obshaya gidrologia 1 -10 02 11 2 (1)

САнкт-Петербургский государственный
университет





Виноградова Т.А., Пряхина Г.В., Паршина Т.В.




ОБЩАЯ ГИДРОЛОГИЯ
( краткий конспект лекций)

Учебное-методическое пособие













Санкт-Петербург
2010


Общая гидрология (краткий конспект лекций): Учебно-метод. Пособие / Т.А.Виноградова, Г.В.Пряхина, Т.В.Паршина – СПб, 2011. – 96 с.


Печатается по решению
Ученого Совета
факультета географии и геоэкологии
Санкт-Петербургского государственного университета

Введение
Роль гидрологии в жизни человека исключительная, к сожалению, часто недооцениваемая. Эта исключительность обусловлена не особыми достоинствами гидрологов, а вполне объективными обстоятельствами – уникальными свойствами воды как химического вещества, являющегося главным компонентом всего живого и той среды, в которой мы способны обитать. «Природа жизненных процессов такова, что жизнь, вероятно, была бы невозможна, не будь у воды этих необычных свойств» (Л.Полинг, П.Полинг, Химия, 1978).
Гидрология приобретает все возрастающее значение при решении задач научного обоснования строительного и экологического проектирования, правильного земле- и водопользования, охраны природной среды, энергетических, водохозяйственных и коммуникационных проектов. Другая важная область ее приложений – это прогнозы речного стока и опасных гидрологических явлений, таких как наводнения, селевые потоки, катастрофические обвалы и лавины в горах, загрязнение территорий и речного стока. Гидрология – один из важнейших научных элементов системы жизнеобеспечения человечества.

1. Наука гидрология и ее связь с другими науками
Воды планеты образуют гидросферу – прерывистую водную оболочку, расположенную на поверхности и в толще земной коры, включающую в себя океаны, моря, воды поверхности суши (реки, озера, подземные воды) и воды, находящиеся в виде льда и снега на поверхности и под землей. В это определение не входит вода, находящаяся в виде водяного пара в атмосфере и содержащаяся в растениях и живых организмах.
Изучение свойств гидросферы и взаимодействия ее с окружающей средой, а также исследование процессов, в ней происходящих, и их закономерностей составляет содержание науки, называемой гидрология.
Первоначально гидрология как наука подразделялась на две части гидрологию моря и гидрологию суши. В настоящее время гидрология моря выделилась в самостоятельную науку океанологию, в задачу которой входит комплексное изучение процессов, протекающих в Мировом океане.
По объектам исследования гидрология суши подразделяется
на следующие направления:
гидрология рек;
гидрология озер и водохранилищ;
гидрология болот;
гидрология ледников.
Помимо деления по объектам исследования гидрология суши подразделяется по основным направлениям и методам исследования
на следующие разделы:
общую гидрологию, которая ставит своей задачей изучение общих свойств водных объектов суши, закономерностей, управляющих протекающими в них процессами, и общего взаимодействия этих вод с окружающей средой, включая и те изменения, которые происходят под влиянием деятельности человека;
гидрографию, которая занимается описанием конкретных водных объектов и вод отдельных территорий, а также закономерностей их географического распределения;
гидрометрию, в задачу которой входит разработка методов и приборов для наблюдений и измерений различных гидрологических величин (скорость течения, расход воды, твердый сток, ледовые явления и т. д.);
разработка оптимальной структуры размещения пунктов гидрологических наблюдений;
инженерную гидрологию (гидрологические расчеты и прогнозы), которая решает вопросы, связанные с запросами народного хозяйства
по определению различных гидрологических характеристик для нужд гидротехники, ирригации, мелиорации, строительного и экологического проектирования.
Гидрология изучает весь комплекс вопросов, относящихся к деятельности воды на Земле. Отсюда вытекает ее тесная связь, с другими географическими науками: метеорологией и климатологией, гидрогеологией, почвоведением, геоморфологией и др. Рассмотрим некоторые примеры.
Метеорология рассматривает перенос влаги ветрами, конденсацию, выпадение атмосферных осадков, твердых и жидких. Процессы стекания, трансформации и накопления осадков на водосборе рассматривает гидрология. Вопросы испарения, распределения осадков (особенно твердых осадков) изучаются одновременно и метеорологией, и гидрологией.
При рассмотрении процессов эрозии и аккумуляции гидрология теснейшим образом соприкасается с геоморфологией наукой о формах земной поверхности.
Изучением подземных вод, находящихся в земной коре, занимается гидрогеология. Почвенный покров и первые метры толщи горных пород –это область повышенного интереса гидрологии и гидрогеологии одновременно. Гидрологию ярусы подземных вод в первую очередь интересуют как емкости накопления воды и в разной степени замедленного ее истечения в русловую сеть речного бассейна; гидрогеология исследует распространение, формы залегания, запасы, режим и движение подземных вод.
Почвенные, подземные воды, воды атмосферы изучаются в гидрологии при исследовании взаимодействия гидросферы с другими сферами, круговорота воды в природе и формирования стока воды на водосборе.
Гидрология также тесно связана с другими естественными науками (физикой, химией, биологией).
Так, законы движения жидкости и способы применения их к решению практических задач в конкретных условиях, создаваемых природой или человеком, – задачи гидромеханики и ее прикладного раздела гидравлики.
Гидрофизика занимается изучением физических свойств природной воды, а изучением состава и химических свойств природных вод и их изменениями во времени и пространстве занимается раздел геохимии гидрохимия.
Биологическими процессами, протекающими в воде, и их взаимодействием с окружающей средой занимается гидробиология.
Законы, на которых базируется гидромеханика и гидравлика, гидрофизика, гидрохимия и гидробиология, служат основой для исследования сложных процессов, происходящих в океанах, морях и водных объектах суши.
Методы исследований в гидрологии
Основными методами исследований современной гидрологии являются: 1) полевой, 2) экспериментальный и 3) теоретический.
Полевые исследования включают стационарные наблюдения и измерения отдельных характеристик гидрологического режима
по определенной программе в постоянном пункте водного объекта в течение длительного времени и экспедиционные исследования, которые проводятся
в течение сравнительно короткого периода времени и работы могут осуществляться на довольно обширном участке водного объекта
по определенной программе.
Экспериментальный метод заключается в детальном исследовании того или иного гидрологического процесса в лабораторных или природных условиях. Для проведения экспериментальных работ созданы специальные научно-исследовательские лаборатории, водно-балансовые станции, где в естественных условиях изучается весь процесс формирования стока воды на водосборе.
Теоретический метод исследования заключается в использовании общих физических законов и математических методов для решения гидрологических задач. В гидрологии созданы системы современных методов изучения, анализа и математического описания процессов формирования речного стока и опасных гидрологических явлений. Результаты, полученные теоретическим методом, проверяются на фактическом материале.
Наиболее полные сведения о водных объектах и их режиме могут быть получены при совместном использовании всех четырех методов исследований.
Для проведения более детальных исследований необходимо использовать следующие методы:
1. Методологический (взаимосвязь, избирательность, доказательность методов, приемов и подходов).
2. Измерительный (приборы и способы измерения изучаемых величин).
3. Экспериментальный (проведение экспериментов и наблюдений).
4. Содержательный:
физический (описание гидрологических процессов и явлений и их зависимости от универсальных законов природы);
химический (описание гидрологических, гидрохимических процессов и загрязнения с учетом круговорота химических элементов и веществ);
биологический (описание гидрологических, биохимических и биологических процессов в экосистемах).
5. Математический:
детерминированный (способы описания гидрологических процессов и явлений);
вероятностный (способы описания случайных гидрологических величин, процессов и полей).
6. Географический (обобщение и систематизация параметров моделей формирования стока и других гидрологических процессов и явлений
по ландшафтам, природным зонам и конкретным территориям).
7. Исторический (реставрация гидрологического прошлого и прогнозы будущего, история гидрологии).
8. Экологический (специфическая ориентация возможностей гидрологии в решении задач охраны окружающей среды).
9. Прикладной:
расчетный (ориентация методов гидрологии для нужд строительного и экологического проектирования);
прогностический (использование гидрологических моделей для экстраполяции гидрологических процессов в будущее).

2. Вода на земле. Водные ресурсы
Вода пребывает на Земле в самом различном состоянии в зависимости от мест своего сосредоточения. Основная ее масса содержится в трех следующих макроструктурных элементах планеты:
В мантии Земли – оболочке планеты, находящейся между ядром и земной корой, т.е. примерно между глубинами 30-50км и 2900км от поверхности. Здесь по разным гипотетическим оценкам может присутствовать от 13-15 до 28 млрд. км3 воды. Современное ежегодное поступление этой воды, называемой ювенильной, из глубин Земли в подземные воды составляет приблизительно 1 км3.
В толще земной коры – верхней части литосферы мощностью примерно от 5-20 км под самыми глубокими океаническими впадинами до 40-50 км под высочайшими горными хребтами суши. Здесь, по разным источникам, содержится от 1,0 до 1,9 млрд. км3 воды (свободной, адсорбированной, кристаллизационной).
В мировом океане находится около 1320-1370 млн.км3, а с учетом воды, содержащейся в илистых донных отложениях, 1470-1480. Средняя глубина Мирового океана составляет около 3700-3750м.
Что же касается территории суши, воды которой являются объектом изучения гидрологии, то здесь мы имеем следующую картину:
подземные воды до глубины 200 м оцениваются в 23-24 млн.км3 (очень условная оценка); из них 200-500 тыс. км3 – подземный лед (многолетняя мерзлота),
вода в озерах: около 180тыс. км3 (площадь около 2,1 млн.км2),
вода в болотах: около 12тыс.км3 (площадь около 2,7 млн.км2),
запасы воды в верхнем почвенном горизонте (до 2м ):
около 16-17 тыс.км3,
вода живых организмов биосферы: около 1,1тыс.км3.
Следует обратить внимание на присутствие льда на поверхности суши. Количество его огромно по сравнению с объемом воды на континентах и островах. Естественно, что льда много в высоких широтах и совсем мало
в низких. Но здесь вступает в действие высота местности, способствующая введению некоторых, хотя и не очень больших, территорий в мир холода.
Ниже приводятся округленные значения объемов льда, площадей, порытых льдом, средней толщины льда на этих площадях.
Антарктида: 30,1 млн.км3, 13,6 млн.км2, 2210 м;
Гренландия: 3,05 млн.км3, 1,80 млн.км2, 1690 м;
Канадский арктический архипелаг: 54 тыс.км3, 150 тыс.км2, 360 м;
Евразия: 41тыс.км3, 229 тыс.км2, 180м;
Северная Америка: (50-80)тыс.км3, 154 тыс.км2, 300-500 м;
Южная Америка: (5-7) тыс.км3, 33 тыс.км2, 150-200 м;
Остальная территория - около 1 тыс.км2 .
Таким образом, общее количество льда на земной суше приближенно может быть оценено в 33,3 млн.км3, залегающих на площади 16,2 млн.км2
со средней глубиной около 2000 м [4].
Вода используется человеком для обеспечения жизнедеятельности (питьевое и бытовое водоснабжение), промышленного производства,
в сельском хозяйстве (орошение земель), для выработки электроэнергии, водного транспорта, в рыбном хозяйстве, для рекреации. Зaпaсы и качество природных вод крайне неравномерно распределены на территории Земли.
К водным ресурсам относится вода, которая используется или может быть использована в обозримом будущем человеком в хозяйственной деятельности.
Подземные воды являются богатейшим и наиболее доступным источником пресной воды. Около 1,5 миллиарда людей используют эти источники в качестве питьевой воды Количество используемых подземных вод насчитывает около 600-700 км3, что составляет около 20% мирового потребления воды (по данным ВМО). Точных данных о количестве забора подземной воды в глобальном масштабе не существует.
Ежегодно растет глобальное потребление пресной воды. Ожидается,
что в будущем ежегодное глобальное потребление воды будет возрастать до 10-12% каждые 10 лет, достигнув значения 5 240 км3 к 2025 году. Наиболее интенсивный рост потребления пресной воды, возможно, будет наблюдаться
в странах Африки и Южной Америки [4].
Сельскохозяйственный сектор в настоящее время является самым крупным потребителем пресноводных ресурсов, доля которого составляет около 70% от общего глобального потребления пресной воды. В странах Африки и Азии 85-90% всей пресной воды используется в сельском хозяйстве, в основном для целей орошения. В промышленном секторе наибольшая доля пресной воды накапливается в водохранилищах для целей производства электричества и орошения. Потребление воды промышленностью составляет около 20% глобального водопотребления. Из этого количества 57-69% используется для производства гидроэлектроэнергии и ядерной энергии, 30-40% для промышленных процессов и до 3% для производства тепла. Потребление воды в коммунальном секторе преимущественно связано
с населением городов и урбанизированных территорий. Население промышленно развитых стран в среднем потребляет ежедневно в 10 раз больше воды (500-800 литров в день), чем население развивающихся стран (60-150 литров в день). В больших городах с централизованной системой водоснабжения и канализации, использование воды обычно составляет 5-10% от общего забора воды для коммунальных нужд. В малых городах этот показатель обычно выше. Ожидается, что к 2025 году, каждые два человека из трех на Земле будут проживать в районах, не обеспеченных водой.
На сегодняшний день 450 миллионов людей из 29 стран мира страдают проблемой нехватки воды. Снабжение чистой водой и санитария остаются главными проблемами во многих странах мира. Болезни, которые порождаются в результате плохого качества воды из-за фекального загрязнения поверхностных вод, являются главной причиной возникновения заболеваний
в развивающихся странах. Загрязненная вода оказывает влияние на здоровье свыше 1 миллиарда людей в мире.

3. Основные свойства воды
Вода – это светлая прозрачная жидкость, бесцветная в малых объемах и приобретающая голубовато-зеленоватую окраску своей толщи. Лед тоже прозрачен, так как коэффициент поглощения им света в видимой части спектра практически равен нулю, однако это не относится к ультрафиолетовой и инфракрасной областям. На сколах крупных глыб глетчерного и речного льда он, как и вода, имеет голубые и зеленоватые оттенки.
Свойства воды наложили отпечаток на систему физических констант и единиц измерения: температура замерзания воды – плавления льда принята
за 00С, а температура кипения воды за 1000С (то и другое при атмосферном давлении около 1013 мбар или гПа = 759,8 мм рт. ст.). Единица объема
в метрической системе выбрана из условия, что один кубический метр воды при температуре 3,980С имеет массу 1000 кг.
Каждая молекула воды имеет два атома водорода и две не поделенные электронные пары и, тем самым, может образовать четыре водородные связи. Последние осуществляются с участием атома водорода, расположенного либо между молекулами, либо между атомами внутри молекулы:
13 EMBED Adobe Photoshop Image 1415
Будем воспринимать воду, как ассоциацию молекул, объединенных водородными связями. И если в жидкой воде содержатся отдельные ассоциаты ее молекул, то аналогичное расположение молекул характерно и для льда,
но упорядоченность распространяется уже на всю систему в целом, что,
в конечном счете, приводит к образованию характерной тетраэдрической структуры льда. Другими словами, кристаллы льда целиком построены только на одних водородных связях. Структура льда образно названа «весьма ажурной», ибо в ней молекулы упакованы менее плотно, чем в жидкой воде.
По сравнению с другими веществами, вода характеризуется наибольшей удельной теплоемкостью, которая при температуре 15°С составляет
4190 Дж/(кг*К).
Теплопроводность воды весьма незначительна, но зато вода обладает очень высокой скрытой теплотой плавления и испарения. Для того чтобы превратить 1 кг льда в воду (скрытая теплота плавления), необходимо затратить 330 000 Дж/кг, а при испарении 1 кг воды (скрытая теплота испарения) затрачивается 2260 Дж. Эти особенности воды имеют важное значение для теплового баланса Земли [4].
При замерзании вода расширяется на 9% по отношению
к первоначальному объему.
Из всех жидкостей, кроме ртути, вода имеет самое большое поверхностное натяжение.
Еще одно замечательное свойство воды – способность растворять многие вещества. Особо хорошо растворимы в воде те химические соединения, которые могут образовать с ней водородные связи. Мы в своей повседневной деятельности привыкли считать хорошими растворителями такие вещества, как спирт, бензин, эфир и многие другие, которые действительно хорошо растворяют жиры и вообще многую органику, но в них не растворяются, например, соли. Зато последние хорошо растворяются в воде, т.к. она обладает крайне высокой диэлектрической проницаемостью, и ее молекулы имеют тенденцию соединяться с ионами, превращая их в гидратированные ионы, что приводит к их стабилизации в растворе. Хорошая растворимость различных солей в воде очень важна для многих природных процессов.

