Звивистість річкового русла

Розрізняють два види звивистості:

а) орографічна, яка обумовлена рельєфом місцевості і різною твердістю порід, що складають береги долини;

б) ерозійна звивистість, яка є наслідком ерозійної діяльності самого потоку.

Формування звивистості другого роду називається меандруванням, а самі звиви – меандрами.

Меандри є рухливими утвореннями, які змінюють свою форму і переміщуються в просторі. Якщо в первинно прямому руслі, яке складене легкорухомим матеріалом, з’явився хоча би невеличкий згин, він буде в подальшому збільшуватись і перетвориться в звивину.

Першочергово русло приймає синусоїдальні окреслення в плані зі порівняно плавними поворотами. В подальшому кривизна поворотів збільшується, і синусоїда повільно перетворюється в ряд півкіл. Останні, по мірі розмиву берегів трансформуються у форму петель. Всі ці трансформації супроводжуються збільшенням довжини русла, тобто зменшенням нахилу. Але під час повені, коли рівень води підвищується і швидкість різко зростає, потік може розмити вузький перешийок між частинами русла, що наблизились, і тоді відбувається спрямлення русла. Відторгнута звивина часто уособлюється і перетворюється в старицю.

В зв’язку з звивистістю русла закономірно змінюється по довжині ріки і глибина. Більш глибокі місця, які називаються плесами, розташовані в місцях найбільшої кривизни русла. А більш мілкі – перекати – на прямолінійних ділянках між плесами.

З інших руслових утворень можна назвати осередки і острови, які поділяють русло на рукави і протоки. Осередками називаються рухомі підвищення дна, відокремлені від берегів водою, які періодично затоплюються. Більш стабільні високі осередки, закріплені рослинністю, а також відокремлені частини заплави називаються островами. Рукавом називається частина русла, відокремлена островом. Порівняно короткі і мілкі відгалуження русла, відокремлені осередками, називаються протоками.

Морфометричні характеристики русла

Для визначення витрати води, кількості наносів та інших гідрологічних величин необхідно знати морфометричні характеристики русла на даній ділянці. Головним матеріалом для цих цілей є поперечні профілі і план ділянки русла в ізобатах або горизонталях. Ізобатами називаються лінії рівних глибин, відрахованих від поверхні води.

Водним перерізом ріки називається січення потоку в площині, яка перпендикулярна його динамічній осі. За наявністю льодового покриву, площа водного перерізу визначається за вирахуванням площі зануреного льоду. В водному перерізі, особливо біля берегів, можуть бути ділянки, де течії води немає. Такі ділянки називаються мертвим простором. При визначенні витрати води вони вираховуються з загальної площі водного перерізу. Решта частини водного перерізу називається живим перерізом русла. Живий переріз характеризується рядом морфометричних елементів.

Ширина живого перерізу – це відстань по прямій між урізами води лівого і правого берегів у випадку співпадіння площ водного і живого перерізів. При наявності мертвого простору ширина живого перерізу – відстань між границями мертвих просторів по поверхні води.

Ширина живого перерізу змінюється з наповненням русла. Тому її звичайно виражають у вигляді функції від рівня води:

В = f₁ (H), м (3.1)

w = f₂ (H), м² (3.2)

Середня глибина живого перерізу – результат від поділу площі живого перерізу на його ширину:

h_ср = w /В, м (3.3)

Змочений периметр c - довжина лінії по якій вода доторкається до нерухомих твердих границь потоку. З зростанням c збільшується опір, який оказує русло потоку.

Гідравлічний радіус – це відношення площі живого перерізу до змоченого периметра:

R = w / c, м (3.4)

Для рівнинних рік ширина русла та змоченого периметра мало відрізняються один від одного. Тому в розрахунках середньої швидкості течії води замість гідравлічного радіуса часто використовують середню глибину. Для гірських рік цього робити неможна, тому що русла їх неширокі і змочений периметр суттєво перевищує ширину русла.

