§ XVII 1.3. Речные долины и русла рек. Типы питания рек

Осадки, выпадающие на земную поверхность в виде дождя, или вода, образующаяся при таянии снега, дают начало как элементарно­му, достаточно быстрому поверхностному стоку, так и весьма мед­ленному подземному стоку.

Поверхностный сток начинается непосредственно на склонах рель­ефа вблизи водоразделов. По мере слияния отдельных струек вода собирается в местные понижения на склонах и стекает по уклонам в виде мелких ручейков. В результате слияния таких ручейков обра­зуются сначала большие ручьи, а затем значительные водотоки — рекн, протекающие по относительно узким углублениям земной по­верхности, называемым речными долинами. Территория, с которой происходит сток воды в реку, называется бассейном реки.

Последовательно сливающиеся реки, образуют все более и более крупные водотоки; совокупность таких рек называется речной систе­мой (рис. XVIII.5), в которой можно выделить главную реку, впадаю­щую в мор« или озеро, и ее притоки.

,

Несмотря на то, что склоновый элементарный сток происходит только периодически, сток рек, как правило, круглогодичен. Это объясняется тем, что для стекания значительного количества воды, собирающейся в реку большой длины, требуется большее время, чем д.|я опорожнения многочисленных небольших коротких склонов, питающих пеку. Кроме того, к поверхностному стоку присоединяются выходы подземных вод, приток которых в реку практически непреры­вен. Конечно, при этом в годовом цикле стока наблюдается существен­ная неравномерность и, в частное™, могут быть выделены периоды стока максимального и минимального.

Речные долины образованы в большинстве случаев во время текто­нических деформации земной поверхности или при движении древних ледников. Однако процесс формирования речных долин происходил и после их первичного образования н продолжается почти непрерывно под действием текущей воды.

Вода, стекающая по верхнему участку речной долины со значи­тельным уклоном, многие тысячелетия разрушала рыхлые породы и выносила их вниз по течению. На остальном протяжении речной долины, где продольные уклоны значительно меньше, долгое время откладывалось большое количество продуктов разрушения верхнего ее участка.

Поэтому в поперечных разрезах среднего и нижнего участков реч­ной долины всегда можно видеть слой наносов — аллювия, т. е. частиц грунта, принесенных водой. Под толщей этого слоя залегают породы первичной поверхности речной долины, образованной в древ­нем геоло! нческом процессе. Такие породы называются коренными (рис. XVIII.6, а).

По мере смыва рыхлых грунтов уклон верхнего участка речной долины уменьшается, а вместе с ним уменьшается и вынос наносов вниз по течению. Вследствие этого на нижележащих участках долины по­степенно прекращав 1ся отложение наносов, а водный поток, смывая ранее отложившиеся наносы, врезается в толщу аллювия. В результа­те современные поперечные профили на основном протяжении речных долин характеризуются тем, что перенос наносов совершается, как правило, только на части ширины дна речной долины, которая назы­вается руслом, дно которого понижено по от­ношению к остальной части дна долины, на­зываемой поймой (рис. XVIII.6, б). Речные русла делятся на типы, соответственно про­цессу их изменения во времени (русловому процессу). Этот вопрос подробно рассмотрен в § XX.2.

На разных участках реки деление фактически находящихся в дви­жении наносов на руслоформирующие и нерусловые (взвешенные) меняется. Наносы, проходившие в верховьях реки в виде взвеси и не участвовавшие в формировании дна, на нижнем ее участке, где скорости течения снижаются из-за малости уклона, могут уже отно­ситься к руслоформирующим.

Для коротких участков рек крупность руслофор.мируюш.нх нано­сов оказывается устойчивой на протяжении столетий соответственно устойчивости осредненного режима водного стока.

В случаях когда речь идет об устойчивости или деформациях русла на коротких участках рекн, достаточно изучать и учитывать перемещение только руслоформирующих наносов, хотя бы они и со­ставляли меньшую часть твердого стока реки.

Нерусловые и руслоформирующие наносы обычно различаются по происхождению. Мельчайшая взвесь в основном образуется при склоновом поверхностном стоке за счет смыва частичек почвы, осо­бенно интенсивного при почвах без растительности или распаханных и при крутых уклонах местности. Руслоформирующие наносы обра­зуются главным образом при русловом стоке за счет разрушения ко­ренных рыхлых пород в верховьях главной реки и ее притоков.

Описанное выше деление всего протяжения реки на три харак­терных участка необязательно для всех рек. В ряде случаев отсутст­вует средний участок — зона транзита и за участком эрозии непо­средственно следует зона аккумуляции. Такое деление речной доли­ны на два участка характерно для рек со все еще очень значительным выносом наносов из зоны эрозии. В этих условиях часто развивается большой конус выноса. Конус выноса, следующий непосредственно за зоной эрозии, также часто развивается у периодических водото­ков. выносящих наносы на склоны рельефа или на поймы рек, где беспорядочно растекающийся водный поток теряет способность пере­носить наносы. На реках, впадающих в другие большие реки, т. е, на притоках главной реки, часто отсутствует зона аккумуляции.