4. Водные объекты. Круговорот воды в природе. Внутриматериковый влагооборот
В гидрологии выделяют три группы водных объектов: водоемы, водотоки и особые водные объекты.
Водоемы – это водные объекты в понижениях земной поверхности
с замедленным движением вод (океаны, моря, озера, пруды, мочажины, болота).
К водотокам относятся водные объекты на земной поверхности
с поступательным движением воды в руслах в направлении уклона (реки, ручьи, каналы).
Особые водные объекты – ледники и подземные воды (водоносные горизонты и артезианские бассейны).
Все воды планеты находятся в непрерывном движении и связаны между собой благодаря круговороту воды или глобальному гидрологическому циклу (смотри рисунок 1).
Физическая причина круговорота воды на Земле – солнечная энергия и сила тяжести.
Солнечная энергия – причина нагревания и последующего испарения воды. Кроме того, из-за неравномерного нагревания возникает разница
в давлении, что вызывает образования ветров, приносящих влагу.
Сила тяжести вынуждает сконденсированную влагу при благоприятных условиях выпадать в виде атмосферных осадков, а поверхностные и подземные воды стекать сначала в дренирующую сеть, а затем в океан.
В глобальном гидрологическом цикле выделяют два взаимосвязанных звена: океаническое и материковое.
Океаническое звено. Испарившаяся под действием солнечной радиации, влага с поверхности океана поднимается в атмосферу, формируя влажные воздушные массы, переносится воздушными потоками и выпадает в виде твердых или жидких атмосферных осадков над поверхностью океана, захватывается океаническими течениями, переносится и снова испаряется.
Материковое звено. Твердые или жидкие атмосферные осадки, выпадающие над поверхностью суши приносятся влажными воздушными массами, сформированными над поверхностью океана (внешние осадки) или образуются в результате испарения с поверхности суши (внутренние осадки).
Оба звена связаны между собой переносом водяного пара с океана
на сушу и наоборот, поверхностным и подземным стоком с суши в океан.
Рассмотренная выше схема круговорота воды на Земле
в действительности более сложная. Важно учитывать, что суша делится на две части: область внешнего стока (откуда выпавшие осадки, так или иначе, поступают в океан) и область внутреннего стока (бессточные области) не дающие стока в Мировой океан. На долю внутреннего стока приходится 20% поверхности суши. К наиболее обширным областям внутреннего стока
в Европе относится водосборный бассейн Каспийского моря. В Азии – Туранская низменность (бассейн Аральского моря и озера Балхаш), пустыня Гоби. В Африке – Сахара, Ливийская, Нубийская пустыни, Калахари.
В Северной Америке - пустыни Большого бассейна. В Южной Америке – водосбор озера Титикака. В Австралии – западная и центральная часть материка. В областях внутреннего стока имеются крупные реки: Волга, Амударья, Сырдарья, Или.


А1 – осадки, выпадающие над сушей; А2 – осадки, выпадающие над океаном;
Б1 – испарение с суши; Б2 – транспирация растительностью; Б3 – испарение с озер и рек;
Б4 – испарение с океана; В1 – инфильтрация воды в почву;
В2 – потребление воды растительностью; В3 – подземный сток воды в реки и озера;
В4 – подземный сток воды в океан; Г – поверхностный сток в озера и реки.

Рисунок 1. Круговорот воды в природе

Внутриматериковый влагооборот
Осадки, выпадающие на любой участок земли, складываются
из «внешних» и «внутренних» – образованных в результате испарения
с конкретного участка. «Внутренние» осадки – это испарившаяся с данной территории вода, которая повторно выпадает на эту же территорию.
Важнейшая характеристика внутриматерикового влагооборота – отношение внутренних (ХZ) и внешних (ХА) осадков или отношение всех осадков (Х) к внешним осадкам (ХА). Эту величину называют коэффициентом влагооборота: K = X/XА
Коэффициент влагооборота показывает, сколько раз пришедший из вне на данную территорию водяной пар выпадет в виде осадков до того, как воздушные потоки и речной сток вынесут его за пределы этой территории.

А – воздушные массы, поступающие извне;
С - воздушные массы, покидающие территорию ;
Х – осадки; Z – испарение; Yпод – подземный сток; Yпов – поверхностный сток.
Рисунок 2. Схема внутриматерикового влагооборота
Круговорот воды в природе, совершающийся под влиянием солнечного тепла и силы тяжести, объединяет несколько геофизических процессов, происходящих в его звеньях, это испарение, перенос влаги в атмосфере, ее конденсация и выпадение осадков, просачивание их в почву и горные породы, сток поверхностных и подземных вод.
В таблице 1 приведены количественные характеристики составляющих влагооборота разных территорий [5].Таблица 1
Характеристки влагооборота

Компоненты влагооборота, км3
Европа
Азия
Африка
Север-ная Америка
Южная Америка
Австра-лия

1. Осадки:







общее количество
7540
25700
21400
16200
28400
3470

за счет адвекции
5310
15860
15080
9790
16900
3040

за счет испарения
с континента
2230
9840
6330
6360
11500
430

2. Содержание влаги
в слое атмосферы 0-7 км
144
864
484
329
522
183

3. Транзит влаги через континент
4800
4200
9500
2500
3800
9700

4. Атмосферный сток влаги, обусловленный испарением
с континентов
2500
5300
9200
2800
3700
2560

5. Общий вынос влаги в атмосфере
с континента
7300
9500
18700
5300
7500
12260

6. Коэффициент влагооборота (величина безразмерная)
1,42
1,62
1,42
1,65
1,68
1,14



5. Водосбор реки. Морфометрические характеристики водосбора
Водосбор - это часть земной поверхности, а также толщи почвогрунтов,
с которых вода стекает в реку, речную систему или озеро, ограниченных водоразделом поверхностным и подземным. В общем случае поверхностный и подземный водосборы не совпадают.



Рисунок 3. Водосбор, водораздел, речная система

Водораздел – граница (линия раздела), между бассейнами (водосборами) рядом расположенных водотоков, водоемов или скоплений подземных вод.
К морфометрическим характеристикам водосбора относят:
- площадь бассейна F [км2];
- длину водораздельной линии l0 [км];
- длину бассейна Lб [км], обычно определяемую как прямую, соединяющую устье реки и точку на водоразделе, прилегающую к истоку реки;
- максимальную ширину бассейна Вmax [км], которая определяется
по прямой, нормальной к оси бассейна в наиболее широкой его части;
- среднюю ширину бассейна Вср [км], вычисляемую по формуле:
Вср= F/Lб , (1)
где Lб -длина бассейна;
- высоту поверхности водосбора Hср [м], определяется
по гипсографической кривой или рассчитывается по формуле:
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 141513 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415, (2)
где Hi средняя высота любых высотных интервалов в пределах бассейна, вычисляемая как среднее из отметок, ограничивающих эти интервалы горизонталей (изогипс), fi площадь части бассейна между этими горизонталями, F полная площадь бассейна, n число высотных интервалов;
- средний уклон склонов бассейна iср [ или в долях единицы], рассчитывается по формуле:
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 , (3)
где lR и lR+1 – длины смежных горизонталей,
·H- разность отметок смежных горизонталей (сечение рельефа), F – полная площадь бассейна, n – число высотных интервалов.

6. Водный баланс бассейна реки. Элементы водного баланса
Реки питаются за счет жидких осадков (дождевое питание), воды, образованной в результате таяния снега на поверхности водосбора (снеговое питание), таяния высокогорных ледников (ледниковое питание) и подземных вод, поступающих в русло рек (подземное питание). Реки получают воды
из разных источников, с преобладанием того или иного вида питания
в зависимости от географического положения водосбора, климатических условий и фазы водного режима. В целом для рек Мира основным источником питания являются жидкие атмосферные осадки. Реки, расположенные
в умеренном климате большую часть стока формируют в период весеннего таяния снега на водосборах. Грунтовое питание составляет небольшую долю, но является основным в периоды межени. Ледниковое питание характерно лишь для рек берущих начало в ледниках. Расходование воды в бассейне реки происходит в результате испарения и стока воды в водоприемный бассейн (озеро, море, океан).
Водный баланс является количественной характеристикой всех форм прихода и расхода воды с учетом изменения ее запасов за выбранный интервал времени в бассейне реки.
Уравнение водного баланса в общем виде имеет следующий вид.
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415, (4)
где 13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 – изменение запасов воды в бассейне реки за расчетный промежуток времени;
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 – приходная часть уравнения водного баланса;
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 – расходная часть уравнения водного баланса.
Приходная часть уравнения водного баланса бассейна реки: атмосферные осадки, конденсация водяного пара, приток подземных вод в случае несовпадения поверхностного и подземного водоразделов, поверхностный приток в случае наличия гидротехнических сооружений, которые обеспечивают переброску стока из соседних бассейнов.
Расходная часть уравнения водного баланса: испарение, отток грунтовых вод в случае несовпадения поверхностного и подземного водоразделов, речной сток, переброска стока в соседние бассейны при наличии гидротехнических сооружений.
Уравнение водного баланса для многолетнего периода имеет следующий вид:
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415, (5)
где 13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 – норма стока (среднемноголетнее значение стока), 13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 – норма осадков (среднемноголетнее значение осадков), 13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 – норма испарения (среднемноголетнее значение испарения).


6.1. Осадки. Перехват осадков растительностью
Осадки являются одной из самых важных составляющих гидрологического цикла. Они образуются путем конденсации водяного пара
в атмосфере. В зависимости от метеорологических условий формирования
из облаков могут выпадать различные виды осадков. По агрегатному состоянию частиц выделяют жидкие (дождь, морось), твердые (снег, крупа, град) и смешанные, когда одновременно выпадают твердые и жидкие осадки. По физическим условиям образования выделяют вертикальные осадки (морось, дождь, снег, мокрый снег, крупа, град) и горизонтальные осадки (роса, иней, жидкий и твердый налет, изморозь, гололед). По интенсивности, продолжительности и площади распространения вертикальные осадки делят на следующие виды: обложные, ливневые, моросящие.
Различают конвективные, циклонические, фронтальные и орографические осадки.
Конвективные осадки формируются благодаря нагреву поверхности земли и образованию мощных восходящих потоков воздуха, которые при подъеме охлаждаются и конденсируются. Такие осадки характерны для тропических районов Земли.
Фронтальные осадки возникают вдоль фронта, разделяющего относительно теплые и холодные массы воздуха. При этом осадки образуются при подъеме теплого воздуха, натекающего на холодный или вытесняемого холодным воздухом.
Циклонические осадки возникают при перемещении воздушных масс
из областей с высоким давлением в области с низким давлением.
Орографические осадки образуются при огибании воздушным потоком возвышенностей и горных гряд. На наветренных склонах создаются более благоприятные условия для восходящих воздушных потоков (конвекции) и осадков выпадает больше. На подветренных склонах возникают нисходящие потоки воздуха, и осадков выпадает меньше. Это явление называется дождевой тенью. Этот эффект особенно ярко выражен если горные хребты расположены в меридиональном направлении, т. е. поперек преобладающего зонального переноса влаги.
На количество выпадающих осадков оказывают влияние:
- рельеф (с увеличением высоты местности над уровнем моря, количество осадков возрастает);
- растительность (крупные лесные массивы увеличивают количество выпавших осадков, за счет увеличения шероховатости поверхности и повышенного испарения (в результате транспирации) главным образом
в теплый период, причем лиственные леса оказывают большее влияние, чем хвойные);
- крупные водоемы (из-за термической инверсии осадки несколько снижаются над поверхностью водоемов);
- города (оказывают локальное влияние на выпадающие осадки). Города резко увеличивают коэффициент шероховатости поверхности, оказывают тепловое и механическое воздействие. Тепловое влияние выражено в холодный период и проявляется в усилении конвекции. Механическое воздействие – выброс в атмосферу различных твердых примесей, частицы которых являются ядрами конденсации. Осадки измеряются на метеостанциях осадкомером Третьякова. Используются также дистанционные методы измерения осадков.
К ним относится радиолокационный метод и радиометрическое зондирование атмосферы.
Первой на пути атмосферных осадков при движении к поверхности почвы может оказаться растительность. Она будет перехватывать часть влаги, задерживать ее кронами деревьев и кустарников. В пологе хвойных и лиственных лесов может удерживаться около 2 мм воды. После того как перехватывающая способность растений использована максимально, все дополнительные осадки достигнут земли путем стекания с листьев или стволов, либо в виде капель проходящих между листвой. Во время дождя испарение
с поверхности листьев невелико, но после дождя растение может «высохнуть» буквально за несколько часов. Было установлено, что в хвойных лесах центральной Швеции 20-40% дождевых осадков напрямую возвращаются
в атмосферу в результате процесса испарения с поверхности перехватывающих растений. При определенных условиях испарение с перехватывающей поверхности растений на порядок превышает транспирацию леса в сухом состоянии (при оптимальном содержании влаги в почве).

6.2. Испарение
В результате процесса испарения часть поступивших на поверхность земли атмосферных осадков покидает пределы водосбора в виде водяного пара. Испарение происходит с водной поверхности, снега, льда, почвы. Процесс испарения растительным покровом называется транспирация.
С водной поверхности испарение больше, чем с поверхности суши
и по значениям близко к испаряемости.
Испаряемость это максимально возможная величина испарения при данных климатических условиях в отсутствии дефицита влаги.
Величина испарения зависит от следующих факторов:
- температуры воздуха, дефицита влажности воздуха и скорости ветра (чем выше температура воздуха, скорость ветра и дефицит влажности воздуха, тем больше величина испарения с поверхности воды и суши);
- минерализации (уменьшает величину испарения; с соленой воды испарение меньше, чем с пресной);
- плотности испаряющей поверхности (чем выше плотность, тем выше теплопроводность поверхности, а, следовательно, выше испарение, поэтому испарение со снега меньше чем со льда);
-влажности почвы, механического состава и глубины залегания грунтовых вод (если поверхность почвы увлажнена недостаточно, то
в результате диффузии влага будет поступать из глубоких слоев почвы и испаряться, что может привести к понижению уровня грунтовых вод и снижению испарения);
- растительности. Растительность увеличивает испарение за счет транспирации. Величина транспирации зависит от размера листовой пластины и глубины залегания корневой системы.

Сток, включая поверхностный и подземный, подробно рассматривается
в разделах 7 и 8.