Нерівності поверхні дна та берегів русла збільшують його опір руху потоку. В якості статистичної характеристики нерівностей дна приймається середня висота виступів d над середньою плавною лінією дна. Ця величина називається абсолютною шорсткістю.

З зростанням глибини потоку вплив виступів на швидкість течії зменшується. Тому для характеристики шорсткості іноді використовують відношення абсолютної шорсткості до середньої глибини потоку на даній ділянці русла, яке називається відносною шорсткістю:

r = d / h_ср (3.5)

Як абсолютна, так і відносна шорсткість змінюється по ширині і по довжині ріки в зв’язку з зміною глибин і крупності часток донних відкладів. На заплаві шорсткість зростає також під впливом трав’яного покриву, чагарників, будівель.

Повздовжній профіль ріки

Повздовжнім профілем ріки називається графік, що характеризує зміну відміток дна русла або водної поверхні по довжині ріки. На горизонтальній вісі його відкладають відстань по довжині ріки, а на вертикальній – абсолютні або умовні відмітки дна або рівня води. Відрахування відстані ведеться від гирла як найбільш стабільної точки. Масштаби приймаються різні: більш крупний для висот, більш дрібний для горизонтальних відстаней. Повздовжній профіль таким чином характеризує зміну падіння і нахилу по довжині ріки.

Падінням називається різниця висот двох яких-небудь точок дна або водної поверхні (Н₁-Н₂). Частка від ділення величини падіння на відстань між точками, що розглядаються, називається повздовжнім геометричним нахилом:

І = (Н₁-Н₂) / l (3.6)

Висоти та відстані для розрахунку беруть в одних і тих самих лінійних одиницях, наприклад, в метрах. Отже, нахил є безрозмірною величиною. Звичайно він виражається десятковим дробом або в проміле (тисячна частка). Іноді нахил виражається в метрах на кілометр довжини. Наприклад, при падінні 0.1 м на 1 км нахил дорівнює 0.0001 або 0.1‰.

Ріки внаслідок багатовікової ерозійної діяльності поступово змінюють свій профіль, прагнучи надати йому такі окреслення, при яких опір руху води стає найменшим. При цьому велике значення відіграє базис ерозії.

Розрізняють загальний або головний базис ерозії і місцеві базиси ерозії. Загальним базисом ерозії є рівень моря або озера, куди впадає головна ріка системи. Місцевим базисом ерозії для даної ріки служить рівень води тої ріки, куди вона впадає, або вихід на поверхню важкорозмиваємих порід, які утворюють водоспади і пороги.

Поріг – це коротка ділянка ріки з відносно великим падінням рівня води і підвищеною швидкістю течії. Пороги можуть утворюватись не тільки в місцях виходу скельних гірських порід, але і в результаті накопичення в руслі крупного валунового матеріалу. Особливо багато порогів на гірських річках, але вони зустрічаються і на великих рівнинних ріках (наприклад, відомі Дніпровські пороги). Ділянка, на якій підвищення швидкості спостерігається на значній відстані, називається стрімниною або порожистою ділянкою. На Дніпрі ця ділянка до побудови Дніпрогесу мала довжину більше 90 км.

Місце, де вода падає з вертикального уступу дна, називають водоспадами. Нижче водоспаду під дією спадаючої води утворюється заглиблення “ерозійний котел”. Нижче Дніпровських порогів глибина “котла” досягала 15 м. Уступи, з яких падає вода, поступово зміщуються вверх по течії.

Серед великого різноманіття повздовжніх профілів можна виділити декілька характерних типів:

3) плавноувігнутий, який характеризується зменшенням нахилу від витоку до гирла;

3) прямолінійний, який відрізняється однаковими нахилами на всьому протязі ріки;

3) опуклий, для якого характерні понижені нахили у верхів’ї і підвищені у нижній течії;

3) східчастий з різкими змінами нахилів по довжині ріки.

