Подземные воды

Подземные воды — это воды, находящи­еся в горных породах в жидком, твердом и па­рообразном состоянии. В верхней части зем­ной коры они образуются в основном из ат­мосферных осадков и называются вадозными. Вадозные воды подразделяются на три груп­пы: инфильтрационные — просачивающие­ся сквозь зернистые породы, инфлюацион-ные — втекающие в глубь пород по трещи­нам, и конденсационные, образующиеся из водяного пара воздуха, находящегося в под­земных порах и трещинах. Глубокие горизон­ты вод могут быть магматического происхож­дения (ювенильные воды) или реликтовы­ми, сохранившимися со времен накопления морских осадков (седиментационные воды).

Условия залегания и запасы подземных вод зависят от вещественного состава горных по­род, определяющего их водно-физические свойства. Среди них важны пористость — наличие капиллярных пор и скважность — присутствие некапиллярных пустот. Они обус­ловливают такие важные свойства пород, как влагоемкость и водопроницаемость.

Влагоемкость — способность пород удер­живать определенное количество воды. По вла-гоемкости горные породы подразделяются на сильновлагоемкие (торф, глина и др.), слабо­влагоемкие (лёсс, мелкий песок и др.), невла­гоемкие (галька, гравий, крупный песок и др.). Водопроницаемость — способность пород пропускать через себя воду. Обычно в земной коре, особенно на равнинах, чередуются слои различной водопроницаемости. Рыхлые породы (песок, гравий, галька) и трещинова­тые скальные (известняк, опока, доломиты), хорошо пропускающие воду, называются во­допроницаемыми, плотные породы (глины, глинистые сланцы и др.), которые задержива­ют воду,— водонепроницаемыми (водоупор­ными). Просочившаяся сверху вода задержи­вается на водоупорных слоях, заполняя пус­тоты рыхлых и трещиноватых водопроницаемых пород, в которых образуется водоносный го­ризонт.

Воды в рыхлых породах относятся к типу пластовых. Они равномерно распределены по всему пласту. Воды в трещиноватых породах называются трещинно-жильными, они дви­жутся по крупным пустотам и трещинам. Мел-

козернистым рыхлым породам свойственно ла­минарное движение воды. В крупнообломоч­ных и трещиноватых породах может происхо­дить турбулентное движение, свойственное открытым потокам.

Воду, содержащуюся в породах, условно де­лят на разные категории, из которых для при­родных процессов наиболее важны два вида жидкой воды — капиллярная и гравитацион­ная, так как они усваиваются растениями и участвуют в почвообразовании, рельефообразо-вании и поверхностном круговороте воды на Земле.

Капиллярная вода заполняет мелкие по­ры породы и передвигается в них под влия­нием менисковых сил из зоны большего увлажнения в зону меньшего увлажнения. Раз­личают капиллярную подпертую и подвешен­ную воду. В первом случае капиллярная вода соприкасается с верхним водоносным горизон­том, что характерно для гумидного климата. Во втором случае капиллярная вода отделена от него, что типично для зон недостаточного увлажнения.

Гравитационная — свободная вода, за­полняющая некапиллярные пустоты породы. Под влиянием силы тяжести она просачива­ется в породе сверху вниз и движется в го­ризонтальном направлении, а под влиянием гидростатического напора может подниматься вверх, как в сообщающихся сосудах. Гравита­ционная вода обеспечивает миграцию химиче­ских элементов, от нее зависят условия про­никновения в почвогрунты кислорода и соот­ветственно аэробные и анаэробные условия почвообразования.

В зоне многолетнемерзлых пород — гео-криозоне вода находится в твердом состо­янии, либо в виде льдистых почвогрунтов, ли­бо в виде линз ископаемого льда. Этим обус­ловлена специфика почвообразования и форм рельефа геокриозоны.

Водный режим почвогрунтов зависит от климата и от таких их свойств, как влагоем­кость и водопроницаемость. Выделяют следу­ющие типы водного режима почвогрунтов. Промывной тип существует в условиях влаж­ного климата, при котором происходит еже­годное промачивание всей почвенно-грунтовой толщи до водоносного горизонта. Непромыв­ной тип наблюдается в условиях умеренно-

 

 

недостаточного неустойчивого увлажнения, при котором нет сплошного промачивания почвен-но-грунтовой толщи и почвенная вода пред­ставлена формой подвешенной капиллярной воды. Выпотной тип существует в засушли­вом климате в условиях неглубокого залега­ния водоносного горизонта и резкого преоб­ладания испаряемости над осадками. Застой­ный тип наблюдается в понижениях в условиях гумидного климата. Мерзлотный тип имеет место, когда летом почва перена­сыщена водой, несмотря на небольшое коли­чество осадков, поскольку неглубоко залегает мерзлый водоупорный слой.

По условиям залегания в земной коре подземные воды делят на воды зоны аэрации: почвенные и верховодка — и воды зоны насыщения: грунтовые и межпластовые (рис. 87).

Почвенные воды заключены в почве и не имеют водоупора. Верховодка образуется на

Рис. 87. Схема соотношений различных типов подземных вод (по О. К. Ланге)

линзе водоупорных пород, распространена ло­кально, залегает неглубоко, существует вре­менно, малообильна. В условиях континенталь­ного климата умеренного пояса она появ­ляется весной после снеготаяния, иногда осенью.

Грунтовые воды — воды первого от по­верхности постоянного водоносного горизон­та, на первом водоупорном слое (рис. 88). По­верхность грунтовых вод называется зерка­лом грунтовых вод. Мощность водоносного горизонта — это расстояние по вертикали от зеркала грунтовых вод до водоупора. В во­доносных слоях грунтовые воды передвигают­ся от мест с более высоким уровнем к мес-

Рис. 88. Схема залегания и движения грунтовых вод в междуречном массиве (по Л. К. Давыдову и др.)

 

там с более низким уровнем, т. е. в соответ­ствии с уклоном водоносного пласта. Скорость их движения (v) прямо пропорциональна ко­эффициенту фильтрации водоносной породы (/г), который зависит от водопроницаемости и оп­ределяется по таблице, и уклону подземного потока (/), и вычисляется по формуле Дарси: V=IгX^ (см/с или м/сут.).

