Ковалёв С.Г. (и др.) Общая геология с основами гидрогеологии и гидрологии

Подождите немного. Документ загружается.

Рис 25. Выработка профиля равновесия реки

При выработке профиля равновесия как горных, так и равнинных рек,

кроме всего прочего, большую роль играет уклон речной долины. Раз-

ность отметок (

∆

∆∆

∆

h) водной поверхности истока (Н

) и устья – Н

(или ка-

ких-либо двух точек по длине реки) называют падением реки. Отношение

величины падения (

∆

∆∆

∆

h) к длине реки (или длине данного участка реки)

называется уклоном реки, т.е.

i = .tg

αα

∆

∆∆

∆

−

−−

−

Уклон реки представляет собой величину безразмерную и выражается

в виде десятичной дроби или в промиллях (‰). Например, средний уклон

р. Оки, выраженный десятичной дробью равен

i =

1477

M5,159

= 0,00011,

что соответствует в промиллях 0,11‰, т.е. на 1 км протяжения реки паде-

ние в среднем составляет 0,11 м.

По мере выработки продольного профиля эрозии закономерно меняет-

ся форма поперечного профиля самой речной долины. На ранних стадиях

развития при значительном преобладании глубинной эрозии вырабатыва-

ется крутостенная (обрывистая) узкая долина, дно которой почти полно-

стью занято рекой. В этом случае поперечный профиль представляет со-

бой каньон с почти вертикальными, иногда ступенчатыми боковыми

склонами. При дальнейшей выработке долина принимает V-образную

форму. Такие формы особенно хорошо выражены в молодых горно-

складчатых системах Альп, на Кавказе, в Гималаях, где глубина долин рек

достигает 1–2 км. Такие горные ущелья с крутыми, почти отвесными

стенками называют ущельями-каньонами. По мере выработки профиля

долина принимает U-образную форму, т. е. ее склоны постепенно выпо-

лаживаются. Таким образом, речные долины в зависимости от формы по-

перечного профиля и размеров ее основных элементов (ширина по дну, по

верху высоты склонов) делят на следующие типы (рис. 26):

Рис. 26. Типы долин по форме

поперечного профиля (1–щель,

клямма, 2–каньон, 3–ущелье, 4–

V-образная, 5–корытообразная,

6–трапецеидальная, 7–ящикооб-

разная, 8–неясновыраженная)

_____________________________

1. Щель (клямма) – глубо-

кая и узкая долина с отвесны-

ми, а иногда и нависшими

склонами. Дно долины полно-

стью занято водой. Такого вида

долины встречаются в горных

районах.

2. Каньон – долина с почти отвесными склонами, также глубокая, но

шире щели; имеет сравнительно плоское и узкое дно, не всегда полностью

занятое потоком. Этот тип долины встречается в горах.

3. Ущелье – глубокая горная долина с узким дном и выпуклыми склона-

ми, крутизна которых увеличивается вниз характерна для горных районов.

4. V-образная долина характеризуется более пологими склонами и доста-

точно широким дном. Этот тип долин является наиболее распространенным.

5. Корытообразная долина (трог) отличается довольно крутыми, вогну-

тыми склонами, крутизна которых ко дну долины постепенно уменьшается.

Такой профиль долины обусловлен деятельностью ледников в горных рай-

онах.

6. Ящикообразная долина имеет широкое и почти плоское дно, ограни-

ченное крутыми, а иногда и отвесными склонами. Дно долины заполнено

аллювиальными отложениями. Долины такого типа встречаются довольно

часто и на равнинах и в предгорьях.

7. Трапецеидальная долина похожа на ящикообразную, но склоны ее

значительно положе.

8. Неясновыраженная долина характеризуется очень пологими скло-

нами, которые постепенно сливаются с прилегающими междуречными

пространствами. Такие неглубокие речные долины приурочены к равнин-

ным местностям.