7. Речной сток. Факторы формирование стока на водосборе
Стоком в гидрологии называют движение воды по поверхности земли, а также в толще почв и горных пород в процессе ее круговорота в природе.
Формирование стока на водосборе – сложный многофакторный процесс. Он складывается из большого числа частных процессов, регулируемых прямыми и обратными связями и локализованных в границах речного бассейна.
Речной бассейн со своими орографией, горными породами, подземными водами, почвенным и растительным покровами, гидрографической сетью, водоемами и объектами, созданными рукой человека, в отношении попадающей в его пределы воды выполняет двойную функцию: с одной стороны, он наряду с погодой определяет соотношение между осадками, стоком и испарением (водный баланс), с другой – осуществляет перераспределение стока во времени (трансформация).
Сток обычно подразделяют на талый и дождевой. Формирование второго из них – относительно более стремительно и бурно протекающий процесс, чем первого. Важным является тот факт, что оба вида стока взаимодействуют и дополняют друг друга.
Следует различать еще два вида стока – поверхностный и подземный. Последний, в свою очередь, может быть подразделен на несколько категорий
в зависимости от глубины проникновения талых и дождевых вод в толщу почвы и горных пород (ярусность подземного стока), а, следовательно, по степени их зарегулированности.
Перечислим частные процессы, которые составляют комплекс явлений, называемый «формированием стока» [4].
1. Процессы и явления на поверхности бассейна.
1.1. Выпадение осадков. Их фазовое состояние определяет различия
в поведении воды в начальный период ее пребывания в пределах речного бассейна.
1.2. Обмен тепловой энергией поверхности бассейна с атмосферой и космическим пространством.
1.3. Перехват дождевых капель и снега растительным покровом.
1.4. Формирование снежного покрова. Этот комплексный процесс отображается изменением четырех его переменных состояния – толщины, плотности, соотношения количества «жидкой» и «твердой» воды и температуры.
1.5. Снеготаяние и разрушение снежного покрова.
1.6. Водоотдача из снега.
1.7. Инфильтрация и формирование поверхностного стока.
1.8. Задержание части поверхностного стока в бессточных отрицательных формах микрорельефа склонов.
1.9. Дорусловая трансформация поверхностного стока вследствие накопления и стекания воды на поверхности склонов.
1.10. Испарение (безвозвратные потери стока).
2. Процессы и явления в почве и приповерхностной толще горной породы.
2.1. Динамика тепловой энергии
2.2. Динамика почвенных вод – один из важнейших и сложнейших процессов, складывающийся из задержания воды в толще почвы и реголита, ее расходования на испарение и формирование почвенного и подземного стока.
2.3. Испарение.
2.4. Почвенный сток и его дорусловая трансформация, сказывающаяся
в распределении последнего по ярусам геологических структур приповерхностной толщи земной коры в пределах речного бассейна и последующей разноскоростной разгрузке подземных емкостей в русловую сеть.
3. Русловая трансформация и перемещение в замыкающий створ воды, находящейся в гидрографической сети речного бассейна.
4. Сток воды в замыкающем створе – итог взаимодействия рассмотренного комплекса процессов.
На процессы формирования стока оказывают влияние факторы, связанные с климатическими, морфометрическими и морфологическими характеристикам водосборных бассейнов. Они вносят региональные особенности в формирование гидрологического режима водных объектов и называются факторами формирования стока:
Климатические и метеорологические факторы: количество солнечной радиации, температура воздуха, дефицит влажности воздуха, количество осадков, скорость ветра в среднем многолетнем разрезе и
в определенный момент времени. От них, прежде всего, зависят климатические условия территории.
Факторы подстилающей поверхности:
Географическое положение. Расположение бассейна на континенте (вблизи крупных акваторий или в центральной части материка), по отношению к преобладающему направлению движения воздушных масс, по отношению к крупным горным системам (являются барьером для влаги) определяет режим увлажнения бассейна. Экспозиция бассейна (особенно крупного)
по отношению к частям света, которая часто определяет направление течения рек, может оказывать влияние на снеготаяние и ледовые процессы.
Размер и форма бассейна. Чем больше бассейн, тем больше глубина вреза речного русла и объем подземного стока.
Рельеф. Характеризуется уклоном поверхности, который непосредственно определяет скорости текущей воды. При высоких скоростях поверхностного стекания уменьшаются потери воды на испарение и фильтрацию, а, следовательно, при прочих равных условиях увеличивается сток рек. Чем больше уклоны склонов бассейна, тем меньше на них замкнутых микропонижений, которые задерживают и затем расходуют на испарение и фильтрацию стекающую по поверхности воду. Вертикальная расчлененность рельефа влияет на глубину залегания подземных вод.
Растительность. Растительность изменяет шероховатость склонов, и влияет на скорость движения воды по поверхности. Снижение скорости ведет
к дополнительным потерям на испарение и фильтрацию в почву. Корни растений рыхлят почву, создавая дополнительные условия для увеличения фильтрации воды. Кроме того, растения задерживают осадки, которые затем испаряются с листьев. При этом растения сами испаряют влагу в процессе транспирации. Растительность также оказывает влияние на накопление снежного покрова. В массивах кустарников снега накапливается больше, чем
в открытом поле. Начало снеготаяния в поле начинается в среднем на декаду раньше, чем в лесу. Кроме того рыхлая лесная подстилка хорошо впитывает воду, благодаря чему практически не образуется поверхностный сток.
Почвы. Влияние на формирование поверхностного стока определяется воднофизическими свойствами почв: водопроницаемостью, водоудерживающей способностью и водоотдачей, которые в свою очередь определяются гранулометрическим составом. При малой водопроницаемости грунтов увеличивается поверхностный сток, и ухудшаются условия пополнения грунтовых вод. При большой водоудерживающей способности почв большая часть проникшей в них влаги может затем расходоваться на испарение.
Фильтрационные свойства почвогрунтов изменяются также при их сезонном промерзании. В это время пополнение запасов подземных вод прекращается.
3. Наличие других водных объектов. На территории речных бассейнов могут существовать другие водные объекты: озера, болота, ледники, наледи.
Озера. Важная роль принадлежит сточным озерам, как регуляторам речного стока. В них накапливается избыток стока половодий и паводков, который затем, медленно стекая из озера, повышает сток озерной реки в период межени. В южных районах за счет испарения с озер сток реки снижается.
Болота. Влияние заключается в естественном регулировании. Вода аккумулируется деятельным слоем торфяной залежи, затем медленно стекает
с болотного массива. При этом снижается величина максимального стока
с заболоченных территорий. С понижением уровня болотных вод сток с болота может прекратиться полностью.
Ледники. Внутригодовое распределение стока рек со значительной степенью оледенения их бассейнов характеризуется большой неравномерностью. На короткое лето здесь приходится до 90% и более общего годового стока. Зимой сток очень мал или отсутствует вовсе. Особенность – резкие внутрисуточные колебания стока, благодаря внутрисуточному ритму стаивания ледника. В годы с очень интенсивным таянием снега и льда или
с сильными ливнями могут формироваться катастрофические паводки
из-за прорыва внутриледниковых полостей и приледниковых плотин.
4. Геологическое строение. Определяет чередование водоупорных и водопроницаемых пород, характер водоносных горизонтов и глубину залегания подземных вод, от чего в свою очередь зависит связь поверхностных и подземных вод.
Минеральный состав горных пород влияет на их растворимость.
С хорошо растворимыми породами (известняк, мел, гипс, доломит, ангидрид, каменная соль) связано такое явление как карст. Для закарстованных районов характерно поглощение поверхностного стока понорами и карстовыми воронками, наличие в период межени сухих участков русел малых рек и общей разреженности гидрографической сети, а также более высокий подземный сток крупных рек, дренирующих закарстованные толщи.
5. Вечная мерзлота. Наибольшее влияние оказывается в зоне сплошного распространения вечной мерзлоты. Подземные воды в этих районах разделяются на надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные, при этом многолетнемерзлые породы выступают в качестве водоупора. Это возможно
в условиях переувлажненных грунтов, где все поры заполнены льдом. Многие реки в этих условиях перемерзают. Но даже в этих условиях происходит частичный водообмен поверхностных и подземных вод через талики, расположенные под руслами крупных рек.
6. Антропогенные факторы. В современных условиях широкого использования водных ресурсов и проведения агрономических, агролесомелиоративных и гидромелиоративных мероприятий – хозяйственная деятельность человека воздействует как непосредственно на сток, так и
на условия его формирования.
Создание водохранилищ увеличивает озерность бассейна, перераспределяет сток во времени, уменьшает речной сток в засушливых районах.
Искусственное орошение в зоне недостаточного увлажнения способствует дополнительному забору воды из рек, изменяет водный режим почв и вызывает увеличение расхода воды на испарение и транспирацию, что уменьшает величину стока рек.
В зоне недостаточного увлажнения все мероприятия направленные на увеличение влажности почвы изменяют соотношения элементов водного баланса. В результате склоновый сток уменьшается от 1,3 раза в лесной зоне,
до 5 раз в степной зоне.
Отрицательное влияние на водный режим почв оказывает нерегулируемый выпас скота. Увлажнение таких почв меньше, инфильтрация меньше, сток с поверхности увеличивается.
В зоне избыточного увлажнения большее влияние на сток оказывает мелиоративные мероприятия, в т.ч. осушение земель. Изучение влияния этих мероприятий на водный режим рек является одной из современных проблем гидрологии.

7.1. Основные характеристики стока воды. Фазы водного режима. Гидрограф стока
Расход воды – количество воды, протекающее через живое сечение русла в единицу времени.
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 [м3/с], (6)
где 13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 – средняя скорость потока, 13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 – площадь поперечного сечения
Объем стока – количество воды, протекающее через живое сечение русла за промежуток времени.
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 [км3, м3], (7)
где 13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 – средний расход за рассматриваемый промежуток времени, 13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 – количество секунд в рассматриваемом промежутке времени
Слой стока - количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо промежуток времени, выраженное в виде слоя (в мм), равномерно распределенного по площади водосбора.
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 [мм], (8)
где 13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 – объем стока (км3) ,13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415– площадь водосбора (км2).
Модуль стока – количество воды, стекающее с единицы площади водосбора в единицу времени.
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 [л/(км2*с)], (9)

Коэффициент стока – отношения величины слоя стока воды к слою выпавших на площадь водосбора осадков. Эта характеристика показывает, какая часть осадков расходуется на образование поверхностного стока.
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415, (10)
где X – слой осадков. Коэффициент стока – величина безразмерная. Изменяется от 0 до 1.
График изменения расхода воды во времени называется гидрографом стока. Он строится по среднесуточным расходам воды с 1 января по 31 декабря. Гидрографы стока отражают внутригодовое распределение стока рек
в зависимости от различных условий его формирования на водосборе.
По внутригодовому распределению стока различают реки
с весенним половодьем,
с половодьем в теплую часть года,
с паводочным режимом.
На рисунке 4 представлен типовой гидрограф реки, построенный
по среднемноголетним величинам стока. На нем хорошо прослеживаются фазы водного режима реки: зимняя межень, весеннее половодье, летняя межень, летне-осенние паводки.

Рисунок 4. Типовой гидрограф стока (с фазами водного режима)

Межень – летний или зимний период пониженной водности рек, связанный с уменьшением притока воды с водосбора. В этот период питание рек осуществляется в основном грунтовыми водами, дренируемыми гидрографической сетью.
Половодье – период повышенной водности рек, характеризующейся высоким и длительным подъемом уровня, часто сопровождающейся выходом воды из русла на пойму. Причинами являются весеннее снеготаяние (для равнинных рек), таяние снега и ледников (для высокогорных рек), в муссонных и тропических зонах – выпадение летних дождей. Для рек одной климатической зоны повторяется в один и тот же сезон, с различной интенсивностью и продолжительностью.
Паводки – быстрый, сравнительно кратковременный подъем уровня воды в отличие от половодья, возникает нерегулярно. Величина уровня и расхода воды при паводке может превышать уровень и расход воды в период половодья. Причиной возникновения чаще всего являются дожди, но
в условиях неустойчивой зимы паводок может быть вызван интенсивным кратковременным снеготаянием.

7.2. Уровень воды. Уровенный режим
Уровень воды – высота поверхности воды над условной плоскостью сравнения, называемой «нулем графика», H, [см], смотри рисунок 5.
Уровень воды измеряется на пунктах гидрометеорологической сети наблюдений в определенные сроки (обычно 2 раза в сутки в 8 и 20 часов) [Практикум по гидрометрии].

Рисунок 5. Уровень воды над нулем графика водомерного поста

Изменения уровня воды могут быть связаны с увеличением объема воды
в русле или происходить без изменения объема.
1. Наблюдаемые в реке колебания уровня воды вызываются, главным образом, изменениями расхода. Такие изменения связаны с изменением объема воды в русле. К ним относятся изменения вызывные увеличением приходной части водного баланса – увеличение количества осадков, в период паводков, увеличение стока с водосбора за счет таяния сезонных запасов снега
(в половодье), увеличение объема воды в бассейне вследствие изменения климата.
2. В ряде случаев изменение уровня воды может происходить по причинам не связанным с изменением количества воды, т.е. объема стока, к числу которых относятся следующие [7]:
отложение в русле наносов;
углубление русла естественное или искусственное (землечерпание);
действие искусственных сооружений (плотин, запруд и т. п.);
действие ветра, вызывающего, особенно в устьевых участках, подъем и понижение уровня воды (нагоны и сгоны);
загромождение русла реки ледяными массами (зажоры и заторы);
зарастание русла разными видами растительности;
землетрясения (редкое явление).
Обычно действуют одновременно несколько факторов, вследствие чего колебания уровня воды представляют собой сложное явление.
График колебаний уровня воды строится по данным ежедневных наблюдений за уровнями воды [6].
Он дает наглядное представление об уровенном режиме за данный год (смотри рисунок 6).



Рисунок 6. Графики колебаний уровня воды одного поста в различные годы.
Краткосрочные, годовые и многолетние колебания уровней воды
К краткосрочным колебаниям уровня воды относятся: сгонно-нагонные (в устьевых областях), паводки (ливневые), суточные колебания (при суточном регулировании ГЭС – волны попусков и внутрисуточные колебания рек
с ледниковым питанием).
Большинство рек не имеет ясно выраженного суточного хода уровней. Исключением являются реки с ледниковым питанием, для которых
в соответствии с режимом таяния ледников в ночные часы наблюдается наинизший уровень (таяние прекращается), а в середине дня наивысший, (таяние достигает максимума).
Внутригодовые колебания уровня воды связаны с изменением водности рек в различные фазы водного режима (половодье, межень, паводки).
В годовом ходе уровней, выделяют характерные уровни: наивысший, средний и наинизший.
Многолетний ход уровней воды зависит от изменений климатических характеристик. Часто на него оказывает влияние хозяйственная деятельность человека.

8. Подземные воды. Классификация подземных вод.
Водно-физические свойства почво-грунтов.
Связь поверхностных и подземных вод
В результате процесса фильтрации вода с поверхности проникает в толщу почво-грунтов и формирует подземный сток. В подземных горизонтах вода присутствует в трех агрегатных состояниях: в виде водяного пара, капельно-жидкой воды и льда. Толща почво-грунтов по отношению к воде делится на две зоны:
- ненасыщенная зона (или «зона аэрации») слой почвы между поверхностью и грунтовыми водами, в порах которой присутствует как вода, так и воздух;

- зона насыщения.
Границей между ненасыщенной зоной и первым ярусом подземных вод является зеркало грунтовых вод. Самая верхняя часть ненасыщенной зоны – корневая зона. В ней вода поглощается корнями растений и возвращается
в результате процесса транспирации в атмосферу. В зоне аэрации вода представлена в виде:
- почвенных вод (гигроскопическая влага, пленочная и капиллярная вода, свободная влага),
- верховодки.
Водно-физические свойства пород и почв (влагоемкость, водопроницаемость, водоотдача), зависят от пористости и трещеноватости почвы и пород.
- Влагоемкость – способность почво-грунтов вмещать или удерживать
в себе воду; различают молекулярную, капиллярную и полную влагоемкость;
- Водоотдача – способность почво-грунтов отдавать воду путем свободного стекания;
- Водопроницаемость – способность почво-грунтов пропускать через себя воду.
В зоне насыщения все пространство между частицами заполнено водой, там находятся межпластовые напорные (артезианские) или ненапорные подземные воды.
По своему происхождению подземные воды могут быть:
- инфильтрационные – поступившие с поверхности в результате процесса фильтрации талой или дождевой воды,
- седиментационные – образовавшиеся в результате захоронения озерных вод под слоем илистых отложений,
- конденсационные – образовавшиеся внутри почвы в результате конденсации водяного пара,
- ювенильные – образовавшиеся в недрах земли,
- дегидратационные – образовавшиеся в результате разрушения кристаллических решеток горных пород.
Поверхностные и подземные воды связаны друг с другом. Благодаря подземным водам реки получают питание в меженные периоды. Характер этой связи зависит от геологического строения местности (чередования водоносных и водоупорных горизонтов, высоты кровли водоупорного пласта), уровня грунтовых вод и уровня воды в реке. Выделяют постоянную двустороннюю гидравлическую связь, одностороннюю гидравлическую связь, временную гидравлическую связь и случай полного отсутствия гидравлической связи поверхностных и подземных вод (смотри рисунок 7).

а – постоянная односторонняя гидравлическая связь (река в течение всего года питает грунтовые воды);
б – постоянная двусторонняя гидравлическая связь (река питает грунтовые воды
в половодье);
в – временная гидравлическая связь;
г – отсутствие гидравлической связи;
1водоупорный пласт; 2уровень грунтовых вод;
3 направление движения грунтовых вод; 4уровень воды в реке в половодье;
5 уровень воды в реке в межень; 6 источники (родники)

Рисунок 7. Виды взаимодействия поверхностных и подземных вод

9. Река и речная система
Совокупность всех водных объектов в пределах какой-либо территории называется гидрографической сетью данной территории. В пределах гидрографической сети речного бассейна выделяют русловую сеть – совокупность естественных и искусственных водотоков и речную сеть – совокупность естественных водотоков. В таблице 1 приложения представлены сведения о наиболее крупных реках земного шара.
Показателем развития речной сети является коэффициент густоты речной сети K [км/км2].
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415, (11)
где L – сумма длин всех водотоков, F – площадь водосбора.
Речная система – совокупность рек какой-либо территории, сливающихся вместе и выносящих свои воды с этой территории в виде общего потока. Состоит из главной реки и притоков. В качестве главной реки принимают самую полноводную или самую длинную реку.
Притоки могут быть разных порядков. Притоками первого порядка (согласно классификации Хортона) считаются все малые неразветвленные притоки. Реки, принимающие притоки первого порядка считаются реками второго порядка и т.д. Таким образом, главная река получает самый большой порядок.
Длина реки – расстояние от истока до замыкающего створа реки. Определяется по центральной оси русла или фарватеру.
Исток – начало реки; место, с которого появляется постоянное течение воды в русле. Истоком может служить родник, конец ледника, болото, озеро. Нередко началом крупных рек считается место слияния двух рек, носящих разные названия.
Место впадения реки в другую реку, озеро, водохранилище или море называется устьевой областью. Основными типами устьевых областей являются нормальные устья, эстуарии и дельты.
Долина реки это относительно узкое и вытянутое в длину, обычно извилистое углубление в земной поверхности, образованное вековой деятельностью стекающей по поверхности земли воды, с наличием русла современного водотока и характеризующееся продольным уклоном дна.
У молодых долин выделяются коренные берега и узкое дно, нередко целиком занятое руслом. У древних долин дно более широкое, в его пределах выработаны рекой пойма и террасы.
Глубина и ширина долины, количество террас в ней зависят от возраста и величины реки, геологического строения местности, тектонических движений. Многие крупные долины проходят по зонам разломов земной коры.
По происхождению выделяют долины тектонического, ледникового и эрозионного происхождения. По форме поперечного профиля долины различают теснины, каньоны, ущелья, трапециидальные, ящикообразные и корытообразные (смотри рисунок 8).

а - щель (клямма), б - каньон, в - ущелье, г - V-образная долина,
д – корытообразная долина (трог), е – трапецевидная долина,
ж – ящикообразная долина, з – неясновыраженная долина.

Рисунок 8. Типы поперечных профилей речных долин
В поперечном сечении долины выделяют склоны и ее дно (смотри рисунок 9а). В пределах склонов долины выделяют речные террасы. Самая нижняя часть речной долины занята руслом реки.

