередование плесов (глубоких участков) и перекатов (мелких частей).

Перекатом называется более или менее устойчивое образова­ние в русле, обычно в виде косого поперечного вала из наносов, пересекающего русло. Перекаты имеют следующие основные эле­менты (рис. 15):

clip_image064

Рис. 15. Общая схема переката.

а — план, б — продольный профиль по фарватеру;

1 — верхняя коса (пески), 2 — нижняя коса (пески), 3 — верхняя плёсовая лощина, 4 — нижняя плёсовая лощина, 5 — седловина, 6 — корыто, 7 — напорный скат, 8 — подвалье, 9 — гребень (вал), 10 — фарватер, 11 — изобаты, 12 —затонская часть нижней плесовой лощины.

1) верхняя коса, или верхние пески, расположена выше (счи­тая по течению) корыта переката;

2) нижняя коса, или нижние пески, расположена ниже корыта переката.

Иногда верхнюю косу называют верхним побочнем, а нижнюю косу — нижним побочнем.

3) верхняя плёсовая лощина, или ложбина,— глубокая часть русла выше переката;

4) нижняя плёсовая лощина, или ложбина,— глубокая часть русла ниже переката;

5) седловина, или гребень,— наиболее повышенная часть вала из наносов, соединяющего верхнюю и нижнюю косы переката;

6) корыто переката — наиболее глубокая часть седловины, где обычно проходит фарватер;

7) напорный (верхний) скат — верховая часть седловины пе­реката, обращенная к верхней плесовой лощине, обычно более пологая, чем низовая часть (подвалье);

8) подвалье — низовая часть, или тыловой скат, седловины переката, лежащая ниже вала переката и обращенная в сторону нижней плесовой лощины, обычно более крутая, чем напорный скат;

9) гребень (вал),

10) фарватер – линия, соединяющая самые глубокие точки дна реки по ее длине,

11) изобаты,

12) затонская часть нижней плесовой лощины.

Перечисленные выше основные элементы переката в каждом отдельном случае имеют тот или иной вид в плане и в профиле и находятся в том или ином положении относительно друг друга, в зависимости от чего образуются перекаты различных типов. В отдельных случаях в местах перегиба русла образуются плоские возвышения дна, имеющие меньшую глубину, чем прилегающие к ним плёсовые лощины и опускающиеся полого, без резковыраженного подвалья (рис. 16). Такие возвышения дна между плесовыми лощинами носят название перевалов.

Глубокие участки русла реки соответствуют изогнутым в плане частям русла, а перекаты — прямолинейным участкам, располо­женным между закруглениями.


clip_image066

Рис. 16. Схема переката и образование перевалов

В расположении перекатов в основном возможны два случая:

1) если фарватер плавно переходит из одного плеса в другой, а оси изобат плесов находятся на продолжении одной линии, перекат называется нормальным (рис. 17).

clip_image068

Рис. 17. Схема нормального переката.

2) если фарватер представля­ет собой искривленную линию, а оси изобат плесов сдвинуты от­носительно друг друга в попереч­ном направлении, перекат назы­вается сдвинутым (рис. 18).

clip_image070

Рис. 18. Схема сдвинутого переката.

Глу­бины на нормальном перекате обычно бывают больше, чем на сдвинутом, поэтому с точки зре­ния судоходства первый называ­ют хорошим перекатом, а вто­рой — плохим.

С течением времени перекаты и плесы могут передвигаться по течению так же, как передвигаются извилины реки.

Перекатные участки, включающие в себя группы последовательно расположенных один за другим перека­тов, в течение длительных периодов времени сохраняют свое об­щее местоположение, в то время как каждый отдельный перекат группы непрерывно смещается вниз по течению. При этом по мере того как песчаные скопления (побочни) самого нижнего из группы переката сносятся в пределы нижерасположенного плеса и перекат как таковой исчезает, песчаные отложения, образую­щиеся по выходе из вышерасположенного плеса, дают начало об­разованию нового переката в верхней части участка.


Характерные речные образования

На реках, русла которых сложены подвижными скоплениями наносов, формируются характерные формы рельефа дна и плановых очертаний (Рис. 19).

clip_image072

Рис. 19. Формы русловых образований.

К характерным плановым очертаниям относятся:

залив — глубоко вдающаяся в берег часть реки;

затон – часть реки, отделившаяся в процессе плановых деформаций русла от проточной ее части и имеющая слепой конец, обращенный вверх по течению;

протокаответвление реки, нередко отходящее далеко от ос­новного русла и отличающееся от него меньшими размерами. Не­которые протоки могут иметь большие ширины и глубины по сравнению с руслом, но скорости течения при низких уровнях в них всегда значительно меньше;

староречье - участок старого русла реки (рис. в презентации)

островучасток суши, ограниченный рука­вами или протоками реки (рис. в презентации);

осередок - скопление наносов в русле реки (обычно в средней части) при малой транспортирующей способности потока и большом поступлении наносов (рис. в презентации);

останец обтекания - участок поймы (дна долины) между действующим руслом и покинутым рекой старым руслом (староречьем);

рукав — часть русла реки, отделенная островом;

отмель — мелководное место в русле, при очень низкой воде об­сыхающее; отмель, покрытая водой при более высокой воде, называется мелью;

коса – длинная, низкая, узкая клинообразная намывная полоса, состоящая из речных отложений (рис. в презентации);

закосок – небольшая подводная песчаная коса, примыкающая к большой косе или берегу;

приплесокузкая полоса (песчаная, галечная) по бе­реговому склону, заливаемая даже при небольших подъ­емах уровня воды;

плес - глубоководный участок русла реки, расположенный между перекатами.

пляжширокая ровная береговая полоса, примы­кающая к руслу, сложенная речными наносами (чаще песчаными) (рис. в презентации);

побочень – песчаное скопление в виде примыкающей к берегу части перекошенной в плане ленточной гряды;

гряды – подвижные образования, представляющие собой скопления песчаных наносов на дне русла реки (рис. в презентации);

заструги – скопления наносов в русле реки в форме крупных гряд, примыкающих к песчаному берегу. Гребни ориентированы почти параллельно друг другу и направлены под некоторым углом вниз по течению. Разрастаясь, могут образовывать песчаные косы;

заманиха – песчаная подводная заструга больших размеров, выступающая далеко в русло реки от ухвостья надводной косы;

шалыга – небольшой песчаный подводный бугор из наносов, возникший случайно, образуется при появлении местного уменьшения скоростей за препятствием. При удалении препятствия шалыга обычно размывается;

ТЕМА 6. Гидрология болот

Болота занимают около 6% поверхности земной суши и встречаются повсюду - от тундры до тропиков.

Образование болот и их типы

Общим термином "заболоченные территории" называют великое многообразие переувлажненных или полузатопленных участков суши - как внутри материков, так и на морских и океанических побережьях. Это могут быть дельты и поймы рек, болотистые низины, торфяники и обычные болота.

Заболоченные территории необычайно благоприятны для обитания и плодородны.

Деление заболоченных территорий на заболоченные земли и бо­лота в значительной мере является отражением различия в составе растительности. Чисто болотные формы растительных группировок появляются не одновременно с началом процесса заболачивания. Пока толщина торфа невелика и корневые системы основных ви­дов растений не отрываются от минеральной почвы, подстилаю­щей торф, растительный покров включает растения, характерные для условий как болотного, так и неболотного обитания.

В связи с тем что условием, определяющим существование на избыточно увлажненных территориях тех или других растительных ассоциаций является в первую очередь водный режим, указанное различие между заболоченными землями и болотами в последую­щей стадии их развития имеет и гидрологическое значение. По­мимо определения болота как гидрологического объекта, имеются определения, в которых болото рассматривается как объект добычи торфа, т. е. с точки зрения наличия или отсутствия в нем запасов топлива.

Если мощность отложившегося торфа такова, что корни основ­ной массы растений достигают подстилающего минерального грунта, то в этом случае избыточно увлажненные участки суши от­носятся к заболоченным землям или к болотам в начальной стадии их развития.

Болотоучасток земной поверхно­сти, характеризующийся обильным застойным или слабо проточ­ным увлажнением верхних горизонтов почво-грунтов, на которой произрастает специфическая болотная растительность, приспособ­ленная к условиям обильного увлажнения и недостатка кислорода в почве.

Степень заболоченности территории находится в прямой связи с условиями ее обводнения.

В зоне избыточного увлажнения, где среднее многолетнее зна­чение годовых осадков значительно превышает испарение с суши, обусловливая более или менее постоянное увлажнение верхних го­ризонтов почво-грунтов, процессы болотообразования имеют наи­более широкое распространение. В этой зоне значительная часть влаги, не расходуемая на испарение с поверхности суши, должна удаляться в виде поверхностного и грунтового стока. При равнин­ном рельефе с малыми уклонами избыток влаги из поверхностных почво-грунтов отводится чрезвычайно медленно.

