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

Подождите немного. Документ загружается.

101

ки. С течением времени профиль долины приобретает плоскодонную

или ящикообразную форму. Меандры, развиваясь, приобретают значи-

тельную крутизну, образуют серию сближенных между собой петель,

разделяемых узкими перешейками. Местами происходит прорыв пере-

шейка и на таких участках река спрямляет свое русло. В покинутой ре-

кой излучине остается замкнутое озерцо, которое медленно зарастает.

Отделенные от русла реки излучины с озерами называются старицами. С

течением времени такие старицы заполняются осадками и заболачива-

ются. Процессы образования стариц, меандрирования и спрямления рус-

ла весьма характерны для медленно текущих равнинных рек. На-

блюдения показали, что излучины развиваются не только в сторону бе-

регов, но и вниз по течению. В результате выступы, сложенные тверды-

ми коренными породами, постепенно срезаются и образуется широкая

пойма со сложным рельефом.

Извилистость и разветвленность рек. Как уже отмечалось выше,

реки в плане всегда имеют извилистое очертание. Извилистость реки ха-

рактеризуется коэффициентом извилистости и определяется отношением

длины участка реки (

L), измеренной по карте, к длине прямой (l), соеди-

няющей начало и конец участка, т. е.

изв

Рис. 28. Определение извилистости (а) и раз-

ветвленности (б) реки. Пояснения см. в тек-

сте

__________________________________

При определении извилистости реки ее

разбивают на отдельные участки по харак-

теру извилистости и для каждого участка в

отдельности устанавливают коэффициент

извилистости. Коэффициент извилистости

всегда больше единицы. Нередко речное

русло разветвляется на несколько протоков,

рукавов, образующих остров (рис. 28). Сте-

пень разветвленности реки выражается отношением суммы длин всех без

исключения протоков, в том числе и участка главного русла

+ l

+ L, к дли-

не соответствующего участка главного русла. Такая характеристика называ-

ется коэффициентом разветвленности и вычисляется по формуле

102

разв

Llll

+++ ....

Строение долины, поймы и речные террасы. Речными долинами на-

зываются неширокие, вытянутые в длину, обычно извилистые углубления

земной поверхности, характеризующиеся общим наклоном своего ложа, а

также и тем, что, встречаясь между собой, они никогда не пересекаются, а

сливаются вместе, образуя одну общую долину. Размеры долин как в дли-

ну, так в ширину и глубину могут быть весьма различными. Основными

элементами, характеризующими речную долину, являются:

1. Дно или ложе долины – относительно ровная пониженная ее часть,

имеющая уклон. Линия, соединяющая пониженные точки долинного ло-

жа, называется

тальвегом («путь долины»). Самая пониженная часть до-

лины, занятая речным потоком, называется руслом.

2. Склоны долины – повышенные участки суши, ограничивающие с

боков дно долины и имеющие уклон к реке.

3. Бровки долины – линии сопряжения ее склонов с поверхностью,

прилегающей к долине местности.

4. Подошвы склонов – самая нижняя часть склонов в местах их соеди-

нения с дном долины.

5. Ширина долины по верху и по дну – расстояние между ее бровками

и подошвами склонов.

6. Глубина долины – превышение бровки долины над низким уровнем

воды в реке.

7. Террасы – горизонтальные или слегка наклонные площадки, распо-

лагающиеся уступами в пределах дна и склонов речной долины.

Первая терраса, расположенная в пределах дна долины и заливаемая

высокими водами, называется поймой. Выше поймы расположена вторая,

незатопляемая, или надлуговая терраса; еще выше третья, являющаяся

древним образованием речной долины.

Глубина долин изменяется в широких пределах. В равнинных районах

долины неглубокие, от нескольких десятков метров до 200–300 м; в горах

глубина долин может достигать 2 тыс. м.

Ширина речных долин обычно увеличивается от верховьев рек к ни-

зовьям, но возможны и сужения долины вследствие пересечения горной

гряды, обвалов или осыпей.