Рисунок 9. Схематический поперечный профиль речной долины (а)
и живое сечение потока (б)
Речные террасы представляют собой формы рельефа в пределах речной долины, образованные деятельностью реки; горизонтальные или слегка наклонные площадки, возвышающиеся над поверхностью поймы, ограниченные сверху и снизу уступами. Обычно речные террасы располагаются несколькими ярусами.
Пойма – пойменная терраса, часть дна долины, затопляемая в половодье и поднятая над меженным уровнем.
На протяжение свой жизни река формирует продольный профиль благодаря глубинной (в том числе регрессивной) эрозии, которая, распространяется от низовьев водотока вверх по течению. Боковая эрозия приводит к расширению дна долины путем меандрирования или смещения русла под воздействием отклоняющего влияния вращения Земли. Меандры возникают в результате действия течений, не совпадающих с направлением основного речного потока, при которых поверхностные струи направляются
к вогнутому берегу, подмывая его, а донные - к выпуклому, откладывая наносы. Вогнутый берег меандра обычно крутой, а выпуклый - отмелый. Изгибы русла постепенно меняют свое положение, что приводит к смещению излучины вниз по течению, и на пойме остаются следы прежних положений русла в виде невысоких гряд, вытянутых понижений, иногда заболоченных, залитых водой.
Показателем извилистости русла является коэффициент извилистости
K (безразмерная величина).
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415, (12)
где l – длина прямой линии соединяющей концы участка, L – длина реки
на рассматриваемом участке.

Гидролого-морфометрические характеристики русла реки
Поперечный профиль русла водотока – очертания русла водотока
в плоскости, перпендикулярной к средней линии русла водотока.

В – ширина русла, w – площадь поперечного сечения,
P – длина смоченного периметра, Нмах – максимальная глубина

Рисунок 10. Морфометрические характеристики русла

К гидролого-морфометрическим характеристикам поперечного сечения относят: ширину русла (В, м) (смотри рисунок 10), площадь поперечного сечения (w, м2) (смотри рисунки 9б и 10), среднюю глубину (Нср, м), длину смоченного периметра (P, м) (смотри рисунки 9б и 10), гидравлический радиус (R, м).
Средняя глубина (Нср, м) – отношение площади водного сечения (w, м2) к ширине русла (В, м).
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415, (13)
Смоченный периметр (P, м) – часть периметра, по которой происходит соприкосновение потока с твёрдыми стенками (смотри рисунки 9б и 10).
Гидравлический радиус (R, м) – гидравлическая характеристика поперечного сечения потока жидкости, выражаемая отношением площади этого сечения (w, м2) к его смоченному периметру (P, м).
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415, (14)
Величина гидравлического радиуса изменяется в зависимости
от размеров и формы поперечного сечения русла. Для открытых русел большой ширины гидравлический радиус принимается равным средней глубине потока.

Скорость течения воды в руслах рек
Движение воды в руслах рек осуществляется под действием силы тяжести. Скорость течения зависит от уклона, количества воды в русле и шероховатости подстилающей поверхности.
Скорости движения воды в открытых руслах увеличиваются от дна
к поверхности, где наблюдаются максимальные значения. При сильном ветре, направленном против течения максимальные скорости опускаются
на некоторую глубину, а при очень сильном ветре на поверхности может возникнуть противотечение. При зарастании дна травой резко увеличивается сопротивление движению потока и скорости могут снижаться до нуля.
При наличие ледяного покрова, который увеличивает шероховатость сверху, максимальные скорости течения смещаются от поверхности вглубь и в центр потока. Пространство, где течение отсутствует, называется мертвым пространством.
Скорости воды измеряются с помощью гидрометрических вертушек или поверхностных поплавков. В случае отсутствия измерений средняя скорость потока в русле для условий установившегося движения определяется
по формуле Шези.
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415, (15)
где C – параметр, зависящий от шероховатости русла; R – гидравлический радиус, часто на практике заменяемый средней глубиной потока, I – уклон водной поверхности.
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 , (16)
где I – уклон водной поверхности, dh- падение на участке, l – длина участка.
Величина C определяется по эмпирическим формулам Маннинга
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415, (17)
где n- коэффициент шероховатости, определяемый по специальным таблицам. Таким образом, скорость течения прямо пропорциональна глубине, уклону и обратно пропорциональна степени шероховатости русла.

10. Тепловой баланс бассейна реки. Термический и ледовый режим рек
Тепловой баланс бассейна реки.
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415, (18)
где 13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 изменение запасов тепла в бассейне реки за рассматриваемый промежуток времени,
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415– прямая и рассеянная солнечная радиация,
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 – длинноволновое излучение атмосферы,
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 – длинноволновое излучение поверхностей (почва, водная поверхность, снег, лед) с минусом,
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 – турбулентный теплообмен с атмосферой,
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 – потеря тепла с речным стоком,
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 – поглощаемое или выделяемое тепло при фазовых перехода воды (испарение, конденсация, ледообразование и плавление льда),
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 – приход тепла с притоками в случае нарушения границы водораздела.
Термический режим рек определяется соотношением составляющих теплового баланса, теплообменом между атмосферой, водной массой и ложем реки. Основным источником тепла является суммарная солнечная радиация, поглощаемая поверхностью воды. Температура воды достаточно тесно связана с температурой воздуха. Годовой и суточный ход температуры воды в целом соответствует ходу температуры воздуха, но из-за большой теплоемкости воды максимальные значения наступают несколько позднее времени наступления максимальных значений температур воздуха. Для больших рек эта связь неоднозначна: в период охлаждения температура воды больше, а в период нагревания меньше температуры воздуха. Температура воды в реках, вытекающих из крупных водоемов, во многом определяется температурой воды этих водоемов.
Распределение температуры воды по глубине и ширине потока связано
с размерами и характером движения потока. Так как перенос тепла, поступающего к поверхности в толщу воды происходит главным образом
в процессе турбулентного перемешивания, то вертикальный температурный градиент невелик. Например, для крупной и глубокой Ангары летом разница между температурой воды поверхности и у дна не превышает 2-3 0С.
Для средних рек Мста и Великая (Северо-запад России) эта разница составляет 0,1-0,4 0С [4].
Ледовый режим. При наступлении отрицательных температур воздуха и охлаждении поверхности воды создаются условия для образования ледяного покрова.
Время наступления ледовых явлений на реках, продолжительность ледостава и сроки полного освобождения рек ото льда определяются климатическими условиями, строением и размерами речных систем. Продолжительность ледостава может изменяться от 8-9 месяцев (на реках севера Сибири), до 1 месяца и при этом иметь неустойчивый характер (реки европейской части РФ) [4]. Многие реки Мира вообще не покрываются льдом.
Выделяют три фазы зимнего режима рек: замерзание, ледостав, вскрытие.
Процесс замерзания начинается с появлением на поверхности воды сала – очень тонкого слоя смерзшихся ледяных игл, образующих пятна. По мере охлаждения воды в прибрежных мелководных участках появляются забереги – ледяной припай в виде полос льда, которые в дальнейшем расширяются. Снег, выпавший на поверхность охлаждающейся воды, образует снежуру. Одновременно внутри потока при значительном его переохлаждении и перемешивании возникает внутриводный лед (шуга). В период образования ледовых явлений на реках наблюдается осенний ледоход.
В местах сужения русла поперечное сечение реки может заполняться внутриводным льдом, что приводит к образованию зажора и вызывает резкие поднятия уровня воды.
По мере образования неподвижного ледяного покрова наступает фаза ледостава. В период ледостава на порожистых участках могут образовываться незамерзающие пространства – полыньи. Особые условия ледообразования складываются ниже гидроузлов. Вода с более высокой температурой, поступающая из придонных слоев водохранилища, препятствует образованию льда. В результате ниже плотины возникает термическая полынья – участок реки, на котором отсутствует лед при температурах воздуха значительно
ниже 00С.
Толщина льда на реках зависит от температуры воздуха, толщины снега на поверхности льда и скорости течения воды. Она может изменяться
от нескольких сантиметров для рек с неустойчивым ледяным покровом до 1,5-2 м на реках, протекающих в высоких широтах (например, реки, впадающие в моря Северного Ледовитого океана, – Яна, Индигирка и др.). Реки Восточной Сибири на отдельных участках могут промерзать до дна.
В период ледостава могут образовываться наледи. На
·ледь – это естественное [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] образование, образующееся в результате замерзания [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] или [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], излившихся на земную поверхность.
По происхождению наледи делятся:
наледи поверхностных вод,
наледи подземных вод,
смешанные наледи.
Различают:
сухие наледи, образованные единовременным выходом воды,
мокрые наледи, покрытые водой, постепенно изливающейся на поверхность льда.
Наледи наиболее широко распространены в области многолетнемёрзлых горных пород, но они характерны и для районов глубокого сезонного промерзания. Интенсивность развития наледей зависит от запасов подземных вод и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] предшествующего лета, глубины промерзания сезонно-талого слоя.
Места выхода наледей приурочены к участкам уменьшения сечения [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] и очагам разгрузки подземных вод.
Площади наледей колеблются от десятков и сотен квадратных метров до сотен квадратных километров и более. Наиболее крупные наледи наблюдаются в Якутии и на Северо-востоке России. Здесь встречаются многолетние наледи, стаивающие летом лишь частично. Существенна роль наледей в питании рек, особенно в районах, где запасы снега невелики и в начале лета осадков мало (Якутия, Забайкалье).
Вскрытие рек. При установлении положительного теплового баланса начинается процесс таяния и разрушения льда. Таяние ледяного покрова происходит сверху за счет теплообмена с атмосферой и поглощения солнечной радиации. Уменьшение толщины льда в этом случае пропорционально притоку тепла. В ночные часы и при возврате холодов процесс стаивания замедляется, прекращается и даже сменяется повторным ледообразованием. Уменьшение толщины льда происходит также снизу за счет адвекции теплоты с вышерасположенных участков рек, где ледяной покров уже отсутствует, или за счет теплоты, поступающей через лед и поглощенной водной массой. Разрушение льда происходит вследствие механического воздействия водного потока. Процесс разрушения ледяного покрова начинается у берегов, где образуются полосы свободной воды – закраины. Лед теряет прочность, начинаются подвижки и образуется весенний ледоход.
Движение льда часто сопровождается образованием в узких частях и на поворотах русла ледяных заторов, которые приводят к резким подъемам уровня воды и наводнениям. Особенно часто это явление наблюдается на реках текущих из районов, где река уже вскрылась, в районы, где лед еще не разрушен. Например, на Енисее уровень воды при заторах может подниматься на 10-12 м [4].

11. Режим стока наносов. Гидрохимический режим рек
Твердые частицы, образующие речные наносы, поступают в русла рек
в результате процессов эрозии поверхности водосбора и речного русла. Интенсивность процесса эрозии поверхности водосбора зависит
от интенсивности поступления воды на поверхность в результате выпадения осадков или снеготаяния, уклона поверхности и устойчивости поверхности
к размывающему действию потока. Интенсивность эрозии русла рек зависит
от скорости потока и устойчивости грунтов, слагающих дно и берега. Часть речных наносов образуется в результате абразии (волновом разрушении) речных берегов на широких плесах. Наибольшую концентрацию наносов имеют реки с поводочным режимом и протекающие в условиях засушливого климата и легко размываемых грунтов. Это такие реки как Терек, Амударья, Ганг, Инд, Хуанхе. По характеру перемещения наносов в реках выделяют два основных типа: взвешенные и влекомые наносы.
Наиболее важные характеристики наносов:
- геометрическая крупность, выражается через диаметр частиц наносов (D, мм),
- гидравлическая крупность – скорость опускания частицы
в неподвижной воде (W, мм/с, мм/мин),
- мутность воды S (г/м3, кг/м3) – концентрация наносов в потоке, определяется по формуле:
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415, (19)
где m – масса наносов в пробе воды, V – объем пробы воды.
По геометрической крупности наносы делят на фракции: глина, ил, пыль, песок, гравий, галька, валуны. В реальных условиях наносы, переносимые речным потоком и слагающие донные отложения представляют собой смесь наносов различной крупности. Такие отложения классифицируют с учетом преобладания фракций. Например: илистый песок или песчаный ил и т.д.
Влекомые наносы – это наносы, перемещающиеся речным потоком
в придонном слое и движущиеся скольжением, перекатыванием или сальтацией. Путем влечения по дну перемещаются наиболее крупные частицы наносов (песок, гравий, галька, валуны).
На равнинных реках поток может переносить по дну только песок.
На горных реках, где скорости течения воды выше, поток переносит гальку и даже крупные валуны. Для перемещения по дну песка необходимы придонные скорости течения не менее 0,10-0,15 м/с, гравия – не менее 0,15-0,5 м/с, гальки – 0,5-1,6 м/с, валунов – 1,6- 5 м/с. Средняя скорость потока в этих случаях должна быть еще больше.
Влекомые наносы могут перемещаться по дну реки либо сплошным слоем, либо в виде скоплений. Второй характер движения для рек наиболее типичен. Скопления влекомых наносов представлены донными грядами различных размеров. Наносы перемещаются слоем по верховому склону гряды и скатываются в подвал гряды, где частицы могут быть «захоронены» надвигающейся грядой. Они придут в движение лишь при смещении гряды
на всю ее полную длину.
Взвешенные наносы переносятся потоком в толще воды. В речном потоке они распределены неравномерно: в придонных слоях мутность наибольшая и уменьшается по направлению к поверхности, причем для взвешенных наносов более крупных фракций быстрее, чем для мелких фракций.
Сток наносов реки включает сток взвешенных и сток влекомых наносов, при этом главная роль обычно принадлежит взвешенным наносам. Предельный суммарный расход как взвешенных, так и влекомых наносов, который может при данных условиях переносить река, называют транспортирующей способностью потока Rтр..
В реальных условиях фактический расход наносов в реке и транспортирующая способность потока могут не совпадать, что становится причиной русловых деформаций. Сток наносов (Wн, кг или т) рассчитывается по следующей формуле:
Wн=R*T , (20)
где R (кг/сек) – расход наносов, R= S.*Q; T – промежуток времени за которой рассчитывается сток наносов.

Гидрохимический состав речных вод
Речные воды имеют, как правило, сравнительно невысокую минерализацию и относятся к пресным водам. Формирование химического состава речных вод определяется как естественными, климатическими и почвенно-гидрогеологическими условиями, так и антропогенными факторами.
В гидрохимический состав речных вод входят следующие основные группы:
Главнейшие ионы и катионы, определяющие минерализацию речной воды. К числу главных ионов и катионов, содержащихся в речных водах относят HCO3-, CO32-, SO42-, CI-, Ca2+, Mg2+, Na+, K+.
Микроэлементы, из числа которых в речных водах присутствуют бром, медь свинец, ртуть, марганец, цинк, в количествах, не превышающих 10-30 мкг/л.
Биогенные элементы, в речных водах – это соединения неорганического азота и фосфора.
Химические характеристики стока меняются при смене одной фазы водного режима другой.
В период половодья склоновые воды характеризуются малой минерализацией (50-100мг/л) гидрокарбонатно-кальциевым составом, относительно большим содержанием растворенных в воде органических веществ гумусового происхождения и низкой величиной рН.
На спаде половодья в реки поступают почвенно-грунтовые воды вследствие дренирования водоносных горизонтов почвенно-грунтовой толщи. Они характеризуются довольно значительной минерализацией, преобладанием гидрокарбонатов в составе анионов и небольшим количеством органических веществ.
В период межени, реки питаются за счет грунтовых вод. Поступление грунтовых вод приводит к увеличению минерализации с севера на юг (от 250-600 мг/л до 800-5000 мг/л) и большому разнообразию химического состава, вследствие разнообразия почвенно-геологических условий.



Процессы формирования химического состав природных вод:
Молекулярная диффузия
Диффузия – это миграция химического вещества под действием градиента его концентрации.
Турбулентная диффузия
В естественном потоке продольный перенос при существовании градиент концентрации.
Диффузионно-конвективный перенос
Конвективная диффузия – смешение вод различного состава и различной минерализации.
Процессы, переводящие вещество в раствор
Гидролиз – реакции обменного разложения воды при ее взаимодействии
с минералами.
Растворение – полное разрушение кристаллической решетки минералов.
Выщелачивание – минерал растворяется частично.
Процессы, выводящие вещество из раствора
Осаждение происходит при превышении концентрации молекул вещества их произведения растворимости.
Обменные процессы вещества
Ионный обмен – это процесс поглощения твердым веществом, т.е. адсорбции из воды одних ионов и замены их другими, находящимися
в твердом веществе (глинистые минералы, органическое вещество природных вод).
Окислительно-восстановительные.
Биогеохимические реакции.
Факторы формирования химического состава природных вод:
Горные породы,
Почвы,
Живые организмы,
Деятельность человека,
Климат,
Рельеф,
Водный режим,
Взвешенные вещества,
Донные отложения.

12. Морские устьевые области
Устьевая область реки – это особый физико-географический объект, расположенный при впадении крупной реки в море, в пределах которого происходят специфические устьевые процессы. Они обусловлены взаимодействием речных и морских вод.
В пределах этой области происходит трансформация гидродинамических, физико-химических и биологических свойств водных масс, а также процессы аккумуляции наносов и дельтообразования.
Границы морской устьевой области или устьевой области реки простираются от речной (верхней) границы до морской (нижней) границы.
Верхняя граница устьевой области (РГУО) определяется по максимальной дальности распространения в реку колебаний уровня воды морского происхождения (приливов, нагонов) при меженном речном стоке, либо по месту, где начинается разветвление русла реки на дельтовые рукава, если колебания уровня моря затухают в дельте.
Морская граница устьевой области (МГУО) – это среднее положение гидрофронта (разделение пресных и морских вод по 10/00) при максимальном стоке воды реки.
Морские устьевые области бывают: бездельтовые и дельтовые (смотри рисунок 11).
13 EMBED Adobe Photoshop Image 1415




Рисунок 11. Типы дельтовых устьевых областей

Морская устьевая область может быть разделена на две подобласти: устьевой участок реки и устьевое взморье (смотри рисунок 12).
На устьевом участке реки преобладает речной гидрологический режим, но активно влияет приемный водоем (море). На устьевом взморье преобладает гидрологический режим, свойственный приемному водоему, но активно влияет река.