Области распространения и питания грун­товых вод совпадают, поэтому мощность и во-дообилие их подвержены колебаниям, завися­щим от изменений климатических и метеоро­логических условий, а их режиму и свойствам присущи зональные черты. Зональность грун­товых вод проявляется в глубине их залега­ния от поверхности и соответственно в их чис-

Рис. 89. Схематическая карта зон гидрохимических фа­ций грунтовых и озерных вод (по Г. А. Максимовичу)

тоте и температуре, а также химическом со­ставе и степени их минерализации. В зонах избыточного и достаточного увлажнения — тундре и лесах (К_ув>1) — грунтовые воды залегают неглубоко, они ультрапресные и пресные, гидрокарбонатно-кальциевые. В зо­нах умеренно-недостаточного (неустойчивого) увлажнения — лесостепях и степях (К_ув— = 1,0— 0,3) — залегание вод глубже, они прес­ные или слабо минерализованные, постепен­но становятся сульфатными. В зонах недос­таточного увлажнения — полупустынях (К_ув=0,3 — 0,1) и крайне недостаточного ув­лажнения — пустынях (К_ув<0,1) — воды глу­боко залегающие, минерализованные, обычно хлоридные (рис. 89).

Температура грунтовых вод в сглаженном виде повторяет годовой ход температуры воз­духа, но максимумы и минимумы температуры

 

 

 

 

 

запаздывают, и тем больше, чем глубже за­легают грунтовые воды. Чистота грунтовых вод определяется глубиной их залегания от по­верхности — чем глубже, тем чище.

Геолого-геоморфологические условия и ве­щественный состав пород вносят разнообра­зие и обусловливают специфику грунтовых вод в пределах природных зон. Например, при глу­боком и густом долинно-балочном расчлене­нии земной поверхности воды залегают глуб­же. В целом же грунтовые воды относитель­но чистые, обычно пресные, постоянные и широко используются для хозяйственно-быто­вых нужд в сельской местности.

Межпластовые воды — это воды, за­ключенные между двумя водоупорными плас­тами, из которых нижний называется водо­упорным ложем, а верхний — водоупорной кровлей. Они залегают глубже и поэтому чи­ще, чем грунтовые. Области распространения и питания их не совпадают, в связи с чем ре­жим вод меньше зависит от метеоусловий и у них более постоянный уровень. Атмосферное питание эти воды получают лишь в местах вы­хода водоносного пласта на поверхность. Они могут быть напорные и ненапорные. Нена­порные воды не полностью насыщают водо­носный пласт, имеют свободную поверхность и стекают как грунтовые по уклону ложа. На­порные воды залегают в вогнутых тектониче­ских структурах, насыщают весь водоносный слой и обладают гидростатическим напором. Вскрытые скважинами, они могут изливаться на поверхность или даже фонтанировать. Та­кие воды называют артезианскими (рис. 90). Как и грунтовые воды, межпластовые могут

Рис. 90. Схема строения артезианского бассейна (по Л. К. Давыдову и др.)

иметь разный химический состав и степень минерализации, которая увеличивается с глу­биной.

По температуре подземные воды подразде­ляют на переохлажденные (ниже 0°С), хо­лодные (от 0 до 20 °С) и термальные: теплые (20 – 37 °С), горячие (37 – 50 °С), очень горячие (50 – 100 °С) и перегретые (свыше 100 °С). Высокотермальные воды в районах современного вулканизма (Исландия, Камчат­ка) используются для отопления жилищ, стро­ительства геотермальных электростанций, теп­личного теплоснабжения и т. д.

Подземные воды, которые благодаря сво­им физико-химическим свойствам оказывают благотворное физиологическое воздействие на организм людей и используются для лечебных целей, называются минеральными. Многие термальные воды тоже содержат различные полезные соли и газы и имеют бальнеологи­ческое значение. Среди минеральных вод по степени минерализации выделяют воды: соло­новатые (1 —10 г/л), соленые (10—50 г/л) и рассолы (более 50 г/л). Химический состав минеральных вод весьма разнообразный: бы­вает углекислая вода (Кисловодск и другие ку­рорты района Кавказских Минеральных вод, Боржоми, Карлови-Вари и др.), азотная (Цхал-тубо), сероводородная (Мацеста), железистая, радоновая и др.

В речных долинах, в предгорьях, в балках и оврагах водоносные пласты могут вскры­ваться, образуя естественные выходы подзем-

ных вод на поверхность,— источники (род­ники, ключи). Количество воды, даваемое род­ником (колодцем или скважиной) в единицу времени, называется дебитом (л/с, м³/с, м³/сут.). По характеру выхода вод на поверх­ность источники подразделяются на нисходя­щие (свободный сток грунтовых и межпласто-вых ненапорных вод) и восходящие (выходы напорных вод). В лечебных целях особенно ценятся минеральные источники.

Особым типом источников являются гей­зеры — фонтанирующие источники, периоди­чески выбрасывающие горячую воду и «пар» на большую высоту. Известностью пользуют­ся Большой Гейзер в Исландии, высота фон­тана которого достигает 55 м, гейзер Великан на Камчатке с высотой фонтана горячей воды (95 — 97 °С) до 50 м, а столба «пара» — до 300 м, интервал извержения около 4 ч, кото­рый дает начало реке Гейзерной. Крупнейший гейзерный район — Иеллоустонский нацио­нальный парк в Скалистых горах США.

Подземные воды имеют большое значение в природе и хозяйственной деятельности лю­дей. Это важный постоянный источник пита­ния рек и озер. Они снабжают растения вла­гой и растворенными в воде питательными ве­ществами. Подземные воды принимают участие в формировании оползневого, карстового, суф-фозионного и другого рельефа. При близком залегании от поверхности они вызывают про­цессы заболачивания. Пресные воды исполь­зуются человеком для водоснабжения, про­мышленности, орошения и обводнения земель. Минеральная вода используется для лечебных целей и является источником химического сы­рья (глауберова соль, бура, иод и др.). Тер-

мальные воды дают тепло для обогрева зда­ний и теплиц.