Боковая эрозия. В результате выработки профиля равновесия помимо

развития донной эрозии проявляется и боковая. По мере того как ослабе-

вает донная эрозия, усиливается боковая, направленная на подмыв бере-

гов и расширение долины. Особенно сильно боковая эрозия проявляется

во время половодий и паводков, когда скорость течения реки и турбу-

лентность движения потока существенно увеличиваются. Вода подступа-

ет к обрывистому склону и от сильного вихревого движения в придонном

слое подмывает берега. Начинается усиленный подмыв одного берега и

накопление наносов на противоположном. Это приводит к образованию

изгиба реки. Первичные изгибы, постепенно развиваясь, превращаются в

излучины, которые играют большую роль в формировании речных долин.

Транспортировка и речные отложения. Поступление продуктов раз-

рушения горных пород в реку определяется эрозией, т. е. смывом твердых

частиц с поверхности водосбора, и размывом русла рек. Стекающие со

склонов водосбора струи воды, вызванные весенним снеготаянием и лет-

ними дождями, в своем движении увлекают не только мелкие твердые и

разрыхленные частицы грунта, но и приводят в движение более крупный

материал, а также разрушают земную поверхность, образуя вымоины.

Продукты размыва сносятся водами с повышенных мест в более низкие,

большая часть их задерживается на поверхности водосбора, заполняя его

углубления, и только небольшая часть попадает в реки.

Кроме материала, поступающего в реку со склонов водосбора и яв-

ляющегося основным источником формирования речных наносов, проис-

ходит также размыв русла реки, особенно если, поток обладает значи-

тельными уклонами и скоростями и течет в легко размываемых берегах в

неустойчивом деформирующемся русле. Ледоходы и образующиеся во

время ледоходов заторы льда также в значительной мере способствуют

русловой эрозии. Поступление наносов в русло главной реки происходит

также и за счет их привноса притоками, подмыва и обрушения склонов

долины и выноса материала из оврагов.

Количество поступающих в реку наносов зависит от многих факторов.

Чем больше изрезан рельеф водосбора и больше уклон реки, тем обычно

больше и количество материала в ее воде. Количество наносов в потоке зави-

сит и от состояния поверхности водосбора: в горных районах после каждого

ливня потоки несут с собой массу смытого вещества и иногда в таком изоби-

лии, что превращаются в грязекаменные потоки – сели (см. выше); также

большое количество материала поступает в реки из оврагов.

На поверхности водосбора степень эрозии зависит от сопротивляемо-

сти размыву почво-грунтов. Валуны, щебень и пески трудно смываются

водой, но если они встречаются на крутых склонах или под ними имеются

слабопроницаемые породы, тогда они подвергаются размыву. Бесструк-

турные распыленные черноземы, лёссовые и лёссово-суглинистые породы

легко смываются, что приводит к поступлению в реки громадного коли-

чества обломочного материала, состоящего из мелких частиц.

Наличие растительности в бассейне реки уменьшает смыв твердых

частиц, так как изолируют почву от непосредственного воздействия сте-

кающих вод и тем самым предохраняет ее от размыва.

Климатические факторы (осадки, температура и влажность воздуха,

ветер и пр.) также оказывают влияние на количество смываемого мате-

риала. Осадки и характер их выпадения вызывают различную интенсив-

ность эрозии; так, равномерное и продолжительное выпадение осадков не

вызывает большого смыва вследствие сравнительно медленного стекания

воды и значительных потерь на испарение и просачивание. Ливневые

осадки, стекающие с большими скоростями, способствуют увеличению

смыва в реку больших количеств наносов. Температура воздуха и ветер

оказывают косвенное влияние на процессы эрозии, о чем см. в соответст-

вующих разделах.

Количество проносимых рекой наносов в течение некоторого перио-

да времени (сутки, месяц, год) называется

твердым стоком реки, кото-

рый выражают в килограммах или тоннах.

Количество наносов, проносимых рекой в единицу времени через жи-

вое сечение реки, называют

твердым расходом (R, кг/с). Изучение твёр-

дого стока (стока наносов) рек имеет большое значение при разрешении

целого ряда гидротехнических задач. В зависимости от характера транс-

портирования водами рек выделяют две категории наносов: 1) взвешен-

ные и 2) влекомые по дну, или донные.

