Питание и режим рек


 

 

Известным фактом является то, что не существует даже двух рек которые обладали бы одинаковым химическим составом, одинаковой фауной, имели бы одинаковый цвет и другие характеристики. То же самое можно сказать и о речном режиме, который претерпевает изменения на протяжении всего времени существования самой реки. Согласно определению, данному в литературе географической направленности, режим реки представляет собой обычный для каждой реки ход изменений уровня, скорости и температуры, а также движения, состава и берегового рельефа, который отвечает за форму реки.

Питание рек

Поступление воды в реки называется их питанием. Различают четыре основных источника питания рек: дождевое, снеговое, ледниковое и подземное. Питание рек, как и их режим, зависит главным образом от климатических условий. Дождевое питание свойственно рекам тропических и муссонных областей, а также многим рекам Западной Европы, отличающейся мягким климатом; снеговое — рекам, где в течение холодного периода накапливается много снега (большая часть рек СССР); ледниковое— рекам высоких горных областей; подземное — рекам, текущим в широких долинах. Однако значительно чаще встречаются реки со смешанным питанием.

Режим рек — закономерное изменение состояния реки во времени (изменение уровня, расходов, стока, скорости, температуры и т. д.). В годовом водном режиме рек выделяются периоды с типично повторяющимися уровнями, которые называются меженью, половодьем и паводком. Межень — наиболее низкий уровень воды в реке. В межень расход и сток рек незначительны, главным источником питания являются подземные воды. В умеренных и высоких широтах различают летнюю и зимнюю межень. Летняя межень наступает в результате большого поглощения осадков почвой и сильного испарения, зимняя — в результате отсутствия поверхностного питания.

Паводок в устье Совца (г. Дзержинск, Россия)
Рис.1. Паводок в устье Совца (г. Дзержинск, Россия)

Половодье — высокий и длительный подъем уровня воды в реке, обычно сопровождающийся затоплением поймы; наблюдается ежегодно в один и тот же сезон. В половодье реки имеют наибольшую водность, на этот период приходится значительная часть годового стока (нередко до 60—80 %). Половодья вызываются весенним таянием снега на равнинах, летним таянием снега и льда в горах и в полярных странах, обильными дождями. Время наступления и продолжительность половодья в разных географических условиях различны.

Паводок — быстрое, но кратковременное поднятие уровня воды в реке и значительное увеличение ее водности; в отличие от половодья возникает нерегулярно. Образуется обычно от дождей, иногда в результате быстрого таяния снега, а также пропусков воды из водохранилищ. Вниз по реке паводок распространяется волной. Постепенно распластываясь, волна затухает. Наиболее высокие подъемы воды приводят к наводнениям — затоплениям местности, расположенной в речной долине выше ежегодно затопляемой поймы. Образуются наводнения в многоводные годы в результате обильного притока воды в период снеготаяния или ливней, а также вследствие загромождения русла льдом во время ледохода. На устьевых участках некоторых равнинных рек наводнения возникают вследствие ветровых нагонов воды со стороны моря и подпора речного потока, например на Неве, для предупреждения чего ведется строительство защитных сооружений со стороны моря.

Наводнения часты на реках Дальнего Востока, где вызываются обильными муссонными дождями, случаются на Миссисипи, Огайо, Дунае и других реках. Они причиняют большой вред. Высота подъема воды в половодье и паводки весьма различна. Так, весенний подъем воды на большинстве крупных рек европейской части СССР достигает 4 м; на больших сибирских реках в связи с заторами льда подъем воды может доходить до 15—20 м. Человек активно воздействует на сток рек. Он строит плотины, водохранилища, каналы, изменяет поверхностный сток путем лесонасаждения, устройства прудов и снегозадержания. Накопленные весенние воды в летний сезон поддерживают более высокий уровень рек. Реки холодных и умеренных стран в холодный период года покрываются льдом. Мощность ледяного покрова может достигать 2 м и более.


Рис.2. Последствия наводнения на реке Кроуфиш (Висконсин, США, 2008 г.)

Однако некоторые участки рек зимой не замерзают. Эти участки называются полыньями. Чаще всего полыньи наблюдаются в местах быстрого течения, при выходе реки из глубокого озера, на месте большого количества источников. Замерзание и вскрытие рек сопровождаются ледоходом, при котором наблюдаются заторы и зажоры. Заторы — скопления плывущего льда, вызванные какими-либо препятствиями. Зажоры — скопления внутриводного льда. Те и другие вызывают уменьшение поперечного сечения реки (иногда на 30 %), подъем уровня воды, а при прорыве — быстрое ее движение вместе со льдом. Заторы особенно характерны для рек, текущих с юга на север (Северная Двина, Макензи, Лена и др.), вскрытие которых начинается с верховьев.

Тепловой режим рек, уравнение теплового баланса участка реки

Уравнение теплового баланса Sсн+Scp+Sиа-Sив+-Sта+-Sик,

где Sсн — итоговый приход тепла к снегу в кал/(см2-мин); Sср — суммарная радиация; Sиа, Sив — излучение атмосферы и воды; Sта — турбулентный теплообмен с атмосферой; Sик — теплообмен с атмосферой при испарении и конденсации.