Подземные воды, особенно пресные,— на­циональное богатство каждой страны. Необ­ходимо бережно их расходовать и охранять от сточных и промышленных вод, химических удо­брений и ядохимикатов. В местах продолжи­тельного интенсивного забора подземных вод на глубине образуются пустоты и часть тер­ритории оседает (Мехико, Токио). По возмож­ности необходимо искусственное пополнение запасов пресных подземных вод во время по­ловодий и паводков на реках, для чего уже разработаны и внедряются различные техно­логические приемы, основанные на фильтра­ции воды в грунт.

Велика специфика подземных вод в об­ласти многолетней (вечной) мерзлоты, которая занимает около четверти суши на зем­ном шаре. С поверхности над слоем много-летнемерзлой породы залегает деятельный слой, который зимой промерзает, летом отта­ивает. Мощность его составляет от 0,5 м до нескольких метров. К деятельному слою при­урочены надмерзлотные воды, но есть еще межмерзлотные и подмерзлотные воды, кото­рые залегают соответственно внутри мерзлой толщи или на водоупоре под ней. Они обычно сильно минерализованные. Надмерз­лотные воды питаются атмосферными осадка­ми, необильны, слабо минерализованы, летом ненапорны, осенью могут становиться на­порными, зимой замерзают, в теплый сезон используются для бытовых нужд. Для хозяйственных и бытовых нужд зимой пользу­ются межмерзлотными и подмерзлотными водами.

Реки

Общие сведения о реках, морфологии рек и их бассейнов. Река — естественный по­стоянный водный поток, текущий в вырабо­танном им углублении — русле. В свою оче­редь, русло является лишь частью речной до­лины — линейно вытянутого понижения, по дну которого в соответствии с уклоном ложа течет река. У горных рек днище долины прак­тически полностью занято руслом реки, у рав­нинных рек оно занято руслом и поймой. Рус­ла чаще всего имеют извилистую форму, однако крупные реки и реки предгорий могут разветвляться на рукава. Реже встре­чаются русла относительно прямолинейной формы.

Каждая река имеет исток. — место, где река берет начало, где русло реки приобре­тает отчетливо выраженное очертание и в нем наблюдается течение. Реки могут брать нача-

ло из родников, от ледников, из озер . Устье — место, где река впадает в другую реку, озеро или море. У реки может быть и «сухое устье», т. е. она может оканчиваться «слепым концом», если в низовьях очень ма­лы уклоны территории, по которой течет ре­ка, велики затраты воды на испарение, филь­трацию в грунт или на орошение (реки Чу, Тарим, Мургаб и др.).

Гидрографическая сеть — совокупность водотоков и водоемов суши естественного про­исхождения (рек, озер, болот) и водохрани-

¹ Иногда говорят, что реки образуются также и при слиянии двух других рек. На самом деле так может воз­никнуть новый речной топоним, т. е. новое название, тог­да как составляющие реки, как бы они ни назывались, имеют типичные истоки. Пример: реки Бия и Катунь да­ют начало Оби. Амур начинается от места слияния рек Шилка и Аргунь.

лищ в пределах какой-либо территории. Реч­ная сеть — совокупность рек, находящихся в пределах этой территории; она часть гидро­графической сети.

Речная сеть состоит из речных систем.

Речная система — главная река с при­токами. Например, значительную часть Евро­пейской России занимает речная система Вол­ги с притоками. Обычно главной считается са­мая длинная и многоводная река. Но целый ряд названий главных рек укрепился истори­чески, главной рекой становилась та, которую люди знали раньше и лучше. Например, Вол­га уступает по длине и Оке, и Каме от сво­его истока до слияния с ними; Миссури длин­нее и полноводнее главной реки Миссисипи. По одной из классификаций притоки главной реки называют притоками первого порядка, их притоки — притоками второго порядка и т. д. По другой классификации (американского гид­ролога Хортона) рекой первой порядка (эле­ментарной рекой) считается река без прито­ков, реки второго порядка образуются при сли­янии двух рек первого порядка, реки третьего порядка — при слиянии двух рек второго по­рядка и т. д. Таким образом, чем больше но­мер порядка реки, тем более сложный харак­тер имеет речная система.

Речной бассейн — часть земной поверх­ности, включающая в себя данную речную си­стему. Самый большой бассейн у Амазонки — 7,2 млн км². Водосборный бассейн — пло­щадь суши, с которой речная система соби­рает свои воды. Он может быть меньше реч­ного бассейна, если в пределах последнего есть бессточные участки (например, в бассей­не Иртыша).

Водораздел — линия на земной поверх­ности, разделяющая сток атмосферных осад­ков по двум противоположно направленным склонам. Весь земной шар можно разделить на две основные покатости, по которым воды стекают с континентов: 1) в Атлантический и Северный Ледовитый океаны; 2) в Тихий и Индийский океаны. Между этими двумя пока­тостями проходит Мировой водораздел, или Главный водораздел Земли. Водоразделы между периферийными областями и областя­ми внутреннего стока называются внутрен­ними водоразделами. Водоразделы океанов и морей разделяют области суши, сток с ко­торых направлен в разные океаны или моря. Речные водоразделы — линии раздела реч­ных систем. Водоразделы лучше выражены в горах, нежели на равнинах.

Очень редко на аккумулятивных равнинах водоразделы вообще провести невозможно, так как масса воды одной реки делится на две час­ти, направляющиеся в разные речные систе­мы. Такое явление раздвоения течения назы-

вается бифуркацией реки. Яркий пример би­фуркации — раздвоение реки Ориноко в верх­нем течении: одна из них, за которой сохра­няется название Ориноко, течет в Атлантиче­ский океан, другая — Касикьяре течет в реку Риу-Негру, приток Амазонки. Встречаются би­фуркации рек, текущих по Приморским низ­менностям северо-востока России между ус­тьями Индигирки и Колымы. Уникальный слу­чай бифуркации демонстрирует Онега в нижнем течении, разделяясь на два рукава огромным островом, сложенным коренными породами. Рукава расходятся на расстояние до 20 км и близ устья сходятся снова.