На обширных площадях создаются благоприятные условия для переувлажнения почвы застойными водами. Только в районах с всхолмленным рельефом и хорошо развитой речной сетью не на­блюдается возникновение болот. Напротив, на обширных плоских междуречных пространствах болота не только располагаются в от­рицательных элементах рельефа (понижениях местности, котлови­нах, долинах или оврагах), но часто покрывают их сплошными массивами.

В зоне неустойчивого увлажнения болотные массивы приуро­чены в основном к котловинообразным бессточным понижениям местности, озерным котловинам и речным долинам. В зоне недоста­точного увлажнения болота встречаются редко и располагаются либо в поймах рек, либо в глубоких долинах и впадинах, где избы­ток влаги создается в результате разливов рек или выходящими на поверхность грунтовыми водами.

Болота могут возникать или путем зарастания водоемов, или вследствие заболачивания водораздельных пространств. Непре­рывно продолжающийся процесс выноса в озеро минеральных и органических частиц грунта, смытых с водосборной площади озера, а также отложение отмирающих растений, в большом коли­честве развивающихся в озере, обусловливают постепенное его об­меление. Вместо высоких камышей и тростников, развиваются мел­ководные растения — хвощи, осоки и многие другие водолюбивые растения, отложения которых хотя и поднимаются над поверхно­стью воды в озере, но затопляются весенними и летними высокими водами, отлагающими принесенные или взмученные частицы ила.

Таким образом, на месте водоема образуется болото, более низкое по положению, называемое поэтому в классификации ни­зинным, по растительности его называют травяным.

Продолжаю­щиеся отложения отмирающих трав поднимают поверхность тор­фяных массивов все выше и выше, пока она не перестанет затоп­ляться весенней водой, следовательно, минеральных частиц на нее оседает уже меньше. Поэтому осоки, нуждающиеся для своего ро­ста в минеральных солях, начинают замещаться кустарниковой и древесной растительностью.

Болото из стадии травяного перехо­дит в лесное или переходное.

Дальнейший процесс накопления органических веществ при отсутствии увеличения минеральных со­лей обусловливает смену растительного покрова, выражающуюся в исчезновении осок и всего разнотравья, свойственного переход­ным болотам, и в развитии взамен этого сфагновых мхов.

Поверхность болота благодаря быстрому нарастанию сфагнума поднимается все выше и выше и принимает по отношению к пери­ферии выпуклую форму; болото переходит в стадию сфагнового по характеру основной растительности и верхового по положению по­верхности.

Сфагновый покров, разрастаясь в высоту и образуя выпуклую форму болота, распространяется и вширь, выходя за пределы водо­ема, на котором он первоначально возник. Следовательно, перво­начальное продвижение сфагнового покрова от периферии к центру водоема сменяется затем продвижением его за пределы этого во­доема с захватом прилегающих суходолов.

В климатических условиях северной половины России осадков выпадает больше, чем расходуется влаги на испарение, поэтому излишек воды скапливается на поверхности болота сначала в форме мочажин, а затем в виде вторичных озер и русел вторич­ных речек, дно и берега которых образованы торфом.

Таким образом, на месте первоначального водоема образуется в течение долгого времени сначала травяное болото, затем лесное и, наконец, сфагновое, на котором может вновь появиться мелко­водное озеро с торфяным дном и берегами.


Нередко болота образуются не путем зарастания водоемов, а непосредственно на минеральном грунте. Этот процесс может осуществиться в следующих различных условиях.

1. Равнинный рельеф и наличие на поверхности или близ нее водонепроницаемого слоя (обычно глины) ведут к постоянному из­быточному содержанию влаги в верхнем горизонте грунта. Благо­приятным условием для развития болот в этом случае является во­донепроницаемость почв, создающаяся часто залегающим под ле­сом непроницаемым, так называемым ортштейновым слоем, или слоем красной руды из сцементированной материковой породы. Под покровом елового и соснового леса в этих условиях на плодо­родном грунте появляются обычно зеленые мхи — первый вестник начинающегося заболачивания. Зеленые мхи постепенно вытесня­ются сфагнумом, который, облекая стволы деревьев и будучи насы­щен водой, прекращает доступ воздуха к их корням, в результате чего лесная растительность гибнет и на месте леса оказывается сфагновое болото.

2. Часто процесс заболачивания развивается на месте выруб­ленного леса не только в низинах, но и на возвышенных местах. Ле­сосека покрывается злаками, образующими при благоприятных условиях плотную дернину, которая препятствует возобновлению древесной растительности и способствует застаиванию влаги. Этот процесс способствует развитию влаголюбивой растительности, за­глушающей оставшиеся после леса растения. Через несколько лет появляется мох-сфагнум и образуется моховое болото.

3. Заболачивание наблюдается также после лесного пожара. Развивающаяся на пожарище растительность образует основу, на которой затем разрастаются подушки сфагнума, постепенно сли­вающиеся в сплошной сфагновый ковер.

4. Низинные болота с осоковой растительностью и с малой мощностью отложений торфа могут образоваться в условиях затрудненного стока весенней воды с поймы речных долин в русло реки.

5. Заболачивание приречных низменностей происходит также вследствие поднятия уровня воды в реке в результате устройства плотин; в этом случае одновременно имеет место как затопление водой с поверхности, так и подтопление площади в результате поднятия грунтовой воды. Развивающаяся осоковая растительность способствует накоплению растительных остатков, удерживающих в себе влагу: на этой основе затем развиваются мхи.

6. Часто происходит заболачивание неширокой полосы у под­ножия склона речной долины вследствие выхода здесь грунто­вых вод.

7. Очагами заболачивания водоразделов служат иногда мелкие впадины, возникающие как провалы на местах выноса грунтовыми водами растворимых солей, а также на участках механического выноса мелкопесчаного грунта из-под слоя глины. Образующиеся в провальной западине болота разрастаются и создают сплошные водораздельные массивы.

8. В области тундры причиной заболачивания является весьма малое испарение с поверхности земли и неглубокое залегание слоя вечной мерзлоты. Вечная мерзлота и глина задерживают воду у по­верхности земли, а сравнительно высокая температура вегетацион­ного периода и влажный летний климат способствуют развитию травяной растительности, содействующей заболачиванию.

Развитие болотных массивов на минеральных грунтах может осуществляться или путем распространения процесса заболачива­ния от центральных частей зоны заболачивания к периферии (центрально-олиготрофный ход развития болотного массива), или, наоборот, от периферии к центру (периферически-олиготрофный ход развития болотного массива).

Сочетание растительных ассоциаций, возникающее при обиль­ном водно-минеральном питании, характерном для условий низин­ных болот, образует так называемую евтрофную болотную расти­тельность, т. е. растительность, нуждающуюся в достаточно обиль­ном питании минеральными солями.

Растительность, развивающуюся на болотах в условиях бедного питания минеральными солями при водном питании за счет атмо­сферных осадков и весьма слабой проточности вод, что характерно для верховых болот, называют олиготрофной болотной раститель­ностью.

Выделяют еще мезотрофную болотную растительность, объеди­няющую виды болотных растений, мало требовательных к минера­лизации болотных вод и произрастающих при обедненных мине­ральными солями водах в условиях средней и слабой проточности.

Евтрофная, мезотрофная и олиготрофная растительность болот часто называется соответственно низинной, переходной и верховой растительностью.

При центрально-олиготрофном ходе развития болотного мас­сива смена евтрофной растительности на мезотрофную и затем олиготрофную происходит вначале в центральных частях, наиболее удаленных от границ болотного массива. На окраинах массива в месте контакта с суходолом евтрофная и мезотрофная растительность сохраняется часто до поздних стадий развития массива, если проточность вод и минеральное питание на периферии массива уменьшаются незначительно по мере торфонакопления.

При периферически-олиготрофном ходе развития болотного массива смена евтрофной и мезотрофной болотной растительности вначале происходит на периферии массива, а затем лишь в его центральных частях.

Указанное деление болот на верховые, низинные и переходные достаточно четко отражает главнейшие стадии их развития, осо­бенности водного питания и характера растительного покрова, но не затрагивает условия их залегания относительно рельефа мест­ности. Исходя из геоморфологических условий залегания рельефа поверхности и связанных с ними условий водного питания и расти­тельного покрова, болотные массивы можно раз­делить на две основные группы:


Болота водораздельных междуречных пространств. В состав входят болотные массивы:

1) плоско-водораздельного залегания,

2) водораздельно-склоновые плоского залегания,

3) котловинного залегания.

 

Болота речных долин. В группу входят болотные массивы:

1) пойменные,

2) террасные,

3) староречий.

Болота плоско-водораздельного залегания характе­ризуются тем, что они располагаются на обширных плоских водо­раздельных равнинах, покрывая сплошным слоем торфяных отло­жений и наиболее высокие точки речных водоразделов. Воды с них стекают в различных направлениях, поступая в разные речные бас­сейны.