Взвешенные наносы. Взвешивание твердых частиц с удельным весом бо-

лее удельного веса воды объясняется наличием вертикальных составляющих

скоростей турбулентного движения воды в речном потоке. На твердые части-

цы, находящиеся во взвешенном состоянии турбулентного потока, будут дей-

ствовать две силы: скорость струи потока (

v), направленная под некоторым

углом вверх, и вес частицы (

Р), направленный вниз. Под влиянием этих двух

сил частица будет двигаться по направлению какой-то равнодействующей (

(рис. 27). Разложим равнодействующую на две силы: вертикальную (

) и

горизонтальную (

). Вертикальная сила является силой, поддерживающей

твердую частицу во взвешенном состоянии. Она составляет 1/12–1/20 от го-

ризонтальной силы и достигает максимума у дна и минимума у поверхности.

Величина вертикальной составляющей скорости возрастает с увеличением

средней скорости потока. Для оценки ее величины рассмотрим процесс паде-

ния частиц в стоячей воде. Твердая частица, попавшая в спокойную воду,

через некоторое, весьма малое время (2–3 секунды или даже доли секунды)

будет падать равномерно, что объясняется равенством силы тяжести частицы

и силы сопротивления ее движению. Эта равномерная скорость падения час-

тицы в спокойной воде при температуре 15°С называется

гидравлическим

размером, или гидравлической крупностью частицы (W), которую выражают

в мм/с. Гидравлическая крупность частиц зависит от их диаметра и плотно-

сти, а также от плотности воды. Для взвешивания твердой частицы, попав-

шей в турбулентный поток, необходимо, чтобы величина вертикальной со-

ставляющей скорости потока (

) была больше или равна гидравлической

крупности этой частицы, т. е.

> W. При v

< W частицы оседают на дно. На

взвешивание мелких илистых частиц (меньше 0,001 мм) при малых скоростях

течения, кроме вертикальной составляющей скорости, влияет также наэлек-

тризованность частиц, приобретаемая ими при трении жидкости. Заряжаясь

одноименными зарядами, частички приобретают способность отталкиваться

друг от друга и переходить во взвешенное состояние. Электризацией мель-

чайших твердых частиц объясняется длительное существование их во взве-

шенном состоянии в спокойной воде.

Рис. 27. Схема дейст-

вия струи потока на

твердую частицу

__________________

Распределение

взвешенных наносов

в реке

. Для количе-

ственной характеристики содержания взвешенных наносов в воде удобно

выражать их содержание в виде отношения твердого расхода (

R, кг/с) к

расходу воды (

Q м

/с), которое носит название мутности (

ρρ

, г/м

) т.е.

ρρ

R1000

, г/м

Мутность речных вод значительно меняется по живому сечению пото-

ка, по его длине и во времени. Распределение наносов по живому сечению

реки обычно имеет неравномерный характер, причем наибольшая мут-

ность находится у дна и берегов за счет взвешенных частиц более круп-

ных размеров. Чем больше в составе наносов крупных частиц, тем нерав-

номернее они распределены по вертикали; в том случае, когда материал

наносов состоит из мелких фракций, наблюдается его более равномерное

распределение по глубине.

Количество наносов, переносимое потоком, обычно возрастает от ис-

тока к устью, но в некоторых случаях оно нарушается вследствие частич-

ного отложения их в протоках, пойме и дельте реки, что вызывает умень-

шение стока наносов вниз по течению. Мутность рек в течение года изме-

няется в широких пределах, причем наибольшая мутность рек равнинных

районов наблюдается во время весеннего половодья, при интенсивном

смыве почв со склонов речных водосборов, а наименьшая – в зимнее вре-

мя, когда реки получают питание главным образом за счет подземных

вод. Мутность зависит и от степени увлажненности территории, а также

освоенности ее в сельскохозяйственном отношении.