Каждая река обладает определенными мор-фометрическими характеристиками. Длина ре­ки — протяженность русла реки от истока до устья. Извилистость реки определяется ко­эффициентом извилистости русла реки (К) — отношением длины реки по руслу (l) к длине реки по дну долины (L)': К=l/L. Коэффици­ент извилистости обычно рассчитывается для отдельных участков рек. Густота речной сети (D) — отношение суммарной протяженности всех рек речной системы к речному бассейну (F): D=∑K/F км/км².

Продольный профиль реки характеризует­ся продольным профилем дна русла (он все­гда имеет вид волнистой линии) и водной по­верхности (более плавная линия). Падение ре­ки — высотная разница между истоком и устьем реки или разность высот двух точек водной поверхности по длине реки (h м). Ук­лон реки — отношение величины падения ре­ки к длине реки (l) или к длине определен­ного участка реки (i=h/l). Уклон реки — ве­личина безразмерная. Его значения очень малы, особенно на равнинных реках. Так, уклон Оки в среднем течении составляет все­го 0,00009, поэтому часто уклон заменяют километрическим падением — величиной, фи­зически идентичной уклону, но выражающей­ся в м/км. Километрическое падение Оки рав­но 0,09 м/км.

Продольные профили рек в зависимости от свойств пород, слагающих их русла, и укло­нов различны. У большинства равнинных рек, протекающих по рыхлым отложениям, он име­ет вид вогнутой кривой, выполаживающейся к устью. У горных рек продольный профиль рус­ла обычно ступенчатый, причем ступени свя­заны с неодинаковой размываемостью пород, слагающих русло. В местах выходов трудно­размываемых пород наблюдаются изломы про­филя в виде порогов или отвесных уступов, к которым приурочены соответственно быст­рины или водопады (рис. 91). Пороги быва-

' При измерении величины /, учитываются все изги­бы долины.

 

 

 

ют и на равнинных реках, например знамени­тые Днепровские пороги, образовавшиеся при пересечении Днепром кристаллических высту­пов Украинского щита. Для рек, вытекающих из озер, типичны выпуклые или выпукло-во­гнутые продольные профили.

Водным сечением реки называется попе­речное сечение русла, заполненного водой. Живое сечение реки — площадь поперечно­го сечения потока. Та часть площади водного сечения, где течение практически отсутствует, называется мертвым пространством.

Элементами водного сечения реки являют­ся: его площадь (ω); ширина русла (В); максимальная глубина (h_макс), средняя глубина, которая высчитывается по формуле h_сред=ω/B; смоченный периметр (Р) — дли­на подводного контура реки от уреза одного берега до уреза другого берега; гидравличе­ский радиус (R) — отношение площади вод­ного сечения к смоченному периметру: R=(ω/Р. Гидравлический радиус характеризует форму русла в поперечном разрезе: у равнинных рек он почти равен средней глубине. Ширина ре­ки и максимальная глубина определяются не­посредственными измерениями. По уклонам, скоростям потока и общему гидрологическому режиму в реках можно выделить три участка течения: верхнее, среднее и нижнее.

Участки верхнего течения у многих рек горные, и даже у равнинных рек они чаще всего располагаются на возвышенностях. Здесь большие скорости течения, обычны каменис­тое дно, пороги, быстрины, иногда водопады, низкая температура воды. Горные реки имеют подобный характер почти на всем протяже­нии, исключая места пересечения ими меж­горных впадин. На участках среднего те­чения равнинных рек скорости течения мень­ше, русло сложено песком, гравием, галькой. В нижних течениях реки отличаются малы­ми скоростями течения, длительными полово­дьями, мелкими наносами, низкими берегами.

Водный режим рек, питание, сток и клас­сификация рек по этим признакам.Водный

Рис. 91. Канадская часть Ниагарского водопада и отсту­пание последнего (по С. К. Гильберту)

режим рек характеризуется совокупным из­менением во времени уровней и объемов во­ды в реке. Уровень воды (H) — высота вод­ной поверхности реки относительно постоян­ной нулевой отметки (ординара или нуля графика водомерного поста). Среди колебаний уровней воды в реке выявляются многолет­ние, обусловленные вековыми изменениями климата, и периодические: сезонные и суточ­ные. В годовом цикле водного режима рек выделяют несколько характерных периодов, на­зываемых фазами водного режима. У раз­ных рек они различные и зависят от клима­тических условий и соотношения источников питания: дождевого, снегового, подземного и ледникового. Например, у рек умеренно-континентального климата (Волги, Оби и др.) выделяются следующие четыре фазы: весен­нее половодье, летняя межень, осенний подъ­ем воды, зимняя межень. Половодье — ежегодно повторяющееся в один и тот же сезон длительное увеличение водности реки, вызывающее подъем уровня. В умеренных ши­ротах оно наступает весной за счет интенсив­ного снеготаяния. Межень — период длитель­ных низких уровней и расходов воды в реке при преобладании подземного питания («ма­ловодье»). Летняя межень обусловлена интен­сивным испарением и просачиванием воды в грунт, несмотря на наибольшее количество осадков в это время. Зимняя межень — ре­зультат отсутствия поверхностного питания, реки существуют лишь за счет подземных вод. Паводки — кратковременные непериодичес­кие подъемы уровня воды и увеличение объ­емов воды в реке. В отличие от половодий они случаются во все сезоны года: в теплое полугодие они вызваны сильными или продол­жительными дождями, зимой — таянием сне­га во время оттепелей, в устьях некоторых рек — за счет нагона воды из морей, куда они впадают. В умеренных широтах осенний подъ­ем воды в реках называют иногда паводоч-

ным периодом; он связан с уменьшением тем­пературы и сокращением испарения, а не с увеличением осадков — их меньше, чем ле­том, хотя осенью чаще бывает пасмурная дожд­ливая погода. Осенние паводки на реке Неве в Санкт-Петербурге вызваны прежде всего нагоном воды из Финского залива западными ветрами; максимально высокое наводнение (410 см) произошло в Санкт-Петербурге в 1824 г. Паводки обычно бывают кратковре­менными, подъем уровня воды ниже, а объем воды меньше, чем во время половодья.