Для болот котловинного залегания, расположенных на междуречных водораздельных пространствах, характерно нали­чие стекания вод к болотному массиву со склонов котловины, окружающих болото. Такие массивы могут быть расположены в пол­ностью замкнутых и бессточных котловинах, в проточных пониже­ниях, в котловинах, из которых имеется сток вод по одному или нескольким ручьям-водоприемникам при отсутствии впадающих ручьев, и, наконец, в котловинах, впадинах и депрессиях с впадаю­щими в них ручьями, но не имеющих руслового стока.

Пойменные болотные массивы (рис. 1), покрывающие поймы рек, характеризуются тем, что стекание вод с таких массивов про­исходит по всему фронту дренирования их рекой. Эти массивы имеют поверхность, иногда горизонтальную, а чаще слабо накло­ненную в сторону русла реки.

Террасные болотные массивы (рис. 1) отличаются от поймен­ных тем, что в силу своего более высокого залегания по отношению к уровню воды в реке они не подвергаются периодическим затоп­лениям речными водами в периоды половодья и паводков. При широких и плоских террасах такие болотные массивы имеют горизон­тальное залегание. В ряде других случаев они залегают на пологих сглаженных склонах террас, а также во впадинах и в понижениях у подножий крутых склонов вышерасположенных террас. В по­следнем случае террасные болотные массивы называют притеррас­ными.

Болотные массивы староречий обычно занимают небольшие площади. Они могут располагаться как на древних надпойменных террасах, так и в староречьях современных пойм, представляя в этом случае более молодые образования типа заболоченных во­доемов.

clip_image002

Рис. 1. Схематический поперечный профиль долины реки с поймен­ными и притеррасными болотными массивами.

1 — аллювиальные отложения первой террасы, 2 — аллювиальные отложения второй террасы, 3 — постплиоценовые отложения, 4 — торф.

 


Морфологические особенности строения болот.

Болото яв­ляется сложным природным образованием. Чтобы иметь возмож­ность исследовать физические свойства и особенности гидрологиче­ского режима различных болотных массивов, необходимо выявить основные сравнительно однородные элементы, из сочетания которых в последующем складываются сложные болотные комп­лексы.

В качестве простейшего болотного образования может быть принята часть болотного массива, однородная по характеру расти­тельного покрова, микрорельефу поверхности и физическим свой­ствам верхних горизонтов торфяной залежи. Такую элементарную часть болотного массива называют болотным микроландшафтом.

Сочетание болотных микроландшафтов образует простой болот­ный массив, или болотный мезоландшафт, возникший из одного первичного очага заболачивания и отграниченный от других болот­ных массивов незаболоченными землями.

Сочетание нескольких болотных мезоландшафтов, сложившееся в результате развития и слияния простых болотных массивов, представляет собой болотный макроландшафт, или сложный болот­ный массив.

Площади болотных микроландшафтов колеблются в широких пределах: от нескольких гектаров до десятков и даже сотен квад­ратных километров. В основу существующих классификаций бо­лотных микроландшафтов положены главным образом ботаниче­ские признаки.

При оценке гидрологического режима болот наибольший инте­рес представляет выделение микроландшафтов не только по типу растительного покрова, но и по рельефу болота и его гидрографи­ческой сети.

Такая классификация в настоящее время разработана лишь для верховых болот. Для этих болот в группе комплексно-моховых микроландшафтов различают комплексы:

а) грядово-мочажинные,

б) грядово-озерково-мочажинные,

в) грядово-озерковые,

г) озерково-мочажинные.


Болотная гидрографическая сеть. Совокупность распола­гающихся на территории болотных массивов ручьев, речек, озер различных размеров и топей называется болотной гидрографиче­ской сетью.

Все многообразие элементов гидрографической сети можно разделить на три основные группы: водоемы, водотоки и топи.

1. Болотные водоемы представляют собой болотные озера разных размеров с различной проточностью воды. Болотные озера по площади распространяются иногда на не­сколько квадратных километров, а глубины в них достигают 10 м и более. Берега часто сложены на глубину нескольких метров из торфяной толщи, а дно — либо минеральными грунтами, подсти­лающими торфяную залежь, либо илом и торфяными отложениями.

Большая часть крупных озер представляет собой остатки древ­них озерных водоемов, существовавших еще до образования бо­лотных массивов. Иногда такие озера расположены в центре вы­пуклости современных болотных массивов. Медленный сток воды лишь путем фильтрации через торфяную залежь приводит к тому, что уровни в таких озерах за счет атмосферного питания от осадков, выпадающих на их площадь, поддерживаются на высоте 5— 8 м над периферией болотных массивов.

В большом количестве на болотах встречаются микроозерки, происхождение которых связано с современным рельефом болот­ных массивов и фильтрационным движением воды в верхнем слое болот. Микроозерки обычно располагаются в местах, где приток воды со склонов вышерасположенных участков болотных массивов не компенсируется столь же интенсивным стеканием вод.

2. Внутриболотные водотоки, как и водоемы, представляют собой либо заторфовывающиеся и постепенно зарастающие ручьи и речки, существовавшие еще до образования современных болотных массивов и называемые первичными, либо ручьи и речки, возник­шие уже на сформировавшемся болотном массиве, называемые вторичными.

3. Топями называются сильно переувлажненные участки болотных массивов, характеризующиеся разжиженной торфяной залежью, постоянным или периодическим высоким стоянием уровней воды и непрочной рыхлой дерниной растительного покрова.

В зависимо­сти от интенсивности водообмена в них топи можно разделить на застойные, характеризующиеся фильтрационным движением воды в верхнем слое болота, и проточные, характеризующиеся движе­нием воды поверх растительного покрова в периоды максималь­ного увлажнения болотных массивов.


Гидрологический режим болот

Гидрологические свойства болот весьма своеобразны. Это своеобразие определяется тем, что в торфяных болотах содержится от 89 до 94% воды по весу и, следовательно, до 6% сухого ве­щества. Таким образом, торфяные болота являются, несомненно, значительными аккумуляторами влаги. Однако вследствие того что вода в болоте связана сухим веществом торфа, накапливаемые в болоте запасы воды не могут быть использованы как значитель­ный дополнительный источник питания рек. Осушительными кана­вами и дренами нельзя уменьшить содержание воды в торфяном болоте ниже 85%, и лишь испарение вызывает дальнейшее сниже­ние содержания влаги в торфяном грунте.

При анализе гидрологического режима болот необходимо ис­следовать вопросы водного питания, испарения, движения воды в торфяном грунте, колебания уровня грунтовых вод, сток с бо­лот и процессы, связанные с замерзанием и оттаиванием болот. Ознакомимся с основными водными свойствами торфяной за­лежи.

Виды воды, содержащейся в торфе. Содержащаяся в тор­фяном болоте вода делится на две группы, отличающиеся характе­ром связи ее с залежью торфа:

1) свободная, отделяющаяся от торфа под действием силы тяжести и, следовательно, стекающая по уклону в канавы и реки. Свободная вода на болоте может находиться в виде постоянно существующих озер и речек или в виде временных скоплений на по­верхности болота после сильных дождей, снеготаяния или разливов рек. Свободная вода может находиться в верхнем растительном слое болота (очес) и под торфяным слоем или в виде линз внутри торфяной залежи.

2) связанная с торфяной массой, не отделяющаяся от нее под действием силы тяжести и, следовательно, ее нельзя извлечь из торфа с помощью осушительной сети.

Связанная вода делится на следующие виды:

а) капиллярная, находящаяся в узких капиллярных пустотах между волокнами и частицами торфа и передвигающаяся под влия­нием капиллярных сил; она может быть удалена из торфяной за­лежи путем испарения с поверхности торфа и транспирации;

б) коллоидальная, входящая в коллоидную смесь и состоящая из воды и мельчайших частиц торфа; эта вода удаляется при высу­шивании торфа;

в) осмотическая, находящаяся внутри неразрушенных расти­тельных клеток, которую можно удалить лишь после химического разрушения оболочек этих клеток:

г) гидратная, входящая в вещество торфа как химически состав­ная часть.

Переходную форму между свободной и связанной образует вода, содержащаяся в промежутках между частицами торфа. Эта вода медленно вытекает из торфяной залежи под действием силы тяже­сти в направлении уклона местности. Верхняя граница воды, содер­жащейся в указанных мелких промежутках, образует поверхность уровня грунтовой воды на болоте.


Источники водного питания болот. Условия питания различных типов болот неодинаковы.

В водном балансе низинных и переходных болот большое значе­ние имеет поступление грунтовой воды, а также воды поверхност­ных водотоков в период их разливов. Питанию атмосферными осад­ками принадлежит меньшая роль.

Наоборот, верховые болота полу­чают питание в основном за счет атмосферных осадков. Приток грунтовой воды в этом случае определяет нижнюю границу устой­чивого положения отметки залегания подземных вод.

Соотношение различных видов питания существенно зависит от высотного поло­жения болота по отношению к рельефу местности и от гидрогеоло­гических условий заболоченной местности.