Склоны речных долин по своему внешнему виду могут иметь выпук-

лую, вогнутую, ступенчатую и прямолинейную форму и быть различной

крутизны – от пологих до отвесных. Поверхность склонов может рассе-

каться различными по размерам оврагами, балками, логами и рытвинами,

образование которых зависит от грунтов, растительности и крутизны до-

линных склонов. В зависимости от свойств горных пород, которыми сло-

103

жены дно и склоны долины, они имеют различный продольный профиль,

различные очертания в плане и поперечном разрезе. Продольный уклон

долины обычно имеет сравнительно плавный характер и уменьшается от

верхней части долины к ее низовым частям; такие долины называются

нормальными. Речные долины, имеющие чередование плоских поверхно-

стей дна с резкими понижениями его – уступами, называются ступенча-

тыми. В завиимости от стадии развития речной долины она может быть

отнесена к периоду молодости или старости. Молодые долины характери-

зуются незначительной разработанностью дна и склонов действием теку-

щей воды, в плане имеют вид ломаных линий и дно их бывает часто сту-

пенчатым. Такие долины встречаются в горных странах со скалистым

дном и склонами. Старые долины имеют в плане плавно извилистый вид,

дно их с равномерным продольным уклоном обычно заполнено твердыми

наносами. В природе довольно редко встречаются речные долины с пра-

вильным и ясно выраженным профилем, относящимся к одному из отме-

ченных типов долин. Типичная форма долины обычно искажается нали-

чием оползней, осыпей и обвалов крутых склонов долин, а также конуса-

ми выносов из боковых долин и эрозионной деятельностью текучих вод.

Нередко один тип долин переходит в другой, а одна и та же речная долина

на своем протяжении может представлять различные типы, например,

долины крупных рек: Енисея, Лены, Амура.

Отложения, которые формируются в пределах русла рек, носят на-

звание руслового аллювия. Ими выстилается дно реки на всем протя-

жении долины. Они представлены грубозернистыми и крупнозернистыми

(реже мелкозернистыми) песками с включениями гравия и галек. Места-

ми, особенно в долинах рек с сильными течениями, русловой аллювий

представлен исключительно галечным материалом. Пойменный аллювий

формируется в период паводков и половодий и тогда на пойме осаждается

главным образом тонкий материал. Пойменные отложения представлены

преимущественно супесчано-суглинистым материалом.

В пойме реки различают (рис. 29):

• прирусловой или береговой вал, примыкающий к главному руслу;

• центральную часть поймы; в ее пределах могут находиться низкая

пойма, которая заливается водами ежегодно, и высокая пойма, заливаемая

только в самые обильные паводки;

• притеррасовую пойму – самую пониженную часть поймы, примы-

кающую к берегу.

По своему строению и составу аллювиальные отложения горных рек

существенным образом отличаются от аллювия равнинных рек. Из-за

больших скоростей горных рек песчаные и глинистые частицы не оседают

на дно, а переносятся к приустьевым частям, где скорость потока снижает-

104

ся, а уклон долины выполаживается. В долине горной реки откладывается

грубый материал – гравий, галечники и валуны. Ими сложены русловые

отложения. Сама по себе пойма в долинах горных рек слабо выражена, а

если и существует, то слагается исключительно грубым обломочным мате-

риалом, в лучшем случае грубозернистыми песками. Причем аллювиальные

отложения часто перемешиваются с пролювиальными конусами выноса.

Рис. 29. Схема речной долины (А-цокольная терраса, Б-аккумулятивная терраса)

Долины рек непрерывно развиваются, и происходит переход от одной

стадии к другой, которые последовательно повторяются. На первой ста-

дии развития, которая соответствует геоморфологической молодости рав-

нины, происходит резкое преобладание глубинной эрозии, на второй ста-

дии – геоморфологической зрелости – дно долины становится плоским и

возникает пойма. Изменение положения базиса эрозии вызывает омоло-

жение долины и происходит новое врезание и расширение самой долины.

Геологическими и геоморфологическими исследованиями было уста-

новлено, что в каждой долине горных и равнинных рек на склонах наблю-

даются располагающиеся друг над другом выровненные площадки, кото-

рые получили название террас. Возвышающиеся над поймой и отделен-

ные друг от друга террасы получили название надпойменных террас. Та-

кие надпойменные террасы, которые последовательно сформировались на

склонах долины, придают самой речной долине сложный ступенчатый

характер. В пределах равнинных рек насчитывается несколько надпой-

105

менных террас, а в горных районах число их возрастает до 8–10.

Каждая терраса имеет следующие геоморфологические элементы (см.

рис. 27): террасовидную площадку, уступ или склон, бровку террасы и

тыловой шов, где терраса сочленяется или с коренным склоном, или со

следующей более высокой террасой.

По происхождению и истории развития среди террас различают сле-

дующие типы:

• эрозионные или скульптурные (террасы размыва);

• аккумулятивные;

• эрозионно-аккумулятивные, или цокольные.

Эрозионные террасы встречаются главным образом в долинах горных

рек, которые рассекают горно-складчатые сооружения, в пределах кото-

рых тектонические движения временами возобновляют свои действия.

Вследствие этого меняются базис эрозии и уклоны долины, возникают

новые местные базисы эрозии. В связи с изменением уклона продольного

профиля реки периодически возобновляются глубинная и боковая эрозии.

В образовавшихся террасах почти вся террасовидная площадка и уступ до

расположенной ниже площадки слагаются коренными породами и лишь в

отдельных случаях встречаются галечники малой мощности.

Аккумулятивные террасы характеризуются тем, что все их площадки и

уступы сложены аллювиальными отложениями. Среди них наблюдается

разновозрастный аллювий и видно, как более молодые аллювиальные об-

разования врезаются в более древние.

Эрозионно-аккумулятивные, или цокольные, террасы характеризуются

тем, что нижняя часть уступа (цоколь) сложена коренными породами, а

верхняя часть – аллювиальными отложениями.

Наличие террас в долинах рек свидетельствует о том, что река протекала

когда-то на более высоких гипсометрических уровнях, которые с течением

времени были прорезаны в результате усиления глубинной эрозии. Образо-

вание террас было вызвано периодическим понижением базиса эрозии, тек-

тоническими движениями или колебаниями климата, которые вызывали из-

менение уклона долины и степень полноводности реки. Для развития речных

долин большое значение имеет тектонический фактор. При поднятии облас-

ти, в которой находилось верховье реки, или при опускании базиса эрозии

меняется уклон реки и, следовательно, сила ее потока, тогда резко возрастает

глубинная эрозия. В результате на месте плоскодонных долин вырабатыва-

ются вначале врезы V-образного типа, на новом уровне формируется про-

филь равновесия, а затем и новая пойма. Прежняя пойма остается в виде тер-

расы, возвышающейся над новой поймой. При многократных понижениях

базиса эрозии или поднятиях верховьев рек, на склонах долин образуется

целая система надпойменных террас. Изучение террас, их формы, высоты и

106

состава слагающих их отложений помогают восстановить историю формиро-

вания речной долины. Счет надпойменных террас производится снизу вверх.

Самая нижняя надпойменная терраса оказывается и самой молодой, а самая

высокая – самой древней.

§19. Расчеты речного стока

Физико-географические факторы стока. Сток рек зависит от целого

ряда факторов, из которых одни способствуют его увеличению, а другие,

наоборот, уменьшают его. Главнейшими факторами, изменяющими вели-

чину и режим речного стока, являются:

1) климатические (осадки, испарение);

2) топографические, характеризующие рельеф, размеры и форму реч-

ных бассейнов;

3) почвенно-геологические, включающие и растительный покров;

4) хозяйственная деятельность человека.

Из указанных факторов решающими для стока рек являются климати-

ческие. Для любого бассейна реки чем больше осадков и меньше испаре-

ние, тем больше будет сток рек. Кроме того, величина стока реки зависит

не только от количества выпавших осадков, но и от их распределения во

времени. Осадки, выпавшие в зимний период, обычно дают большой по-

верхностный сток и значительно увеличивают водность рек весной; если

же осадки выпадают в летний, жаркий период, то значительная часть их

теряется на испарение и просачивание в почву.

Испарение с поверхности речного бассейна включает испарение с по-

верхности водоемов и почвы, а также транспирацию растений. Величина

испарения определяется климатическими факторами – осадками и темпе-

ратурами, а также факторами подстилающей поверхности водосбора: со-

ставом почв и пород, растительностью, наличием водных площадей (озе-

ра, водотоки). В частности, почвенно-геологические условия определяют

возможность инфильтрации осадков, выпавших на поверхность речного

бассейна. Часть этих осадков просачивается и задерживается в верхнем

слое почв и в дальнейшем расходуется на испарение и транспирацию рас-

тениями. Почвенно-геологические условия определяют также условия

проникновения влаги в более глубокие слои, где она пополняет запасы

грунтовых вод, которые также участвуют в питании рек. Процессы ин-

фильтрации осадков протекают особенно интенсивно в бассейнах рек,

сложенных рыхлыми водопроницаемыми породами, которые являются

как бы аккумуляторами влаги, расходуемой в последующем для равно-

мерного питания реки. Большое значение для питания реки грунтовыми

107

водами имеет глубина эрозионного вреза русла реки. Если русло реки не

достигает водоносного горизонта грунтовых вод, то питание ее протекает

только за счет поверхностных вод, а влага, просочившаяся ниже эрозион-

ного вреза, не будет участвовать в питании реки.

Растительность в бассейне реки оказывает влияние на сток тем, что она

замедляет стекание воды, в связи с чем увеличивается инфильтрация влаги

в почву. Кроме того, с почв, покрытых растительностью, расходуется влаги

на испарение и транспирацию растениями больше, чем с почв без расти-

тельности.

Рельеф поверхности водосбора определяет уклоны, густоту речной и

овражно-балочной сети и влияет на сток за счет увеличения или умень-

шения скорости стекания воды, в соответствии с чем уменьшаются или

увеличиваются потери стока на испарение и инфильтрацию. При плоском

рельефе сток воды с поверхности водосбора будет затруднен, а при нали-

чии замкнутых понижений рельефа вода в них будет задерживаться.

Отдельно следует отметить факторы, влияющие на изменение стока

реки, связанные с хозяйственной деятельностью человека, как-то: измене-

ние путей стока, изменение характера поверхности бассейна, возведение

плотин, вырубка лесов, расширение посевных площадей, осушение, об-

воднение и другие мероприятия. Некоторые из этих видов деятельности

вносят значительные изменения в естественные природные условия и ока-

зывают большое влияние на сток рек.

Единицы измерения стока. В практике гидрологических расчетов в

целях учета и сопоставления стока для различных рек или для различных

створов на одной реке выработаны особые характеристики стока, из кото-

рых наиболее распространенные приводятся ниже.

1. Объем стока реки, который протекает через данный створ реки за ка-

кой-либо период времени (за год, месяц, сутки), выражается в м

или км

2. Расход воды в кубических метрах за секунду (

Q, м

/с) характеризует

водность реки у данного створа (пункта) в любой момент времени. Для

сопоставления водности реки у разных створов или для различных рек

пользуются значением среднего расхода реки за какой-либо длительный

период (многолетний, за год, за месяц). Значение среднего расхода реки за

какой-либо период можно определить путем деления объема стока за этот

период на число секунд в нем, т. е.

Qср =

, (м

/с), откуда W = QсрT

3. Модуль стока (

М) – расход воды, стекающий за одну секунду с еди-

ницы площади бассейна реки. В практике гидрологических расчетов мо-

дуль стока выражают в литрах за секунду с 1 км

площади бассейна Зная

для какого-либо пункта на реке расход воды (

Q) и площадь бассейна (Р),

108

модуль стока определяют из соотношения:

M =

Q1000

, л/с.

4. Высота слоя стока (

h) представляет собой выраженную в миллимет-

рах высоту слоя воды, который получится, если объем стока реки распре-

делить равномерно по площади бассейна. Если известны объем стока за

какой-либо период (

W) и площадь бассейна (Р), то высота стока определя-

ется из выражения:

h =

F1000

10F

10W

⋅

⋅⋅

⋅

⋅⋅

⋅

или h =

1000F

QcpT

(мм).

5. Коэффициент стока (

ηη

) представляет собой отношение слоя стока

(

h) с данной площади за какой-то промежуток времени к величине слоя

осадков (

х), выпавших на эту площадь за тот же промежуток времени

ηη

Коэффициент стока является безразмерной величиной, которая всегда

меньше единицы. Величина его показывает, какая доля осадков, выпав-

ших в бассейне, стекает в реку. Значение коэффициента стока можно вы-

числить точно только для длительного многолетнего периода. Для более

коротких периодов (год, месяц) вычисленная величина является условной,

так как сток реки за короткий период вызван не только осадками этого

периода, но и частью осадков за предшествующий период.

6. Модульные коэффициенты представляют собой отношение стока

данного года или какого-либо периода к их среднемноголетнему значению.

Модульные коэффициенты характеризуют водность данного года; так, годы

с модульным коэффициентом больше 1,0 являются многоводными, а годы с

модульным коэффициентом меньше единицы – маловодными.

Уравнение водного баланса. Для исследования количественных соот-

ношений между отдельными элементами водного режима какой-либо тер-

ритории применяется метод водного баланса, сущность которого заклю-

чается в том, что за любой промежуток времени можно для изучаемой

территории установить приход и расход влаги и изменение ее запасов.

Для расчета водного баланса на карте выделяется замкнутый бассейн

реки, ограниченный водораздельной линией, площадь которого является

водосборной для поверхностного стока. Для такого бассейна за рассмат-

риваемый период времени приходную часть водного баланса будут со-

ставлять: осадки (

X), выпавшие на поверхность бассейна, конденсация

паров воздуха (

) и количество воды, поступившей путем подземного

109

стока (

) с соседних бассейнов.

Расходную часть водного баланса составят: поверхностный русловой

сток (

Y), испарение с поверхности воды, снега, почвы, растительности и

транспирация (

), подземный отток воды в соседние бассейны (W

Кроме указанных элементов приходной и расходной частей водного

баланса, необходимо учесть, что в бассейне на каждый рассматриваемый

момент времени имеются запасы влаги (

U), которые находятся как на по-

верхности бассейна (в углублениях рельефа, в руслах речной сети, в озе-

рах и др.), так и в подземном слое. Эти запасы влаги в засушливый период

уменьшаются, и тогда расходная часть водного баланса будет превышать

приходную часть на величину

∆

∆∆

∆

U, а во влажный период будет наблюдать-

ся обратное явление.

Таким образом, уравнение водного баланса для замкнутого бассейна за

произвольный отрезок времени будет иметь такой общий вид:

X+Z

=Y+Z

∆

∆∆

∆

В этом уравнении все элементы водного баланса даны в одних величи-

нах, в виде слоя воды (в мм), т. е. объема воды, деленного на площадь

рассматриваемой территории.

Приходную часть водного баланса составляют не только осадки и приток

подземных вод со стороны, но и конденсация влаги на площади бассейна,

которая для засушливых районов может составлять до 50% по отношению к

годовым осадкам. Если обозначить разность между испарением (

) и кон-

денсацией (

) через Z, т. е. Z=Z

-Z

эта разность будет всегда поло-

жительной. Для крупных бассейнов можно приближенно считать, что приток

подземных вод из соседних бассейнов компенсируется таким же количеством

подземных вод, уходящих за пределы бассейна, т. е. что

= W

С учетом этих допущений уравнение уравнение водного баланса при-

мет упрощенный вид:

Х = Y + Z±

∆

∆∆

∆

Таким образом, водный баланс для замкнутого бассейна за любой пе-

риод времени составляется из таких основных элементов:

а) притока влаги в виде осадков, выпавших на поверхность бассейна;

б) расходования влаги на поверхностный сток и на испарение (точнее,

испарение минус конденсация);

в) накопления или убыли запасов влаги, имевшихся к началу периода

на поверхности бассейна и в подземном слое.

Рассмотрим уравнение водного баланса для отдельного гидрологиче-

ского года, который включает в себя периоды снеготаяния и половодья,

интенсивных дождей и стока этих дождевых вод, т. е. имеет замкнутый

110

цикл накопления и расходования влаги на поверхности бассейна. Для та-

кого периода можно принять изменение запасов поверхностных вод рав-

ным нулю. Однако за гидрологический год изменение запасов подземных

вод принять равным нулю нельзя, так как подземные воды представляют

собой как бы резервуар влаги, которая накапливается в нем в годы влаж-

ные и расходуется в последующие засушливые годы. Поэтому для гидро-

логического года уравнение водного баланса можно записать в следую-

щем виде:

Х = Y + Z±

∆

∆∆

∆

Uподз.

Величина изменения запасов подземных вод меняется из года в год. В

среднем за многолетний период можно принять, что накопление влаги за

отдельные годы компенсируется расходованием ее в другие годы. Поэто-

му для среднего за многолетний период года уравнение водного баланса

будет иметь вид:

Х = Y + Z.

Если разделить правую и левую части этого равенства на

X (осадки),

то будем иметь:

1=+

т. е. доля осадков, расходуемая на сток, и доля, расходуемая на испарение,

в сумме составляют единицу. Отношение

является коэффициентом

стока, а отношение

– коэффициентом испарения.

В районах избыточного увлажнения коэффициент стока достигает ве-

личины 0,5–0,6 и больше, а коэффициент испарения небольшой. Наобо-

рот, в засушливых районах коэффициент испарения достигает 1,0, т. е. все

осадки расходуются на испарение.

Пользуясь уравнением водного баланса, можно определить величины

слагающих его элементов для исследуемого бассейна. Величину осадков,

выпавших на поверхность бассейна, можно учесть с помощью непосред-

ственных измерений. Также можно количественно определить сток реки в

замыкающем створе на основе гидрометрических наблюдений. Значи-

тельно сложнее определить величину испарения с бассейна, так как рас-

ходование воды на испарение происходит:

а) с водной поверхности и с поверхности снега и льда;

б) с поверхности почвы и растений;

в) транспирацией растениями.

С помощью непосредственных наблюдений можно получить прибли-

женные величины испарения с водной поверхности, с некоторых грунтов

и с некоторых видов растительности. Получить же величину испарения со

всей площади бассейна при многообразии условий, его определяющих, не