Речная система и ее гидрографические характеристики

 

Речную систему составляют главная река, впадающая в приемный водоем (океан, море, бессточное озеро), и все впадающие в нее притоки различного порядка.

Вода, стекая со склонов после выпадения осадков, сначала образует мелкие бороздки, которые, сливаясь, образуют русла.

Руслом называется выработанное водотоком ложе, по которому постоянно или периодически происходит движение воды.

Совокупность русел постоянных и временных водотоков называется русловой сетью. Часть русловой сети из русел постоянных водотоков называется речной сетью.

Все водотоки (постоянные и временные), а также водоемы в виде озер, болот и водохранилищ составляют гидрографическую сеть территории. Таким образом, речная сеть лишь часть гидрографической сети.

Каждая река имеет исток, т.е. место на земной поверхности, откуда она берет начало. Истоком может быть озеро, ледник, болото, родники и место слияния двух рек.

Устьем реки называется место впадения ее в море, озеро или другую реку.

В реке также различают верхнее, среднее и нижнее течение.

Основные гидрографические характеристики речной системы: длина составляющих ее рек, густота речной сети, извилистость и разветвленность рек.

Отношение длины участка реки L_i к длине l_i, соединяющей концы этого участка, называется коэффициентом извилистости реки на данном участке:

 

k_извi=L_i/l_i. (22)

 

Коэффициент извилистости на отдельных участках рек изменяется от 1 до 2-3, а иногда и больше.

Поскольку на отдельных участках извилистость реки разная, общий коэффициент извилистости реки определяют по формуле:

 

k_{изв общ}=∑L_i/∑l_i=L/∑l_i. (23)

 

Между длиной реки L (км) и площадью бассейна F (км²) имеется определенная связь, близкая к квадратичной:

 

. (24)

 

Например, для рек бывшего СССР получена такая осредненная эмпирическая зависимость:

 

L=1.36F^0.56. (25)

 

Сумма длин всех рек в пределах бассейна или какой- либо территории дает протяженность речной сети ∑L_i. Отношение протяженности речной сети к площади бассейна F характеризует густоту речной сети бассейна или территории:

d=∑L_i/F. (26)

 

Густота речной сети в пределах равнинных территорий Европейской части России в целом уменьшается с севера на юг: в лесной зоне она составляет 04- 0,6 км/км², в степной 0,2- 0,3, на Прикаспийской низменности уменьшается до 0,05. На Кавказе с увеличением высоты местности густота речной сети возрастает до 0,8-1,0, а иногда и до 2 км/км² (А. Н. Важнов, 1976).

Разветвленность. Нередко русло разветвляется на несколько притоков (рукавов). Степень разветвленности выражается отношением суммы длин всех притоков и главного русла к длине соответствующего участка главного русла L:

 

К_разв.= l₁+l₂+l₃+….+l_n+L/L. (27)

 

где l₁, l₂, l₃- длина рукавов.

 

Водосбор и бассейн реки

Следует различать водосбор и бассейн реки. Водосбор реки - это часть земной поверхности и толщи почв и грунтов, откуда данная река получает свое питание. Поскольку питание рек может быть поверхностным и подземным. Различают поверхностный и подземный водосборы, которые могут не совпадать. Бассейн реки - это часть суши, включающая данную речную систему и ограниченная орографическим водоразделом.

Обычно водосбор и бассейн реки совпадают. Однако нередки случаи и их несовпадения. Так, если в пределах речного бассейна часть территории оказывается бессточной, то она, оставаясь частью бассейна, в состав водосбора реки не входит. Такие случаи весьма характерны для засушливых районов с плоским рельефом.

Различают физико-географические и морфометрические характеристики бассейнов.

К первым относятся: географическое положение, климатические условия (осадки, температура), геологическое строение и почвенный покров, рельеф водосбора, растительный покров, озерность, заболоченность.

К морфометрическим характеристикам относятся: площадь, форма, высота и уклон водосбора.

Площадь водосбора определяет водность реки и условия формирования стока. Определяют планиметром или палеткой по картам.

Суммируя последовательно от истока к устью площади бассейнов рек 1-го порядка можно построить график нарастания площади бассейна по длине главной реки.

Длина площади бассейна L_б определяется расстоянием по прямой от устья реки до наиболее отдаленной точки бассейна.

Наибольшая ширина бассейна В_б проводится перпендикулярно длине его в наиболее широком месте.

Средняя ширина бассейна В_б.ср. определяется путем деления площади бассейна на его длину, т. е.

 

В_б.ср.=F_б/L_б. (28)

 

Форма водосбора может характеризоваться коэффициентом асимметрии бассейна:

 

а=F_л-F_п/F_л+F_п/2, (29)

 

где F_л и F_п - площадь левобережной и правобережной частей водосбора.

Речные бассейны обычно имеют грушевидную форму и характеризуются коэффициентом развития водораздельной линии бассейна – К_в, определяемом как отношение длины водораздельной линии S к длине окружности круга s с площадью равной площади речного бассейна

 

F= πR², тогда (30)

 

К_в=S/s=0.282 S/ . (31)

 

Наименьшее возможное значение К_в = 1, а обычно он составляет от 1,2 до2,6.

Среднюю высоту бассейна определяют по карте бассейна в горизонталях:

 

H_ср. = f₁h₁+f₂h₂+….+f_nh_n/F=∑f_ih_i/F, (32)

 

где f_i - площадь между горизонталями; h_i- ср. высота площадки между горизонталями; F- площадь бассейна.