 

Движение воды в торфяном грунте и на болотных масси­вах. Движение воды в торфяной залежи осуществляется путем фильтрации по вертикали и в сторону уклона над более трудно про­ницаемыми прослойками торфа, а также в виде водоносных жил и даже внутризалежных потоков. Кроме того, вода торфяного болота может поступать по кратчайшему вертикальному направлению в подстилающий песчаный горизонт и двигаться по нему к рекам и канавам со значительно меньшим сопротивлением, чем в торфяной залежи. Торфяная залежь болотных массивов весьма неоднородна в смысле условий фильтрации в ней воды. Особенно резко различны условия фильтрации в верхнем, слабоуплотненном слое и в осталь­ной толще торфа.

Самые верхние слои болотного массива, называемые раститель­ным очесом, имеют наиболее крупные поры: в этих слоях осущест­вляется основное перемещение воды в болотном массиве.

В выпуклых грядово-мочажинных моховых болотных массивах верхний слой имеет толщину от 8 до 20 см и сложен в основном стеблями мхов, кустарничков и пушицы.

Второй, более уплотненный слой имеет толщину 5—25 см. От этого слоя осуществляется постепенный переход к основной бес­структурной массе торфа.

Вся толща от поверхности болота до среднего положения низ­ших уровней грунтовых вод на болоте называется деятельным, или активным, слоем болота: нижерасположенные горизонты образуют инертный слой.

Деятельный, или активный, слой болота характеризуется коле­банием в его пределах уровня грунтовых вод, высокой водопроводимостью и переменным содержанием влаги.

Инертный слой отличается постоянным содержанием воды во времени и ничтожно малой проводимостью торфа.

Движение воды по болотному массиву осуществляется в сле­дующих формах:

а) фильтрацией в толще мохового покрова, причем главным об­разом в верхних его слоях;

б) сплошным потоком по всей площади микроландшафта при ровной поверхности болот;

в) несплошным, расчлененным потоком при крупнокочковатом микрорельефе, когда кочки не соединяются между собой, а отделены друг от друга глубокими понижениями, по которым поверхностный поток обтекает их;

г) в виде болотных ручьев и речек.

Важной особенностью движения воды по болотному массиву яв­ляется сохранение ламинарного режима как при фильтрации, так и при перемещении воды по поверхности, исключая, конечно, дви­жение в болотных ручьях и речках.

На болотных массивах очертания рельефа достаточно полно отражают форму поверхности грунтовых вод. Поэтому напоры, под действием которых осуществляется движение потока грунтовых вод, фильтрующегося через торфяную залежь, а также поверхностного потока в периоды, когда, уровень стоит выше поверхности болота, могут быть приняты равными разностям отметок поверхности бо­лота.


Колебания уровня грунтовых вод на болотных массивах. Положение уровня грунтовых вод в болоте обусловливается релье­фом болота, характером растительности, наличием осушительных канав и дрен, а также климатическими условиями. Первые три фактора, действуя непрерывно или достаточно длительное время и притом в одном и том же направлении, определяют основной фон уровня грунтовых вод, который подвергается сезонным и случайным колебаниям под воздействием климатических факторов. Под влия­нием рельефа уровень грунтовых вод на болоте не образует гори­зонтальной поверхности, а следует за изгибами на возвышенностях, откуда закономерно снижается по склонам. Под влиянием осушительных канав уровень грунтовых вод снижается, причем это снижение зависит от размеров канав и степени канализованности болота.

Сезонные колебания уровня грунтовых вод связаны с общим го­довым ходом элементов климата. Весеннее снеготаяние вызывает подъем уровня грунтовых вод — весенний максимум.

Повышение температуры воздуха, а также развитие раститель­ности и связанное с этим увеличение испарения обусловливают постепенное снижение уровня грунтовых вод на болоте, заканчиваю­щееся летним минимумом, устанавливающимся, как правило, вне влияния реки, так как горизонт воды в реке в летний минимум ниже поверхности болота. Независимость летнего минимума от по­ложения уровня воды в реках определяет существенное отличие процесса его формирования от весеннего максимума, зависящего на некоторых болотах от разлива реки.

Понижение температуры с наступлением осени при наличии ат­мосферных осадков вызывает осенний подъем грунтовых вод. Медленный сток воды с болот в зимнее время при отсутствии по­полнения с поверхности вызывает постепенное снижение уровня грунтовых вод в течение зимы, заканчивается зимним миниму­мом.

Колебание уровней грунтовых вод в различных частях болотных массивов характеризуется большой синхронностью, но годовая амплитуда и положение уровня относительно поверхности болота в разных микроландшафтах одного и того же болотного мас­сива неодинаковы.


Сток с болот. В течение длительного времени целесооб­разность проведения осушительных мероприятий связывалась с во­просом о влиянии болот на речной сток и климат.

Различные взгляды на основные стороны проблемы о влиянии болот на водный режим рек — следствие отсутствия достаточных материалов наблюдений за процессами формирования стока с болот. Поэтому выводы о роли болот в питании рек часто делались на ос­нове общих логических построений.

Как указывалось выше, большая часть влаги с водораздельных болотных массивов стекает не русловым потоком, а путем фильтра­ции в деятельном слое. При котловинном залегании выпуклого бо­лотного массива фильтрационные токи будут направлены от зоны наибольшей высоты к границам массива: сюда же будут стекать воды со склонов котловины, окружающих массив. Вода, скаплива­ющаяся в этом случае на границах массива с суходолами, образует топи и ручьи, по которым она стекает во внешние водоприемники.

Отекание воды с болотного массива может продолжаться до тех пор, пока не истощится запас свободной (несвязанной) воды в дея­тельном горизонте болота, т. е. пока уровни грунтовых вод нахо­дятся в пределах этого горизонта. Снижение уровня грунтовых вод до границы деятельного горизонта либо ниже нее сопровождается или полным прекращением стока с болота или уменьшением его до весьма малых значений.

Сток с низинных болот формируется за счет грунтовых и поверх­ностных вод, поступающих на поверхность болота при разливах рек и в меньшей мере за счет атмосферных осадков. Иные условия фор­мирования низинных болотных массивов и стока с них обусловли­вают, в частности, более высокое и более устойчивое летнее пита­ние рек по сравнению с верховыми болотами. Это происходит вслед­ствие того, что в периоды низкого стояния грунтовых вод на болоте сток осуществляется из подстилающего торфяную залежь минераль­ного грунта. Различные условия стока в межень, естественно, опре­деляют и различное воздействие верховых и низинных болот на внутригодовое распределение стока питаемых ими рек.

Возникновение стока с болот от дождей зависит от слоя осадков за дождь и высоты стояния уровня грунтовых вод. Дожди, выпадаю­щие при уровнях грунтовых вод, лежащих ниже деятельного слоя, вызывают подъемы уровней только в пределах инертного горизонта и, полностью аккумулируясь, не оказывают никакого влияния на сток.

Когда уровень грунтовых вод находится в пределах деятель­ного слоя, каждый подъем уровней от выпадающих осадков сопровождается резким повышением расходов в вытекающих из болота водотоках.


Испарение с болотных массивов. Испарение с болотных массивов определяется количеством тепла, поступающего к испа­ряющей поверхности, и количеством влаги, подводимой к испаряю­щей поверхности из толщи болотного массива и выпадающей в виде атмосферных осадков.

В зависимости от изменения положения уровня грунтовой воды в болоте можно выделить три стадии в процессе испарения:

Первая стадия относится к условиям полного насыщения бо­лотного грунта водой. В этом случае испарение целиком опреде­ляется метеорологическими факторами. Полное насыщение на по­верхности почвы может сохраняться и при понижении уровня воды ниже поверхности, но в пределах зоны капиллярного поднятия в наи­более крупных порах почвы.

При дальнейшем снижении уровня грунтовой воды, когда уже не все, а только часть более мелких пор сможет подавать воду к поверхности, наступит вторая стадия испарения.

Наконец, при снижении уровня ниже зоны капиллярного под­нятия даже по наиболее мелким порам наступит третья стадия испарения. В этой стадии капиллярный поток к поверхности от­сутствует и болотная почва начинает просыхать на некоторую глубину.

На лесных болотных массивах испарение за счет более глубо­кого расположения корневой системы с понижением уровней умень­шается значительно меньше, чем на моховых и травяных. Это приводит к повышенному расходу влаги на испарение на облесен­ных болотах по сравнению с моховыми и травяными болотами. Косвенным показателем повышенного испарения с лесных болот­ных микроландшафтов по сравнению с моховыми является боль­шая амплитуда колебаний уровней грунтовых вод и более низ­кий их летний минимум.

Тема 7. Гидрология озер

Происхождение, типы и морфология озерных котловин

Озерами называются котловины или впадины земной поверхно­сти, заполненные водой и не имеющие прямого соединения с морем.

