Мутность рек

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мутность рек

Распределение мутности по живому сечению реки

Мутность речных вод значительно меняется по живому сечению потока, по его длине и во времени. Распределение мутности по живому сечению носит очень сложный и нередко в значительной мере беспорядочный характер. Как правило, мутность возрастает от поверхности ко дну. Это увеличение мутности происходит главным образом за счет крупных фракций наносов, увеличивающихся ко дну. Мелкие же фракции (менее 0,01 мм) обычно распределяются довольно равномерно по глубине потока. По этой причине, чем больше в составе наносов крупных фракций, тем неравномернее они распределены по глубине. С увеличением турбулентности потока распределение взвешенных наносов по вертикали становится более равномерным. Сказанное справедливо только как самая общая схема. В реальной же действительности дело обстоит много сложнее, так как эта схема нарушается под влиянием возникающих водоворотов и циркуляционных течений.

Еще более сложный характер носит распределение наносов по ширине реки. Здесь вообще трудно подметить сколько-нибудь отчетливо выраженную закономерность. Распределение, наносов по ширине потока сильно меняется в зависимости от направления течения, местных размывов русла и берегов, впадения притоков, несущих большее или меньшее количество наносов, чем главная река. Наблюдения показали, что в ряде случаев наносы проносятся в потоке в виде отдельных движущихся скоплений - "жил".

Внутригодовой режим мутности рек

Внутригодовой режим мутности и расходов взвешенных наносов зависит от поступающих в речную сеть материалов эрозии, характера размывающей деятельности потока и его водного режима. На реках с весенним половодьем материал смыва с поверхности бассейна наиболее интенсивно поступает в речную сеть в первой половине этой фазы водного режима. В составе наносов в этот период преобладают мелкие фракции (<0,005 мм). К некоторому моменту времени запасы продуктов выветривания в бассейне значительно уменьшаются и интенсивность смыва, а следовательно, и поступление наносов в речную сеть ослабевают, водность же рек продолжает возрастать. К моменту прохождения пика половодья резко повышается крупность наносов, что является результатом выноса материалов эрозии из оврагов и балок и усиления размыва русла реки. Однако размывающая деятельность речных потоков не настолько велика, чтобы компенсировать уменьшение поступления наносов в речную сеть с поверхности бассейна. Вот почему на больших реках с весенним половодьем обычно максимумы мутности и расхода взвешенных наносов наступают раньше максимума расходов воды. На малых реках время наступления этих максимумов совпадает, а в отдельных случаях наибольшая мутность наблюдается и после прохождения максимального расхода воды. Последнее явление, подмеченное наблюдениями ГГИ на малых водотоках бассейнов рек Сарысу, Нуры, Тургая и др., объясняется интенсивными русловыми деформациями. Роль русловой эрозии оказывается больше, чем роль смыва со склонов, особенно в маловодные годы и в годы с замедленным оттаиванием почвы.

Совпадение максимумов мутности

Совпадение максимумов мутности и расходов воды во время паводков характерно для горных рек с преобладанием дождевого питания. Это происходит вследствие относительно быстрого формирования паводка и концентрированного поступления в русло реки как воды, так и продуктов смыва с водосбора. Обычно в первый паводок после засушливого периода мутность воды при одних и тех же расходах больше, чем при последующих. Возможны также случай повышения мутности на подъеме, спаде паводка и даже при относительно устойчивых расходах воды главной реки вследствие несовпадения во времени формирования паводков на притоках (реки Кура, Риони, Бзыбь).

Распределение мутности по живому сечению реки на территории СССР

Как отмечалось выше, формирование наносов рек зависит от ряда факторов - зональных и азональных. В связи с этим под влиянием зональных факторов распределение мутности рек на территории нашей страны характеризуется общей тенденцией к широтной зональности, а под влиянием азональных факторов в ряде случаев эта зональность нарушается. В горных районах, где явления эрозии в большей мере зависят от литологического состава пород, слагающих речные бассейны, распределение мутности рек носит более пестрый характер.