Процессы и факторы, влияющие на температуру воды в реках. Нагревание и охлаждение воды в реках и озерах происходит под влиянием теплообмена, совершающегося между массой воды и окружающей ее средой, выражением чего является тепловой баланс участка реки. Процесс обмена теплом водной массы с окружающей средой происходит по границе раздела воды с атмосферой и грунтами. Перенос тепла от поверхности раздела в толщу водной массы осуществляется в результате турбулентного перемешивания.

Некоторую роль в распространении тепла вглубь, помимо перемешивания, особенно в озерах и застойных участках рек, играет непосредственное проникновение солнечной энергии в воду. Таким путем в зависимости от мутности и цвета воды на глубину 1 м проникает от 1 до 30%, а на глубину 5 м —от 0 до 5% падающей да поверхность воды лучистой энергии. Процесс теплообмена существенно изменяется в течение суток я по времени года с изменением метеорологических условий и высоты солнца.

В соответствии с изменением теплового потока и ход температуры воды имеет периодический характер. Днем, весной и летом преобладает возрастание температуры, ночью, осенью и зимой — уменьшение. Особенно существенные изменения в процесс теплообмена вносит появление ледяного и снежного покрова. С его возникновением теплообмен с атмосферой резко уменьшается: прекращается турбулентный теплообмен и влагообмен с атмосферой и проникновение в воду лучистой энергии. В это время непосредственный обмен теплом между водной массой и атмосферой осуществляется только путем теплопроводности сквозь лед и снег.

Распределение температуры по живому сечению реки, длине и по времени

Распределение температуры по живому сечению реки. Турбулентный характер течения в реках, обусловливающий непрерывное перемешивание водных масс, создает условия для выравнивания температуры по живому сечению реки. В летнее время днем вода на поверхности несколько теплее, чем у дна, ночью же температура у дна несколько выше.

При установлении ледяного покрова более низкие температуры (0° С) наблюдаются у поверхности воды. При образовании ледяного покрова и появлении на нем снега толщиной 10—20 см практически прекращается доступ к воде лучистой энергии и исключается встречное излучение воды. При отсутствии же лучистого теплообмена тепловой режим воды будет целиком определяться потоком тепла от дна и берегов реки, что" приводит к возникновению теплового потока, направленного от придонных слоев воды к ее поверхности. Различия в температурах воды отдельных точек живого сечения обычно невелики: они находятся в пределах десятых и сотых долей градуса, редко достигая 2—3° С. В условиях сложного очертания русла при наличии заводей и зон с малыми скоростями течения распределение температуры по живому сечению и по глубине может быть более сложным. Но эти случаи являются исключениями из общей картины распределения температур по живому сечению.

Изменение температуры воды во времени. Изменение интенсивности теплового потока, поступающего в воду, и расходования полученною тепла в течение суток и года, вызывает соответствующие колебания температуры воды.

Суточный ход температуры воды наиболее четко выражен в теплую часть года. Основным фактором, определяющим амплитуду суточных колебаний температуры воды, является водность реки: чем больше водность реки, тем меньше суточная амплитуда. Кроме водности, амплитуда колебаний температуры воды зависит также от широты места. Меньшая амплитуда на северных реках является следствием того, что в этих районах в весенне-летний период ночь коротка и, следовательно, нет условий для большого ночного охлаждения. Суточные амплитуды колебания температуры воды в значительной степени зависят от условий погоды: при ясной погоде они больше, при пасмурной - меньше. Годовой ход температуры воды характеризуется следующими особенностями. В течение зимних месяцев температура воды весьма мало отличается от 0° С и практически принимается равной 0° С.

Изменение температуры по длине реки. Температура воды рек, особенно имеющих достаточно большую длину, изменяется и вдоль по течению в соответствии с изменением прежде всего климатических условий и характера водного питания. Изменение температуры воды равнинных рек, текущих в меридиональном направлении (с юга на север или с севера на юг), зависит от многих причин: времени года, источника питания, приточности, наличия в бассейне реки озер, а также от смены ландшафтных зон, через которые протекает река. По мере удаления от истока вода в реке нагревается. Достигнув наиболее высокого для данной реки значения, далее на некотором участке вниз по течению температура воды существенно не меняется. Длина участка с относительно более высокими температурами зависит, в частности, от длины самой реки: чем меньше река, тем короче этот участок.

В период охлаждения происходит выравнивание температуры воды по длине реки, в некоторые моменты времени и в нижнем ее течении температуры могут быть выше, чем в верхнем. Это объясняется более высокой водностью реки в нижнем течении и, следовательно, большей тепловой инерцией. Температура воды рек, текущих с севера на юг, обычно повышается до самого устья, но это повышение различно и зависит от ряда указанных выше причин.