Размеры озер колеблются в весьма широком диапазоне. Со­гласно приведенному определению, к озерам могут быть отнесены и такие крупные водоемы, как Каспийское и Аральское моря, а также сравнительно небольшие временные скопления воды в по­нижениях местности, образующиеся, например, в период весен­него снеготаяния.

Иногда, в отличие от текущих вод (рек), озера определяют как водоемы с замедленным стоком или с замедленным водообменом.

При наличии котловины образование озера произойдет в том случае, когда приток воды в это углубление будет превышать по­тери на фильтрацию и испарение.

Водохранилище - искусственно созданное озеро.

Пру­д - водохранилище небольшого размера.

Пруд - естественные озера, на площади которых распространена водная растительность.


Типы озер по характеру котловин. Несмотря на большое разнообразие встречающихся в природе озер, среди них могут быть выделены определенные типы, имеющие сходство по ряду при­знаков.

Прежде всего можно выделить определенные типы озер в зави­симости от условий образования озерного ложа.

По характеру котловин, послуживших основой для образования озера, можно выделить:

1. Плотинные озера - образуются в том случае, когда долина перекрывается в каком-либо месте обвалом, ледником, наносамии т. п.; в эту группу входят и искусственные озера — водохрани­лища.

Среди плотинных озер можно выделить

- речные - могут возникать как временные образования в результате резкого снижения стока отдельных рек в сухое время года; в этом случае реки нередко обращаются в цепочку озер, ле­жащих в долине и отделенных друг от друга сухими участками ру­сла.

- поймен­ные - непосредственно связаны с процессом образования стариц, возникающих вследствие преграждения от­дельных рукавов реки грядой наносов и образования рекой нового русла.

- долинные - возникают в горах от завалов. Озера завального происхождения образуются вследствие закупорки узкой долины продуктами разрушения их склонов.

- прибрежные озера бывают двух типов: лагуны и лиманы.

Ла­гуны возникают в том случае, когда мелководные заливы, или бухты, отделяются от моря наносными песчано-глинистыми валами, или косами.

Лиманы представляют собой затопленную морем усть­евую часть долины.

2. Моренные озера обязаны своим происхождением деятельности ледников, особенно мощных ледниковых покровов четвертичного периода, которые погребали под собой огромные пространства. После отступления (таяния) и исчезновения такого ледникового щита на его месте остался обломочный материал, который перено­сил с собой ледник: глина, песок, щебень, крупные глыбы горных пород и т. д.

Большое скопление этого материала (морены) в одних местах и незначительное в других создает рельеф, отли­чающийся холмистостью, непрерывным и частым чередованием воз­вышенностей и понижений, причем понижения обычно бывают замкнутыми. Заполненные водой, они образуют моренные озера круг­лой или неправильной формы, со многими ответвлениями и зали­вами. В условиях моренного ландшафта немало озер, относящихся и к типу плотинных.

3. Каровые озера занимают впадины, выработанные в ледниковое время совместной работой льда, фирна и морозного выветривания.

4. Карстовые озера представляют собой результат химической (растворяющей) деятельности подземных и поверхностных вод. Вынос растворенных веществ, а также тонких глинистых частиц (суффозия) может привести к образованию подземных пустот и оседанию кровли над этими пустотами, что обусловит появление воронок на поверхности земли; если эти воронки будут заполнены водой, на их месте возникнут карстовые озера.

Своеобразной разновидностью карстового типа озер являются термокарстовые озера, возникающие в результате заполнения во­дой углублений на поверхности земли, образующихся в областях развития вечной мерзлоты вследствие таяния подземных пластов или линз льда. Таяние этого льда не только способствует образо­ванию озерной котловины, но и в значительной мере поставляет воду для заполнения котловины.

5. Дефляционные озера располагаются в котловинах, созданных в результате процесса выдувания, и в понижениях между барха­нами и дюнами.

Многие котловинные озера возникают в результате вулканиче­ских и тектонических процессов.

6. Тектони­ческие озера. Тектонические процессы обуслов­ливают появление котловин огромных размеров. Поэтому тектони­ческие озера обычно глубоки. Примерами могут служить озера Ис­сык-Куль, Байкал, Севан и др.

7. Вулканические озера возникают либо в кратере потухшего вул­кана, либо в углублениях на поверхности лавового потока, образо­вавшихся при его застывании, либо в долине реки вследствие перегораживания ее потоком лавы.

По водному балансу озёра делятся на:

- сточные - имеют сток, преимущественно в виде реки);

- бессточные - не имеют поверхностного стока или подземного отвода воды в соседние водосборы. Расход воды происходит за счет испарения.

По химическому составу воды озёра делятся на:

- пресные

- минеральные (солёные)


Элементы озерного ложа и береговой области. Впадина, находящаяся на земле и наполненная водой, имеет закономерно построенный рельеф, отличающий ее от впадин, не занятых водой.

Первоначальная форма котловин изменяется под действием размыва как поверхностным стоком в озеро, так и волнением: склоны котловины выполаживаются, неровности рельефа дна сгла­живаются, заполняясь отложениями, откосы берега приобретают устойчивый профиль.

Раздел озероведения, в котором рассматриваются закономерно­сти, проявляющиеся в формировании рельефа озерных котловин, называется морфологией озер.

Озерная котловина от окружающей местности отграничена ко­ренным берегом, образующим береговой склон, или яр; основание этого берега располагается на верхней границе воздействия озер­ной волны.

Заканчивается коренной берег бровкой, или линией со­пряжения склонов с поверхностью прилегающей местности.

Часть котловины, заполненная водой до высоты максимального подъема уровня, называется озерным ложем, или озерной чашей.

В озерной котловине прежде всего можно выделить береговую и глубинные области.

В береговой области выделяют три зоны:

1) береговые склоны (яр)— часть озерного склона, окружаю­щая озеро со всех сторон и неподвергающаяся воздействию волно­вого прибоя;

2) побережьевключает сухую часть, которая подвергается воздействию воды лишь при сильном волнении и в особенности при высоком стоянии воды, затопляемую, которая покрывается водой периодически — во время подъема уровня воды озера, и подводную, которая обычно лежит под поверхностью воды и, в отличие от бо­лее глубоких частей береговой области, подвергается воздействию волны при волнении;

3) береговую отмельзаканчивается подводным откосом, яв­ляющимся границей между склоном и дном озерного ложа; верх­няя часть береговой отмели соответствует нижней границе воздей­ствия на береговую область волнового прибоя.

Указанные зоны береговой области озерной котловины в схема­тическом виде показаны на рис. 1.

 

clip_image002

Рис. 1. Схема расчленения береговой области озер­ной котловины

Побережье и береговую отмель объединяют в одну зону – прибрежную или литораль. Ее нижняя граница определяется глубиной действия волны, иногда глубиной проникновения солнечных лучей. Глубинная часть озера – профундаль. Между литоралью и профундалью – сублитораль.


Формирование озерного ложа под влиянием волнения и отложения наносов. Волнение, зависящее от силы ветра, глубины и размеров озера, воздействует в течение длительного периода на береговую область озерной котловины, разрушает слагающие ее горные породы и сносит размытый материал вниз по склонам и на дно озера. В результате этого увеличиваются размеры побережья и отмели размыва, одновременно с этим увеличивается площадь намыва и уменьшается за счет глубинной области озера.

Таким образом, озеро постепенно заносится благодаря дейст­вию волн. Степень интенсивности этого процесса, конечно, в значи­тельной мере зависит от геологического состава пород, из которых сложен берег озера.

Однако каков бы ни был береговой материал, он под действием волн и выветривания превращается, в конце концов, в мелкий ка­мень, гравий и песок.

Кроме волнения, на форму озерного ложа существенное влияние оказывает процесс поступления аллювиальных наносов, приноси­мых впадающими в озеро реками. Впадающие в озеро поверхност­ные водотоки размывают по пути своего следования грунты и выно­сят продукты размыва в озеро.

Помимо минеральных осадков, попадающих в озерное ложе в результате волнения или приносимых течением рек, озерная кот­ловина заполняется и отложениями ила органического происхож­дения. Этот ил является продуктом процессов, происходящих в са­мом озере, и образуется в результате отмирания и последующего осаждения на дно взвешенных в воде микроскопических животных и растительных организмов (так называемого планктона), а также в результате отмирания прибрежной растительности, распадающейся после перегнивания на мельчайшие частицы, легко уносимые течениями на середину озера. Интенсивное развитие указанных организмов в течение теплого периода года, а отмирание в течение холодного обусловливает послойное отложение этих илов на дне озера, что позволяет по слоям определять возраст озера.


Зарастание озер. Количество минеральных осадков и ор­ганического ила на дне озера увеличивается с каждым годом, вследствие чего дно постепенно повышается.

В озерах с пологими берегами водно-болотные растения надви­гаются на озеро с берегов, окаймляя зеркало воды широким зеле­ным кольцом.

Для мелководных озер с пологими берегами можно выделить ряд поясов, закономерно сменяющихся от берегов к центру озера (рис. 2).

clip_image004

Рис. 2. Схема зарастания мелководных озер.