Взвешенные наносы в условиях равнинных рек составляют основную

часть твердого стока, величина которого может достигать 90–98% общего

количества наносов. В горных условиях количество влекомых наносов

может превышать взвешенное. В районах, где водный режим рек зарегу-

лирован озерами или водохранилищами, сток взвешенных наносов резко

уменьшается и делается более равномерным в течение года.

Влекомые, или донные, наносы. Влечение твердых частиц по дну потока

обусловливается величиной придонной скорости течения воды. С ее увели-

чением возрастают размеры передвигаемых частиц. В равнинных реках по

дну передвигаются небольшие песчинки. Горные потоки при больших укло-

нах и скоростях передвигают крупные обломки, валуны и гальку.

Передвижение донных наносов зависит от крупности частиц, их зале-

гания на дне, гидравлических условий потока и имеет довольно сложный

характер. Они начинают перемещаться в том случае, когда скорость тече-

ния реки выводит частицу из устойчивого положения. Вначале передви-

гаются мелкие частицы, выступающие над поверхностью дна, а затем бо-

лее крупные; это приводит к их смыву со дна и углублению русла реки.

Перемещение донных наносов носит скачкообразный характер, обуслов-

ленный изменением величины скорости, весом твердых частиц и их тре-

нием о дно. Частицы могут перекатываться с грани на грань, скользить по

поверхности дна, замедляться, передвигаться скачками пока не задержат-

ся другими частицами или пока скорость потока станет недостаточной для

их дальнейшего передвижения. Кроме скачкообразного движения влеко-

мых песчаных частиц, наблюдается перемещение их в виде волн или гряд,

образующих рельеф дна речного русла. Высота гряд зависит от скорости и

глубины потока, а также от диаметра частиц. Гряды чаще всего распола-

гаются поперек течения или под углом к нему.

Исследования характеристик движения твердых частиц по дну потока

позволили установить определенную зависимость между весом частиц,

влекомых по дну, и скоростью, при которой эти частицы движутся. Эта

зависимость может быть выражена формулой Эри:

Р = Аv

где Р – вес частицы; v – скорость, при которой частица начинает двигаться;

А – коэффициент, зависящий от формы и удельного веса твердой частицы.

По формуле Эри веса влекомых частиц прямо пропорциональны шес-

той степени скоростей течения. Закон Эри объясняет явления размыва

русла реки и передвижения продуктов размыва по дну потока, а также

объясняет то обстоятельство, что при сравнительно небольшой разнице в

скоростях, горные реки передвигают крупные гальки и валуны, а равнин-

ные реки – мелкие песчаные частицы.

Допустим, что скорости рек равнинного и горного характера находятся

в отношении 1:3; тогда веса передвигаемых частиц соответственно будут

находиться в отношении 1:36, или 1:729.

Исследования М.А.Великанова по определению связи между скоро-

стью потока и диаметром частицы, находящейся в движении под действи-

ем этой скорости, позволили составить зависимость следующего вида:

v = )006,0d15(g +

+ м

/с,

где

v – средняя скорость потока; g – ускорение силы тяжести, равное 9,81

м/с

; d – диаметр частицы (в мм).

Формула Великанова применяется при

d = 0,1–5 мм, а для частиц с d >

5 мм дает преувеличение значения предельной скорости.

Кроме обломочного материала реки переносят минеральные соедине-

ния в растворенном виде.

Растворенные вещества речных вод. Изучение химического состава

природных вод, определяющего ряд их практически важных качеств, име-

ет большое значение для хозяйственной деятельности человека. Знание

химического состава необходимо для выяснения агрессивного действия

воды на гидротехнические сооружения, при оценке воды для бытового,

промышленного и технического водоснабжения, для орошения и многих

других целей. Химический состав речной воды неоднороден и зависит от

общего комплекса физико-географических условий, среди которых особое

значение имеют климат, характер почвенного покрова и горных пород,

слагающих бассейн, условия грунтового питания реки, действия человека

и живых организмов.