Уклон водосбора. Уклон между двумя горизонталями iбудет равен:

 

b, (33)

где ∆H - сечение горизонталей; b- среднее расстояние между горизонталями.

Средневзвешенный уклон водосбора равен:

 

J_ср.= ∆H (0.5l₀+l₁+l₂+….+0.5l_n)/F, (34)

 

где l_i- длина горизонталей, м.

 

Долина и русло реки

 

Долины – вытянутые пониженные формы рельефа с общим наклоном тальвега. По происхождению речные долины могут быть тектоническими, ледниковыми и эрозионными.

По форме поперечного профиля их подразделяют на теснины, каньоны, ущелья, V-образные, трапециевидные, корытообразные и др.

В долинах могут образовываться террасы: аккумулятивные – в результате врезания реки в собственные отложения и эрозионные – в результате воздействия потока на коренные породы.

Руслом реки называется часть долины, по которой осуществляется речной сток. Часть дна долины, по которой проходит сток в период низких вод - коренное или меженное русло, а часть долины, сложенная наносами и периодически затапливаемая в половодье и паводки, - пойма.

Границы русла реки четко определяются берегами и бровками русла. Пойма четких границ не имеет.

В поперечном профиле долины выделяют склоны долины (вместе с уступом долины и надпойменными террасами) и дно долины. В пределах дна (ложа) долины находятся русло реки и пойма.

Русла рек по форме в плане подразделяются на прямолинейные, извилистые (меандрирующие), разделенные на рукава, разбросанные (блуждающие).

Основные морфологические элементы русла следующие: излучины (меандры), затопляемые подвижные повышения дна – осередки и более высокие, более стабильные и закрепленные растительностью острова, глубокие и мелкие участки русла – плесы и перекаты, донные гряды различного размера.

Полоса в русле реки с глубинами, наиболее благоприятными для судоходства, называется фарватером. Иногда помимо фарватера выделяют линию наибольших глубин. Линии на дне речного русла, соединяющие точки с одинаковыми глубинами, называют изобатами.

Основными морфометрическими характеристиками речного русла являются площадь поперечного сечения , ширина русла В между урезами при заданном его наполнении, максимальная глубина русла h_max. Среднюю глубину русла h_ср. в данном поперечном сечении вычисляют по формуле:

 

h_ср= /В. (35)

 

Для большинства речных русел выполняется приближенное соотношение h_ср~ 2/3h_max. В извилистом русле максимальная глубина обычно смещена к вогнутому берегу.

В гидравлических расчетах часто используют еще две характеристики русла реки – длину смоченного периметра p и гидравлический радиус R, равный:

 

R= /p. (36)

 

Смоченный периметр – это длина подводного контура поперечного сечения речного русла, т.е. линия контакта воды с ограничивающими ее твердыми поверхностями – с дном и берегами, а зимой также и с ледяным покровом.

Для широких и относительно неглубоких русел и для периода открытого русла (без ледяного покрова) величины гидравлического радиуса R и средней глубины h_ср практически совпадают, поскольку в этих случаях p ~ В.

Максимальная ширина русла на реках может достигать десятков километров (р. Амазонка), а максимальная глубина – 100 -110 м (низовья Енисея).

 

Продольный профиль реки

 

Продольный профиль характеризует изменение по длине реки отметок дна и водной поверхности. Строится обычно по данным наблюдений за уровнем в меженный период. Данные приводятся к одному мгновенному уровню (особенно тщательно в паводок).

Типы продольных профилей.

1. Профиль равновесия реки или вогнутый профиль характеризуется уменьшением уклона дна от истока к устью. Образуется в результате наступления равновесия между эрозией, транспортом и аккумуляцией наносов при стабильном базисе эрозии. (Хотя полного равновесия никогда не наблюдается).

2. Прямолинейный, наблюдается чаще у малых рек (степное Заволжье).

3. Выпуклый или сбросовый, характеризуется увеличением уклона дна от истока к устью. Встречается редко.

Иногда как отдельный выделяют ступенчатый профиль – с водопадами и порогами (в горах).

Определяющими тип продольного профиля причинами являются:

- топография (удаленность от базиса и разность высот устья и истока);

- литология (какими геологическими породами сложен водосбор);

- гидрологический режим территории (количество осадков, их распределение во времени, дружность паводков и пр.).

Перегибы продольного профиля обычно приурочены к местам впадения притоков (ниже их профиль, как правило, выполаживается), а также к местным базисам эрозии, в качестве которых могут быть главная река для притока, пороги, водопады, проточные озера, водохранилища и др. Уровень приемного водоема (океана, моря, бессточного озера), куда впадает река, называют общим базисом эрозии.

Для характеристики крутизны продольного профиля рек используют понятие уклон реки (отдельно для дна и водной поверхности). Уклон реки вычисляют по формуле:

 

I=∆H_i/L_i, (37)

 

где ∆H_i - падение, L_i- длина реки на участке. Длину измеряют вдоль русла, и поэтому I представляет собой не тангенс, а синус угла наклона дна или водной поверхности к горизонту. Величина I для водной поверхности реки всегда положительна (исключения – лишь устья рек, подверженных действию приливов и нагонов), а для дна (в этом случае вместо I обычно пишут i_о) может на некоторых участках принимать и отрицательные значения, например в месте резкого уменьшения глубин на перекате. Уклон реки I – величина относительная, и ее выражают в долях единицы, %, %о. Во многих случаях гидрологи используют также такое понятие, как падение на 1 км длины реки: величину падения уровня ∆H, выраженную в сантиметрах, делят на длину участка русла L_i в километрах. Эту величину называют километрическим падением.