1 — осоковый торф, 2 — тростниковый и камышовый торф, 3 — сапро­пелевый торф, 4 — сапропелит.

Иногда на мелеющих озерах можно наблюдать сплавиныост­ровки растительности, оторванные от берегов или непосредственно примыкающие к минеральному берегу (Рис. 3). Сначала эти сплавины об­разуют небольшие площади, затем по мере дальнейшего обмеле­ния озера они разрастаются, соединяются с другими и покрывают озеро сплошным покровом болотной растительности из травяного и мохового ярусов. Эти образования известны под названием зыбуна.

 

clip_image006

Рис. 3. Схема зарастания глубокого озера путем образо­вания сплавин.

1 — торф сплавины; 2 — мутта, или пелоген; 3 — сапропелевый торф; 4 — сапропелит.


Географическое положение озера. Морфометрические характеристики. Важной характеристикой озера является его геогра­фическое положение (широта, долгота) и высота над уровнем моря.

Эти данные уже позволяют составить общее представление об основных чертах режима озера. Географическое положение озера в определенной мере отражает общие климатические особенности района, а высотное положение определяет также местные влияния климатических и других факторов на процессы, происходящие в озере.

При изучении озер и озерных котловин важно установить не только условия их образования, но и определить ряд числовых ха­рактеристик, дающих количественные представления об основных элементах озера и озерной котловины. Эти характеристики но­сят название морфометрических.

Площадь озера ω, м2, вычисляется двояко: либо вместе с площадью островов, либо отдельно площадь водной поверхности. Так как бе­рега озер не отвесны, площадь водной поверхности (зеркала озера) изменяется при изменении уровня озера.

Длина озера - L, м - кратчайшее расстояние между двумя наиболее удаленными точками, расположенными на берегах озера, измеряе­мое по поверхности озера.

Таким образом, эта линия будет прямой лишь в случае сравнительно простых очертаний озера; для изви­листого озера эта линия, очевидно, может быть и не прямой, а со­стоять из отдельных отрезков прямых и кривых линий.

Ширина озера различают:

- наибольшую ширину - В, м, определяе­мую как наибольший поперечник (перпендикуляр) к линии длины озера,

- среднюю ширину – Вср, м, представляющую отношение площади ω озера к его длине L

clip_image008

Коэффициентом извилистости т - степень развития береговой линии - отношение длины береговой линии s к длине окружности круга, имеющего площадь, равную площади озера,

clip_image010

Коэффициент извилистости береговой линии может также быть выражен отношением длины береговой линии S к периметру ломаной линии S', обводящей контур озера:

m = S/S'

В этом случае получается более правильное представление об изрезанности береговой линии.

Широкое применение при оценке водных запасов озера имеет кривая изменения площади озера с глубиной, представляющая со­бой график связи площадей горизонтальных сечений озера и соот­ветствующих им глубин, и кривая изменения объема озера в зави­симости от его глубины.

clip_image012

Рис. 4. Кривые площадей и объемов Онежского озера

На Рис. 4 представлены кривые изменения площади и объема Онежского озера с глубиной. Такие кривые дают воз­можность определить площадь зеркала озера и объема воды для любого уровня. Эти величины необходимо знать при всех расчетах.


Объем воды в озере W, м3 может быть определен по карте изобат, пользуясь «методом призм». Изобатные поверхности делят объем озера на ряд слоев, каждый из которых можно рассматривать приближенно как призму, основаниями которой будут площади, ограниченные смежными изобатами, а высота равна сечению между ними. Обозначив площади, ограниченные отдельными изобатами, через ω0, ω1, ω2, ω3… ωn, а сечение их через h, объем воды в озере определим по формуле

W = clip_image014 +clip_image016+clip_image018+…+clip_image020+ W =

= clip_image022W,

где W – объем, заключенный между площадью последней самой глубокой изобаты и точкой дна озера с максимальной глубиной, определяемый по формуле:

W=clip_image024 ,

где hмакс – максимальная глубина озера в метрах; hn – глубина, соответствующая наибольшей изобате, ωnплощадь последней (самой глубокой) изобаты.

Максимальная глубина озера – hмакс, м.

clip_image026Средняя глубина озера - hср, м - отношение объема воды в озере к площади его зеркала.

Средний уклон дна между изобатами определяется по формуле:

clip_image028

где l1, l2 – длины изобат, между которыми определяется уклон; h – сечение изобат, ω – площадь кольца между изобатами.

Средний уклон озера Iопределяется по формуле:

clip_image030

где n – число изобат.

Знание элементов, характеризующих форму озерной котловины, необходимо не только для того, чтобы понять основные законо­мерности режима озера, но и для решения ряда хозяйственных задач, связанных непосредственно с эксплуатацией озера. Напри­мер, при использовании озера в транспортных целях необходимо знать распределение глубин в пределах всей акватории и, в частности, в зоне бере­говой отмели. При регули­ровании стока вытекающих из озера рек необходимо иметь кривые зависимости объема воды и площадей озера от высоты стояния уровня. Для расчета элемен­тов волн важно знать рас­пределение глубин и ширин озера по различным направлениям и т. д.


Уровенный режим озер.

Уровенный режим озер определяется комплексом следующих природных условий:

а) соотношением между приходной (осадки на зеркало озера, поверхностный приток, подземный приток) и расходной частью водного баланса озера (испарение, поверхностный и подземный сток из озера);

б) морфометрическими характеристиками озерной чаши и озерной котловины (соотношение между высотой стояния воды в озере и площадью его водного зеркала);

в) размерами озера, его формой, характером берегов, характе­ром ветровой деятельности, определяющим размеры волн, сгонов и нагонов уровня.

Колебания уровня озера могут быть сведены к следующим трем основным видам: сезонные, годовые и кратковременные.

Иногда колебания уровня в годовом (сезонные) и многолетнем периоде, отражающие режим притока и убыли воды в озере, называют аб­солютными колебаниями, а кратковременные, которые происходят одновременно с абсолютными изменениями уровня, называют от­носительными колебаниями. В силу того что относительные колебания протекают одновременно с абсолютными, они дополнительно увеличивают или уменьшают амплитуду абсолютного колебания уровня озера в отдельных его пунктах.

Сезонные колебания, происходящие в течение года, обусловли­ваются различными в разные месяцы, но более или менее пра­вильно ежегодно повторяющимися соотношениями между приход­ной и расходной частями водного баланса.

Амплитуда годовых колебаний уровня воды в разных озерах различна и зависит oт ряда факторов: климатических условий, характера питания, размера площади водосбора, размера озера, геологических условий озерного ложа и др.

Абсолютные значения амплитуды колебания уровней естествен­ных озер изменяются в довольно широких пределах — от десятков сантиметров до 2—4 м и больше в зависимости от сочетания ука­занных выше условий.

После ряда многоводных лет, когда приток превышает расход воды из озера, имеет место более высокое стояние уровней, чем после маловодных периодов. Вследствие того что на крупных (осо­бенно бессточных) озерах уровень каждого данного года является следствием характера водности ряда предшествующих лет, низкий уровень может иметь место и в многоводном году, если этот год входит в цикл лет маловодного периода, и высокий — в маловод­ном, если этот маловодный год наблюдается в пределах многовод­ного периода.

Кроме отмеченной причины, имеющей место на каждом озере, иногда наблюдаются так называемые вековые колебания, вызывае­мые геологическими факторами (поднятие, опускание озерной кот­ловины и отдельных частей ее).

Кратковременные, или относительные, колебания уровней воды в озере являются следствием волнения, ветровых нагонов и сгонов и сейш.


Динамические явления в озерах

Постоянные и временные движения водных масс. Движе­ния водной массы, возникающие в озерах, могут быть разделены на постоянные и временные.

Постоянные движения воды в озере в форме течений вызыва­ются впадающей в озеро или вытекающей из него рекой (сточные течения). Интенсивность таких течений определяется соотноше­нием объема озера и расхода втекающей или вытекающей реки. Если объем воды в проточном озере невелик по сравнению с объ­емом воды, втекающей в озеро, то в озере устанавливается течение, аналогичное течению в реке, лишь с соответственно меньшими скоростями. Такое проточное озеро может в некотором смысле рас­сматриваться как крайний случай значительного расширения русла реки.

Если, наоборот, объем озера весьма велик по сравнению с объемом воды, втекающей и вытекающей из него, то, хотя оно и в этом случае называется проточным, но во многих отношениях по характеру происходящих в нем процессов ближе подходит к бессточному озеру. Течение такого типа наблюдается в оз. Байкал, объем которого чрезвычайно велик по сравнению с объемом стока втекающих в него рек Селенги, Верхней Ангары и др. и вытекаю­щей из него р. Ангары.

Временные движения водной массы озера могут проявляться в виде течений и волнения.

Среди временных течений прежде всего следует выделить такие, которые возникают под действием ветра и вследствие неравномер­ного нагревания и охлаждения воды озера.