Влияние азональных факторов на интенсивность эрозии, главным образом литологического состава пород, слагающих речные бассейны, отчетливо проявляется в горных районах.

Большая часть территории СССР отличается малой средней годовой мутностью рек, меньше 50 г/м 3 (рис. 106, см. вкладку). Южная граница зоны примерно совпадает с южной границей распространения лесной растительности в европейской части СССР и находится несколько севернее в азиатской части. К югу от зоны малой мутности располагается зона с мутностью 50--100 г/м 3. В европейской части она включает в себя преимущественно черноземную область с неустойчивым увлажнением. Здесь лесная растительность сменяется лесостепью, и огромные пространства заняты сельскохозяйственными угодьями. Степные и лесостепные районы Западно-Сибирской равнины, полупустыни Средней Азии и большая часть юга Русской равнины характеризуются мутностью рек 100--250 и 250--500 г/м 3. Местами в этой зоне мутность достигает еще больших величин. Так, например, в междуречье низовьев Волги и Дона в пределах Калачской возвышенности мутность колеблется от 500 до 1000 г/м 3. Еще большая мутность наблюдается в Предкавказье, где средняя годовая мутность, например р. Калаус, увеличивается до 5000 г/м 3.

На Кавказе реки восточной части отличаются более высокой мутностью (2500--5000 г/м 3), чем западной. Максимальная средняя годовая мутность, равная 11 800 г/м 3, отмечена у р. Аксай (Дагестан). Высокая мутность рек этой части Кавказа обусловливается наличием легкоразмываемых сланцево-песчаных юрских пород, глинистых сланцев, отложений известняков, песчаников и глин. Наименьшей мутностью на Кавказе (50--150 г/м 3) характеризуются реки в области Скалистого хребта Большого Кавказа, от р. Ардена на востоке до р. Белой на западе.

На Алтае мутность рек не выходит за пределы 1000 г/м 3.

В Средней Азии повышенной мутностью отличаются реки бассейна Амударьи (р. Вахш, правая составляющая Амударьи), где мутность колеблется от 2500 до 4000 г/м 3. Высокая мутность свойственна также рекам Мургаб, Теджен, Атрек. В водах р. Атрек при выходе из гор содержится более 20 кг/м 3 взвешенных наносов. Для рек Тянь-Шаня характерна невысокая мутность, в особенности в верховьях рек - до 100 г/м 3.

Сток взвешенных наносов

Годовой сток взвешенных наносов рек изменяется в широких пределах. Отдельные реки выносят в конечные водоемы исключительно большое количество взвешенных наносов. Так, например, годовой сток взвешенных наносов Амударьи составляет в среднем 130 млн. т. Повышенным стоком взвешенных наносов отличаются реки бассейна Каспийского моря, в особенности Волга, сток наносов которой у с. Поляна Фрунзе до постройки Куйбышевского водохранилища составлял в среднем 21 млн. т. Значительно меньше взвешенных наносов выносят реки северной части Русской равнины. Годовой сток взвешенных наносов Печоры, несмотря на большую водоносность этой реки, составляет 6,5 млн. т, а Северной Двины еще меньше - 4,3 млн. т. Сравнительно малым стоком взвешенных наносов характеризуются реки бассейна Балтийского моря. Сток взвешенных наносов самой многоводной из них - Невы - составляет всего лишь 0,82 млн. т. В бассейне Черного моря наибольшее количество взвешенных наносов проносит р. Риони - 6,9 млн. т/год. Огромная водоносность Оби и Енисея является причиной относительно высокого стока наносов этих рек, хотя мутность их вод невелика. Так, годовой сток взвешенных наносов Оби 16 млн. т, Енисея 13 млн. т. река мутность нанос

Под влиянием водохранилищ, особенно каскадов, аккумулирующих наносы, твердый сток рек уменьшается. Так, по исследованиям М.И. Львовича, твердый сток Волги после создания каскада водохранилищ снизился до 8--9 млн. т в год, т. е. приблизительно в 2,5-- 3 раза, а твердый сток Дона до 2,8 млн. т, т. е. в 2 раза.