Повздовжні профілі більшості рік безперервно змінюються під впливом багатьох факторів. Загальна тенденція змін виражається в тому, що русло ріки з часом прагне зайняти більш низьке положення, а нахили по довжині ріки розподіляються так, щоб не відбувалося намиву або розмиву дна і матеріал, що приноситься притоками, виносився б вниз по течії. Такому стану відповідає плавноувігнутий профіль, який ще називається профілем рівноваги.

Однак зміни профілів не відбуваються монотонно. В деякі періоди ерозія може підсилюватись, в інші – затухати, або змінюватись акумуляцією. Повільні вікові зміни відбуваються під впливом коливання земної кори або зміни рівня моря, внаслідок чого підвищується або понижується базис ерозії.

Профілі, які наближуються до плавноувігнутого, в природі зустрічаються частіше всього. Невироблені східчасті профілі характерні для порівняно молодих рік. Ріки в більш зрілому віці мають більш плавні окреслення профілю, хоча і на них зустрічаються пороги і стрімнини. Головна ріка звичайно володіє меншим середнім нахилом, ніж її притоки.

Лекція № 4 Водний режим рік

Головні характеристики річкового стоку

Ріки е одним з ланцюгів вологообігу, який безперервно здійснюється на Землі. Кількість води в ріках пов’язана з кількістю вологі, яка випаровується з поверхні Світового океану та материків, переміщенням води в атмосфері і на суходолі. Для кількісної оцінки елементів вологообігу, особливо його річкового циклу, застосовують характеристики стоку.

Витрата води є основною характеристикою водності ріки. Вона являє собою кількість води, яка проноситься за одиницю часу через поперечний переріз ріки; позначається Q, виражається в метрах кубічних за секунду (м³/с).

З величиною витрати води пов’язані всі інші елементи режиму ріки: рівень води, швидкість течії, каламутність потоку і т.д. Поміряна гідрометричними приладами витрата води приймається за миттєву. Являє собою добуток площі поперечного перерізу (м²) та швидкості течії води (м/с).

(4.1)

За допомогою методів гідрометрії можуть бути вирахувані середньодобові витрати. Шляхом осереднення щоденних величин за відповідні інтервали часу вираховується середньодекадна, середньомісячна та середньорічна витрата води. Осереднюючи ті або інші значення витрат за багаторіччя, отримують середні багаторічні величини.

Об’єм стоку – це кількість води, яка проноситься в даному розрізі ріки за інтервал часу більший секунди; вимірюється в метрах кубічних (м³), позначається V. Згідно визначенню

(4.2)

де Q – витрата води в м³/с середня за інтервал Т секунд.

В частковому випадку об’єм річного стоку вираховують за формулою:

(4.3)

де Qр – середньорічна витрата води;

31,5 ^. 10⁶ – кількість секунд за рік.

Модуль стоку – кількість води, яка стікає з одиниці площі річкового басейну за одиницю часу. Вимірюється в літрах за секунду з одного квадратного кілометра (л/с ^. км²), позначається М. Між витратою та модулем стоку існує співвідношення:

, (4.4)

де F – площа басейну в км².

Як і витрата води, модуль стоку може бути миттєвим (секундним), середньодобовим, середньодекадним, середньорічним, середньорічним.

За смислом модуль стоку характеризує питому водність ріки. Він дуже зручний при порівнянні різних рік і використовується при картуванні величин стоку.

Шар стоку. При дослідженні водного балансу території величину стоку порівнюють з кількістю атмосферних опадів та випаровуванням, які виражаються в міліметрах шару стоку води. В цьому випадку об’єм стоку також доцільно перевести в шар води, який рівномірно розподілений по площі басейну. Шар стоку позначається у і виражається в (мм).