Рисунок 12. Схемы устьевых областей рек разного типа

Устьевой участок реки в свою очередь подразделяется на речной участок почти с чисто речным режимом и влиянием моря только в период межени стока и дельту (там, где она имеется).
Дельта – это многорукавный участок реки в ее устьевой области.
Вершиной дельты называется место ответвления первого рукава или протоки впадающего непосредственно в море или в один из рукавов дельты.
Устьевое взморье подразделяется на отмелую часть устьевого взморья и приглубую.

Основные процессы в устьевой области реки
I. Физические процессы
A. Динамика вод. Динамическое взаимодействие вод реки и приемного водоема, включая формирование сопряжения реки и водоема в виде гидравлического подпора или спада; распластывание волн половодий и паводков; распространение вверх по устьевому участку волн приливов, нагонов и сгонов. Втекание речных вод в приемный водоем и смешение речных и морских вод. Растекание вод по поверхности дельты и ее водотокам. Ветровое волнение на устьевом взморье, в водоемах водотоках дельты (смотри рисунок 13).



Рисунок 13. Схема взаимодействия морских и речных вод

Б. Ледо-термические процессы на устьевом участке реки, в водоемах дельты и на устьевом взморье.
B. Динамика наносов на устьевом участке реки и устьевом взморье.
Г. Эрозионно-аккумулятивные (морфологические процессы, включая формирование продольного профиля русла на устьевом участке реки; формирование дельты, ее гидрографической сети и морского края; русловые процессы в дельте; формирование дна устьевого взморья; эоловые процессы).
II. Химические процессы: формирование и трансформация химического состава вод без участия организмов.
III. Биохимические процессы: формирование и трансформация химического состава вод с участием организмов.
IV. Биологические процессы: формирование сообществ водной биоты, почвенно-растительного покрова и фауны поймы и дельты.

13. Озера. Классификация озер по происхождению. Морфометрические характеристики озер
Озеро – это водоем с замедленным водообменом, не имеющий обратной связи с океаном. Площадь всех озер мира приблизительно оценивается в
2,1 млн. км2, что составляет около 1,5% площади суши. Озерные котловины могут быть разнообразны как по своим размерам, так и по форме: от округлых до неправильно-лопастных. Озера образуются в понижениях земной коры, которые могут иметь различное происхождение.
Котловины эндогенного происхождения:
- тектонические (Каспийское море, Ладожское, Онежское озеро, Байкал, Иссык-Куль, Виктория, Ньяса в Африке, Мичиган, Эри, Онтарио, Гурон, Титикака в Южной Америке);
- вулканические котловины (кратеры потухших вулканов). Они распространены в Исландии, Японии на Камчатке, в Италии и др. Наиболее известные – Орегон в Северной Америке, Курильское на Камчатке.
Экзогенные котловины:
- ледниковые, образованные эрозионно-аккумулятивной деятельностью ледников (озера Фенноскандии, Карелии, Канады, США);
- образованные в результате деятельности речных вод (старицы, дельтовые озера);
- лиманы – устьевые участки рек, отделенные от моря косами – барами;
- просадочные котловины – образовались в результате просадки грунта под действием подземных вод или таяния льда в грунте, к ним относятся карстовые (встречаются в областях распространения известняков, доломитов и гипсов (Урал, Крым)), термокарстовые – котловины протаивания – распространены в областях многолетнемерзлых грунтов Якутии, в зоне тундр, суффозионные - связаны с вымыванием из грунта цементирующих частиц, распространены в лесостепных и степных районах зоны недостаточного увлажнения;
- эоловые котловины – котловины выдувания – образуются между дюнами в районах аридного климата, встречаются в Прикаспийской низменности;
- завальные озера, образованные в результате образования плотин
при землетрясениях и извержениях вулканов (Сарезкое озеро на р. Мургаб, Кроноцкое озеро на Камчатке);
- внутриболотные (органогенные) котловины.
Искусственные котловины, заполненные водой возникают
при заполнении карьеров водой и в результате создания водохранилищ и прудов.
Основные морфометрические характеристики озера
Длина (L, м) – кратчайшее расстояние между двумя наиболее удаленными друг от друга точками береговой линии озера, измеряемое по его поверхности. В зависимости от формы озера, эта линия может быть прямой или ломаной.
Ширина (В, м). Различают среднюю ширину (Вср, м) – частное от деления площади поверхности озера (Sоз, м2) на его длину (L, м)
Вср = Sоз / L (21)
и максимальную ширину (Вмах, м) – наибольшее расстояние между берегами
по перпендикуляру к линии длины озера.
Длина береговой линии (l0, км) – измеряется по урезу воды (по нулевой изобате).
Изрезанность береговой линии (m, безразмерная величина) – отношение длины береговой линии к длине окружности круга, площадь которого равна площади озера:
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415, (22)
Площадь поверхности (зеркала) (Sоз, км2) и площади, ограниченные изобатами (S1, S2,., Sn) определяются планиметрированием.
Объем озера (Vоз, км3) – сумма объемов слоев воды в озере, ограниченных плоскостями изобат и принимаемых за правильные геометрические тела – усеченные конусы:
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415, (23)
где h1, h2, ... hn – сечение изобат.
Максимальная глубина (Hмак, м) находится по данным промеров.
Средняя глубина (Hср, м) равняется частному от деления объема озера
на его площадь:
Hср = Vоз / Sоз , (24)
Зависимость между глубиной (уровнем) озера и объемом воды называется объемной кривой, а связь уровня с площадью зеркала озера – батиграфической кривой.



14. Водный баланс озера. Режим уровня воды в озерах
Уравнение водного баланса озера в общем виде:
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415, (25)
где 13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 изменение запасов воды в озере за рассматриваемый промежуток времени,
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 – приходная часть уравнения водного баланса,
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 – расходная часть уравнения водного баланса.
К основным приходным элементам уравнения водного баланса озера относятся атмосферные осадки, выпадающие на зеркало озера, конденсация водяного пара, приток подземных вод к озерной котловине, поверхностный приток.
Расходная часть уравнения водного баланса: испарение, фильтрация озерных вод в озерную котловину, сток вытекающих рек.
Уровенный режим озер
Многолетние колебания воды в озере зависят от климатических факторов. Сезонные колебания определяются в основном притоком воды как русловым, так и распределенным (особенно в период таяния снегового покрова). Колебания уровня воды в озерах также зависят от соотношения элементов водного баланса. Если приходная часть уравнения водного баланса больше расходной, уровень воды в озерах растет, увеличивается объем водной массы и наоборот.
Краткосрочные изменения уровня воды в озерах могут быть вызваны ветровой деятельностью (за счет ветра формируется нагон воды на одном берегу и сгон на другом). Разность атмосферного давления над отдельными частями водоема приводит также к возникновению перекосов водной поверхности (деневеляций), что приводит к изменению уровня без изменения объема водной массы. Так образуются сейши – стоячие волны большого периода. При этом колеблется вся водная масса вокруг неподвижной оси, называемой узлом сейши.

15. Тепловой баланс озер и термический режим
Процессы теплообмена воды с атмосферой наиболее интенсивно происходят в самых верхних слоях озера. Перенос тепла вглубь осуществляется как при непосредственном проникновении солнечной энергии в воду, так и при перемешивании. Ледяной покров и снег препятствует теплообмену
с атмосферой и уже при толщине льда и снега 10-20 см он практически прекращается.
Уравнение теплового баланса водоема имеет следующий вид:
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415, (26)
где 13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 изменение запасов тепла в озере за рассматриваемый промежуток времени, 13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415– прямая и рассеянная солнечная радиация, 13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 – эффективное излучение (разница между длинноволновым излучением водоема и атмосферы), 13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415– турбулентный теплообмен с атмосферой, 13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415– теплообмен с дном, 13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415– поступление и потеря тепла со стоком втекающих и вытекающих рек, 13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415– поглощаемое или выделяемое тепло при фазовых переходах воды (испарение, конденсация, ледообразование и плавление льда), 13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415– теплообмен
с грунтовыми водами, 13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415– тепло, выделяемое или затрачиваемое при биохимических реакциях в водоеме.
Термический режим водоема (изменение распределения температуры по глубине или термическая стратификация), определяется соотношением элементов теплового баланса озера и зависит от времени года, географической широты местности, объема водной массы и формы озерной котловины.
В течение года наблюдается три основных вида термической стратификации: обратная (увеличение температуры с глубиной), прямая (уменьшение температуры с глубиной), гомотермия (температура одинакова по глубине).
Период осеннего охлаждения начинается с начала отдачи тепла водой
в атмосферу и заканчивается установлением осенней гомотермии – температуры наибольшей плотности воды по всей глубине водоема. После установления гомотермии наступает период зимнего охлаждения, в результате которого устанавливается обратная термическая стратификация. У нижней кромки льда температура воды приближается к нулю, а у дна – к 40С. В период весеннего нагревания формируется весенняя гомотермия. На крупных водоемах этот процесс может растягиваться до середины лета. В период летнего нагревания, который начинается после установления весенней гомотермии формируется прямая температурная стратификация.
В этот период вся водная толща разбивается на три вертикальные термические зоны:
- эпилимнион – верхняя зона с малыми градиентами температуры,
- металимнион или термоклин – средняя с высоким градиентом температуры,
- гиполимнион – нижняя, холодная с малыми градиентами температуры. Эпилимнион является слоем перемешивания, а термоклин затрудняет перемешивание более глубоких слоев воды. Толщина этих слоев зависит от размеров водоема и интенсивности ветровой деятельности. Мелководные водоемы могут быть перемешаны до дна и для них типична летняя гомотермия. В течение лета слой температурного скачка (термоклин) постепенно опускается на большую глубину и к началу осеннего охлаждения исчезает.
В водоемах, где присутствуют мелководные и глубоководные зоны, процесс нагревания и охлаждения происходит с разной интенсивностью и
в разные сроки. В мелководной зоне в весенний период формируется прямая стратификация, когда в глубоководной зоне всё еще сохраняется обратная. Это приводит к образованию между этими зонами вертикального слоя воды
с температурой наибольшей плотности, который называется термическим баром.

16. Гидрохимический состав озерных вод и классификация по содержанию питательных веществ в озерных водах
Химический состав озерных вод зависит от физико-географических условий, в которых находится озерная система, от состава вод рек, впадающих в озеро, биологических процессов, протекающих в самом озере, проточности. Вещества, содержащиеся в озерной воде можно разделить на 4 основные группы: ионный состав, растворенные газы, биогенные и органические вещества.
Минерализация озер изменяется в очень широких пределах и может достигать 300-350 мг/кг, образуя рассолы, соленость которых во много раз превышает соленость морской воды.
К основным ионам, присутствующим в озерной воде, относятся HCO-, CO32-, SO42-, CI-, Ca2+, Mg2+, Na+, K+, микроэлементы содержаться в воде
в ничтожных количествах. Распределение ионов подчиняется географической зональности. В зоне тундры преобладают ионы кремния, в лесной зоне северного полушария – гидрокарбонатные ионы и ионы кальция, в степной зоне – сульфатные, гидрокарбонатные и ионы натрия, в зоне полупустынь и пустынь – ионы хлора, в тропических зонах – ионы кремния и гидрокарбонатные ионы.
По степени солености озера делятся на четыре группы: пресные
с минерализацией до 1, солоноватые 1,0-24,7, соленые 24,7-47, соляные или минеральные – более 47.
Одним из важных факторов накопления солей в озерной воде является проточность озера. В сильно проточных озерах накопление солей незначительно. Наибольшая минерализация отмечена на бессточных озерах,
в которых аккумулируются все приносимые соли.
Растворенные в воде газы – это, прежде всего кислород, азот и углекислый газ. Кислород может поступать как из атмосферы, так и выделяться в процессе фотосинтеза. В илах содержится сероводород, метан, водород, диоксид углерода и др., образующиеся при разложении остатков организмов. Наиболее важным для озерной экосистемы является кислород, определяющий окислительные процессы в толще воды и в донных отложениях. Наибольшее его количество содержится в верхних слоях воды и в общем случае уменьшается с глубиной.
К биогенным веществам относятся соединения азота, фосфора, содержащегося в виде растворенных соединений и в виде взвешенных частиц, соединения кремния, железа и др.
Органические вещества состоят главным образом из гуминовых соединений, приносимых в водоем с притоком, а также промежуточных продуктов распада – аминокислот, жирных кислот, спиртов, углеводородов и протеинов.
Количество и состав биогенных и органических веществ определяют трофность водоемов. По этому признаку Тиннеманом разработана классификация водоемов.
Олиготрофные озера – бедны биогенными веществами, в основном азотом и фосфором, биомасса невелика, высокая прозрачность, слабое поглощение кислорода, даже в придонных слоях не меньше 60-70% насыщения. Цвет воды от синего до зеленого. Как правило, это глубокие, слабо прогреваемые озера, с большим объемом воды, донные отложение бедны органическими соединениями.
Эвтрофные – большое количество биогеннов, сильное развитие планктона в летнее время, малая прозрачность, исчезновение кислорода
в гиполимнионе. Цвет воды от зеленого до бурого. Сильно развита высшая растительность. Иловые отложения богаты органическими веществами (отмерший планктон и высшая растительность).
Мезотрофные – промежуточный тип между олиготрофными и евтрофными озерами.
Дистрофные – озера болотного типа. В воде содержится большое количество гуминовых веществ. Реакция среды кислая, pH в пределах 4-6. Биогены находятся в трудно усвояемой для организмов форме. Кислород
в гиполимнионе активно расходуется на окисление гуминовых веществ. Цвет воды – желтый или бурый, прозрачность низкая. Это неглубокие, заболачивающиеся водоемы с очень малым количеством фитопланктона.

17. Болота. Типы болот и их режим
Болото – природное образование, представляющее собой переувлажненный участок земной поверхности со слоем торфа и специфическими формами растительности, приспособившимися к условиям избытка влаги, слабой проточности и недостатку кислорода [4].
Таким образом, три основных признака болот:
Застойное или избыточное увлажнение,
Наличие специфической болотной растительности,
Процесс торфообразования.
Территории, на которых корни растений не достигают минерального грунта, называются заболоченными землями.
Для образования болот необходим постоянный избыток влаги в почве и на ее поверхности при слабом водообмене, в том числе с подземными водами. Избыток влаги вызывает недостаток кислорода, затрудняет доступ воздуха
в почво-грунты и происходит неполное разложение (окисление) отмирающих остатков растительности и образование торфа. Торф – сильно обводненный почвенный субстрат, состоящий из не полностью разложившихся останков растений. Торф бывает разной степени разложения. Если степень разложения равна 70 %, это значит, что 70 % отмерших растений разложились, а 30% – нет. Торф характеризуется большой водоудерживающей способностью и высоким содержанием воды – до 97% по объему.
Болота делятся: на низинные (эвтрофные), переходные (мезотрофные) и верховые (олиготрофные), которые имеют вогнутую, плоскую или выпуклую форму поверхности соответственно (смотри рисунок 14).