Атмосферные осадки, просачивающиеся через породы земной коры,

обогащаются солями, количество которых в большой мере зависит от ти-

па пород. Например, при просачивании через бедные солями торфянисто-

тундровые или болотные почвы, вода будет содержать главным образом

органические вещества и отличаться очень малой минерализацией; черно-

земы, каштановые и солоноватые почвы способствуют увеличению кон-

центрации солей в речных водах.

Климатические условия (атмосферные осадки, испарение и температу-

ра воздуха), определяющие водный режим рек, влияют на минерализацию

речной воды. Достаточное количество выпадающих осадков, невысокие

температуры воздуха и малое испарение создают большое увлажнение, в

результате чего формируется незначительная минерализация воды. На-

оборот, в засушливых районах с малыми осадками и значительным испа-

рением, реки маловодны и минерализация воды в них значительно возрас-

тает. Хозяйственные мероприятия в значительной степени воздействуют

на химизм речных вод, так как сбрасываемые в реки промышленные и

сточные воды, а также строительство водохранилищ могут резко менять

их естественный химический состав.

Все природные воды, в том числе и речные, по преобладающему аниону

делятся на три класса: гидрокарбонатные (и карбонатные) воды с преоблада-

нием анионов (НСО

и СО

), сульфатные – с преобладанием аниона SО

хлоридные, в которых преобладает Сl

. Каждый класс по преобладающему

катиону делится на три группы: кальциевую, магниевую и натриевую.

Характерной особенностью гидрохимии речных вод территории Рос-

сии является широтная зональность, сущность которой заключается в том,

что в направлении с севера на юг (от зоны тундры к зоне пустынь) наблю-

дается увеличение степени минерализации речных вод и изменение их

класса от гидрокарбонатного к сульфатному и далее к хлоридному. В этом

же направлении увеличивается жесткость воды и уменьшается содержа-

ние в ней органических веществ.

Воды большинства рек России принадлежат к гидрокарбонатному

классу (85%), реки хлоридного класса встречаются значительно реже (7%)

и наименьшее распространение имеют реки сульфатного класса (3%).

Концентрация растворенных в воде химических веществ выражается

весом их в миллиграммах в единице объема воды (литре) – мг/л.

Речная вода по сравнению с грунтовой, озерной и морской водой

обычно имеет меньшую минерализацию, и реки с минерализацией воды

свыше 5000 мг/л встречаются довольно редко (р. Тургай в Казахстане

имеет общую минерализацию до 19000 мг/л). На территории России по

величине минерализации все реки подразделяются на четыре категории

(по О.А.Алекину):

1) реки с малой минерализацией – сумма ионов до 200 мг/л;

2) реки со средней минерализацией – сумма ионов 200–500 мг/л;

3) реки с водой повышенной минерализации – сумма ионов 500–1000 мг/л;

4) реки с водой высокой минерализации – сумма ионов свыше 1000 мг/л.

Количество растворенных веществ, проносимое рекой через какое-

либо живое сечение за некоторый период времени (сутки, месяц, год),

называется

стоком растворенных веществ, или ионным стоком, и обыч-

но выражается в тоннах за данный промежуток времени (табл. 6). Масса

растворенных веществ, выносимых реками в моря и бессточные озера,

достигает значительных размеров; в океаны выносится основная часть –

73,7% и значительно меньшая доля – 26,3% в бессточные водоемы.

Таблица 6

Гидрохимический сток некоторых рек России и

сопредельных государств (по О.А.Алекину)

Река Площадь бассейна,

тыс. км

Гидрохимический

сток, 10

т /год

Средняя годовая ми-

нерализация, мг/л

Енисей 2599 29,50 53,8

Обь 2485 30,20 76,6

Лена 2425 41,30 84,6

Сев. Двина 360 17,20 155,8

Печора 326 5,47 42,4

Амур 1843 18,70 54,0

Волга 1380 46,50 182,0

Аму-Дарья 227 17,70 422,0

Сыр-Дарья 219 6,05 432,1

Урал 220 3,32 301,8

Днестр 72 3,04 304,0

Терек 44 3,09 280,9

Связь минерализации воды с условиями питания реки.