Из всех рек земного шара наибольшим стоком взвешенных наносов отличается Амазонка - около 2,4--3 млрд. т/год (по Парде).

Основная масса наносов проносится реками в период концентрации стока воды: на реках восточноевропейского типа - во время весеннего половодья, на реках дальневосточного и тянь-шаньского типа - в теплое время года, на реках с паводочным режимом - в периоды прохождения наиболее интенсивных паводков.

Изменения мутности и стока наносов по длине реки

По длине реки меняются и расход наносов, и мутность, и распределение наносов по фракциям. Обычно сток наносов возрастает по длине рек, но бывают случаи, когда эта общая закономерность нарушается, и сток наносов уменьшается вниз по течению (Амударья). Часть наносов таких рек откладывается постепенно в их поймах, протоках и дельтах.

Мутность больших рек изменяется по их длине довольно своеобразно. Мутность рек, текущих в направлении с севера на юг (реки Русской равнины), обычно увеличивается вниз по течению, что связано с более быстрым нарастанием в этом же направлении интенсивности эрозионных процессов по сравнению с увеличением водности рек. Напротив, для рек, текущих с юга на север (Обь, Енисей,

Лена), обогащение материалами смыва происходит значительно медленнее вниз по течению, чем увеличение их водности, в связи с чем мутность таких рек вниз по течению уменьшается. Так, например, средняя годовая мутность Оби у Новосибирска 245 т/к 3, у Калпашова она снижается до 113 т/и 3, у Салехарда падает до 34 т/и 3.

Велкомые наносы Движение твердых частиц в придонном слое потока происходит в виде скольжения или перекатывания и перескакивания (сальтации). Такой характер движения осуществляется главным образом под влиянием восходящих вихрей и несимметричного обтекания твердой частицы струями воды. Частицы, оторвавшись от дна, могут находиться некоторое время во взвешенном состоянии и вновь опускаться на дно. В этом проявляется условность подразделения наносов на влекомые и взвешенные. Крупность влекомых наносов изменяется по сезонам года, возрастая при паводках и уменьшаясь в межень. При больших скоростях течения влекомые наносы движутся большими массами. Размеры влекомых наносов постепенно уменьшаются по длине рек с уменьшением скоростей вниз по течению.

Количество влекомых наносов в равнинных реках мало. Они транспортируют преимущественно взвешенные наносы. В горных реках доля влекомых наносов велика и при больших скоростях составляет основную часть твердого стока реки.

Большие скопления наносов

В горных районах, чаще на небольших реках или временных потоках с малыми площадями водосборов, возникают кратковременные паводки, несущие огромные скопления наносов. Эти скопления твердого материала придают потоку характер грязевого, грязекаменного или водно-каменного. Потоки эти называются селями. Образуются сели в результате выпадения интенсивных дождей, реже - интенсивного снеготаяния. Необходимым условием для образования селя является обилие накопленного материала выветривания на водосборе и быстрый снос его в русло. Поэтому литологический состав пород, слагающих горные области, крутые склоны гор и значительные уклоны потоков имеют большое значение в формировании селей. Отсутствие растительности и оголенность склонов способствуют усилению эрозии, а следовательно, и образованию селей. Движение селевых потоков носит пульсирующий заторный характер. Заторы возникают на отдельных участках русла. При прорыве затора по реке проносится селевой поток, насыщенный наносами и обладающий большой разрушительной силой. Заторы повторяются. Таким образом, сель представляет собой поток, проходящий по реке в виде последовательных валов или волн. Продолжительность селей различна - от нескольких минут до нескольких часов. Во время прохождения селей происходят интенсивные процессы размыва русла и отложения наносов. Сель относится к опасным явлениям природы. Подробнее ознакомиться с селями можно по книге С.М. Флейшмана "Сели".

