Скорости течения воды и распределение их по живому сечению

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).

 

Рис. 1. Схема основных звеньев гидрографической сети.

I — основные звенья сети; II — поперечные профили.

Ложбина — верхнее (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.

Долина — наиболее 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 - с ово­купность 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).

 

 

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-VIII — порядки 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).

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):

Однорукавное устье.

 

Эстуарий.

Островное устье.

Лопастное устье.

Многорукавное, ветвящееся устье.

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).

Рис. 5. Эпюры скоростей.

а— открытое русло, б — перед препятствием, в — ледяной 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 (v_пов, v_0,2, v_0,6, v_0,8, v_дон) по одной из эмпирических формул, например

 

Рис. 6. Изотахи в живом сечении речного потока.