Одной из важнейших гидрологических ха­рактеристик рек является речной сток, об­разующийся за счет поступления поверхност­ных и подземных вод с водосборной площади. Для количественной оценки стока рек приме­няется ряд показателей. Основным из них яв­ляется расход воды в реке — количество во­ды, которое проходит через живое сечение ре­ки за 1 секунду. Он вычисляется по формуле Q=v∙ω, где Q — расход воды в м/с, v — средняя скорость реки в м/с, ω — площадь живого сечения в м². По данным ежедневных расходов строится календарный (хронологиче­ский) график колебаний расходов воды, назы­ваемый гидрографом (рис. 93).

Модификацией расхода является объем стока (W в м³ или км³) — количество воды, протекающее через живое сечение реки за дли­тельный срок (месяц, сезон, чаще всего год): W=Q∙T, где Т — период времени. Объем стока от года к году меняется, средняя мно­голетняя величина стока называется нормой стока. Например, годовая норма стока Ама­зонки около 6930 км³, что составляет около 15 % общего годового стока всех рек земно­го шара, Волги — 255 км³. Годовой объем стока подсчитывается не за календарный, а за гидрологический год, в пределах которого за­вершается полный годовой гидрологический цикл круговорота воды. В регионах с холод­ными снежными зимами за начало гидрологи­ческого года принимается 1 ноября или 1 ок­тября.

Модуль стока (М, л/с км²) — количест­во воды в литрах, стекающее с 1 км² площа­ди бассейна (F) в секунду:

М=Q/F∙10³ (10³ — множитель для перевода м³ в литры).

Модуль стока рек позволяет узнать сте­пень водонасыщенности территории бассейна. Он зонален. Наибольший модуль стока у Ама­зонки — 30 641 л/с км ; у Волги он равен 5670 л/с км², а у Нила — 1010 л/с км².

Слой стока (Y) — слой воды (в мм), рав­номерно распределенный по площади водо­сборного бассейна (F) и стекающий с него за определенное время (годовой слой стока).

Коэффициент стока (К) — отношение объема стока воды в реке (W) к количеству атмосферных осадков (х), выпадавших на пло­щадь бассейна (F) за одно и то же время, или отношение слоя стока (Y) к слою атмосфер­ных осадков (х), выпавших на эту же площадь (F) за тот же промежуток времени (величина безмерная или выраженная в %):

K=W/(x∙F)∙100 %, или K=Y/x∙100 %.

Средний коэффициент стока всех рек Зем­ли составляет 34 %, т. е. только одна треть осадков, выпадающих на сушу, стекает в ре­ки. Коэффициент стока зонален и изменяется от 75—65% в зонах тундр и тайги до 6—4% в полупустынях и пустынях. Например, у Не­вы он равен 65%, а у Нила — 4%.

С водным режимом рек связано понятие зарегулированности стока: чем меньше годо­вая амплитуда расходов воды в реке и уров­ней воды в ней, тем больше зарегулирован сток.

Реки являются наиболее мобильной частью гидросферы. Их сток представляет собой ин­тегральную характеристику водного баланса территории суши.

На величину стока рек и его распределение в течение года вли­яет комплекс природных факторов и хозяйст­венная деятельность человека. Среди природ­ных условий основным является климат, осо­бенно осадки и испарение. При обильных осадках сток рек большой, но надо учитывать их вид и характер выпадения. Например, снег дает больший сток, чем дождь, поскольку зи­мой меньше испарение. Ливневые осадки увеличивают сток по сравнению с обложны­ми при одинаковом их количестве. Испарение, особенно интенсивное, уменьшает сток. По­мимо высокой температуры, ему способству­ют ветер и дефицит влажности воздуха. Спра­ведливо высказывание русского климатолога А. И. Воейкова: «Реки — продукт климата».

Почвогрунты влияют на сток через ин­фильтрацию и структуру. Глина увеличивает поверхностный сток, песок его сокращает, но увеличивает подземный сток, являясь регуля­тором влаги. Прочная зернистая структура почв (например, у черноземов) способствует про­никновению воды вглубь, а на бесструктурных распыленных суглинистых почвах часто обра­зуется корка, которая увеличивает поверхно­стный сток.

Весьма важно геологическое строение речного бассейна, особенно вещественный со­став пород и характер их залегания, посколь­ку они определяют подземное питание рек. Во­допроницаемые породы (мощные пески, тре­щиноватые породы) служат аккумуляторами влаги. Сток рек в таких случаях больше, так

 

10—5612.Любушкяна

как меньшая доля осадков затрачивается на испарение. Своеобразен сток в карстовых об­ластях: рек там почти нет, так как осадки по­глощаются воронками и трещинами, но на кон­такте их с глинами или глинистыми сланцами наблюдаются мощные родники, питающие ре­ки. Например, закарстованная Крымская яй­ла сама по себе сухая, но у подножия гор бьют мощные родники.

Влияние рельефа (абсолютной высоты и уклонов поверхности, густоты и глубины рас­членения) велико и разнообразно. Сток гор­ных рек обычно больше, чем равнинных, так как в горах на наветренных склонах обильнее осадки, меньше испарение из-за более низкой температуры, за счет больших уклонов поверх­ности короче путь и время добегания выпав­ших осадков до реки. Из-за глубокого эрози­онного вреза обильнее подземное питание сра­зу из нескольких водоносных горизонтов.

Влияние растительности — разных ти­пов лесов, лугов, посевов и т. д.— неодно­значно. В целом растительность регулирует сток. Например, лес, с одной стороны, усили­вает транспирацию, задерживает осадки кро­нами деревьев (особенно хвойные леса снег зимой), с другой стороны, над лесом обычно выпадает больше осадков, под пологом дере­вьев ниже температура и меньше испарение, дольше снеготаяние, лучше просачивание осад­ков в лесную подстилку. Выявить влияние раз­ных типов растительности в чистом виде весь­ма трудно ввиду совместного компенсирующе­го действия разных факторов, особенно в пределах крупных речных бассейнов.