Химический состав речных вод

Большая роль в формировании химического состава речных вод принадлежит источникам питания рек. Питание за счет подземных вод всегда вызывает повышение минерализации речных вод. Питание за счет снеговых и дождевых вод снижает минерализацию. Снеговые и дождевые воды стекают по хорошо перемытым почвам, содержащим меньшее количество легкорастворимых солей, чем породы, с которыми соприкасаются подземные воды. Вот почему при питании дождевыми и главным образом снеговыми водами в составе речных вод преобладают ионы НСО 3, Са, Mg. При переходе реки на подземное питание происходит относительное увеличение ионов легкорастворимых солей SO и О. Изменение минерализации и ионного состава речных вод в зависимости от различного соотношения источников питания определяется в значительной степени характером почв их бассейнов. По мере перехода от зоны избыточного увлажнения к зоне недостаточного увлажнения, из районов распространения северных болотисто-торфяных и подзолистых почв к областям распространения черноземов, сероземов и каштановых почв, минерализация дождевых и снеговых вод, стекающих по этим почвам, постепенно увеличивается, а следовательно, увеличивается и минерализация речных вод, причем главным образом за счет ионов SO и С. Слабой минерализацией отличаются реки, собирающие воду с заболоченных водосборов. Воды этих рек содержат большое количество гуминовых веществ, окрашивающих воду в желто-коричневый цвет.

Изменение химического состава речных вод

В течение года в соответствии с различными условиями питания и под воздействием метеорологических факторов химические свойства речных вод могут меняться. В периоды поверхностного питания минерализация снижается, в межень при переходе на питание подземными водами, наоборот, возрастает. При сезонных изменениях минерализации речных вод меняются и соотношения между ионами. В результате некоторые реки в различные сезоны могут переходить по химическому составу из одного класса в другой. Примером могут быть воды Амударьи.

Сток растворных веществ

Основную массу растворенных веществ составляют главные ионы; микроэлементы и биогенные вещества занимают малую долю в растворе речных вод, и сток их менее изучен. Поэтому в дальнейшем под стоком растворенных веществ понимается сток главных ионов, или ионный сток. Суммарный ионный сток определяется, с одной стороны, минерализацией речных вод, с другой - величиной жидкого стока.

Основная масса растворенных веществ выносится реками с территории СССР в океаны (72%) и значительно меньшая часть - в конечные водоемы областей внутреннего стока. Наибольший ионный сток приходится на долю бассейна Северного Ледовитого океана (201,6 млн. т/год), что объясняется наибольшим жидким стоком в этот океан. Меньшее количество растворенных веществ выносится реками СССР в Атлантический и Тихий океаны. Наибольшей величиной показателя ионного стока, характеризующего наибольшую интенсивность химической эрозии, отличаются области внутреннего стока (29,2 т/(км 2"год)) и бассейн Атлантического океана (24,2 т/(км 2-год)). Показатель ионного стока в бассейне Тихого океана относительно мал (9,8 т/(км 2 год)). Особенно большим показателем ионного стока растворенных веществ отличается бассейн Аральского моря - 64,5 т/(км 2 год).

Общий ионный сток с территории СССР составляет около 384 млн. т/год, средний модуль ионного стока 17,8 т/(км 2 год).

Зависимость стока растворенных веществ от жидкого стока в значительной мере предопределяет внутригодовое распределение ионного стока. На реках восточноевропейского типа основная часть растворенных веществ приходится на период весеннего половодья, на реках с половодьем в теплое время года (тянь-шаньский тип) - на лето

Взаимодействие потока и русла

Основными характеристиками русла являются: продольный и поперечный профиль, плановые очертания и распределение глубин в нем. Речное русло подвержено изменениям, или деформациям. Непрерывные изменения морфологического строения речного русла и поймы, происходящие под действием текучей воды, называются русловым процессом.

Проявляется русловой процесс в виде эрозии - размыва русла и поймы, переноса и аккумуляции наносов. Направленность процесса деформации русла определяется соотношением между расходом наносов и транспортирующей способностью потока и, таким образом, связана с комплексом природных условий не только данного участка реки, но и водосбора в целом. Климатические условия и свойства подстилающей поверхности бассейна реки обусловливают объем и режим жидкого стока, и формирование твердого стока. Последний проявляется в виде переотложений наносов, с которыми связана деформация русла. Сток воды, кроме того, определяет характер местных гидравлических воздействий потока на русло. Эти воздействия меняются вместе с режимом стока.

Изменение в очертании русла Поток, протекающий в русле, вызывает изменения в его очертаниях, распределении глубин и характере продольного профиля реки. Со своей стороны форма русла оказывает воздействие на распределение течений и их скоростей. Таким образом, поток и русло находятся в постоянном взаимодействии, и русловые деформации являются выражением этого взаимодействия. Несмотря на различия природных условий в бассейне той или иной реки, различия в режиме стока воды и наносов, в результате взаимодействия между потоком и руслом вырабатываются некоторые типические черты морфологического строения речного русла. Знание природных условий и закономерностей взаимодействия между потоком и руслом позволяет путем возведения искусственных выправительных сооружений сознательно управлять потоком, перемещением наносов в речном русле и способствовать созданию нужных для хозяйственного использования реки его форм.

Основы учения о русловом процессе как взаимодействии между потоком и руслом были заложены в конце XIX - начале XX столетия в трудах В.М. Лохтина, Н.С. Лелявского, М. Фарга в связи с работами по улучшению судоходных условий рек, а также в трудах М.А. Великанова

Исследовал Лохтин

Лохтин исследовал влияние уклона водной поверхности, изменения водности потока и сопротивляемости размыву грунтов, слагающих русло реки, на перемещение наносов и формирование русловых форм. Лелявский занимался исследованием речных течений, влияющих на распределение глубин в речном русле.

В дальнейшем наметились два направления в изучении руслового процесса: гидродинамическое, рассматриваемое обычно в курсах гидродинамики и гидравлики, и гидролого-морфологическое. Последнее направление получило развитие в работах Н.И. Макавеева, Н.Е. Кондратьева и И.В. Попова.

Плановые очертания речных русел и их изменения

Плановые очертания речных русел отличаются значительным разнообразием и вместе с тем для них характерна отчетливо выраженная извилистость. В процессе формирования извилистого русла большую роль играют поперечные течения, которые возникают как при искривлении динамической оси потока, так и особенно в условиях уже возникшей извилистости русла.

Существуют различные соотношения между очертаниями долины (орографическая извилистость) и очертаниями речных русел (гидрографическая извилистость). В одних случаях имеет место совпадение орографической и гидрографической извилистости, реки как бы повторяют очертания своих долин. Примером могут служить верхние части течений Оки и Дона, реки Днестр, Унжа, Вишера, Чусовая и др. на участках долин, сложенных трудноразмываемыми породами. Для рек этого типа характерно отсутствие или слабое развитие поймы.

В других случаях наблюдается неполное совпадение орографической и гидрографической извилистости. Склоны долин лишь отчасти ограничивают образование извилин.

Наиболее распространенным случаем является полное несовпадение орографической и гидрографической извилистости. Река протекает по широкому дну долины и может перемещать свое русло на большом пространстве, образуя обширную пойму, изобилующую старицами.

Список литературы

1. Л.К. Давыдов, АА. Дмитриева, Н.Г. Конкина. Общая гидрология. -Л.: Гидрометеоиздат, 1973. - 463 с.

2. Новиков Ю.В., Сайфутдинов М.М. Вода и жизнь на Земле. - М.: Наука, 1981. - 184 с.

3. Киссин И.Г. Вода под землёй. - М.: Наука, 1976. - 224 с.

4. Бондарев В.П. Геология. Курс лекций: Учебное пособие для студентов учреждений среднего профессионального образования. - М.: Форум: Инфра М., 2002. - 224 с.

5. Горошков И.Ф. Гидрологические расчёты. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 432 с.

6. Черданцев В.А., Пивон Ю.И. Методические указания по дисциплине: "Гидрология". - Новосибирск: НГАЭиУ, 2004, 112 с.

Размещено на Allbest.ru