Зимний режим рек. Фазы зимнего режима – замерзание, ледостав, вскрытие рек

Ледовый режим рек. При охлаждении воды до 00С и продолжающейся после этого отдаче тепла с водой поверхности на реках возникают ледовые образования- реки вступают в фазу зимнего режима. За начало зимнего периода условно принимают установление отрицательных температур воздуха, сопровождающихся возникновения на реке ледовых образований. Концом зимнего периода считают момент очищения реки ото льда. Для многих рек отождествление конца зимнего периода с моментом очищение их ото льда зачастую может оказаться нецелесообразным, так как часто даже максимум весеннего половодья сопровождается ледоходом или значительная часть паводка проходит поверх льда. Поэтому правильнее с точки зрения выделения зимней фазы стока за момент окончания зимнего режима принимать момент начало первой интенсивной прибыли весенней воды.

Ледостав на реке Томь (Западная Сибирь, Россия)
Рис.3. Ледостав на реке Томь (Западная Сибирь, Россия)

Период жизни реки, связаны с ледовыми явлениями, может быть разделен на 3 характерные части: замерзание реки, включающее время осеннего ледохода, ледостав и вскрытие реки. В зимний период реки бывшего СССР живут исключительно за счет питания грунтовыми водами. Только на юге и в период сравнительно кратковременных оттепелей в северных районах может наблюдаться более или менее значительный поверхностный сток. В огромном же большинстве случаев расходы рек в зимний период резко уменьшаются (на некоторых реках до полного прекращения стока) за счет промерзания грунтов и иссякания запасов грунтовых вод.

Ледостав. С увеличением числа льдин и их размеров скорость движения ледяных полей уменьшается и в местах сужения русла, на мелких участках, у островков и у искусственных сооружений происходят временные задержки, приводящие в условиях отрицательных температур воздуха к быстрому смерзанию ледяных полей и образованию сплошного ледяного покрова, или ледостава. Описанный процесс замерзания рек является наиболее типичным, однако на малых реках и даже на отдельных участках больших рек с очень спокойным течением ледостав может установиться в течение короткого периода времени с низкими температурами без осеннего ледохода.

Вскрытие рек. С наступлением периода положительных температур начинается таяние льда и поступление воды в реки за счет поверхностного стока. Вследствие таяния снега появляется вода поверх льда сначала у берегов, затем снег на всем ледяном покрове пропитывается постепенно скапливающейся водой. Таяние льда наиболее интенсивно происходит вдоль берегов как за счет поступления талых вод с бассейна, так и в результате того, что почва нагревается быстрее. Вследствие подъема уровня воды лед несколько вспучивается. Вдоль берегов образуется понижение, по которому течет вода и размывает ледяной покров. Образующиеся при этом полосы воды, свободные ото льда, называются закраинами.

Испарение и его роль в балансе влаги. Испаряемость и суммарное испарение

Характеристика процесса испарения с водной поверхности. Процесс испарения состоит в том, что вода из жидкого или твердого состояния превращается в газ (пар). Молекулы воды, находясь в непрерывном движении, преодолевают силу взаимного молекулярного притяжения и вылетают в воздух, находящийся над поверхностью воды. Чем выше температура воды, тем больше скорость движения молекул и тем, следовательно, большее количество молекул воды отрывается от ее поверхности и переходит в атмосферу — испаряется. Поэтому интенсивность испарения зависит, прежде всего, от температуры испаряющей поверхности. Кроме того, часть молекул, оторвавшихся от поверхности воды и находящихся в воздухе, в процессе движения может снова попасть в воду.

Если количество молекул, переходящих из воздуха в жидкость, окажется больше, чем количество молекул, вылетающих из жидкости в воздух, происходит процесс, обратный испарению. Такой процесс называется конденсацией. Испарение зависит от разности между упругостью водяного пара, насыщающего пространство при температуре испаряющей поверхности, и упругостью водяного пара, фактически находящегося в воздухе. Интенсивность испарения возрастает, если в прилегающем к испаряющей поверхности слое воздуха существуют восходящие и нисходящие токи, называемые конвекционными. Они возникают в том случае, когда температура воздуха, непосредственно прилегающего к испаряющей поверхности, выше, чем температура вышележащих слоев.

Над большими водными пространствами, где испарение происходит одновременно с большой площади, горизонтальное перемещение воздуха не может обеспечить сколько-нибудь значительный горизонтальный приток более сухих масс воздуха. Однако с увеличением горизонтальной скорости ветра увеличиваются и вертикальные составляющие, вызывающие вертикальное перемещение масс воздуха, проходящих над поверхностью водоема. Это вертикальное перемещение воздуха и является основным для процесса испарения над обширными водными пространствами (океаны, моря, крупные озера). Испарение с поверхности почвы и испарение растительным покровом протекает значительно сложнее. Испарение с поверхности почвы определяется не только разностью упругости водяного пара и коэффициентом обмена, но и количеством влаги, находящейся в почве, и особенностями строения почвы. Суммарное испарение с поверхности почвы и растительным покровом (транспирация). С участков суши, покрытых растительностью, суммарное испарение формируется из трех составляющих: испарение непосредственно с почвы, испарение растительностью в процессе ее жизнедеятельности (транспирация), испарение осадков, задержанных растительной массой. Для определения испарения могут быть использованы следующие методы: а) испарителей, б) водного баланса, в) турбулентной диффузии, г) теплового баланса.

 


 

Реклама