Влияние озер однозначно: они уменьшают сток рек, поскольку с водной поверхности боль­ше испарение. Однако озера, как и болота, являются мощными естественными регулято­рами стока.

Влияние хозяйственной деятельности на сток весьма значительно. Причем человек воздействует как непосредственно на сток (его величину и распределение в году, особенно при постройке водохранилищ), так и на условия его формирования. При создании во­дохранилищ меняется режим реки: в период избытка вод происходит накопление их в во­дохранилищах, в период недостатка — исполь­зование на различные нужды, так что сток рек оказывается зарегулированным. Кроме того, сток таких рек в общем сокращается, ибо уве­личивается испарение с водной поверхности, значительная часть воды расходуется на водо­снабжение, орошение, обводнение, уменьша­ется подземное питание. Но эти неизбежные издержки с избытком перекрываются пользой от водохранилищ.

При переброске вод из одной речной сис­темы в другую сток видоизменяется: в одной

реке уменьшается, в другой — увеличивает­ся. Например, при постройке канала имени Москвы (1937) в Волге он сократился, в ре­ке Москве возрос. Другие транспортные ка­налы для переброски воды обычно не исполь­зуются, например Волго-Балтийский, Бело-морско-Балтийский, многочисленные каналы Западной Европы, Китая и др.

Большое значение для регулирования реч­ного стока имеют мероприятия, выполняемые в бассейне реки, ибо его начальным звеном является склоновый сток на водосборе. Ос­новные проводимые мероприятия следующие: агролесомелиоративные — лесопосадки, гидромелиоративные — плотины и пруды на балках и ручьях, агрономические — осенняя вспашка, снегонакопление и снегозадержание, пахота поперек склона или поконтурная на холмах и увалах, залужение склонов и др.

Помимо внутригодовой изменчивости сто­ка, происходят его многолетние колебания, связанные, по-видимому, с 1 1-летними цикла­ми солнечной активности. На большинстве рек отчетливо прослеживаются многоводные и ма­ловодные периоды продолжительностью около 7 лет: в течение 7 лет водоносность реки пре­вышает средние значения, половодья и межень высокие, столько же лет водоносность реки меньше среднегодовых значений, расходы во­ды во все фазы водного режима малы.

На стоке рек и их водном режиме в те­чение года лежит печать зональности, по­скольку они определяются прежде всего усло­виями питания. Первая классификация рек по условиям питания и водному режиму была соз­дана А. И. Воейковым в 1884 г. В дальней­шем она усовершенствована М. И. Львовичем за счет количественной оценки роли отдель­ных источников питания рек и сезонного рас­пределения стока. При определенных услови­ях каждый из источников питания может ока­заться почти исключительным, если его доля составляет более 80%; может иметь преиму­щественное значение (50—80%) или преоб­ладать над другими (менее 50%). Те же гра­дации применяются им и для стока рек по се­зонам года. По сочетанию источников питания (дождевое, снеговое, подземное, ледниковое) и сезонному распределе­нию стока им выделено на Земле шесть зональных типов водного режима рек, хо­рошо выраженных на равнинах (рис. 92).

Реки экваториального типа имеют обильное дождевое питание, большой и отно­сительно равномерный сток в течение всего года, увеличение его наблюдается осенью со­ответствующего полушария. Реки: Амазонка. Конго и др.

Реки тропического типа. Сток этих рек формируется за счет муссонных летних дож-

 

 

дей в субэкваториальном климатическом по­ясе и преимущественно летних дождей на вос­точных побережьях тропического пояса, по­этому половодье летнее. Реки: Замбези, Ори­ноко и др.

Реки субтропического типа в целом имеют преимущественно дождевое питание, но по сезонному распределению стока выделяют­ся два подтипа: на западных побережьях ма­териков в средиземноморском климате ос­новной сток зимний (Гвадиана, Гвадалквивир, Дуэро, Тахо и др.), на восточных побережьях в муссонном климате сток летний (притоки Янцзы, Хуанхэ).

Реки умеренного типа. В пределах умеренного климатического пояса выделяются четыре подтипа рек по источникам питания и сезонному распределению стока. На запад­ных побережьях в морском климате у рек преимущественно дождевое питание с равно­мерным распределением стока в течение года с некоторым увеличением зимой за счет сокращения испарения (Сена, Темза и др.); в

Рис. 92. Схема классификации рек по источникам пита­ния (по М. И. Львовичу)

районах с переходным климатом от морского к континентальному у рек смешанное питание с преобладанием дождевого над снеговым, с невысоким весенним половодьем (Эльба, Одер, Висла и др.); в районах континенталь­ного климата у рек преимущественно снего­вое питание и весеннее половодье (Волга, Обь, Енисей, Лена и др.); на восточных по­бережьях с муссонным климатом у рек в ос­новном дождевое питание и летнее половодье (Амур).

Реки субарктического типа имеют пре­имущественно снеговое питание при почти пол­ном отсутствии подземного из-за многолет­ней мерзлоты. Поэтому многие небольшие реки зимой промерзают до дна и не имеют стока. Половодье на реках в основном лет­нее, так как они вскрываются в конце мая — начале июня (Яна, Индигирка, Ха­танга и др.).

Реки полярного типа в короткий пери­од лета имеют ледниковое питание и сток, большую же часть года они замерзшие.

Подобные типы и подтипы водного режи­ма характерны для равнинных рек, сток кото­рых формируется в более или менее однотип­ных климатических условиях. Режим крупных транзитных рек, пересекающих несколько при­родно-климатических зон, сложнее.

Рекам горных областей присущи законо­мерности вертикальной поясности. С увеличе­нием высоты гор у рек возрастает доля сне­гового, а потом и ледникового питания. При­чем в аридном климате у рек ледниковое питание является основным (Амударья и др.), в гумидном наряду с ледниковым осуществля­ется и дождевое питание (Рона и др.). Гор­ные, особенно высокогорные, реки характери­зуются летними половодьями.

