Питание, водный режим рек, водный баланс речного бассейна

Источники питания рек - дождевые, снеговые, ледниковые и подземные воды.

Дождевое питание преобладает в теплом поясе и в районах умеренного пояса с муссонным климатом. Доля стекающих дождевых осадков увеличивается при выпаде­нии на увлажненную почву.

Снеговое питание преобладает в холодном и умеренном поясах. Стеканию сне­говых вод способствуют повышенная интенсивность снеготаяния, зимнее промерзание грунта и особенно наличие ледяной корки на почве.

Ледниковое питание происходит в результате таяния ледников. Основные фак­торы - площадь водосбора, занятая ледниками, и температура воздуха.

Подземное питание — поступление в реку грунтовых и межпластовых вод (сток в реки почвенных вод и верховодки условно относится к поверхностному питанию). Зависит от геологического строения и распространения в бассейне водопроницаемых почв, трещиноватых пород, от лесистости.

Основной отрицательный фактор формирования стока — испарение с поверхности бассейна, включающее транспирацию, физическое испарение с поверхности почвы и пустот внутри почвы, с поверхности водных объектов. Испарение зависит от темпера­туры воздуха и испаряющей поверхности (воды, льда, снега), влажности воздуха, ско­рости ветра, глубины залегания подземных вод. Для транспирации кроме указанных факторов важен вид растительности, для испарения с ледников — их высотное положе­ние и, следовательно, атмосферное давление. Перечисленные факторы определяют по­тенциальную возможность испарения, называемую испаряемость. Фактическое испа­рение лимитируется наличием испаряющейся влаги. Для водной поверхности рек, озер и ледников испарение практически равно испаряемости. В пустынях тропического поя­са испаряемость наибольшая, а испарение наименьшее. В полярных странах испаряе­мость наиболее низкая; испарение практически равно испаряемости.

Естественный водный баланс речного бассейна:

x + w₁ = z + у + w₂ ± ∆U,

где х — осадки на поверхность бассейна, z — суммарное испарение с его поверхности, у — речной сток, w₁ - приток подземных вод, получающих питание за пределами данного бассейна, w₂ - отток подземных вод, сформировавшихся в данном бассейне, за его пре­делы не в составе речного стока, ± ∆U - изменение запасов воды в бассейне, содержа­щейся в подземных водоносных горизонтах, в почве, в водоемах и русловой сети, в снежном покрове и ледниках.

При наличии антропогенного влияния в уравнение водного баланса вводятся со­ответствующие составляющие.

В среднем за многолетний период в целом за год ∆U = 0, величины w₁ и w₂ имеют значение, как правило, лишь для части малых рек, поэтому уравнение водного баланса можно записать в простом виде:

х = z + у.

Фазы водного режима рек: половодье, паводки, межень.

Половодье - это фаза, ежегодно повторяющаяся в данных климатических усло­виях в один и тот же сезон и характеризующаяся наибольшей водностью, высоким и продолжительным подъемом уровня воды.

Паводок - это фаза водного режима, которая может многократно повторяться в различные сезоны года и характеризуется интенсивным, обычно кратковременным уве­личением расходов и уровней воды и вызывается дождями или снеготаянием во время оттепелей. Иногда паводок накладывается на волну половодья.

Межень - это фаза водного режима, ежегодно повторяющаяся в один и тот же се­зон, характеризующаяся малой водностью, длительным стоянием низкого уровня и возникающая вследствие уменьшения питания реки. Основной источник питания, как правило, подземные воды.

Классификация рек территории бывшего СССР по водному режиму Б.Д. Зайкова:

реки с весенним половодьем; типы: а) казахстанский, б) восточноевропейский, в) западносибирский, г) восточносибирский, д) алтайский;

реки с половодьем в теплую часть года; типы: а) дальневосточный, б) тянь-шанский;

реки с паводочным режимом; типы: а) причерноморский, б) крымский, в) севе­рокавказский.

Факторы формирования среднего многолетнего стока:

а) климатические — количество осадков и величина испарения, связанные с плане­тарными условиями - общий перенос влаги, траектории циклонов, влияние океана и морей.

б) подстилающей поверхности - рельеф, геология, почвы, растительность, хозяй­ственная деятельность.

Общие закономерности изменения стока по территории можно проследить на примере распределения стока на европейской части бывшего СССР. На широтах 60-65° наблюдается "климатический гребень стока" со значениями 350-400 мм. Отсюда пони­жение стока к северу до 300-350 мм из-за уменьшения осадков при более медленном уменьшении испарения. На севере Кольского полуострова повышение стока под влия­нием относительно теплого Баренцева моря. Понижение стока к югу до 50-100 мм в степной зоне, до 20 мм на побережье Азовского моря и 5 мм в Прикаспийской низмен­ности, связанное с уменьшением осадков и увеличением испаряемости. Некоторое уве­личение стока на возвышенностях (Валдайская, Донецкий кряжи др.) и существенное в горах - в Крыму с 20 до 150 мм, на Кавказе до 2000-3000 мм.

Движение воды в реках.

Средняя для поперечного сечения скорость течения определяется по формуле Шези

где I - продольный уклон, R - гидравлический радиус, h_cp - средняя глубина в сечении, С - коэффициент Шези: (п - коэффициент шероховатости, зависящий от неровностей дна, водной растительности, извилистости русла).

Поперечная циркуляция воды возникает при наличии перекоса уровня по ши­рине реки, что обычно связано с центробежной силой на повороте реки. Происходит повышение воды и гидростатического давления у вогнутого берега. В результате в придонных слоях возникает течение, направленное в сторону выпуклого берега. В по­верхностных слоях поперечное течение направленно от выпуклого берега к вогнутому. Поперечные течения, складываясь с основным продольным переносом воды, создают спиралевидное движение.

Если на прямолинейном участке реки скорость течения обычно уменьшается от середины к берегам, то на повороте реки струи с максимальной скоростью течения смещаются к вогнутому берегу.

При нормальном распределении скоростей течения по глубине их максимальные значения наблюдаются в слое от поверхности воды до глубины 0,2 h. На глубине 0,2 h она примерно равна средней скорости на вертикали, минимальное ее значение (не рав­ное нулю) наблюдается у дна. При ледяном покрове максимум скорости смещается примерно на глубину 0,6 h. Под воздействием ветра, неровностей дна, водной расти­тельности нормальное распределение скоростей течения нарушается,

Линии, соединяющие точки в поперечном сечении реки с одинаковой скоростью течения называются изотахами.