Між об’ємом стоку, витратою води та шаром стоку існує співвідношення:

(4.5)

Частково, шар річного стоку визначається за формулою:

(4.6)

Якщо відомий середньорічний модуль стоку, то відповідний йому шар стоку, віднесений до всієї площі басейну, розраховується за формулою:

(4.7)

Норма річного стоку досить сильно коливається із року в рік. При цьому виявляється чергування груп відносно маловодних та відносно багатоводних років. Тривалість таких груп різна: від 2-3 до десятків років (виявлені 11-ти річні, 33-х річні цикли водності). Тому для характеристики стоку даної ріки вираховують середню величину річного стоку за досить велику кількість років, причому тривалість ряду приймається такою, щоб кількість маловодних і багатоводних років була однаковою. Отримана величина називається середнім багаторічним річковим стоком або нормою стоку. Величина норми стоку звичайно характеризується середньою багаторічною витратою води або відповідним їй модулем стоку або шаром стоку.

Модульний коефіцієнт являє собою відношення середньої витрати води даного року до середнього багаторічного її значення. Він характеризує, таким чином, рівень водності даного року порівняно із середнім за багато років. Відмітимо, що аналогічним чином можуть вираховуватись модульні коефіцієнти річних опадів та випаровування з річкового басейну.

Коефіцієнт стоку – це відношення висоти шару стоку (у) за який-небудь інтервал часу до кількості опадів (х), які випали на водозбір та обумовили цей стік (може виражатись у відсотках):

(4.8)

Він характеризує частину опадів, які витратились на утворення стоку. Частіше всього вираховується середній багаторічний коефіцієнт річного стоку, але при вирішенні деяких завдань можна розглядати коефіцієнт стоку за інтервали часу менше року.

Фази водного режиму

Закономірні зміни в часі стоку, швидкостей течії, рівнів води і нахилів водної поверхні називають водним режимом ріки. Він залежить від сукупності фізико-географічних факторів, серед яких найважливішу роль відіграють метеорологічні та кліматичні фактори.

У водному режимі рік відзначається закономірне чергування протягом року періодів підвищеної та низької водності, які є наслідками зміни умов живлення рік. Ці періоди називають фазами водного режиму. До них належить повінь (водопілля), паводок і межень. На рівнинних ріках України повінь спостерігається навесні, межень улітку та взимку, а фаза паводків наступає восени. На гірських річках Карпатського регіону чітко виділяється лише період весняного водопілля, паводки спостерігаються в літньо-осінній період, а межень переважно настає в осінньо-зимовий сезон.

Повінь – це повторювана щорічно в один і той же сезон фаза найбільшої водності з високим та тривалим підвищенням рівнів, яка викликана надходженням води від основного джерела живлення (в Україні – таненням снігу).

За походженням повінь поділяють на снігову, снігово-дощову і дощову. За часом настання водопілля можуть бути весняними (танення снігу на рівнинах та невисоких горах); весняно-літніми (танення снігу в горах) та літніми (танення вічних снігів та льодовиків в горах або випадіння мусонних дощів).

За формою гідрографа (графіка коливання щоденних витрат води) весняне та весняно-літнє водопілля найчастіше буває одновершинним, а літнє – багатовершинним, що пов’язано з коливанням температури повітря та зміною інтенсивності випадання дощів.

Кожне водопілля характеризується датою початку підйому та датою кінця спаду повені, датою проходження максимуму та об’ємом водопілля. Тривалість повені може бути від декількох днів на малих річках до 4-5 місяців на великих. За час весняної повені ріки проносять біля половини річного об’єму стоку в північних районах України та 90-100% річного стоку – в південних районах.

Паводок – короткочасна фаза високої водності ріки, яка може багато разів повторюватись в різні сезони року в зв’язку з інтенсивним випадінням дощів або таненням снігу під час відлиг. На відміну від водопіль вони виникають нерегулярно, хоча в кожному конкретному районі настають в один і той же сезон. Наприклад, в Карпатському регіону в літньо-осінній період щороку паводки повторюються 8-14 разів, тривалість стояння високих витрат від однієї до семи діб.