Наиболее интенсивны и даже катастрофич­ны летние половодья на реках, которые начи­наются высоко в горах, а в среднем и ниж­нем течении имеют обильное питание от мус-сонных дождей: Инд, Ганг, Брахмапутра, Меконг, Иравади, Янцзы, Хуанхэ и др.

Наряду с классификацией рек М. И. Льво­вича в России пользуется популярностью ти­пизация рек по гидрологическому режиму Б. Д. Зайкова. Под гидрологическим режимом в данном случае понимается распределение и характер прохождения различных фаз водного режима: половодья, межени, паводков и т. п. Согласно этой типизации, все реки России и СНГ¹ разделены на три группы: 1) с весен­ним половодьем; 2) с летним половодьем и па­водками; 3) с паводочным режимом. Внутри этих групп по характеру гидрографа выделяют­ся реки с различными типами режима (рис. 93).

Среди рек с весенним половодьем выделяются реки: казахстанского типа (рез­ко выраженное короткое половодье и почти сухая межень большую часть года); восточ­ноевропейского типа (высокое недлинное по­ловодье, летняя и зимняя межени); западно­сибирского типа (невысокое растянутое по­ловодье, повышенный сток летом, зимняя межень); восточносибирского типа (высо­кое половодье, летняя межень с дождевыми паводками, очень низкая зимняя межень); ал­тайского типа (невысокое неравномерное растянутое половодье, повышенный летний сток, зимняя межень).

Среди рек с летним половодьем вы­деляются реки: дальневосточного типа (не­высокое растянутое половодье с паводками муссонного генезиса, низкая зимняя межень);

¹ Б. Д. Зайков создал свою типизацию в 1946 г. на примере рек СССР.

тянь-шаньского типа (невысокое растяну­тое половодье ледникового генезиса).

С паводочным режимом выделяют­ся реки: причерноморского типа (паводки в течение всего года); крымского типа (павод­ки зимой и весной, летом и осенью межень); северокавказского типа (паводки летом, зи­мой межень).

Прогноз водности рек и режима их в те­чение года имеет большое значение для ре­шения вопросов о разумном использовании водных ресурсов стран. Очень важен прогноз стока в период половодий, которые в отдель­ные годы бывают чрезвычайно высокими (на­пример, на реках Приморского края в авгус­те 2000 г.) и приводят к негативным послед­ствиям.

Тепловой режим рек.На тепловой ре­жим рек оказывают влияние климат и источ­ники питания. По тепловому режиму ре­ки делят на три основных зональных типа:1) с постоянно теплой водой без сезонных ко­лебаний температуры: Амазонка, Конго, Нигер и др.; 2) с сезонными колебаниями температу­ры воды, но не замерзающие зимой: Сена, Тем­за и др.; 3) с большими сезонными колебани­ями температуры, замерзающие зимой: Волга, Амур, Макензи и др. Последний тип можно разделить на два подтипа: реки с неустойчи­вым и устойчивым ледоставом. У тех и у дру­гих рек наиболее сложный тепловой режим.

У равнинных рек умеренного и субполяр­ного климатических поясов в теплое полуго­дие в первой половине периода температура воды ниже температуры воздуха, а во второй половине — выше. Температуры воды по жи­вому сечению у рек мало отличаются вслед­ствие перемешивания. Изменение температу­ры воды по длине реки зависит от направле­ния течения: оно меньше у широтных рек, нежели у рек, текущих в меридиональном на­правлении. У рек, текущих с севера на юг, температура повышается от истока до устья (Волга и др.), текущих с юга на север на­оборот (Обь, Енисей, Лена, Макензи). Эти реки несут огромные запасы тепла в Север­ный Ледовитый океан, облегчая там ледовую обстановку в летне-осеннее время. У горных рек, питающихся талыми водами снегов и лед­ников, температура воды ниже температуры воздуха на всем протяжении, но в низовьях разница между ними сглаживается.

В зимнем периоде замерзающих рек выде­ляют три основные фазы: замерзание, ледостав, вскрытие.

Замерзание рек начинается при темпера­туре воздуха чуть ниже 0 °С с появления крис­таллов-игл, потом сала и блинчатого льда. При обильных снегопадах в воде образуется снежура. Одновременно появляются полосы

 

 

 

 

Рис. 93. Типизация рек по гидрологическому режиму (по Б. Д. Зайкову)

Характерные гидрографы для рек с разными типами режима: Реки с весенним половодьем: а — Казахстанский тип; б — Вос­точно-Европейский тип; в — Западно-Сибирский тип; г — Вос­точно-Сибирский тип; д — Алтайский тип. Реки с летним поло­водьем: е — Дальневосточный тип; ж — Тянь-Шаньский тип.

Реки с паводочным режимом в разные сезоны года: з — При­черноморский тип; и — Крымский тип; к — Северокавказский тип. По оси ординат отложены относительные расходы (относи­тельно среднегодовых значений): они показывают, во сколько раз данный расход превышает среднегодовой, по оси абсцисс отло­жены месяцы года

льда у берегов — забереги. На перекатах — быстринах может возникнуть донный лед, ко­торый потом всплывает, образуя вместе с блин­чатым льдом, снежурой и оторвавшимися от заберегов льдинами осенний ледоход.

Ледяной покров на поверхности рек уста­навливается в основном в результате зато­ров — скопления льдин на мелководьях, в из­вилистых и узких местах и смерзания их друг с другом и с заберегами. Малые реки замер­зают раньше больших. Подо льдом темпера­тура воды в реках почти постоянна и близка к О °С. Продолжительность ледостава и тол­щина льда разная и зависит от зимних усло­вий. Например, Волга в среднем течении по­крыта льдом 4 — 5 месяцев, а толщина льда на ней достигает одного метра, Лена в сред­нем течении замерзает на 6—7 месяцев при толщине льда до 1,5—2 м. Толщина и проч­ность льда определяют возможность и продол­жительность переправ через реки и движения по их льду — по дорогам-зимникам. При ле­доставе на реках могут наблюдаться такие яв­ления, как полыньи: динамические — на по­рожистых участках русла, термические — в местах выхода относительно теплых подзем­ных вод или сброса технических вод, а также ниже плотин водохранилищ. В районах мно­голетней мерзлоты с сильными морозами ча­сты речные наледи — наросты льда в виде бугров при излиянии речной воды на поверх­ность вследствие сужения живого сечения по­тока. Случаются и зажоры — закупорка жи­вого сечения реки массой внутриводного и дон­ного битого льда. Наконец, возможно и полное промерзание рек на северо-востоке Сибири и на Аляске в условиях многолетней мерзлоты и при отсутствии у рек подземного питания.