Химический со-

став речной воды непостоянен в течение года и подвержен в зависимости от

условий питания значительным изменениям. Для большинства рек харак-

терна обратная зависимость величины минерализации воды от водоносно-

сти реки, и поэтому, например, для рек, имеющих весеннее половодье, ми-

нимальная минерализация наблюдается весной, а для рек с высокогорным

питанием – в период наибольшего таяния льда и снега, т. е. летом. Измене-

ния ионного стока, происходящие в году, зависят и от соотношений по-

верхностного и подземного питания реки в течение года. У рек с весенним

половодьем, несмотря на значительное уменьшение минерализации воды,

количество выносимых солей во время половодья обычно превышает поло-

вину годового ионного стока; на реках с паводками в теплое время года

наблюдается наибольший сток растворенных солей в летние месяцы.

Поверхностный и подземный сток существенно различаются между

собой по химическому составу вносимой в реку воды. В частности, для

поверхностного питания (снегового, дождевого, ледникового) характерно

формирование малой минерализации с преобладанием в речной воде ио-

нов Са

, Мg

и НСО

. Такой состав ионов объясняется тем, что поверх-

100

ностные воды могут выщелачивать из почв и грунтов только те соли, ко-

торые находятся близ поверхности земли. Подземные воды (аллювиаль-

ные и глубоководные), питающие реки, имеют большую минерализацию.

Это объясняется тем, что они более продолжительное время соприкасают-

ся с породами и выщелачивают из них большее количество растворенных

веществ. Подземные воды приносят в реки ионы легко растворимых солей

(SО

, Сl

и Nа

Таким образом, при увеличении поверхностного питания минерализа-

ция речной воды будет уменьшаться и, наоборот, при уменьшении по-

верхностного и увеличении подземного питания минерализация будет

возрастать.

Аккумуляция. Процесс осаждения вещества не завершает перенос и эро-

зию, а происходит почти одновременно с ними. На первых стадиях развития

реки преобладают процессы эрозии, но местами отлагаются и речные осадки,

которые, однако, являются неустойчивыми и подвергаются новому размыву

и переносу при увеличении полноводности потока и его скорости. По мере

выработки профиля равновесия и расширения долины образуются посто-

янные речные отложения, называемые аллювиальными или аллювием (от

лат. «аллювио» – нанос, намыв). В формировании аллювия, как и речных

долин, большую роль играют изгибы и излучины реки, в которых меняются

турбулентность потока и его скорость. Двигаясь по дуге изгиба, вода испы-

тывает влияние центробежных сил, и стрежень потока прижимается к вогну-

тому берегу, где она опускается вниз, вызывая усиленный размыв дна, борта

русла, и захватывает обломочный материал. Направляясь от подмываемого

крутого берега к противоположному – выпуклому, придонные потоки воды,

снижая скорость, вынуждены сбрасывать влекомые ими обломки. Здесь на-

чинается интенсивная аккумуляция осадка и образуется так называемая при-

русловая отмель. Этот процесс знаменует начало формирования аллювия.

С течением времени подмываемый берег становится обрывистым и

постоянно под натиском русловых потоков отступает, увеличивая крутиз-

ну изгиба. В это время на противоположном берегу прирусловая отмель

постепенно наращивается. Примером необычайно крупной излучины яв-

ляется Самарская Лука на р. Волга, которая огибает приподнятый массив

Жигулей. Длительное развитие излучин, наращивание прирусловых отме-

лей у выступающих берегов и отступание вогнутых берегов, через опре-

деленное время приводят к возникновению серии излучин, которые носят

название меандр (по названию р. Меандр в Малой Азии).

По мере последовательного развития речной долины площади аллю-

виальных накоплений расширяются. Намытый низкий берег начинает

выступать над уровнем воды и заливается только в половодье. Такой

низкий участок долины, сложенный аллювием, представляет пойму ре-