Эвтрофные болота (низинные)

Мезотрофные болота (переходные)

Олиготрофные болота (верховые)


Рисунок 14. Фазы развития болотного массива

Образование болот может происходить двумя способами: заболачивания почвы или зарастания водоёмов.
1. Заболачивание почвы
Непременным условием образования болот является постоянная избыточная влажность. Одна из причин избыточной увлажнённости и образования болота состоит в особенностях рельефа наличие низин, куда стекаются воды осадков и грунтовые воды; на равнинных территориях отсутствие стока все эти условия приводят к образованию торфа.
Причиной застоя воды близ поверхности могут быть свойства самой почвы и подстилающих её пород: плотные, непроницаемые для воды субстраты (глины), водоупорные слои известняков и т. д. Наконец, большую роль
в образовании болот играет климат: в странах где выпадает большое количество осадков, воздух влажен, а испарение идёт медленно, заболоченность развита сильнее.
Постоянное избыточное увлажнение обуславливает многие особенности среды, в которой растут растения. Это недостаточность кислорода, более низкая, чем на окружающей территории температура, сниженная активность микроорганизмов все эти условия приводят к образованию торфа.
Благоприятные условия для заболачивания также возникают:
- на местах лесных пожаров или вырубок леса, (так как в этом случае уменьшается транспирация, развивается травяной покров, уменьшающий фильтрацию в почву, что приводит к повышению уровня грунтовых вод);
- в поймах рек и на горных склонах или у их подножий, а также на склонах речных долин, где на поверхность выходят подземные воды;
- в зоне распространения вечной мерзлоты, т.к. верхняя граница мерзлых пород является водоупором, что способствует процессу заболачивания.
2. Зарастание водоемов
Зарастание озер с плоскими и крутыми берегами происходит по-разному. Озера с плоскими берегами зарастают постепенно. В этом случае образуются вначале низинные (эвтрофные) болота, а потом по мере накопления торфа они переходят в стадию переходных (мезотрофных) и верховых (олиготрофных).
Озера с крутыми берегами зарастают сплавиной (плавающее на поверхности воды сплетение корней и стеблей растений, имеющее толщину
до 1-2 м), т.к. корни растений не достают до дна. Болота при таком типе зарастания озер сразу становятся переходными (мезотрофными) и далее верховыми (олиготрофными).
В зоне избыточного увлажнения заболачивание может происходить как на водораздельных пространствах, так и в замкнутых понижениях. В зоне недостаточного увлажнения болота образуются лишь в долинах и поймах рек, в замкнутых котловинах и отмирающих озерах. В этих районах застойное увлажнение создается в результате притока речных или подземных вод
в количествах превышающих возможные потери на испарение.
Болота различаются по происхождению, форме, размерам, уклонам поверхности, мощностью торфяной залежи и т.д.
Характерными элементами рельефа поверхности болота являются гряды, мочажины, кочки, западины.
Элементы болотной гидрографической сети: внутриболотные озера, водотоки, топи. Растительный покров болот развивается в зависимости
от водно-минерального питания болот.
Толща торфяной залежи делится на два слоя: верхний – деятельный и нижний – инертный. Толщина деятельного слоя равна расстоянию от поверхности болота до отметок среднего многолетнего минимального уровня болотных вод. В пределах этого слоя происходят наиболее значительные колебания уровня болотных вод. Толщина инертного слоя измеряется мощностью торфяных отложений.
Питание низинного болота происходит за счет поверхностного, подземного притока и атмосферных осадков. Поверхность болота имеет вогнутую или горизонтальную форму. Растительность представлена эвтрофными или мезотрофными видами, требовательными к обильному водно-минеральному питанию. Представители – ольха, береза, гипновые зеленые мхи, травы (осока, вейники, тростники), хвощи и.др. Мощность торфа не велика.
При увеличении мощности торфяной залежи, поверхность болота приобретает выраженную выпуклую форму. Принципиально меняется характер водного питания, которое теперь полностью определяется атмосферными осадками. Болото становится верховым. Преобладает олиготрофная растительность, образовавшаяся в условиях бедного водно-минерального питания. В состав растительности входят сфагновые мхи, кустарнички, вереск, багульник, клюква, пушица, а также угнетенная сосна.
В этом случае нарастание мхов и накопление торфа идет быстрее в центральной части болотного массива.
В зоне избыточного и достаточного увлажнения можно наблюдать все формы развития болот, в то время как в зоне недостаточного увлажнения болота они могут быть только низинными и переходными. Образование верхового болота невозможно, так как испарение в таких зонах всегда превышает осадки, а подпитка грунтовыми и речными водами у верховых болот отсутствует.
Уровень воды в болоте не остается постоянным в течение года и
в многолетнем разрезе. Его колебания определяются соотношением элементов водного баланса и зависят от условий питания и расхода влаги в болоте.
Уравнение водного баланса болота в общем виде:
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415, (27)
где 13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 – изменение запасов воды в болоте за рассматриваемый промежуток времени,
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415– приходная часть уравнения водного баланса,
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415– расходная часть уравнения водного баланса.
К основным приходным элементам уравнения водного баланса относятся для верхового (олиготрофного) болота: атмосферные осадки, выпадающие
на поверхность болота, конденсация водяного пара; для низинного (эвтрофного) болота: атмосферные осадки, выпадающие на поверхность болота, конденсация водяного пара, приток подземных вод, поверхностный приток.
Расходная часть уравнения водного баланса для верхового (олиготрофного) болота: испарение, поверхностный сток; для низинного (эвтрофного) болота: испарение, поверхностный сток, фильтрация.
Наиболее существенной расходной частью водного баланса является испарение с болотного массива. Доля испарения зависит от типа болота и его местоположения и изменяется от 100 % на болотах зоны недостаточного увлажнения до 50% на болотах зоны избыточного увлажнения.
Величина стока с болотного массива зависит от высоты уровня болотных вод и интенсивности фильтрации торфяной залежи. В зимний период болота высоких широт промерзают на несколько десятков сантиметров, осадки выпадают в виде снега, количество воды в болоте уменьшается, уровень воды падает. В периоды таяния снега и выпадения дождей приходная часть уравнения водного баланса увеличивается, следовательно, растет и уровень воды.
Водный режим болотных вод имеет схожий характер с режимом поверхностных и грунтовых вод бассейна, но носит более сглаженный характер.
Болота, таким образом, выполняют в целом регулирующую роль на водосборе (запасают воду в период высоких уровней и отдают – в период низких). Однако их влияние может меняться в зависимости от стадии развития болотного массива. Так в период роста болотного массива сток воды
с водосбора, где находится болотный массив, уменьшается, а при деградации болота (или мелиорации – осушении) сток с территории болотного массива увеличивается.

18. Ледники. Определение. Образование, типы, строение. Движение ледников. Питание ледников. Баланс массы льда. Влияние на сток рек
Масса естественного фирна и льда, сформированная в результате накопления и преобразования твердых атмосферных осадков, расположенная главным образом на суше, существующая длительное время и обладающая собственным постоянным движением называется ледником.
Для того чтобы возник ледник, необходимо чтобы на каком-то участке поверхности годовое количество выпавших твердых осадков, с учетом ветрового переноса и снежных лавин, было больше, чем то их количество, которое растает, испарится или отколется в виде айсбергов.
Типы ледников
Выделяют покровные, горно-покровные и горные ледники. Среди покровных ледников выделяют ледниковые щиты и купола, выводные ледники и шельфовые ледники. Они распространены в полярных широтах. Характерная особенность покровных ледников – малая скорость обмена массы, и, следовательно, длительное время возобновления воды в твердой фазе,
в среднем 9600 лет, а в Центральной Антарктиде – около 200 000 лет. Ледниковые щиты и купола представляют собой плоско-куполовидные ледники, расположенные на каменном ложе, характеризующиеся значительной толщиной и большой площадью. Поверхность центральной части ледника близка к горизонтальной, на периферии ее уклон увеличивается.
Шельфовый ледник – это плавучий или частично опирающийся на дно ледник, текущий от берега в море. Распространены, главным образом,
в Антарктиде. Крупнейшие – ледник Росса и Фильхнера-Роне.
Выводные ледники представляют собой быстродвижущиеся ледяные потоки, через которые происходит основной расход льда с данного ледосборного бассейна. Наиболее широко распространены в Антарктиде и Гренландии, скорость движения до 1 км/год (в Гренландии до 5-10 км/год).
Горные ледники по местоположению можно разделить на три группы: ледники вершин, склоновые и долинные ледники. Первые расположены
на вершинах и плоских пространствах гор, вторые располагаются на склонах и имеют небольшие размеры, третьи приурочены к верхним частям горных долин.
В образовании ледникового льда принимают участие следующие процессы:
- повторное замерзание инфильтрационной воды в толще ледника (образование инфильтрационного льда),
- перекристаллизация твердых атмосферных осадков без участия воды,
- повторное замерзание воды на поверхности ледника (образование конжеляционного льда),
- процесс режеляции.
Строение ледников
Наземный ледник можно разделить на две части, верхнюю – область питания (аккумуляции) и нижнюю – область абляции. Линяя разделяющая эти зоны называется границей питания ледника. Ее положение может изменяться в зависимости от климатических условий. Она иногда совпадает
с фирновой линией, которая в конце лета отделяет область ледника покрытого фирном от области обнаженного льда. В области питания происходит превращение снега в фирн и лед и накопление льда. Ледники питаются за счет поступления твердых атмосферных осадков, лавин, метелевого переноса и нарастающих осадков (изморозь, иней).
Балансом массы ледника называется соотношение прихода и расхода массы снега, фирна и льда на леднике за определенное время, т.е. разница между величинами аккумуляции и абляции. Уравнение баланса массы ледника в общем виде:
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415, (28)
где 13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415 – изменение запасов льда за рассматриваемый промежуток времени,
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415– приходная часть уравнения баланса массы ледника (аккумуляция),
13 EMBED Microsoft Equation 3.0 1415– расходная часть уравнения баланса массы ледника (абляция).
Приходная часть уравнения: твердые атмосферные осадки, метелевый перенос, лавинный перенос, нарастающие осадки (иней, изморозь, твердый налет), конденсация и сублимация водяного пара, жидкие осадки, масса повторно замерзшей воды внутри ледника. Основной вклад в увеличение массы ледника (аккумуляцию) вносят твердые атмосферные осадки.
Расходная часть уравнения: испарение, сток талых вод, возгонка, обвалы льда, сдувание снега ветром, откалывание айсбергов.
Если приходная часть уравнения превышает расходную (положительный баланс), то происходит увеличение массы и размеров ледника, и он наступает. Если, наоборот, расходная превышает приходную (отрицательный баланс) – уменьшается масса и площадь ледника, и он отступает. На соотношение между приходной и расходной частью уравнения баланса массы ледника в первую очередь оказывает влияние климатические изменения. В периоды длительных похолоданий наблюдается наступления ледников и наоборот.
Движение ледников
При достижении некоторой критической толщины лед приобретает свойства пластичности и начинает двигаться под уклон из области питания
в область абляции под действием силы тяжести. Характер движения – вязкопластическое течение или блоковое (глыбовое скольжение). Скорость колеблется от нескольких метров (вязкопластическое течение) до нескольких сотен метров в год (глыбовое скольжение) и может достигать нескольких тысяч метров в год в выводных ледниках Гренландии и Антарктиды.
Скорость движения ледника зависит от мощности льда, наклона ложа ледника, температуры и наличия воды в леднике.
Влияние ледников на сток рек
Реки, берущие начало в ледниках характеризуются повышенной водностью в теплый период, когда наблюдается наиболее интенсивное таяние ледников.
Опасные гидрологические явления
Проблема. Стихийные бедствия существуют лишь в силу того, что человек часто живет и работает в местах, которые являются ареной развития опасных гидрологических явлений, иногда и катастрофических. Ирония судьбы заключается в том, что зачастую такие территории оказываются по разным причинам очень привлекательными для освоения и даже заселения. И опасность их использования при этом просто-напросто игнорируется.
Как удержать людей от пребывания на опасных территориях? Что этому мешает? Во-первых, неверие обывателя в реальную опасность столь якобы далеких событий. Отсутствие осведомленности об угрожающих явлениях, порожденной неполнотой или искажением информации, ее неполноценностью, нечеткостью, противоречивостью. Оказавшиеся несостоятельными прогнозы и предупреждения, вызвавшие ложные тревоги и беспокойства. Существует отчуждение между населением и властями разного калибра из-за отсутствия профессионализма при предупредительных и спасательных мероприятиях,
а также промедлений и уклонений при организации экстренной помощи или послекатострофических компенсаций.
Очень важно понимать, что настоящая опасность исходит не от природы и ее стихий, а от преступного равнодушия, глупости, алчности и неосведомленности человека, обитающего среди природных явлений
без оглядки на них и спохватывающегося лишь тогда, когда грянет гром. Такое положение вещей многократно усугубляет последствия природных катастроф. Таким образом, стихийные бедствия – явление более социальное, чем природное.
Многие природные процессы, сопутствующие формированию стока и течению воды в реках, относятся к разряду опасных или вредных гидрологических явлений. Это наводнения, разного рода прорывные паводки, эрозия почвы, селевые потоки, оползни и многое другое.
Большинство опасных гидрологических явлений, о которых речь пойдет ниже, связаны почти исключительно с горными условиями.
География наводнений. Если взять обе российские столицы, то петербургские наводнения широко известны и почти разрекламированы, а вот в Москве мало кто помнит (или читал об этом), что в 1924 г. по Тверской улице неслась настоящая река.
В 1844 г. опустошительные наводнения случились в Прибалтике, Тверской и Оренбургской губерниях, а также на Западной Двине и реке Великой, на которой стоит город Псков.
1908 г. был отмечен большим наводнением на Верхней Волге, в том числе на Оке и Москва-реке.
В июле 1897 г. большое наводнение на реках Ингоде и Шилке (бассейн Амура) привело к затоплению строящейся тогда Транссибирской железнодорожной магистрали, в результате чего было принято решение поднять ее на 6,4 м.
Большие наводнения на Нижнем Енисее всегда были связаны с совпадением волн половодья всех «Трех Тунгусок» (Ангары, Подкаменной и Нижней Тунгусок). В 1937 г. город Енисейск был затоплен на глубину до 2,5 м. В 1959 г. наводнение совпало с расходом воды у Игарки, равным 159000 м3/с.
В 1979 г. на р. Вятке случилось особо сильное наводнение, превзошедшее все другие, случавшиеся за последние 100 лет.
В исторических документах сохранилась запись о неслыханных наводнениях на территории нынешней Германии в 987 г. (за год до крещения Руси).
В 1813 г. было особо крупное наводнение на реке Висла (Польша).
В 1910г. имело место необычайное наводнение на реке р.Сена в Париже.
В Италии на р.Ардо наводнения случаются довольно регулярно. Особо печально известно наводнение 3-4 ноября 1966 г, уничтожившие бесценные художественные сокровища во Флоренции.
Во время великого наводнения на р.Чанцзян (Янцзы) в 1931г. пострадало 60 млн. человек.
«Горе Китая», р.Хуанхэ, известна своими опустошительными наводнениями, сопровождающимися в ее низовьях блужданием русла и изменениями местоположения устья. За 4000 лет летописных сведений река более полутора тысяч раз прорывала дамбы, пытающиеся удержать реку
в положенном русле, и широко разливалась на просторах Великой китайской равнины, и более двадцати раз меняла свое русло, впадая то в Желтое, то
в Восточно-Китайское море.
Индийская «Река печали», приток Ганга Коси, ведет себя подобным же образом, правда в меньших масштабах и приносит средний ежегодный ущерб
в 100 млн. рупий.
К Ассамской долине (Индия), где протекает река Брахмапутра, примыкает плоская низменная равнина в пределах общей дельты Ганга, Брахмапутры и Мегхны (Бангладеш). На этой территории часто десятки тысяч квадратных километров скрываются под водой. Особо сильные наводнения здесь иногда принимают форму настоящего национального бедствия.
Регулярные разливы Нила делают его долину настоящей житницей,
но в отдельные годы здесь случаются наводнения, приносящие колоссальные бедствия. В 1874 году вода в Ниле у Кари поднялась против обычного
на 9 метров.
В 1974 году произошло Великое Австралийское наводнение. В середине января со стороны Тиморского моря муссон обрушил на всю северную часть Австралии мощные ливни. В Западной Австралии в течение 17 часов выпало 480 мм осадков (средняя интенсивность – 0,47 мм/мин). Города Дарвин (66 тыс. жителей) и Брум были частично затоплены и эвакуированы. В северо-западном Квинсленде вода поднялась выше телеграфных столбов. В конце месяца бедствие продолжало разрастаться. Вышла из берегов река Брисбен, текущая через столицу штата Квинсленд город Брисбен (800 тыс. человек). Всю первую половину февраля продолжали обрушиваться ливни. Принесенный ущерб был огромным. При всей своей катастрофичности наводнение 1974 года уступает таковому в 1893 году, когда в течение трех недель 10 тыс. жителей Брисбена (из 90 тыс) лишились крова.
Борьба с наводнениями на Миссисипи имеет свою длинную и поучительную историю. С 1927 года эта борьба перешла из рук местных властей в компетенцию федерального правительства США. Самое сильное наводнение (максимальный расход – 57 тыс. м3/с) случилось в 1973 году.
Величайшее стихийное бедствие на территории США произошло 18-25 июня 1972 года во время урагана «Агнесса». Наводнения распространились
от Джорджии до штата Нью-Йорк. Вашингтон был затоплен на треть метра. Материальный ущерб от урагана и последовавшего за ним наводнения превысил 3 млрд. долларов, погибло 118 человек.
Почти в то же время, 9-10 июня 1972 года на северо-восточных склонах гор Блэк-Хилс (высшая точка 2207 м) в штате Южная Дакота выпали сильнейшие осадки (400 мм менее чем за 6 часов, при средней интенсивности более 1,1 мм в минуту). Наводнение погубило 237 человек и нанесло ущерб, оцениваемый в 120 млн. долларов. Особо пострадал город Рапид-Сити на одноименной реке Рапид-Крик. Почти годовая норма осадков выпала практически за один день. Вероятность такого события была оценена в 0,02-0,05 процента, то есть предполагалось, что оно может произойти не чаще, чем один раз в несколько тысяч лет.
Наводнения. Если текущая вода по каким-либо причинам не умещается
в русле, то она выходит из берегов и затопляет окружающую территорию. Здесь течение замедляется или становится вообще невозможным, что способствует застаиванию воды и еще большему затоплению. Среди причин такой ситуации могут быть названы три:
- исключительно большой приток воды в результате стремительного снеготаяния или обильных ливней в бассейне реки;
- ветровой нагон воды в устьевых областях рек;
- неожиданное возникновение преграды течению реки – завалы, оползни, ледяные плотины, заторы и зажоры.
Чрезмерное затопление территории называют наводнением. Сильные наводнения – это всегда бедствие. Наиболее сложно судить о возможных размерах наводнений, вызванных первой причиной. Эти размеры всегда связаны с величиной максимальных расходов, но далеко не однозначно. Полное представление об источнике наводнения может дать только гидрограф стока.
Второй вариант наводнения определяется величиной расхода притекающей сверху воды и степенью ветрового воздействия, затрудняющего выход этой воды в море или озеро.
И, наконец, третий вариант связан с заторами и в меньшей мере
с зажорами. На крупных реках, особенно текущих на север, совпадение половодья с ледоходом часто приводит к заторам – массовым нагромождением льдин, частично перекрывающим пути течения воды. Следствие – подъем уровня и локальное наводнение. Этому способствует встреча ледохода с еще сохранившимся ниже по реке достаточно прочным ледовым покровом. Чаще всего заторы приурочены к поворотам или сужениям русла, а также к участкам с островами и протоками. В принципе на каждой реке встречаются участки, где заторы случаются особо часто. Очень важно понимать, что любой затор, даже возникающий в одном и том же месте, всегда сугубо индивидуален.
Прорывные паводки
Большие уклоны и перепады высот, особенно при слабой устойчивости склонов, активности гляциальных явлений и сейсмических воздействиях, иногда приводят к перегораживанию рек естественными плотинами, прорывы которых бывают катастрофическими. События такого рода всегда необычны и уникальны, ибо "выброс" величин расходов, уровней, скоростей происходит далеко за пределы обыденности. И условия формирования прорывного феномена также исключительны и не имеют ничего общего с обычным состоянием реки и ее бассейна.
Самым животрепещущим аспектом 8завалов речных долин, ущелий и каньонов представляется оценка продолжительности жизни подпруженного озера. "Быть или не быть", что пересилит - река или дамба, вот в чем вопрос. А вообще такие озера могут быть временными, существующими считанные часы, дни, месяцы, или же условно постоянными. Интуитивно понятно, что чем дольше продержится плотина, то тем, при прочих равных условиях, грандиознее прорыв. Материал, из которого природа "строит" свои завалы – это обломочная горная порода или лед.
Прорывы горных завалов. Особо крупные горные обвалы и оползни, полностью перекрывающие течение реки, происходят достаточно редко. Однако если иметь в виду не отдельную долину или даже горную систему, а всю планету, то это уже реальное, время от времени случающееся, событие. Никакие надежные априорные прогнозы здесь почти невозможны, и способы предотвращения прорывов всегда привязаны к конкретному объекту.
С февраля 1911 г., когда в результате землетрясения в хребте Музкол (Памир, Таджикистан) два с лишним кубических км раздробленной скальной породы рухнули в долину р. Мургаб, существует проблема Сарезского озера.
За Усойским завалом создано длинное и глубокое озеро, вмещающее 17 км3 воды. Возможность обвала в озеро и последующего прорыва достаточно реальна. Следы былых катастроф на Сарезе свидетельствуют, что и ранее здесь существовали завальные озера, причем более крупные, чем ныне существующие. И все они, в конце концов, прорвались. Ниже Усойского завала лежат заселенные долины Бартанга, Пянджа, Амударьи.
Прорывы озер, подпруженных ледниками. Одной из самых крупных гляциальных катастроф является прорыв временно подпруженных ледниковых озер. Завальные озера, возникшие в результате обвалов и оползней горной породы, могут существовать десятки, сотни и тысячи лет, хотя и они могут прорваться. Ледяные же плотины, сколь бы мощными они ни были, недолговечны, лед тает, трескается, отдельные его блоки всплывают, и разрушение такой плотины – вопрос времени.
Процесс опорожнения озера начинается с момента начала истечения воды под ледяной плотиной. Этот процесс определяется двумя основными явлениями – увеличением площади поперечного сечения туннеля и падением гидростатического напора, по мере сработки объема озерной воды.
Ледник, в теле которого вырабатывается туннель, обычно расколот, и многие туннельные полости связаны с дневной поверхностью ледниковыми мельницами и трещинами. Процесс движения воды через ледяной туннель носит дикий, конвульсивный характер. Явление сопровождается содроганиями ледника, обвалами льда, бьющими из трещин фонтанами воды.
Известный объект геологического прошлого: озеро Мизула (Северо-запад США, плейстоценовый Кордильерский ледник, образовалось несколько десятков тысяч лет назад, объем 2168 млрд. м3, прорыв в долину реки Колумбия, расход около 10 млн. м3/с).
Прорывы внутриледниковых водоемов. Ледник – это не просто глыба льда, принявшая форму той долины, где она залегает. Внутри ледника обычно имеется скрытая от глаз система полостей и туннелей, свободных или заполненных водой, находящейся иногда даже под большим давлением. Прорвавшееся озеро оставляет информацию, записанную на склонах озерной чаши. Сложнее обстоит дело в случаях прорыва воды из внутриледниковых полостей. Местоположение их обычно неизвестно, поэтому чаще можно говорить, скорее, о косвенных признаках их наличия в леднике, чем
о непосредственной фиксации. Тем не менее, известно довольно много случаев прорыва именно внутриледниковых водоемов.
Поставить диагноз – идет накопление воды и ожидается прорыв – принципиально возможно по корреляционным графикам расходов воды соседних ледниковых рек. Выброс эмпирических точек в сторону преуменьшения для диагностируемого объекта свидетельствует об опасности возникновения гляциальной прорывной волны. Чем большая часть талой воды будет удержана ледником, тем катастрофичнее может оказаться возможный прорыв и тем заметнее это скажется на режиме стока питаемой ледником реки.
Выпадение сильного ливня на язык ледника может привести к резкому нарастанию объема воды, накапливающейся во внутриледниковых полостях. Реальность совпадения двух различных процессов – выпадения интенсивного ливня именно на поверхность тающего ледника и начавшегося накопления талых вод в закрывшейся глетчерной дренажной системе – различна для разных районов.
Прорывы моренных озер. Конечные морены представляют собой нагромождения рыхлообломочной породы, часто прослоенные блоками и линзами льда, отчленившимися или сохранившими связь с телом основного ледника. Мореный рельеф, осложненный многочисленными грядами, холмами, ложбинами, воронками и блюдцеобразными понижениями, именно вследствие присутствия в морене погребенного льда и развития термокарстовых процессов отличается исключительной изменчивостью. Жизнь морены и моренных озер очень динамична и изобилует многими сюрпризами. Размеры озер очень различны: длина и ширина – десятки и сотни (реже тысячи), глубина – единицы и первые два-три десятка метров, площадь – десятки и сотни тысяч квадратных метров, объем – десятые доли и единицы миллионов кубических метров. Два основных типа моренных озер, краевые (приледниковые) и провальные (термокарстовые), морфометрически различаются: при одинаковых глубинах первые превышают вторые по площади в 2-4 раза. В различных горных системах моренные озера расположены не всегда на одинаковых высотах:
в Тянь-Шане ими отмечен диапазон 3300-3900, в Алае 3700-4300, на Памире 4300-4700 м.
Ледниково-моренный комплекс необычайно динамичен. Озера здесь зарождаются и исчезают, как тихо и незаметно, так и конвульсивно. Прорывы моренных озер случаются повсеместно и не так уж редко. В период повышения температуры воздуха и продвижения нулевой изотермы высоко в горах обострение опасной ситуации идет по двум направлениям: усиливаются термокарстовые проявления, влекущие за собой разного рода изменения
во внутриледниковой системе каналов стока, просадку мерзлой обломочной породы и ослабление озерных дамб, и резко увеличивается приток талых вод
в озерные котловины, что влечет за собой опасное переполнение последних. Именно при сочетании этих двух процессов ситуация становится угрожающей и достаточно незначительного перелива, чтобы озерная плотина разрушилась, или начавшегося истечения воды, чтобы система гротов и туннелей стремительно расширилась и озеро быстро опорожнилось.
Долгосрочный прогноз о переходе моренного озера в угрожающее состояние может быть дан на основании графика роста объема озера при его максимальном ежегодном наполнении.
Волновые катастрофы
Если вы, поскользнувшись, упадете в свою ванну, то выплеснете половину воды на пол. А что случится, если в водоем обрушится обвал, оползень, сель? Последствия могут быть самыми разными, но все они связаны
с "эффектом бухты Литуя". Названная бухта – узкая (1,6-3,2 км) полоса воды – на 11 км внедряется в сушу (Южная Аляска), где разветвляется на две составляющие: фьорды Крильон и Гилберт, в которые спускаются ледники.
9 июля 1958 г. в результате сейсмического толчка скальный обвал объемом 36,5 млн. м3 рухнул с километровой высоты в воды фьорда Гилберт. Гигантская волна взметнулась по склону противоположного берега на невероятную высоту – 522 м, вырвав с корнем все деревья девственного леса ниже этой отметки.
Итак, речь идет о мощной волне, которая может разрушить естественную или искусственную плотину, подпирающую водоем, или просто перебросить через последнюю массу воды, формирующую в нижнем бьефе паводок или селевой поток.
Хрестоматийный пример. В Карнийских Предальпах в долине р. Вайонт в полутора километрах от ее впадения в р. Пьяве, вливающуюся
в Венецианский залив Адриатического моря, в 1960 г. была построена тонкая бетонная арочная плотина высотой 265 м и имеющая в длину 100 и в ширину – 3,4 м сверху и 23 снизу. В водохранилище Вайонт находилось 120 млн. м3 воды, когда 9 октября 1963 г. в 22 ч 38 мин по гринвичскому времени мощный оползень объемом 240 млн. м3 менее чем за 30 секунд обрушился в него
с левого берега. В месте его падения возникла грандиозная волна, которая
за 10 секунд пересекла 2-х километровую акваторию и достигла
на противоположном склоне относительной отметки 260 м. Через гребень плотины вода излилась потоком 100-метровой глубины. По реке ниже плотины прорывная волна высотой 70 м захлестнула г. Лонгарон, расположенный
в устье р. Вайонт. Ниже по течению р. Пьяве пострадали еще четыре населенных пункта. Менее чем за 7 минут погибли 2100 человек. Плотина уцелела.
Угроза? Да еще какая! Возможность новых обвалов реальна.