Вскрытие рек весной происходит через 1,5 — 2 недели после перехода температуры воздуха через О °С за счет солнечного тепла и прихода теплого воздуха. Таяние льда начи­нается под влиянием поступающих в реку та­лых снеговых вод, у берегов появляются по­лосы воды — закраины, а при таянии снега на поверхности льда — проталины. Потом происходят подвижки льда, он разрушается, наблюдается весенний ледоход и половодье. На реках, вытекающих из озер, помимо ос­новного речного, наблюдается вторичный ледоход, обязанный выносу озерного льда. Вы­сота половодья зависит от годового количест­ва снежных запасов на водосборе, интенсив­ности весеннего снеготаяния и дождей в этот период. На реках, текущих с севера на юг, ледоход и половодье на разных отрезках про­ходят разновременно, начиная с низовья; бы­вает несколько пиков половодий, и в целом все проходит спокойно, но растянуто во вре­мени (например, на Днепре, Волге и др.). На

реках, текущих с юга на север, вскрытие на­чинается в верховьях. Волна половодья сме­щается вниз по реке, где все еще сковано льдом. Начинаются мощные ледоходы, часты разрушения берегов, возникает опасность для зимующих судов, например, на Северной Дви­не, Печоре, Оби, Енисее и др. Часто образу­ются ледовые заторы — торосистые нагро­мождения льдин, играющие роль плотин: вы­ше их реки выходят из берегов и затапливают не только поймы, но и низкие надпойменные террасы. При этом под ледяной водой оказы­ваются находящиеся на этих террасах насе­ленные пункты. Так, в 2001 г. мощные ледо­вые заторы образовались на Лене в среднем течении, в результате чего пришлось эвакуи­ровать население Ленска и окружающих де­ревень, стоящих на первой надпойменной тер­расе. Часто от заторов страдает «родина Де­да Мороза» — Великий Устюг, стоящий при слиянии рек Сухоны и Юга в начале Север­ной Двины. Для борьбы с этим стихийным бедствием созданы службы слежения за вскры­тием льда и ледоходами и специальные под­разделения, которые бомбят и взрывают ле­довые заторы для расчистки русел ото льда. Движение воды в реке. Работа рек.Ре­ка — турбулентный поток, скорость которого непрерывно изменяется по величине и направ­лению, что приводит к горизонтальному и вер­тикальному перемешиванию воды. Скорость течения реки определяется поплавками и специальными приборами — гидрометричес­кими вертушками и выражается в метрах в секунду (v, м/с)¹. При отсутствии непосредст­венных измерений для вычисления средней ско­рости потока применяется уравнение Шези: V_ср=С , где V — скорость в м/с, С — коэффициент, зависящий от шероховатости русла и глубины потока (коэффициент Шези), R — гидравлический радиус, i — уклон рус­ла. Коэффициент Шези определяется по фор­муле Маннинга: С=1/nh^1/16 , где h — глуби­на потока, п — коэффициент шероховатости русел, определяемый по таблицам М. Ф. Сриб-ного. В руслах равнинных рек, ширина кото­рых на несколько порядков превышает их глу­бину, величина R мало отличается от глуби­ны реки h, и поэтому формула Шези может

быть записана в виде V=С . Из формулы Шези видно, что скорость потока растет с уве­личением уклона и глубины (и соответствен­но гидравлического радиуса), так как при этом ослабевает влияние шероховатости.

При открытой водной поверхности в шти-

В настоящее время скорость течения определяют по величине скоростного напора воды и другими спосо­бами.

левую погоду наименьшие скорости наблюда­ются у дна, что обусловлено трением, и на­растают к поверхности реки. При попутном ветре максимальная скорость бывает на по­верхности, при встречном ветре и зимой при наличии ледяного покрова, она опускается на некоторую глубину. При наличии механичес­ких препятствий на дне или донной водной растительности скорости внизу потока суще­ственно уменьшаются. Кривые изменения скоростей по вертикали называются годогра­фами или эпюрами скоростей (рис. 94). Ско­рости течения по ширине реки, как поверхно­стная, так и на всех других уровнях, меняют­ся довольно плавно и закономерно, повторяя распределение глубин в живом сечении, но у берегов всегда меньше из-за трения (рис. 95). Линии, соединяющие точки с одинаковыми ско­ростями в живом сечении реки, называются изотахами (рис. 96). Стрежень реки — ли­ния вдоль реки, соединяющая точки наиболь­ших поверхностных скоростей течения. Дина­мическая ось потока — линия вдоль реки, соединяющая точки наибольших скоростей в поперечном сечении потока.

Знания о распределении скоростей в реке, положении стрежня и динамической оси по­тока имеют большое значение для водного транспорта и лесосплава.

Движущаяся вода обладает энергией и спо­собна производить работу. Энергия реки пря­мо пропорциональна массе воды и скорости. В естественных условиях работа реки слага­ется из процессов эрозии (размыва), перено­са и аккумуляции (отложения) наносов. Твер­дые минеральные частицы, переносимые ре­кой и отлагаемые в русле и на пойме, называются аллювием. Речные наносы в за­висимости от характера движения в потоке условно подразделяются на взвешенные и вле­комые (донные). Для характеристики речных наносов применяется ряд показателей: мут­ность (ρ) — количество взвешенных нано­сов, содержащихся в 1 м³ воды (г/м³) или ли­тре воды (г/л); расход наносов (R) — коли­чество наносов, проносимое рекой через живое