Ветровые (дрейфовые) течения оказывают особенно значитель­ное влияние на характер физических процессов в озерах с большой площадью, плоской формой озерного ложа и малыми глубинами.

Неравномерность охлаждения и нагревания водных масс озера прежде всего вызывает вертикальные, так называемые конвекцион­ные токи, в некоторой степени оказывающие влияние и на горизон­тальные перемещения водных масс.

Среди временных движений водных масс озера наибольшее зна­чение имеют ветровые волны и сейши.


Ветровые волны. Исследования показали; что если две среды разной плотности расположены одна над другой, но только в состоянии покоя одной среды относительно другой разделяющая их поверхность будет плоскостью. Если одна из них движется по отношению к другой, то разделяющая их поверхность принимает волнообразный характер, причем размеры волн зависят от скоро­сти движения, разности плотностей и глубин обеих сред.

При движении воздуха над водной поверхностью в результате трения создается неустойчивое равновесие на поверхности их раз­дела, которое, неизбежно, нарушаясь, закономерно переходит в ус­тойчивую в этих условиях волновую форму с повышением плоско­сти раздела против начальной линии уровня в одних местах и с по­нижением в других.

Волны характеризуются следующими элементами (Рис. 5):

вершина, или гребень, волны — высшая точка волны А;

подошва, или ложбинасамая низшая точка волны В;высота волны — разность отметок гребня и подошвы;

длина — расстояние между двумя вершинами или двумя подошвами;

крутизна волны (а) в данной точке — тангенс угла, состав­ляемого касательной к профилю волны с горизонтальной линией. Часто в расчетных зависимостях под крутизной волны понимают не крутизну в данной точке, а отношение длины волны к высоте волны;

период волны — промежуток времени, в течение которого волна пробегает расстояние,_равное ее длине;

скорость распространения волны — расстояние, проходимое какой-либо точкой волны (например, гребнем) в единицу времени.

По внешней форме различают:

а) правильное – двухмерное - волнение, когда наблюдается одна система волн, распространяющихся в одном направлении и имеющих одну форму и размеры;

б) неправильное – трехмерное - волнение, состоящее из беспорядочно движущихся волн, гребни и ложбины которых разбиты на обособленные бугры и впадины.

clip_image032

Рис. 5. Схема ветровой волны

Применительно к случаю правильных двухмерных волн сущест­вует теория волнения, известная под названием теории трохоидальных волн. Эта теория устанавливает внешнюю форму волны и за­коны движения частиц воды.

Форма волны, согласно рассматриваемой теории, представляет собой трохоиду, т. е. кривую, описываемую какой-либо точкой внутри круга, катящегося (без скольжения) по прямой, тогда как точка на окружности такого круга описывает кривую, называемую циклоидой (Рис. 6).

clip_image034

Рис. 6. Трохоида (1) и циклоида (2).

Сейши. Иногда в озере возникает колебание всей массы воды, причем по поверхности ее не распространяется никакой волны. Такое колебательное движение называется сейшами. При сейшах поверхность озера приобретает уклон то в одну, то в дру­гую сторону. Неподвижная ось, около которой колеблется зеркало озера, называется узлом. Как показы­вают исследования, сейши более устойчивы в глубоководных водоемах, чем в мелководных.


Характеристика про­цесса нагревания и охлажде­ния воды в озерах.

Смена на­гревания и охлаждения проис­ходит неодновременно во всей толще воды. Наиболее резкие изменения температуры наблюдаются на поверхности водоема, от­куда они под влиянием динамического и конвективного перемеши­вания, течений и волнения распространяются по всей толще воды.

Направление конвективного перемешивания, происходящего под влиянием разности плотностей воды на разных глубинах, будет различным в зависимости от того, выше или ниже 4°С (для прес­ных озер) температура к моменту возникновения конвекции.

Если температура воды озера от 0 до 4°С, то у поверхности, находится вода с более низкой температурой, а ниже в соответствии с изменением плотности располагаются слои с последовательно увеличивающей температурой, все более приближающейся к 4°С. В этом случае имеет место обратная термическая стратификация. С того момента, когда приходные составляющие теплового ба­ланса начинают превышать расходные, увеличивается температура поверхностных слоев, которые, нагреваясь до 4°С, как более тяже­лые опускаются вглубь, а на их место под влиянием конвекции под­нимаются более холодные массы воды.

Когда температура по всей толще воды озера достигнет 4°С, дальнейшее нагревание поверхностных слоев приведет к повыше­нию их температуры, но распространение тепла в глубину конвек­цией происходить уже не будет. Возникнет прямая термическая стратификация, характеризующаяся убыванием температуры воды от поверхности в глубину.

Явление постоянства температуры по глубине, устанавливающейся осенью после нарушения прямой стратификации и весной после нарушения обратной стратифика­ции, называют осенней и весенней гомотермией.

В результате суточного обмена тепла указанная картина не­сколько усложняется. Начиная с весны, после того как установится прямая температурная стратификация, в течение дня верхние слои воды будут нагреваться, а ночью, когда нагревание солнцем пре­кращается, охлаждаться. Этот процесс ведет, в конце концов, к вы­равниванию температуры в некотором поверхностном слое воды. В результате на нижней границе этого слоя температура резко из­меняется, образуя так называемый слой температурного скачка. Слой скачка в течение лета непостоянен; появляясь весной, он ле­том углубляется и исчезает лишь осенью, когда нагревание озера ослабевает.

Слоем скачка вся толща озерной воды разделяется на два слоя:

- верхний – эпилимнион - с малыми градиентами температуры из-за интенсивного перемешивания;

- нижний – гиполимнион - также с ма­лыми градиентами, но, наоборот, обусловленными слабым переме­шиванием.


Изменение температуры воды в озерах в течение года. В соответствии с годовым ходом составляющих теплового баланса температура воды имеет ясно выраженный годовой ход:

В годовом цикле изменения температуры воды можно выделить периоды:

1) весеннего нагревания - начинается с момента, когда устанавливается направленный в воду тепловой поток. На замерзающих озерах весеннее нагревание воды начинается еще при наличии ледяного покрова за счет поглощения проникающей сквозь лед (после схода снега) солнечной радиации. Заканчивается период весеннего нагревания установлением темпе­ратуры максимальной плотности во всей толще озера.

2) летнего нагревания - начинается с момента перехода гомотермии в прямую стратификацию. Перемешивание в это время осуществляется главным образом деятельностью ветра, при этом по мере усиления прямой стратифи­кации сопротивление перемешиванию возрастает и теплообмен с нижележащими слоями становится все более затруднительным. Особенно большое сопротивление перемешиванию оказывает обра­зующийся летом слой скачка, имеющий большие градиенты плот­ности и, следовательно, обладающий большой устойчивостью. Конвекция проявляется при этом только во время ночного охлаждения. В соответствии с характером распределения температуры по вер­тикали водная толща достаточно глубоких озер распадается на три слоя: эпилимнион, металимнион и гиполимнион.

Металимнион, является зоной температурного скачка. Нижняя граница металимниона неопределенна и постепенно пе­реходит в гиполимнион.

3) осеннего охлаждения - начинается с момента появления отрицательного теплового потока и заканчивается установлением температуры наибольшей плотно­сти во всей толще озера.

4) зимнего охлаждения - начинается с момента образова­ния обратной стратификации тем­пературы и на замерзающих озе­рах заканчивается с наступлени­ем ледостава. С установлением ледяного покрова охлаждение осуществляется путем теплопровод­ности через толщу снега и льда. Т.к. этот процесс идет мед­ленно, поступление тепла от дна начинает превышать расход и в мелководных озерах часто наблюдается повышение температуры воды после ледостава.


Ледовые явления.

С момента установления обратной стратификации при продолжающемся понижении температуры воздуха верхние слои воды охлаждаются до 0°С и начинается процесс замерзания озера.

Период времени, в течение которого на озере наблюдаются ледовые явления, может быть разделен на три характерные части: замерзание, ледостав и вскрытие.

Чтобы началось замерзание водоема, необходимо наличие переохлажденной воды и находящихся в ней ядер кристаллизации, а также непрерывный отток скрытой теплоты кристаллизации.

На небольших и неглубоких озерах при отсутствии ветра и сильном морозе уже незначительное переохлаждение в тончайшей поверхностной пленке воды создает условия, благоприятные для образования мелких игольчатых кристаллов льда, которые, скапливаясь, напоминают пятна застывшего на воде жира и называются салом. При дальнейшем охлаждении сало смерзается и превращается в ледяную корку с зеркально гладкой поверхностью, которая может покрыть водоем в течение одной тихой морозной ночи. Дальнейшее утолщение этой корки идет снизу и постепенно образуется прозрачный кристаллический лед – стеклец, ясинец, голубой лед. При наличии даже слабого ветра благодаря теплообмену с нижерасположенными более теплыми слоями ледообразование замедляется. В этих условиях кристаллы льда и сало возникают у берегов, где вода вследствие малой глубины охлаждается раньше, чем в открытой части озера. При дальнейшем охлаждении и смерзании сала образуются полосы из неподвижного льда – забереги. Постепенно забереги увеличиваются, продвигаясь к середине водоема, на поверхности которого появляется в изобилии сало. При безветрии сало быстро смерзается и поверхность озера покрывается коркой льда, выдерживающей влияние ветра до 5 м/с.