Речная долина в плане почти никогда не бывает прямолинейной, а всегда извилиста. Ее ширина, образованная в древнем геологиче­ском процессе, меняется по длине водотока иногда весьма значитель­но Русло реки тоже часто извилисто, причем его извилины не всегда повторяют извилины долины, 14

Характерной особенностью речных русел является малая изме­няемость их ширины и средней глубины на достаточно длинных уча­стках долины, что показывает на закономерную связь геометрических и гидравлических характеристик реки. Исключение составляют рус­ла рек на конусах выноса, ширина которых иногда сильно меняется даже на коротком протяжении. Малая изменчивость ширины и глу­бины русла объясняется тем, что русло вырабатывается в современ­ном процессе формирования речной долины и приспособлено к совре­менному режиму водного и твердого стоков. Этот режим соответствует климатическим и геоморфологическим условиям, наблюдаемым в на­стоящее время, которые могут считаться практически неизменными в те­чение нескольких столетий — периода, на который рассчитаны строя­щиеся инженерные сооружения на реках, в том числе и мостовые пе­реходы.

Рекн можно разделять по типам питания на четыре больших груп­пы:

1. — реки с дождевыми паводками, питающиеся в течение года преимущественно дождевыми водами;

2. — реки с паводками (половодьями) от талых вод, питающиеся в течение года преимущественно водами от таяния снега;

III—реки с паводками (половодьями) от таяния ледников;

IV — реки с комбинированным (смешанным) питапием, подъемы уровня на которых обусловлены как дождевыми водами, так и стоком от таяния снега или ледников.

График изменения уровня воды во времени называется водомер­ным графиком для данного пункта и представляет собой наглядное изображение хода питания реки (рис. XVI 11.9).

Большинство рек СССР зимой покрывается льдом. Этот период называется периодом ледостава. Толщина льда соответствует мест­ным климатическим условиям и обычно достигает нескольких десят­ков сантиметров.

Периоду ледостава предшествуют образование впутриводного льда (шуги) и краткий ледоход (шугоход). На ряде рек неподвижный ледяной покров не образуется и в течение всего холодного периода года наблюдается движение шуги.

Скопления шути, называемые зажорами, нередко приводят (напри­мер, на реках Средней Азии) к значительному подъему уровня воды перед препятствиями из внутриводного льда. Прорыв зажора сопро­вождается увеличением скорости течения.

При потеплении ледяной покров рек взламывается и начинается ледоход, чаще всего совпадающий с весенним половодьем. Только в отдельных случаях лед тает на месте. При ледоходе по воде плывут льдины, размер которых нередко достигает нескольких тысяч квад­ратных метров.

Если русло реки извилисто, то льдины могут задерживаться, скап­ливаясь на поворотах и образуя ледяные заторы, сопровождаемые значительным подъемом уровня воды. При прорыве затора скорость течения воды и движение льдин, а также расход воды сильно увели­чиваются, а уровень снижается,

При анализе водомерных графиков различных рек необходимо учитывать, что изменения уровня воды в отдельные моменты времени могут быть вызваны не только изменением притока воды в реку, но и заторами льда, зажорами шуги, а иногда и другими причинами (на­гонными ветрами, подпором от другой реки, сливающейся с изучае­мой рекой, н т. д.). Учет таких обстоятельств весь.иа важен для пра­вильного перехода от водомерного графика к гидрографу, т. е. к гра­фику изменения расходов во времени (рис. XVIII. 10). Площадь фигуры, образованной линией гидрографа и осями координат, пред­ставляет собой объем годового стока.

Площадь части этой фигуры, ограниченной двумя любыми орди­натами, отвечает объему стока № за соответствующий интервал времени.

В зависимости от хода питания гидрографы и водомерные графики могут бьнь одномодальные (при одном паводке) или многомодаль­ные (при нескольких паводках в течение года). Следует иметь в виду, что при нескольких паводках они могут быть различного происхожде­ния. Так, на Амуре первое, чаще всего невысокое половодье образу­ется при стоке талых вод от таяния снега, а все остальные паводки от­носятся к дождевым. В отдельные годы дождевые паводки, обычно значительной высоты, оказываются ниже, чем половодье от стока та­лых вод.

Характерные очертания гидрографа и водомерного графика для конкретной реки сохраняются из года в год и отображают закономер-

а)и

ГЛТГПТ1Т1ТГ7ТПТ17Л7ГШ

1

ПТТз\и I 5 и 17 |В 1.9 \ЮМ1\П\

1 \г\з\и иТёТЛЛд Ьо\пМг I

т

Рис. ХУШ.Э. Водомерные графики рек разных типов питания:

я

Рис. XVIII 10. Гидрограф реки Рис. XVIII.11. Кривая расхода

иую шену времен года, но высота паводков меняется в широких пре­делах. Такая изменчивость размеров максимального стока вызвана, во-первых, множественностью факторов, определяющих высоту па­водка, и, во-вторых, изменчивостью этих факторов из года в год. На­пример, высота половодья от талых вод зависит от объема снега, на­копленного на водосборе в зимний период, от температуры воздуха в период таяния снега, наличия облаков, состояния почвы под снеж­ным покровом и т. д.

Различные сочетания этих условий снеготаяния могут вызвать и различные по высоте половодья.

Двумя основными, первичными факторами, определяющими харак­тер движения воды в реке, являются расход потока, изменяющийся по длине реки и во времени, и речное русло (его форма, размеры, строение и уклон). Все остальные характеристики режима речного стока — скорость течения, уклон водной поверхности, глубина по­тока и т. д. — являются вторичными, зависящими о! двух первичных. Однако по практическим соображениям простоты измерений за ис­ходную характеристику водного режима реки в конкретном пункте часто выбирают не расход, а отмегку уровня свободной поверхности потока, изображая все другие характеристики водного стока как функции этого аргумента.

Связь уровня с расходом отображает влияние второго первичного фактора — русла, на режим водного стока. Если известна такая связь, устанавливаемая непосредственными измерениями, то замена расхода уровнем при изучении режима стока является чисто фор­мальной.

,