Паводки найчастіше формуються внаслідок випадання дощів і злив, а також сніготанення під час зимових відлиг. За часом настання паводки можуть бути зимовими, літніми та протягом усього року. Осінні паводки відрізняються від тих, що настають в інші сезони тим, що вони менш чітко виражені та менш регулярні.

Гідрограф стоку паводків складний, багатовершинний. Паводок характеризується тими ж елементами, що й водопілля. Паводки поділяються на місцеві (якщо їх сформували дощі, які випали в даному регіоні) та транзитні або верхові, які утворилися від дощів, що випали вище по течії.

Як показують натурні спостереження, швидкість руху гребня паводка по довжині ріки найчастіше більша від середньої швидкості течії (для окремих рік у 1,5-2 рази) і залежить від нахилу, характеру русла й величини витрати води. Паводки на гірських річках рухаються зі швидкістю до 4 м/с і більше, рівнинних до 1-1,5 м/с. Об’єм паводку залежить від кількості опадів, котрі його спричинили, тривалості їх випадіння та втрат води на просочування і випаровування. Висота паводку залежатиме від інтенсивності дощу і морфології русла і заплави.

Велике практичне значення має прогнозування водопіль та паводків. Якщо повінь можна прогнозувати за запасами води в сніговій товщі з достатньою завчасністю (2-3 місяці), то паводки прогнозуються з завчасністю – декілька годин, максимум дві-три доби.

Межень.

Межень звичайно поділяється на літню і зимову. Влітку ріки живляться за рахунок підземних вод і дощових вод (особливо в зоні збиткового зволоження), де підвищена вологість повітря сприяє стіканню. В зв’язку з цим на північних ріках літня межень висока і виражена слабо.

Зимова межень звичайно співпадає з льодоставом. Поверхневий стік малий, ріки живляться за рахунок вод глибоководних підземних горизонтів. В районах, де спостерігаються часті відлиги, гнилі зими (Прибалтика, Прикарпаття) зимова межень є нестійкою і ускладнюється паводками (басейни Дністра, Тиси, Прута, Даугави). Зменшення водності у літню межень відбувається, як правило, скоріше ніж зимою.

Оскільки водність і стік зональні, тому що є елементами географічного ландшафту, межень також зональна. Її зональні риси проявляються як у величинах питомого стоку, так і в тривалості літнього і зимового періодів. Визначена закономірність: там де межень тривала, вона як правило низька (мало стоку), де коротка – вона висока. Найбільш стійка і тривала межень характерна для зони степів, напівпустель і пустель. Дуже маловодні ріки іноді пересихають. Зимова межень, як правило, вище літньої, тому що зменшується витрати на випаровування та під час зими часто спостерігаються відлиги. В зоні збиткового зволоження, там де ріки перемерзають, спостерігається зворотна картина: на цих ріках влітку межень слабо виражена.

В степовій і напівпустельній зонах літньо-осіння межень зливається з зимовою, але річний мінімум стоку інколи припадає на кінець літа, коли найбільш інтенсивне випаровування. Взагалі літній і зимовий стік різко зменшується з півночі на південь, причому особливо різке зменшення спостерігається при переході від степової до напівпустельної зони. В Європейській частині величина мінімального стоку змінюється від 2,5 л/с× км² в тундровій і лісовій зонах до 0,7-0,5 л/с× км² в степовій зоні і 0,05-0,001 л/с× км² в напівпустельній. В гірських районах мінімальний стік сильно змінюється по території внаслідок зміни геологічної будови території і висоти водозборів. Але в цілому спостерігається тенденція збільшення його з підвищенням місцевості. Модулі меженного стоку коливаються в широких межах від 2 до 50 л/с× км² і в найбільш зволожених зонах досягають 6-10 л/с× км².

Поиск по сайту: