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

Подождите немного. Документ загружается.

111

представляется возможным. Поэтому определить величину испарения для

большого бассейна можно в среднем за многолетний период косвенным

путем по уравнению водного баланса, т.е.

Z=X-Y.

Работа и мощность рек. Вода рек, стекающая по земной поверхности

под действием силы тяжести, непрерывно производит значительную ра-

боту, которая зависит от скорости движения и от переносимых масс воды.

Величина работы равна произведению веса стекающей воды на высоту

падения реки, т. е.

А =

γγ

где А – работа реки (в кг/м или т/м);

γγ

– вес единицы объема (в т/м

); Р –

вес стекающей воды (в кг или т);

Н – падение реки в метрах.

Работа реки, производимая в единицу времени, называется мощно-

стью, т. е.

N =

γγ

Так как

γγ

= 1000 кг/м

, а

= Q м

/с, то N = 1000 QH кГм/с.

Мощность водотока, если известен его средний многолетний расход

(м

/с) и величина естественного падения – Н (м), может быть выражена

формулой (в киловаттах; 1квт = 102 кГм/с):

N = QH8,9QH

102

1000

= квт.

Если величину мощности (

N) данного участка реки разделить на длину

его (

L), выраженную в километрах, получим удельную километровую

мощность реки

уд

квт/км.

Сумма мощностей участков реки на всем ее протяжении называется

полной мощностью реки

ΣΣ

N =

ΣΣ

(9,8⋅

⋅⋅

⋅QH). Частное от деления полной

мощности реки на площадь водосбора

F называется удельной мощностью

бассейна реки

n =

ΣΣ

квт/км

Для наглядной характеристики реки в энергетическом отношении

строят так называемый кадастровый водноэнергетический график (рис.

30), на котором приводятся совмещенные графики продольного профиля,

нарастания среднего годового расхода, нарастания площади бассейна,

112

суммарных и удельных мощностей реки. Основными расчетными данны-

ми, определяющими энергетические ресурсы каждого в отдельности уча-

стка реки, являются падение и расход воды на участке реки. При наличии

этих данных водноэнергетические ресурсы отдельных водотоков подсчи-

тываются путем поучасткового суммирования по расчетной формуле:

N= 9,8

lklh

∑

∑∑

∑

квт,

где

и Q

– соответственно средний многолетний расход воды в начале

и в конце участка реки

l; H

– падение реки на участке; n – число участков.

Рис. 30. Водноэнергетический кадастровый график р.Коквы (по Н.А.Соло-

менцеву и др.). Совмещенные графики: 1–продольного профиля реки, 2–

нарастания площади бассейна, 3–нарастания среднего годового расхода, 4–

суммарной мощности, 5–удельной мощности.

Метод поучасткового суммирования мощности позволяет оценить

энергетические ресурсы по отдельным участкам реки, что особенно важно

для практических целей. Запасы водной энергии подсчитываются обычно

в табличной форме для всей реки с суммированием по участкам, кроме

этого, делаются подсчеты удельной мощности на 1 км длины реки. Наря-

ду с табличными материалами существенной частью водноэнергетическо-

го кадастра являются наглядные графические приложения, построение

которых начинается с нанесения на график продольного профиля реки,

затем на тот же график наносятся графики нарастания расходов воды и

площадей по длине реки, графики суммарной и удельной мощности.

113

§20. Экологическая роль поверхностных водотоков

Поверхностные воды в настоящее время стали фактором глобальных

экологических проблем. В первую очередь – это обеспеченность чистой

питьевой водой населения Земли. Кроме всего прочего, поверхностные

воды являются важнейшим фактором глобального переноса биогенных

элементов – углерода, азота, серы, фосфора и др. Поверхностные воды

ежегодно выносят в Мировой океан около 22 млрд. т обломочного мате-

риала (рис. 31) и около 3 млрд. т растворенных веществ.

Рис. 31. Количество обломочно-

го материала ежегодно выноси-

мого реками с территории суши

(1–Меконг, 2–Амазонка, 3–Тигр

и Ефрат, 4–Ганг, 5–Замбези, 6–

Нил, 7–Рона, 8–Дунай, 9–Рейн,

10–Инд, 11–Волга; для сравне-

ния в левом нижнем углу при-

ведена пирамида Хеопса)

__________________________

Многие острые геоэколо-

гические проблемы связаны с

водными ресурсами. Ухуд-

шение качества воды и гид-

рологического режима па-

губно отражается на функ-

ционировании естественных

и сельскохозяйственных систем. Изменение инфильтрационной способно-

сти почв, перехват осадков растительностью, избыток или дефицит воды

приводят к заболачиванию, развитию катастрофических наводнений или

опустыниванию территорий. Сама по себе вода является незаменимым

сырьевым ресурсом. Из всех источников мира забор воды составляет око-

ло 4000 км

, что на три порядка больше таких широко используемых че-

ловечеством ресурсов, как нефть или газ.

Создание плотин и водохранилищ – это не только важнейший способ

увеличения объема возобновляемых водных ресурсов и получения элек-

троэнергии, но и источник возникновения ряда экологических проблем.

Последнее заключается не только в эвтрофикации поверхностей водо-

емов, но и в изменении микроклимата территории, увеличении нагрузки

114

на дно и провоцировании наведенных землетрясений.

С эрозионной аккумулятивной деятельностью поверхностных вод связа-

ны не только смыв, перенос и накопление рыхлых образований (вместе с об-

ломочным материалом поверхностные воды размывают и уничтожают поч-

вы), но и формирование ценных полезных ископаемых. Они называются ал-

лювиальными россыпными месторождениями. Ввиду того что ряд так назы-

ваемых неустойчивых минералов обладают низкой плотностью, они в про-

цессе длительной транспортировки легко поддаются истиранию и разруша-

ются. В противоположность им такие устойчивые минералы, как самородное

золото и платина, кассетерит, вольфрамит, магнетит, рутил, циркон, гранат,

алмаз, образуют промышленные скопления полезных ископаемых – россыпи.

Россыпи бывают как в пойме, так и на террасах и образуют характерные по-

лосовидные вытянутые залежи в нижней части аллювия. Наличие среди ал-

лювиальных отложений ценных устойчивых минералов дает возможность

последовательно вверх по реке проследить за постепенным увеличением их

концентрации и по этому признаку выйти на коренные залежи, из которых

размываются и выносятся данные минералы. Кроме современных и относи-

тельно молодых россыпей имеются и древние россыпи. Они залегают на

большой глубине среди древних аллювиальных толщ, и некоторые из них

характеризуются значительной цементацией. Классическим примером древ-

них россыпей могут служить золотоносные конгломераты Витватерсранда в

Южной Африке, где при огромных запасах среднее содержание золота дос-

тигает 8 г/т (обычно разрабатывают россыпи при содержании Au около 1 г/т).

С древними поймами и дельтами связано формирование угленосных от-

ложений. Такими, в частности, являются угли Кузнецкого и Канско-Ачин-

ского угленосных бассейнов. Глубокие преобразования органического мате-

риала, накопленного в дельтовой зоне, при повышенных давлении и темпера-

турах могут привести к образованию нефти и газа. Таковыми являются неф-

тяные и газовые месторождения Апшеронского полуострова, Ближнего и

Среднего Востока. Кроме того, крупнейшие запасы углеводородного сырья

располагаются в пределах шельфовых зон. Россия является мировым лиде-

ром по размерам собственного континентального шельфа (его территория

превышает 6,2 млн. км

, из них 4 млн. км

являются перспективными на

нефть и газ). Основной объем запасов нефти и газа в России сосредоточен в

недрах шельфа арктических морей, характеризующихся суровыми климати-

ческими условиями и экстремальной ледовой обстановкой, что требует ко-

лоссальных инвестиций, но и отдача будет столь же колоссальной. Началь-

ные извлекаемые ресурсы шельфа превышают 100 млрд. тонн условного топ-

лива (в том числе около 11 млрд. тонн промышленных запасов). При этом

средние запасы морских месторождений (40 млн. тонн) примерно вчетверо

больше, чем средние запасы континентальных месторождений.

115

§21. Озера

Типы озер, происхождение котловин. Озером называется заполнен-

ная водой котловина или впадина земной поверхности, не имеющая непо-

средственного соединения с морем. Часть гидрологии суши, изучающая

озера, называется

лимнологией (озероведением). Озеро образуется в том

случае, если приток вод (поверхностных и подземных) в котловину боль-

ше потерь воды из этой котловины путем испарения, фильтрации и стока.

Водный режим озера зависит от физико-географических факторов, из ко-

торых особенно важными являются климатические: осадки и испарение.

По происхождению озерные котловины делятся на плотинные, котло-

винные и смешанные.

Плотинные (запрудные) озера возникают в результате перекрытия

речной долины горным обвалом, наносами, потоком лавы, ледником и др.

К плотинным озерам относятся речные, долинные и прибрежные. Кроме

того, к плотинным озерам можно отнести искусственные водоемы-

водохранилища, возникающие при сооружении плотин на реках, напри-

мер, Рыбинское, Цимлянское и др.

Речные озера могут образоваться при временном пересыхании реки и

представляют собой цепочку водоемов, разделенных сухими участками

речного русла. Наиболее распространенными речными озерами являются

озера в поймах рек. Эти пойменные озера образуются в результате полного

отделения от реки проток (рукавов реки) и участков старого русла (стариц).

Пойменные озера возникают также вследствие затопления водами пониже-

ний и впадин, имеющихся в поймах рек. Рассматриваемые озера в большом

количестве встречаются в поймах Волги, Днепра, Оки и других рек.

Долинные озера образуются вследствие обвалов горных пород, приво-

дящих к образованию в горной долине запруды. К долинным озерам от-

носятся, например, оз. Рица в Абхазии, образовавшееся в долине р. Юп-

шары, оз. Сарезское на Памире в долине р. Мургаб и ряд других. Долин-

ные озера возникают и при запруживании реки наносами, слагающими

конус выноса бокового ущелья. Как правило, такое озеро образуется по-

сле сильных ливней и бывает недолговечным. Если ледниковый язык дос-

тигает реки и запруживает ее, может также появиться плотинное озеро.

Прибрежные озера образуются на морских побережьях в результате

отделения от моря мелководных заливов и бухт песчано-глинистыми ко-

сами; такие озера называются лагунами, например оз. Палеостоми на

Черноморском побережье. Кроме того, на побережьях образуются лиман-

ные озера, возникающие в устьевых частях долин.

Среди

котловинных озер в зависимости от происхождения их котло-

вин различают: тектонические, вулканические, ледниковые (моренные),

116

каровые, карстовые, термокарстовые и дефляционные (эоловые).

Тектонические озера возникают в результате горообразовательных про-

цессов при движении земной коры (сбросы, сдвиги). Так образовались озе-

ра Каспийское море, Байкал, Севан и др. Тектонические озера отличаются

большими размерами и глубинами; часто они имеют продолговатую форму.

Вулканические озера образуются в кратерах потухших вулканов или

во впадинах на поверхности застывшей лавы.

Ледниковые (моренные) озера образуются в результате эрозионно-

аккумуляционной деятельности ледника, который выпахивает углубления

в земной поверхности, видоизменяет ранее существовавшие котловины и

откладывает в виде морены материал, который он переносит (камни, ще-

бень, песок, глину). Местность после таяния ледника имеет типичный

моренный ландшафт в виде чередующихся возвышенностей и замкнутых

понижений. Эти понижения заполненные водой, являются моренными

озерами. Они имеют разнообразную форму и распространены в местах

древнего оледенения: в Карелии, Ленинградской области, Прибалтике,

Скандинавии, Финляндии и Канаде.

Каровые озера возникают на склонах гор в углублениях, образованных

совместной работой льда и морозного выветривания; распространены на

Кавказе, Алтае, Саянах, Альпах.

Карстовые озера формируются в результате химической эрозии, т. е.

растворения водой некоторых горных пород (известняка, гипса и др.). При

этом образуются небольшие, чаще всего глубокие овальные или воронко-

образные озера. Встречаются они чаще всего на Кавказе, Крыму, Повол-

жье, Урале, в бассейне р. Сев. Двины и других районах.

Термокарстовые озера возникают в замкнутых котловинах, воронках и

блюдцеобразных понижениях, образующихся в результате таяния погре-

бенных пластов и линз льда, с последующим оседанием вышележащих

слоев грунта; эти озера встречаются в районах развития вечной мерзлоты.

Дефляционные (эоловые) озера образуются в углублениях, появляю-

щихся на земной поверхности в результате выдувания мелких частиц

грунта ветром. Такие углубления часто бывают между барханами или дю-

нами. Эоловые котловины обычно имеют небольшие размеры.

Смешанные озера (плотинно-котловинные) возникают в результате

действия многих процессов. Например, тектонические процессы и дея-

тельность ледника привели к образованию Ладожского, Онежского и Те-

лецкого озер.

По происхождению водной массы озера делятся на реликтовые (оста-

точные) и озера наземного происхождения.

Реликтовые озера – части Мирового океана, сравнительно недавно отде-

лившиеся от него. Например, Каспийское озеро ранее (около 4000 лет назад)

117

соединялось проливом с Азовским морем, который находился на месте со-

временной долины р. Маныч. Такого же происхождения озера Ладожское,

Онежское и Ильмень. Раньше они входили в состав так называемого Иольди-

евского моря, простиравшегося на месте современного Балтийского моря и

части Скандинавии и Финляндии, соединяясь с Северным и Белым морями. В

некоторых из этих озер сохранились даже особые виды фауны. До сих пор в

Каспийском и Ладожском озерах встречаются тюлени, что свидетельствует о

ранее существовавшей связи этих озер с морями.

Озера наземного происхождения никогда не были связаны с Мировым

океаном, и воды в них накопились за счет атмосферных осадков и грунто-

вого питания.

Географическое распространение озер определяется физико-географи-

ческими условиями, из которых наибольшее значение имеют климатиче-

ские, обуславливающие питание озер. В районах с влажным климатом

много озер, все они полноводны, с пресной водой; в условиях сухого кли-

мата озер немного, они маловодные и бывают чаще всего солоноватыми

или солеными. Большинство озер располагается группами, образуя целые

озерные страны, например, на территории Финляндии находится около 35

тыс. озер, покрывающих около 15% площади страны.

Высотное расположение озер очень разнообразно. Так, в Альпах есть

озеро, расположенное на 5370 м выше уровня моря, в Тибете – на 5000 м,

на Кавказе – до 3600 м, в Карпатах – 1500–2000 м, в Норвегии – 1000–

1600 м. Есть озера, расположенные ниже уровня моря, например, Мертвое

море. Его поверхность находится на отметке 395 м ниже уровня Мирового

океана. Размеры озер также очень разнообразны. В таблице 6 приведены

крупнейшие озера мира.

Таблица 6

Крупнейшие озера земного шара

Озеро Площадь,

тыс. км

Глубина,

Озеро Площадь, тыс.

км

Глубина,

Каспийское 394,3 980 Байкал 31,5 1620

Верхнее 82,4 308 Б. Невольничье 28,9 150

Виктория 68,0 80 Ньяса 26,5-30,81 706

Аральское 66,5 68 Эри 25,7 62

Гурон 59,6 222 Онтарио 19,4 237

Мичиган 58,0 233 Ладожское 18,4 225

Танганьика 32,9 1435 Балхаш 17,0-19,01 26

Морфология озерной котловины. Часть озерной котловины, запол-

ненная водой до высоты наибольшего уровня, называется озерным ложем;

118

оно имеет склоны и дно. В озерном ложе различают береговую и глубин-

ную области. В береговой области преобладают процессы разрушения

горных пород под влиянием волнового прибоя, постепенно меняющего

форму берегов. Глубинная область характеризуется отложением продук-

тов разрушения берегов.

Береговая область состоит из трех зон: берега, побережья и береговой

отмели.

Берег – часть суши, окаймляющая озеро в виде склонов различной

крутизны. Основание берега располагается на верхней границе волнового

прибоя, заканчиваясь бровкой, т. е. линией сопряжения склонов с приле-

гающей местностью.

Побережье – зона прибоя. Часть этой зоны, вплотную прилегающая к

берегу и покрывающаяся водой только при бурном волнении, называется

сухим побережьем. Часть, затопляемая периодически при подъеме уров-

ня, называется затопляемой, и, наконец, часть побережья, находящаяся

постоянно под водой, называется подводной.

Береговая отмель в виде подводной террасы спускается вглубь и ограни-

чивается подводным откосом (отсыпью), кототрый отделяет склон от дна

озерного ложа. Береговая отмель образуется как в результате размыва корен-

ных пород, так и за счет намыва рыхлого материала, приносимого волнами.

Побережье и береговую отмель называют еще литоралью, или прибреж-

ной зоной. Ее нижняя граница определяется глубиной проникновения сол-

нечных лучей, которая ограничивает распространение зеленой растительно-

сти. Глубина литорали невелика и составляет несколько метров.

Глубинная область озера называется

профундалью, чашой или ванной

и располагается она в наиболее глубокой части озерного дна, куда не про-

никает волнение. Между литоралью и профундалью выделяется переход-

ная область, которая называется сублиторалью.