Большие мелководные озера при наличии умеренных ветров (до 5 м/с) замерзают аналогично малым.

На больших озерах в морозную и очень ветреную погоду происходит перемешивание большой толщи воды, которая переохлаждается. Наличие ядер кристаллизации способствует образованию мелких, пластинчатых кристаллов или смерзшихся в губчатую непрозрачную массу скоплений внутриводного льда, который может находиться в толще воды во взвешенном состоянии - глубинный лед, а также на дне – донный лед. Смерзаясь, кристаллы внутриводного льда всплывают и образуют на поверхности водоема скопления – шугу. Часто в шуге содержится сало и мелкобитый лед. Если шуга перемещается под действием стокового течения, образуется шугоход.

При выпадении снега на поверхность озера, температура воды которого равна 0С, снег не тает, а образует так называемую снежуру, похожую на мокрую вату. Дальнейшее охлаждение озера способствует образованию в его открытой части сала, смерзающегося в отдельные диски диаметром от 0,5 до 2-3 м – блинчатый лед. Этот лед беловатого цвета и имеет характерный небольшой валик, идущий по краю льдин. Возникает он от трения льдин между собой. В дальнейшем диски смерзаются, утолщаются и образуют большие ледяные поля или лавы, перегоняемые ветром в направлении берега, где они смерзаются с береговым льдом.

Таким образом возникает сплошной лед обычно с неровной, торосистой поверхностью, разрастание которого идет от центра озера к периферии.

Помехой для окончательного установления ледостава является ветер, который может взламывать ледяной покров и, нагромождая льдины, создавать торосы.

Для окончательного установления ледостава необходима морозная штилевая погода в течение нескольких дней.


В период замерзания на некоторых озерах отмечаются такие явления как ледоход – движение льдин и ледяных полей, увлекаемых стоковыми течениями, и дрейф льда – перемещение его под действием ветра и волнения. Встречаются также ледяные валы – образования в виде гряд, сложенных из шуги и битого льда высотой 3-4 м и шириной в основании до 5 м; они образуются у волноприбойных берегов во время волнения. В некоторых озерах формируются пятры - грибовидной формы ледяные острова.

После установления сплошного ледостава дальнейшее нарастание льда в озерах зависит от разности потоков тепла, уходящего вверх сквозь лед в атмосферу и приходящего снизу из водной толщи.

В течение зимы лед подвергается деформациям, проявляющимся в образовании трещин. Трещины – термические – возникают при резких суточных изменениях температуры поверхностных слоев льда, если на нем отсутствует снег, а также под действием снега – динамические.

Образование трещин вызывается и большим количеством выпадающего снега. При значительной его толщине лед погружается в воду и дает трещины, по которым вода, выступая на поверхность, пропитывает снег и замерзает. В результате образуется мутный беловатый водно-снеговой лед с большим количеством пузырьков воздуха – наслуд. Если при оттепелях лежащий на поверхности льда снег подтаивает, а затем вновь замерзает, то образуется снеговой лед – лженаслуд. Наслуд образуется и при возникновении во время оттепелей на поверхности озерного льда луж, в дальнейшем замерзающих.

Вскрытие и освобождение озер ото льда происходит под влиянием тепловых и механических факторов (ветер, подъем уровня). При вскрытии озер вначале происходит таяние снега и льда у берегов и там образуются закраины, т.е. полосы открытой воды вдоль берегов. Весенний подъем уровня способствует отходу льда от берегов, возникает подвижка льда, которая сопровождается появлением разводьев - пространств открытой воды. Ветер и волнения способствуют разрушению ледяного покрова, который распадается на отдельные ледяные поля. Под действием ветра они образуют ледоход и разбиваются на льдины.


Формирование химического режима. Химический состав озерной воды определяется составом воды притоков и питающих озеро подзем­ных вод, а также тесно связан с биологическими процессами, про­исходящими в озере, и с комплексом физико-географических усло­вий, характеризующих бассейн водосбора озера. Особое значение в процессах формирования химического состава озерной воды имеет наличие или отсутствие стока из озера. В бессточных озерах, расходующих воду на испарение, происходит систематическое на­копление поступающих солей и повышение их концентрации, по­этому они часто превращаются в соленые озера. Наоборот, в про­точных озерах соли свободно выносятся вытекающими из них потоками, поэтому в проточных озерах обычно не наблюдается высокой концентрации солей.

Особенно бедны растворенными солями воды горных озер, расположенных среди малорастворимых кристаллических пород и пи­тающихся слабоминерализованными талыми снеговыми и ледни­ковыми водами, а также воды озер, находящихся среди верховых сфагновых болот и питающихся почти исключительно атмосфер­ными осадками.

Наиболее богаты солями озера засушливых и полупустынных областей.

Особо интенсивное поступление минеральных солей в водоемы может приводить к воз­никновению меромиктических (двуслойных) озер. В частности, такие водоемы могут возникнуть в результате сброса в них промышленно-коммунальных стоков, особенно отходов содо­вой промышленности.

Указанные водоемы характеризуются расслоением водной массы на два, практически не перемешивающихся между собой слоя. Нижний слой с водой повышенной плотности выступает как бы в форме жидкого дна для поверхностного слоя. Различие плот­ностей верхнего и нижнего слоев определяется количеством содер­жащихся в них минеральных веществ.

В зависимости от условий формирования нижнего слоя меромиктические озера разделяют на:

- эктогенные озера, в которых нижний более плотный слой сформировался в результате проникновения в озеро морской воды.

- креногенные - у которых повышенная плот­ность монимолимниона обусловлена, притоком подземных вод вы­сокой минерализации.

- биогенные озера - повышение плотности воды нижнего слоя происходит в результате постепенного накопления в придонном слое продуктов разложения органического вещества.


Биологические процессы.

Развивающиеся в озерах биологиче­ские процессы непосредственно обусловлены химическим составом озерной воды, ее прозрачностью, размером озера и связанным с ним термическим режимом.

Обитателей вод можно разделить на три основные группы в зависимости от условий их перемещения и зон распро­странения в озере:

1) планктонмельчайшие организмы, находящиеся во взве­шенном состоянии и пассивно передвигающиеся вместе с водой;

2) нектонорганизмы, активно передвигающиеся в воде;

3) бентосорганизмы, живущие на дне озера.

По питательности содержащихся в озере веществ различают три типа озер:

1) олиготрофные озера - с малым количеством питательных ве­ществ - характеризуются обычно большими или средними глуби­нами, значительной массой воды ниже слоя температурного скачка, большой прозрачностью, цветом воды от синего до зеленого, посте­пенным падением содержания кислорода ко дну, вблизи которого вода всегда содержит значительные количества О2 (не менее 60— 70% содержания его на поверхности);

2) эвтрофные озера - с большим содержанием питательных ве­ществ - обычно отличаются небольшой глубиной (слой ниже тем­пературного скачка очень невелик), они хорошо благодаря этому прогреваются, прозрачность воды в них невелика, цвет воды — от зеленого до бурого, дно устлано органическим илом. Содер­жание кислорода резко падает ко дну, где он часто исчезает совер­шенно;

3) дистрофные озера - бедные питательными веществами - встре­чаются в сильно заболоченных районах; вода отличается малой прозрачностью, желтым или бурым (от большого содержания гуминных веществ) цветом воды. Минерализация воды мала, содер­жание кислорода пониженное из-за расхода его на окисление орга­нических веществ.


Озерные отложения.

Донные отложения в озерах форми­руются в результате:

- поступления в озеро речных и эоловых наносов и продуктов абразии - терригенные отложения;

- накопления продуктов химических реакций - хемогенные от­ложения;

- отложения остатков отмирающих живых организмов - био­генные отложения.

Биогенные отложения подразделяются на:

1) минеральные остатки отмерших организмов,

2) органические вещества.

Компоненты озерных отложений, поступающие в озеро извне, называют аллохтонными, а образующиеся в самом озере — авто­хтонными.

Особо важную форму озерных отложений представляют сапропели - гниющий ил - представляющие собой уплотнившиеся осадки преимущественно органического происхождения.

Местом образования сапропелей являются тихие и достаточно глубокие водоемы с застойной или малопроточной водой. В проточ­ной, богатой кислородом воде образование сапропелевых отложе­ний сильно затруднено, так как здесь в результате распада отмер­ших организмов от них не остается заметных следов. В мелковод­ных озерах образованию сапропеля не благоприятствует относительно большое содержание кислорода по всей глубине во­доема; развивающаяся в этом случае богатая растительность дает образование иному виду озерных отложений — торфу.

You are here: Главная Гидрология Прочие материалы