Селевые потоки
Проблема. Селевые потоки – одно из самых опасных и распространенных гидрологических явлений в горных странах и вообще в мире больших уклонов. Проблема селей постоянно остаётся проблемой не только
в силу того, что селеведение будет и впредь непрерывно развиваться,
но и в связи с особой спецификой самого явления. Во-первых, ими занимаются представители целого спектра наук (гидрологии, геологии, геоморфологии, географии, механики, реологии), а значит, полноценно, практически никто.
Во-вторых, систематические измерения проходящих селевых потоков и сопутствующих явлений по разным причинам, в том числе и очевидным, никем не проводятся. И, наконец, в-третьих, экспериментальные и полевые исследования селевых потоков требует столь большого финансирования и проявления настолько отчаянного энтузиазма, которые, по крайней мере,
в России начала XXI века недостижимы.
Что же такое сель? Это – горный поток, состоящий из смеси воды и рыхлообломочной горной породы. Возникают селевые потоки во время особо интенсивных ливней или при прорыве моренных озер и других ледниковых водоёмов в результате взаимодействия воды и рыхлообломочной породы
в ложбинах и ущельях, имеющих большой уклон. Основные признаки селей: внезапность и кратковременность действия.
Соотношение количества твердого и жидкого вещества, которое может быть выражено величиной плотности смеси, – главное и определяющее свойство потока. Напомним, что плотность воды составляет 1000 кг/м3, а плотность вещества горной породы будем полагать равной 2700 кг/м3, что приблизительно соответствует действительности в подавляющем большинстве случаев. Плотность селевых потоков колеблется в широком диапазоне – от 1100 до 2500 кг/м3. Наряду с плотностью поведение селевой массы определяется ее составом, т.е. относительным количеством частиц разных размеров.
В зависимости от состава и плотности селевой массы различают три типа селей: наносоводные, грязевые и грязекаменные. Указать точные граничные значения плотности для отдельных типов селевых потоков невозможно, но приближенные "стертые" границы для наносоводных, грязевых и грязекаменных потоков вырисовываются достаточно отчетливо: 1100-1500, 1600-2000, 2100-2500 кг/м3.
Наносоводный – селевой поток низкой плотности, возникающий при прохождении сильного паводка, срывающий крупнообломочный русловой материал, так называемую самоотмостку, и переносящий большое количество взвешенных и влекомых наносов за счет своей транспортирующей способности.
Грязевой – селевой поток высокой плотности, состоящий из грязи
с возможным включением обломков горной породы.
Грязекаменный – селевой поток предельно высокой плотности, состоящий из обломков горной породы, промежутки между которыми заполнены грязью.
Как и другие стихийные явления, селевые потоки вписали многие мрачные страницы в историю борьбы человека с природой. Гибель людей, частично или полностью уничтоженные населенные пункты, разрушенные мосты и дороги, занесенные поля и сады, расходы на ликвидацию последствий вредного воздействия селей и на селезащиту – вот та цена, которую платит человечество за недосмотр, неумение, опрометчивость, за пренебрежение
к селевым потокам.
Горная порода под совместным воздействием воды, льда, ветра, колебаний температуры, химических и биологических явлений разрушается. Под влиянием силы тяжести продукты разрушения (выветривания) осыпаются вниз и накапливаются в рытвинах, бороздах и понижениях.
В заключительном акте на сцену выступают процессы переноса - продукты выветривания перемещаются с гор на равнину под воздействием
в первую очередь текущей воды и в меньшей степени льда и ветра. Отдельный селевой поток в небольшом горном бассейне единовременно может вынести столько обломочного материала, сколько его водному собрату, проходящему по тому же руслу, не одолеть и за сотню лет. Стало быть, и в этом случае селевые процессы в большой мере определяют ситуацию, особенно если учесть, что резкое увеличение наносов в реках часто связано с усилением селевой деятельности и что крупные валуны и глыбы, легко и непринужденно выносимые грязекаменными потоками, ручьям и рекам не под силу даже сдвинуть с места.
Таким образом, можно констатировать, не принижая значения других процессов переноса, что природа использует селевые потоки в качестве одного из основных агентов денудации. Поэтому роли селей в истории формирования рельефа и облика земной поверхности, до сих пор недооцениваемой, следует отдать должное.
Селевые очаги
Селевой очаг – морфологическое образование, способное концентрировать сток, вмещающее ПСМ (потенциальный селевой массив) и имеющее достаточный уклон для развития сдвигового или транспортно-сдвигового селевых процессов и, тем самым, для формирования грязевого или грязекаменного потоков высокой плотности.

Генетические типы селевых очагов:
Обводнения
Взаимодействия
Определения:
Селевые очаги обводнения – ложбины в покровных рыхлообломочных породах с обнаженными, задернованными или залесенными склонами или
в скальных и полускальных породах, вмещающие ПСМ при углах наклона

·>
·1 и в которых способен развиваться сдвиговый селевой процесс
с формированием селевых потоков высокой плотности.
Селевые очаги взаимодействия – ложбины, врезы, рытвины, русла, тальвеги в покровных рыхлообломочных породах и ложбины и кулуары
в коренных породах, вмещающие ПСМ при углах наклона
·1 >
· >
·2 и имеющие сверху импульсные прорывные водные системы или водосборы, способные формировать паводки с расходами, превышающими их критическое значение. В этих селевых очагах способен развиваться транспортно-сдвиговый селевой процесс с формированием селевых потоков высокой плотности.
Ландшафтные типы селевых очагов:
Действующие (с видимыми следами селевой деятельности):
Селевые обнажения;
Селевые врезы;
Селевые рытвины.
Потенциальные (без видимых следов селевой деятельности):
Залесенные селевые ложбины;
Задернованные селевые ложбины;
Селевые ложбины с осыпными и курумными склонами;
Селевые ложбины в скальных и полускальных массивах;
Селевые ложбины на уступах морен.