На рис. 32 показана типовая схема расчленения береговой области озе-

ра. Однако для некоторых озер границы между отдельными частями бере-

говой области могут и не соответствовать приведенной схеме, что зависит

от периода существования и размеров озера, геологического строения кот-

ловины, климатических условий, силы прибоя и других причин, которые в

различной мере влияют на условия образования береговой области озера. В

течение всего времени существования озерная котловина не остается неиз-

менной. Под влиянием волнового прибоя берега ее разрушаются, крупный

обломочный материал откладывается вблизи их, образуя береговую отмель,

а мелкие частицы переносятся вглубь озера, постепенно оседая на дне.

Прибой способствует постепенному отделению от суши мысов и превра-

щению их в острова, а также заполнению вдающихся в берег заливов рых-

лыми материалами, постепенно выравнивая берега озера.

119

Значительную роль в выравнивании рельефа озерного ложа играют реки,

которые приносят большое количество обломочного материала. Более круп-

ные частицы осаждаются вблизи речных устьев и приводят со временем к

образованию дельт, которые, разрастаясь, могут способствовать заполнению

озера наносами. Более мелкие частицы осаждаются в глубинной области.

Рис. 32. Расчленение береговой области озера

Выравнивание озерного ложа происходит также в результате заполне-

ния озерной котловины органическими отложениями, образующимися

при отмирании растительных и животных организмов, населяющих озера.

В условиях сухого климата при интенсивном испарении с поверхности

озер, они могут быстро мелеть. При этом происходит увеличение концен-

трации солей, содержащихся в озерной воде, и осаждение их на дне.

В озерах с течением времени уменьшаются глубины, выравнивается и

сглаживается дно, а за счет береговых отложений и развивающейся водной

растительности сокращается площадь поверхности водоема, следовательно,

все озера являются временными образованиями и рано или поздно исчеза-

ют. Такой цикл их развития (эволюция) совершается непрерывно и является

нормальным процессом. Различают следующие стадии в эволюции озер:

1. Стадия юности – первоначальный рельеф котловины остается неиз-

менным.

2. Стадия зрелости – появляется береговая отмель, а на участках впа-

дения рек формируются дельты, но отдельные неровности дна котловины

еще не заполнены наносами.

3. Стадия старости – озеро окружено склонами дельт и осыпями бере-

120

говых отмелей; аллювиальные отложения повсеместно распространены и

выравнивают озерную котловину.

4. Стадия угасания и отмирания – озеро мелеет настолько, что цен-

тральная донная равнина располагается почти вровень с береговыми от-

мелями и непосредственно переходит в них (склонов осыпей уже нет).

Водная растительность распространяется повсеместно, переходит из под-

водной в надводную (болотную), и озеро превращается в болото.

Процессы развития озера могут протекать различно в зависимости от

многих условий: климатических, приточности и объема водной массы

озера, геологического строения бассейна озера и его котловины и др. Озе-

ра, находящиеся в условиях влажного климата и имеющие большое коли-

чество притоков, характеризуются большим объемом водной массы; такие

озера заиливаются и зарастают медленно, особенно если их котловина

сложена породами, трудно поддающимися разрушению. Маловодные озе-

ра с неустойчивыми берегами быстро мелеют, зарастают болотной расти-

тельностью и превращаются в болота. Подсчитано, что Телецкое озеро

заполнится отложениями через 36000 лет, Женевское – через 30000 лет, а

оз. Балатон (Венгрия) – через 8000 лет.

Морфометрические характеристики озера. Для определения разме-

ров озера и его конфигурации служат числовые характеристики, которые

называются морфометрическими. Зная эти характеристики, можно срав-

нивать озера между собой. К числу морфометрических характеристик

относят площадь, длину, ширину, большую и малую оси, степень изви-

листости береговой линии, объем воды, среднюю и максимальную глуби-

ну, средний уклон дна между изобатами (изолиниями глубин) и средний

уклон склонов озера.

Площадь озера (

ωω

, м

) – это площадь его водной поверхности (аквато-

рии) без островов. Она изменяется в зависимости от колебаний уровня

воды, так как берега его не являются отвесными.

Длина озера (L, м) – кратчайшее расстояние между двумя наиболее уда-

ленными точками берегов, считая по водной поверхности. При неправильном

очертании водоема она будет состоять из отдельных отрезков линий.

Ширина озера (В, м). Различают максимальную ширину (В

max

), опре-

деляемую как расстояние между наиболее удаленными точками в перпен-

дикулярном направлении к линии его длины, и среднюю ширину (

ср

) как

отношение площади озера к его длине, т е.

ср

ωω

Большая ось озера (l, м) представляет прямую, соединяющую наиболее

удаленные точки берегов. При ее проведении можно пересекать берего-

вую линию озера.