Селевые водосборы и водосборы селевых очагов
Селевой водосбор – краткое наименование бассейна, содержащего стокообразующие поверхности и способные сформировать наносоводный селевой поток. Обычно это водосборы поверхностного стока.
Водосбор селевого очага – часть селевого бассейна, принимающая непосредственное участие в питании селевого очага водой. В их пределах может формироваться как поверхностный, так и почвенный, и грунтовый сток.
Рельеф – это тот плацдарм, где развертываются селевые процессы. Обычно чем выше горы, тем большего от них может ожидать гидролог.
Но высота сама по себе еще ни о чем не говорит. Северный Тибет, Восточный Памир, Альтиплано в Боливии – плоскогорья, поднятые на высоту 4-5 тыс.м, не отмечены выдающейся селевой деятельностью. Важны контрасты, молодость рельефа, взлет склонов и вершин над узкими и глубокими долинами. И если говорить о карте рельефа, наилучшим образом информирующей о селеопасности территории, то это будет карта уклонов, но не гипсометрическая. При прочих равных условиях хребты окраин горных сооружений, первыми принимающие на себя удар влагоносных воздушных масс, более селеактивны.
Горная порода – это материал, из которого природа лепит сели. Скальные и рыхлые породы слагают поверхность Земли. Очевидно, что их свойства уже сказались в облике рельефа. Рыхлые породы в той или иной мере подготовлены к селеформированию. Что же касается скальных пород, то нас
в первую очередь должна интересовать податливость их выветриванию, т.е. способность превращаться в свою рыхлую разновидность.
Вода – это ливни, прорвавшиеся озера и внутриледниковые водоемы. Часто именно отсутствие воды лимитирует селепроявления.
География селей
Многочисленные скальные селевые очаги на южном склоне Рушанского хребта, легко обозреваемые с Памирского тракта, вследствие слабых ливневых возможностей района десятки и сотни лет ждут своего часа. Конечно, рано или поздно долготерпение их будет вознаграждено, но станем ли мы этому свидетелями?
На земном шаре много сухих мест, где дожди выпадают крайне редко. Это, например, Сахара, пустыня контрастов и парадоксов, отмеченная редкостью и в то же время удивительной силой дождей. Ливневые воды
на короткое время переполняют сухие русла, имеющие здесь специфическое наименование "вади", и одна из главных опасностей, подстерегающих вас
в Сахаре – это опасность утонуть.
Перенесемся на 10 тыс.км к тихоокеанскому берегу Южной Америки. Здесь, у подножия Анд, лежит одна из самых сухих местностей нашей планеты. Тысячи селевых бассейнов томятся в бесплодном ожидании. Но дожди случаются и здесь. Обыденность нарушается резким усилением теплого океанического противотечения Эль-Ниньо. Последствия этого бывают ужасными. Внезапно возникшие нагромождения облаков изливаются на склоны гор грандиозными ливнями, грязекаменные и наносоводные потоки устремляются через прибрежную равнину в океан, разрушая по пути дороги, мосты, оросительные системы и занося поля селевыми отложениями.
Альпы настолько освоены человеком, что там даже малые сели переносятся очень болезненно, а катастрофические сразу попадают в разряд национальных бедствий. Селевые явления здесь разнообразны, активны и повсеместны. Можно утверждать, что над Французскими, Швейцарскими, Итальянскими, Австрийскими Альпами непрестанно слышится грохот грязекаменных потоков.
Большой Кавказ – район бурного протекания селевых процессов. Черные грязекаменные потоки в его юго-восточной части – выдающиеся во многих отношениях. В Приэльбрусье, Сванетии, Дагестане, Казбекском районе селевые потоки время от времени будят эхо почти во всех ущельях.
Огрызаются селями и приполярные горы Антарктиды, острова Евразиатской Арктики, Канадского Арктического архипелага, Гренландии,
не говоря уже об Исландии, которую йокульлаупы (прорывные ледниковые паводки) и гляциально-вулканические процессы превратили в остров величайшей селевой напряженности.
Залесенность хребтов, даже полная, часто не может служить гарантией отсутствия селевых явлений, и это подтверждают примеры Карпат, Средне-Сибирского плоскогорья, Хамар-Дабана, Сихотэ-Алиня, Белых гор в Нью-Гемпшире, Аппалачей, плато Кваха в Гане, Гонконга, района Рио-де-Жанейро.
Селевые потоки настолько вошли в жизнь населения Малайского архипелага и Японских островов, что Индонезию можно назвать страной лахаров и банджиров, а Японию - ямацунами и тоисирю.
Горы – горами, но во многих лишь слегка всхолмленных местах также случаются сели, например, в Киеве или в оврагах и балках Средне-Русской возвышенности... Мы останавливаемся, иначе мы с вами придем к выводу, что сели вообще повсеместны и вездесущи.
Как зарождается сель? Попробуем дать обобщенную картину.
Лето выдается дождливым. Сильные и моросящие дожди сменяют друг друга. Почва обильно напоена влагой. И вот в довершение всего на склоны гор обрушивается ливень. Грунтовая толща насыщается, тяжелеет, особенно вдоль тальвегов, по низинам.
Неожиданно раздается утробный чавкающий звук, как бы глубокий вздох земли, и с этого момента события развертываются
с головокружительной быстротой. Вздрагивает громадный участок склона – центральная часть широкой ложбины. Молниеносно пробегают зигзаги трещин. Чудится какое-то неестественное шевеление, и уже мелькают отдельные земляные блоки с нетронутой луговой поверхностью, или кустами, или с уже падающими деревьями, верхушки которых выписывают замысловатые траектории. Следующий миг! Колышущаяся грунтовая масса, клочья трав, ветки и обломки древесных стволов. Еще мгновение! И уже оползает и осыпается мокрая порода по свежим откосам вырванной в склоне хребта как бы дымящейся глубокой ниши. А внизу, непрерывно меняя очертания, несется вал грязевой плазмы, как кара небесная ворвавшийся
в зеленую долину.
Своеобразен вариант, когда ПСМ сложен продуктами разрушения таких пород, как мергели или глинистые сланцы. В этом случае при увлажнении он приобретает пластические свойства. Если толща обломочной породы достигает определенной мощности и увлажнения, то в теле ПСМ начинается пластическая деформация. Скорость движения при этом невелика, сантиметры в час, но деформация приводит к разрыхлению породы. Это известный факт: рыхлая сыпучая среда при сдвиге уплотняется, а плотная, наоборот, разpыхляется. В обоих вариантах достигается одна и та же пористость, которая в грунтоведении получила название критической. Если в это время выпадет сильный ливень, то деформация усиливается, на фронте ПСМ движение ускоряется и вдруг внезапно ПСМ начинает "изливаться". При этом фронт неподвижного ПСМ пятится назад, и вверх по "камнегрязехранилищу" бежит волна возмущения, а грязекаменная масса в виде селевого потока устремляется вниз по долине.
Сели высокой плотности. В движущемся потоке, особенно в голове его, камни и глыбы часто образуют замкнутые группы, скользящие в данный момент времени относительно друг друга, чтобы чуть позже образовать новые группы. Происходит как бы непрерывная переупаковка камней и обломков. Исключительную бурность грязекаменного потока, особенно на крутых участках, изобилующих изгибами и скальными выступами, создает крупнообломочный каркас потока, который, непрерывно и сильно деформируясь, почти мгновенно выжимает, выбрызгивает жидкую грязь вместе с мелкими камнями в воздух над потоком. Поверхность потока в таких местах представляет собой трехкомпонентный (мелкозем, вода, воздух), как бы кипящий слой, в котором время от времени на мгновение появляются лоснящиеся спины громадных валунов. Над потоком, особенно
на "грязепадах", клубятся облака грязевой пыли, везде господствуют пляшущие грязевые протуберанцы. Иногда отдельные глыбы или целые их скопления, соизмеримые с шириной и глубиной потока, увлекаются им, скользят и влачатся, задевая за выступы руслового ложа. В узких скальных каньонах глыбы порой заклинивает, тогда поток переливается через них стремительным грязекаменным каскадом. Ниже грязепадов, где скальное русло расширяется, селевая масса, перемешиваясь, вращается как бы в мощном грязевороте, прежде чем устремиться далее вниз. В местах расширения русла и снижения уклона течение наоборот приобретает более упорядоченный вид и спокойный характер. Именно в этих местах особо ощущается высокая плотность потока, его вещественная сущность и неудержимая мощь. Зачастую у одного берега можно видеть скользящую ровную ленту потока, в то время как у другого грязекаменная жижа находится в хаотическом состоянии. Анестезирующий запах, грязевая пыль, дрожание земли, рев и гул, почти неслышные в общем, грохоте всплески жидкой грязи, новые и новые катящиеся грязекаменные валы... Мощь селя, его неповторимое дыхание и мрачная красота навсегда оставляют человека эмоционально потрясенным.
Лахары. Особое место среди селей занимают потоки вулканического происхождения, получившие даже специальное наименование "лахары". Размеры и мощность лахаров могут быть грандиозными, в движении могут участвовать десятки и сотни миллионов кубических метров грязевой и грязекаменной массы. Селевые потоки на склонах вулканических конусов формируются при излиянии кратерных озер, при стремительном таянии снега и льда во время извержений, при переходе пирокластических потоков, состоящих из очень подвижной смеси обломочного материала и раскаленных газов,
в лахары, когда существуют условия обводнения (катастрофическое снеготаяние, реки), при выпадении интенсивных ливней, особенно сразу после извержения. В вулканических районах опаснее всего не сами извержения, а вызванные ими лахары.
Малайский архипелаг, Филиппины, Япония, Камчатка, Каскадные горы
в Северной Америке (например, лахары вулкана Сент-Хеленс в 1980 г.), Анды Южной Америки (например, лахары вулкана Руис в 1985 г., уничтожившие городок Армеро), Исландия, Новая Зеландия – вот территория, подверженная воздействию лахаров.
Оползни, снежные лавины, снеговодные потоки
Оползни. Горный оползень – массив рыхлообломочной породы, сильно насыщенный водой, смещающийся вниз по склону. Образуется, когда сдвигающаяся сила превысит удерживающую или при сейсмических ударах. Ситуация, в общем, совпадает с описанной при развитии сдвигового селевого процесса. Отличия заключаются в поведении сдвинувшегося рыхлообломочного массива, зависящем от свойств последнего. Типичные оползни, как участки склона, хотя бы частично сохраняют свою целостность, иногда вплоть до растительного покрова. Движение может быть различным
по типу (простое скольжение, скольжение с опрокидыванием) и скорости
(от малой до очень большой). В неконсолидированных грунтах смещение дает начало движению так называемых оползней-потоков. Последние ничем не отличаются от селевых потоков высокой плотности, разве только дальностью распространения.
Снежные лавины. Снежная лавина – оторвавшаяся масса снега, которая, нарастая, быстро (20-30 м/с) движется вниз по склону. Условия зарождения лавин подобны любым явлениям, связанным со сдвиговыми процессами, но имеют много особенностей, определяемых физическими свойствами и состоянием снега.
Метаморфизм снежного покрова и его деформация под действием собственной тяжести приводит к изменениям прочности снега, его проседанию и сползанию. Геометрические особенности формирования тела будущей лавины обычно связаны с особенностями мезорельефа, но часто зависят и
от многих случайностей, иногда на первый взгляд пустячных.
Снежные лавины обычно забывают причислять к гидрологическим явлениям, но по большому счету это неверно.
Снеговодные потоки. Наклонные узкие ложбины, где скапливаются особо большие снежные запасы, при внезапном и сильном потеплении заполняются густой кашей из воды и снега, удерживаемой целой системой снежно-ледяных плотинок и дамбочек. В условиях активного снеготаяния, переполнения "водо-снегохранилищ", теплового и механического разрушения перемычек, происходит прорыв, и тогда снеговодный поток, имеющий многие признаки селевого, несется вниз на многие километры.
Снеговодные потоки, занимая промежуточное положение между наносоводными селями и мокрыми снежными лавинами, имеют свои особенности и собственные закономерности формирования, а также зоны распространения. Случаются они повсеместно, где развит приличный сезонный снежный покров, но в основном сведения о них приходят из горных районов Арктики, Субарктики и Антарктики.
Существует определенный диапазон уклонов (10-250), способствующих оптимальному развитию снеговодных потоков. Классические районы их распространения – Хибины, Полярный Урал, Путорана, Бырранга, Шпицберген, Канадский Арктический архипелаг, Гренландия, Аляска.
Селевые потоки на ледниках
Геналдонские катострофы. При катастрофических подвижках и обвалах ледников иногда наблюдается отрыв части ледниковой массы, сопровождающийся дроблением льда, выбросом внутриледниковых вод, захватом рыхлообломочных отложений. При этом образуются своеобразные потоки смеси воды, льда и обломков горной породы, скорости которых очень велики как вследствие большой подвижности названной смеси, так и
в результате получения импульса от первичного обвала.
В этом плане широко известна так называемая Санибанская (Геналдонская) катастрофа в бассейне р.Геналдон на северном склоне Казбекско-Джимарайхохского массива Большого Кавказа. В районе ледника Колка 3 и 6 июля 1902 г. случились два гигантских выброса ледяной массы. При этом был разрушен курорт Кармадон, расположенный близ конца ледника Майли, с которым ледник Колка сливался еще в конце прошлого столетия. Более 70 млн.м3 льда и горной породы отложились по дну долины р.Геналдон на протяжении 8 км. Лед сохранялся здесь в течение 12 лет.
20 сентября 2002 года в бассейне р. Геналдон с перемычки между горными вершинами Джимарай-Хох (4780 м) и Майли-Хох (4598 м) с 800-метровой высоты на поверхность ледника Колка рухнула лавина обломков льда и горной породы объемом не менее 60 млн. кубических метров. В результате удара из тела ледника было «выбито» дополнительно 70 млн. кубических метров, после чего лавина устремилась вниз по долине Геналдона, по которой и прошла 19,5 км со скоростью около 80 м/с. Удар лавины принял на себя правый борт долины, ниже древних развалин селения Генал, где отложилась основная масса ледокаменного потока объемом 110-115 млн. м3. В этом месте расположены так называемые Кармадонские ворота – вход в узкое (17-30 м по дну) извилистое ущелье, прорывающееся через Скалистый хребет. Через это ущелье часть ледово-каменной массы проследовала дальше, постепенно превратившись в типичный грязекаменный (с присутствием большого количества льда) селевой поток. Приведенные цифры соответствуют данным геолога И.М. Васькова, который сформулировал серию вопросов, ответы на которые могли бы прояснить природу описываемого катастрофического явления. Наиболее интересны из них следующие:
- Каков был начальный импульс, достаточен ли он для объяснения величины наблюдаемых объемов и скоростей?
- Как распределилась энергия удара?
- Принимать ли во внимание теорию пульсации ледников?
- Каковы оптимальные соотношения горной породы и льда для поддержания высоких скоростей?
- Каков был характер движения массы в зоне транзита?
- Возможно ли было создание «воздушной подушки»?
Расчеты позволили оценить возможные скорости движения ледово-каменной лавины в зоне транзита (уклон 7,1 гр; глубина потока 60 м):
Около 100-120 м/с, с учетом свободного падения с высоты 500 м;
Около 25 м/с, без учета последнего.
Таким образом, нет необходимости сомневаться в достижении столь высоких скоростей движения ледово-каменных лавин. Можно также полагать, что пульсационные свойства ледника Колка к данной катастрофе отношения не имеют. Следует исключить и бездоказательные рассуждения о возможной роли «воздушной подушки» в обеспечении высоких скоростей подобных лавин. Интересно, что эта «красивая» идея время от времени реанимируется в связи с какими-нибудь очередными катастрофами. Воздушная волна часто сопровождает подобные лавины и даже вырывает с корнем деревья и кустарники вдоль их границ (как это было при вышеописанной Хаитской катастрофе), но не более того. Воздух – слишком подвижная среда, чтобы попасться в лавинную ловушку при столь чудовищном давлении.



ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица 1.
Наиболее крупные реки земного шара*.
Номер по площади бассейна
Наименование рек
Площадь бассейна
(водосбора)
в км2
Длина реки
в км
Номер по длине реки

1
Амазонка (Ю. Америка)
7180 тыс.
9750 **
1

2
Конго (Африка)
3 680
4700
7

3
Миссисипи с притоком Миссури (С.Америка)
3 300 тыс.
6420
3

4
Нил(с Кагерой) (Африка)
2,83,4 млн**
6671**
2

5
Парана (Ю. Америка)
2 663 тыс.
4380
9

6
Обь с Иртышом (Азия)
2 990 тыс.
5 410
5

7
Енисей от истоков [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] (Азия)
2580 тыс.
4287
10

8
Лена (Азия)
2 490 тыс.
4 400
8

9
Нигер (Африка)
2 118 тыс.
4 180
12

10
Амур с р.[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] (Азия)
1855 тыс.
5 052
6

11
Янцзы (Азия)
1 808  500
6300
4

12
Маккензи от истока [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] (С. Америка)
1 805 200
4 241
11

13
Замбези (Африка)
1 570 тыс.
2 574
15

14
Волга (Европа )
1 361 тыс.
3530
13

15
Ганг (Азия)
1 060 тыс.***
2700***
14

16
Река Св. Лаврентия (С. Америка)
1 030 тыс.
1197
16







Содержание

13 TOC 14Учебное-методическое пособие 1
Долина реки это относительно узкое и вытянутое в длину, обычно извилистое углубление в земной поверхности, образованное вековой деятельностью стекающей по поверхности земли воды, с наличием русла современного водотока и характеризующееся продольным уклоном дна. 38
У молодых долин выделяются коренные берега и узкое дно, нередко целиком занятое руслом. У древних долин дно более широкое, в его пределах выработаны рекой пойма и террасы. 38
Речные террасы представляют собой формы рельефа в пределах речной долины, образованные деятельностью реки; горизонтальные или слегка наклонные площадки, возвышающиеся над поверхностью поймы, ограниченные сверху и снизу уступами. Обычно речные террасы располагаются несколькими ярусами. 40
Пойма – пойменная терраса, часть дна долины, затопляемая в половодье и поднятая над меженным уровнем. 40
К гидролого-морфометрическим характеристикам поперечного сечения относят: ширину русла (В, м) (смотри рисунок 10), площадь поперечного сечения (w, м2) (смотри рисунки 9б и 10), среднюю глубину (Нср, м), длину смоченного периметра (P, м) (смотри рисунки 9б и 10), гидравлический радиус (R, м). 41
Средняя глубина (Нср, м) – отношение площади водного сечения (w, м2) к ширине русла (В, м). 41
Смоченный периметр (P, м) – часть периметра, по которой происходит соприкосновение потока с твёрдыми стенками (смотри рисунки 9б и 10). 42
При достижении некоторой критической толщины лед приобретает свойства пластичности и начинает двигаться под уклон из области питания 72
в область абляции под действием силы тяжести. Характер движения – вязкопластическое течение или блоковое (глыбовое скольжение). Скорость колеблется от нескольких метров (вязкопластическое течение) до нескольких сотен метров в год (глыбовое скольжение) и может достигать нескольких тысяч метров в год в выводных ледниках Гренландии и Антарктиды. 72
Скорость движения ледника зависит от мощности льда, наклона ложа ледника, температуры и наличия воды в леднике. 72
Влияние ледников на сток рек 72
Реки, берущие начало в ледниках характеризуются повышенной водностью в теплый период, когда наблюдается наиболее интенсивное таяние ледников. 72
Опасные гидрологические явления 7315




















13 PAGE 14215



Root Entry

Приложенные файлы

  • doc 24240253
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий