Реферат з фізичної географії

     ГІДРОЛОГІЯ  РІЧОК І ГІДРОЛОГІЧНІ РОЗРАХУНКИ (Частина  І)

      Річка та її басейн, їх морфологія та морфометрія. Фізико-географічні характеристики басейнів. Структура річкової мережі. Повздовжній профіль річки. Рівень води в річках, швидкості течії, витрати води, методи їх визначення. Живлення річок, класифікація річок по джерелах живлення. Водний режим річок. Фази водного режиму. Класифікація річок по водному режиму. Гідрограф стоку. Річковий стік і його складові. Розрахунки норми стоку. Основні поняття й характеристики. Розрахунки при наявності тривалого ряду спостережень. Статистичний аналіз структури рядів стоку. Розрахунки норми стоку при різному об'ємі початкових гідрологічних даних. Метод гідрологічної аналогії. Визначення норми річкового стоку при відсутності гідрологічних даних. Застосування в розрахунках стоку рівняння водного балансу. Закономірність розподілу норми стоку по території Європи, України, Харківської області. Мінливість річкового стоку. Параметри кривих розподілу ймовірностей. Типи кривих розподілу (забезпечення). Визначення параметрів кривої забезпечення річкового стоку при наявності і при нестачі гідрологічних даних. Визначення параметрів при відсутності даних про річний стік. Розподіл стоку всередині року. Вплив фізико-географічних чинників на сезонний розподіл стоку. Розрахунок розподілу стоку всередині року при наявності гідрологічних даних. Визначення розподілу стоку всередині року при недостатніх або повністю відсутніх гідрологічних даних. Розрахунок добового розподілу стоку. Меженний і мінімальний стік. Принципи виділення періодів низького стоку і особливості його формування. Визначення термінів і тривалості меженних періодів. Методи розрахунків низького стоку при відсутності гідрологічних даних. Перемерзання та пересихання річок. Розрахунки максимального стоку. Визначення параметрів кривих забезпечення максимального стоку. Урахування видатних максимумів. Розрахунок максимального стоку при тривалих рядах спостережень. Використання методу гідрологічної аналогії. Розрахунок максимального стоку при відсутності гідрологічних спостережень. Генетична теорія формування максимального стоку. Редукція максимального стоку. Максимальний стік водопілля та паводків. Умови формування паводків. Розрахунки максимумів паводків при відсутності даних. Особливості формування паводків. Побудова гідрографів водопілля та паводків. Тепловий і льодовий режим річок. Річкові наноси та їх різновиди. Твердий стік і його розрахунки. Руслові процеси в річищах. Основні риси гідрохімічного режиму річок. Стік розчинених речовин. Народногосподарське значення річок, вплив господарської діяльності на річковий стік. Проблеми охорони річок.

     1. Річка та її басейн, їх морфологія  та морфометрія 

     Дощова  та тала вода, стікаючи по схилах, попередньо утворює дрібні ерозійні борозенки, які, постійно збільшуючись і об’єднуючись, утворюють русла, або річища. Руслом називається випрацюване водотоком ложе, по якому постійно або періодично відбувається рух води.

     Водотік, в руслі якого рух води відбувається на протязі всього року або більшої його частини, називається постійним водотоком. Вважається, що невеликі періоди пересихання русла не впливають на його положення. Водотоки, в руслах яких рух води відбувається на протязі меншої частини року, називають тимчасовими водотоками. У руслах таких водотоків можуть з’являтись постійний трав’яний покрив і навіть дрібні чагарники. В Австралії їх називають кріками, в Центральній Азії - узбоями, в Африці - ваді.

     Сукупність  русел всіх водотоків (постійних  і тимчасових) у межах будь-якої території називається русловою мережею. Частина руслової мережі, що складається з чітко виражених русел постійних водотоків, називається річковою мережею.

     Рис. 1. Типи поперечних профілів річкових долин.

     а - щілина (кляма), б - каньйон, в - ущелина, г - V-образна долина, д - коритоподібна  долина (трог), є - трапецієподібна долина, ж - ящикоподібна долина, з - неясно виражена долина.

     Поняття “річкова система” інколи ототожнюється  з поняттям “річкова мережа”. Однак  річкова система ще характеризується чітко вираженим річковим басейном. Близько до поняття “річкова мережа”  поняття “гідрографічна мережа”, що включає в себе не тільки річки, а й озера та болота. Якщо на даній території споруджені канали й водосховища, то вони відносяться до гідрографічної мережі.

     Витягнуті понижені форми рельєфу з загальним  нахилом тальвегу (лінії, що сполучає найнижчі точки дна річкової долини, яру, балки тощо) представляють долини. На схилах долин рідкі опади збираються в струмки і далі в більш крупні водотоки на дні долин.

     У залежності від походження долин  їх підрозділяють на тектонічні, вулканічні, льодовикові та ерозійні. По формі  поперечного профілю розрізняють долини: каньйони, ущелини, трапецієподібні, коритоподібні (рис. 1, 2). У долинах з широким дном можуть утворюватися річкові тераси: акумулятивні в результаті врізання річки у власні відклади та ерозійні в результаті дії потоку на корінні породи.

     Рис. 2. Цейська долина. Осетія. Північний  Кавказ.

     Надходження води у річки на протязі року вкрай  нерівномірне і залежить від кліматичних  умов. По визначенню О.І. Воєйкова, “річка є продукт клімату”. Основними фазами водного режиму річки є водопілля, паводок та межень.

     На  протязі порівняно короткого  весняного періоду об’єм стікаючої  води може в декілька разів перевищувати об’єм води за більш тривалу іншу частину року. Ефект впливу потоку на різні ділянки дна і схилів долини теж не однаковий. Під впливом тривалого ерозійного впливу потоку з відносно невеликими коливаннями рівня та витрат води (в літній та осінній період) формується основне ложе річки. Частина дна долини річки періодично затоплюється під час інтенсивного надходження води в річкову систему. Під час водопілля та паводків річка транспортує велику кількість наносів, які при певних умовах (наприклад, при розширенні долини) можуть відкладатись на дні долини. Таким чином виникають умови, коли русло формується на дні долини, складеної річковими наносами. Випрацюване річковим потоком ложе, по якому відбувається стік до виходу на заплаву, називається річковим руслом, або річищем, а частина дна річкової долини, складена наносами і яка періодично затоплюється у водопілля і паводки, називається заплавою (рис. 3).

     Рис. 3. Схематичний поперечний профіль річкової долини:

     а - заплавна тераса, б - надзаплавна тераса. 1 - поверхня тераси, 2 - бровка тераси, 3 - уступ тераси, 4 - корінні породи.

     Основна різниця між річищем і заплавою в тому, що межі річища чітко визначаються берегами та прирусловими валами (бровками). Заплава не має таких чітких меж на схилах долини, тому що висота водопілля й паводки щоразу інша. Дно річища по складу породи більш-менш однорідне і плавне, ніж заплава. Рельєф заплави має більш різко окреслені контури. Крім того, для заплави характерні трав’яний покрив, чагарники, а часто й ліс. Тому заплавне русло чинить істотно більший опір руху води, ніж річище. Русловий і заплавний потік знаходяться в складній взаємодії.

     Відношення  ширини заплави до ширині річища зменшується  з ростом розмірів річки, а значить, і її водності.

     У морфології гирла річки, що впадає в  іншу річку, в порівнянні з гирлом річки, що впадає в море, існує велика різниця. У першому випадку відбувається злиття двох водотоків, в другому - впадіння водотоку в практично необмежений водний простір, для якого характерні берегові течії, вітрове хвилювання, переформування берегів та інші процеси.

     Гирлова область річки - перехідна зона, протягом якої гідрологічний режим, властивий  річці, поступово переходить у морський. У межах гирлової області річки виділяють пригирлове узмор'я і приморську ділянку річки.

     Приморська  ділянка річки ділиться на пригирлову і гирлову. Пригирлова ділянка річки  має річковий режим, який тільки що часом порушується згінно-нагінними  і припливно-відпливними явищами. Її верхній ствір знаходиться на межі проникнення цих явищ, нижній - у місці поділу річки на рукави, а при однорукавних устях і естуаріях - у перетині, де постійно спостерігається змішування річкової та морської води.

     Рис. 4. Районування гирлової області  річки (пояснення в тексті).

     Гирлова ділянка річки поширюється від  нижнього створу пригирлової ділянки  до пригирлового узмор'я. Пригирлове узмор'я займає простір від нижньої межі гирлової ділянки до зони, далі якої вплив річки на морський режим уже не простежується.

     У залежності від характеру процесів, що відбуваються, і типових обрисів  у плані гирлова область досить великих річок може бути наступного типу (рис. 4):

     I) однорукавна, (Ріоні, Амур і притоки  великих річок, що утворюють  самостійне устя);

     II) лійкоподібна (естуарій) (Об, Єнісей, Хатанга,  Мезень, Південний Буг, Дніпро);

     III) острівна (Дон, Печора, Північна Двіна,  Індигірка, Яна, Колима, Нева);

     IV) лопатева (Кура, Урал);

     V) багаторукавна, розгалужена (Волга,  Терек, Амудар'я, Лена);

     VI) блокована, або лиманна (Кубань, Камчатка, Західна Двіна, Дністер).

     Іноді для стислості гирлова область  річки іменується устям річки, у  цьому змісті приведена класифікація розглядається і як класифікація усть річок.

     Розрізняють дві основні форми взаємодії  річкових потоків з морем: дельти й естуарії. Річка, яка транспортує  велику кількість наносів, відкладає  їх при впадінні в море. Накопичення  наносів сприяє розгалуженню русла, зменшенню його пропускної спроможності. Багаторукавне русло, що формується у власних відкладах при впадінні в море, називається дельтою (рис. 5).

     Рис. 5. Дельта р. Волги при впадінні в  Каспійське море.

     Наноси  річок утворюють за межами гирла  мілководні узмор’я (надмор’я, надбережжя, узбережжя), а часто руслові форми  у вигляді невеликих островів, що називаються барами та пересипами (рис. 6).

     Рис. 6. Пересип на Хаджибейському та Куяльницькому  лиманах (м. Одеса)

     При малій наявності в річці наносів  і припливних явищах умови для утворення дельти відсутні. Річка впадає в море одним розширеним, розмитим руслом, що називається естуарієм (рис. 7).

     Тераси  являються формами рельєфу долин  часто у вигляді порівняно  горизонтальних ділянок на схилах долини. Взагалі вони утворюються в результаті чергування ерозійних та акумулятивних процесів. Рахунок терас звичайно ведуть від русла річки. Дно заплави річки можна називати заплавною терасою.

     До  морфометричних характеристик басейнів відносяться параметри форм річкового  водозбору.

     Річковий  басейн в плані має складну форму, що окреслюється вододільною лінією. Відношення довжини вододільної лінії Lв.л. до довжини кола, площа якого дорівнює площі річкового басейну, називається коефіцієнтом розвитку вододільної лінії. Позначивши його через Кв.л., отримаємо

      .

     Коефіцієнт  Кв.л. для басейнів річок на території  Європи змінюється орієнтовно від 1,3 до 2,6. Для басейнів, близьких по формі  до кола, з малим розвитком вододільної лінії Кв.л. » 1. Басейни річок мають, як правило, витягнуту грушоподібну форму, тобто розширену приблизно в середній частині. Це пояснюється особливостями будови річкової системи.

     Рис. 7. Естуарій Ла-Плати 

     У якості морфометричного параметра  може бути використано відношення довжини  басейну до його середньої ширини (відношення площі басейну до його довжини). Більш зручним параметром є безрозмірне відношення:

     де L - довжина річки.

     У середньому для великих річок  Кбс » 0,35. Для порівняно невеликих  річок (при F < 250 км2) Кбс може зростати до 0,6 і більше. Максимальне теоретичне значення Кбс = 1,0. Близьке до одиниці значення Кбс можна отримати штучним шляхом, уявивши басейн у лабораторних умовах у вигляді квадрата, а русло прямолінійним в напрямку нахилу басейну. А так як прямолінійне русло в алювії не може бути, то параметр Кбс в природі завжди менше одиниці.

     2. Фізико-географічні характеристики  басейнів 

     До  фізико-географічної характеристики басейну  відноситься: географічне положення (географічні координати, близькість до морів, пустель, гірських хребтів); кліматичні умови (атмосферні опади, температура, дефіцит вологості повітря); геологічна будова та ґрунтовий покрив (тріщинуватість гірських порід, карстові явища, механічний склад ґрунтів, водопроникність ґрунтів тощо); рельєф водозбору (похил поверхні землі, що впливає на швидкість стікання води); рослинний покрив (види рослинності); промерзання землі (географічне поширення мерзлоти, шар сезонного промерзання, товщина вічної мерзлоти); ступінь лісопокриття; озерності басейну, площі дзеркал озер; заболоченості басейну.

     3. Структура річкової мережі 

     Річкова система складається з головної річки та приток, які, в свою чергу, також мають притоки. Річки, що впадають у головну річку, називаються  притоками першого порядку. Притоки  притоків відповідно називають притоками другого, третього порядку і т.д. Найвищий порядок мають дуже малі річки, які вже не мають власних приток і виглядають як нерозгалужені водотоки. Можлива і зворотна класифікація приток.

     До  кількісної характеристики річкової мережі відноситься коефіцієнт її густоти (Кг). Густотою річкової мережі називається її загальна довжина, що припадає на одиницю площі будь-якої території.

     Кг = a L / F,

     де a L - довжина всіх водотоків (км) на площі F (км2).

     Густота річкової мережі збільшується з ростом атмосферних опадів і зменшується із збільшенням водопроникнення ґрунтів, заболоченості і лісистості території. Коренева система рослин сприяє водопроникненню ґрунтів.

     У рівнинних умовах русла практично  всіх річок (окрім окремих великих) в плані звивисті. Ступінь звивистості русла характеризується коефіцієнтом звивистості русла:

     Kзв = L / Lзв,

     де L - довжина річки на ділянці вивчення;

     Lзв - довжина прямої від початку  до кінця ділянки. 

     Довжина річки звичайно відраховується від  витоку вниз по течії по лінії найбільших глибин. Положення цієї лінії визначає фарватер, по якому здійснюється судноплавство.

     Фарватер, що проходить по головних рукавах  річки, називають головним фарватером. Лінію з найбільш низькими відмітками дна річища називають тальвегом річки.

     Лінія, що сполучає точки з найбільшою поверхневою  швидкістю течії в живих перетинах  потоку, називається стрижнем потоку.

     Закономірні планові (бокові) деформації русел, що виникають у результаті взаємодії  водного потоку з руслом, називаються меандруванням русла.

     Меандрування - найбільше поширена форма планових переформувань закрутів рік, що мають  заплаву.

     Розрізняють обмежене, вільне меандрування, незавершене  меандрування (рис. 8).

     Обмежене  меандрування розвивається на річках із вузькою заплавою. У цьому випадку річище в плані має слабо звивисту форму, близьку до синусоїдальної, із відносно стійкою для даної річки відстанню між вершинами суміжних закрутів. Основні планові деформації полягають у сповзанні закрутів за течією ріки без істотної зміни їхніх планових обрисів і розмірів.

     У процесі вільного меандрування, що розвивається на річках із широкою  заплавою, закрути річища проходять  послідовні стадії розвитку, від слабо  зігнутих до петлеподібних. Цикл розвитку закруту завершується проривом або частіше промивом її перешийка, що веде до відчленування вигину річища й утворенню стариці. Після цього цикл розвитку повторюється.

     При незавершеному меандруванні промив перешийка закруту відбувається до досягнення ним петлеподібного обрису шляхом утворення протоки, що поступово спрямляє русло, у яку потім переходить головний потік, а колишнє головне річище відмирає.

     Рис. 8. Типи меандрування

     а - обмежене, б - вільне, в - незавершене.

     4. Поперечний і повздовжній профілі  річки 

     Форма поперечних профілів річок відрізняється  великою різноманітністю. Так, на плесових ділянках профіль дна річки асиметричний. Вертикаль з найбільшою глибиною зміщена ближче до увігнутого берега.

     При гідрологічних дослідженнях стараються вибрати призматичні ділянки  русла з приблизно симетричним  розподілом глибин в поперечному  перетині. На таких ділянках річок  розміщують гідрометричні створи, в  яких вимірюються витрати води.

     Повздовжній профіль річки характеризує зміни  по довжині потоку відміток дна і  вільної поверхні води. Звичайно повздовжні профілі будують по лінії найбільших глибин. При побудові повздовжнього  профілю поверхні води за основу приймаються  меженні рівні, або миттєве положення вільної поверхні водного потоку.

     На  основі узагальнення топографічних  і гідрометричних даних по багатьох річках встановлені наступні головні  типи повздовжніх профілів дна річок.

     1. Увігнутий із зменшенням похилу  дна від витоку до гирла. Цей профіль зустрічається частіше всього і носить назву профілю рівноваги.

     2. Прямолінійний, спостерігається  частіше всього у малих річок. 

     3. Випуклий при збільшенні похилу  дна від витоків до гирла  річки. Такий тип профілю зустрічається  порівняно рідко.

     На  формування повздовжнього профілю  річки впливають топографія водозбору (амплітуда висот), літологічний склад  порід у руслі та на водозборі, гідрологічний режим стоку вод  і наносів, положення русла в  плані та інші фактори. По мірі заглиблення русла (врізання) ширина дна долини має тенденцію до зменшення.

     5. Рівень води в річках, швидкості  течії, витрати води, методи їх  визначення 

     При виконанні будь-яких видів гідрометричних робіт повинні обов’язково вимірюватись рівні води. У протилежному випадку навіть дуже складні та детальні вимірювання можуть бути обезцінені.

     Рівнем  води називається висота поверхні води у водному об’єкті над умовною, незмінною по висоті, горизонтальною площиною порівняння. Над рівнем потрібні будуть тривалі спостереження, тому цю умовну поверхню розміщують приблизно на 0,5 м нижче найнижчого рівня води Hmin, що фактично спостерігався будь-коли. Це дає можливість уникнути вживання від’ємних значень H. Якщо ж водні об’єкти замерзають, то рівні води фіксують по поверхні води в ополонках.

     Пристрій  для вимірювання рівня води у  водному об’єкті називається  водомірним постом.

     Висотне положення вимірювальних пристроїв  водомірних постів необхідно систематично перевіряти, тому їх обладнують реперами - основними та контрольними. Останні передбачені для систематичного контролю за висотним положенням водомірних пристроїв. Їх споруджують у створі поста якомога ближче до нього, але поза зоною затоплення високими водами паводку або ж водопілля.

     Водомірні пости входять до складу устаткування та обладнання гідрологічних постів - пунктів на водному об’єкті, обладнаних пристроями та приладами для проведення систематичних спостережень.

     Умовна  горизонтальна площина порівняння, що приймається за нуль відрахунку при вимірюванні рівня води, називається нулем графіка гідрологічного (водомірного) поста.

     За  основні терміни спостережень на постах прийнято 8 та 20 година за місцевим часом.

     Водомірні пости в залежності від терміну  дії бувають:

     - постійні, призначені для тривалих (стаціонарних) спостережень за рівнями води;

     - тимчасові, створювані лише на  період пошукувань та будівництва. 

     По  конструкції водомірні пости  можна поділити на такі типи:

     - непередавальні, на яких рівень  води відраховують безпосередньо  по позначках рейки, що змочується  водою; до них відносяться рейкові, пальні (рос. - свайные) та рейково-пальні пости;

     - передавальні, або дистанційні, де  рівень фіксується на деякій  відстані від вільної поверхні  води, тобто положення рівня передається  на реєструвальну частину приладу  за допомогою датчиків (рис. 9).

     Рис. 9. Дистанційний водомірний пост

     Окрім реперів, водомірні пости облаштовують допоміжними інструментами: рейками  для реєстрації граничних значень рівнів води, переносними рейками для вимірювання рівнів і товщини криги тощо.

     На  рейкових постах встановлюють вертикальну  або похилу рейку з позначками, що дозволяють вимірювати рівень води з точністю до 1 см (рис. 10).

     Вертикальні рейки прикріпляють до стінки набережної, шлюзу, греблі, опори мосту по можливості на одному рівні з поверхнею. Довжина рейки повинна перевищувати амплітуду коливань рівнів приблизно на 0,5-1,0 м. Перевагу мають металеві рейки (емальовані, яскравих кольорів). При відсутності інженерних споруд вертикальні рейки можна ставити на річках з прямовисними скельними берегами. Для запобігання рейки від пошкоджень предметами, що пливуть (крига, уламки дерев тощо), застосовують огорожу.

     Рис. 10. Водомірний пост рейковий

     Рейковий  пост в залежності від місцевих умов може складатись із декількох рейок. Необхідно тільки, щоб нульові  позначки суміжних рейок були зміщені по висоті на ціле число метрів. Нуль рейки являється нулем водомірних спостережень, відмітка якого відома, тому що всі пристрої водомірного посту нівелюються (рис. 11).

     Рис. 11. Постійна водомірна рейка на підставці, закріпленій на березі (а) і водомірна  переносна рейка (б).

     Похилі  рейки встановлюються на відкосах берега на кам’яних, бетонних або ж дерев’яних стовпах. Позначки (поділки) похилої  рейки повинні бути рівні 1 см / sin a, де a - кут нахилу рейки до горизонту (рис. 12).

     Рис. 12. Водомірний пост з похилою рейкою

     На  невеликих річках з відлогими берегами влаштовують пальні пости, що складаються з групи паль. Ці палі розміщують в одному створі, перпендикулярному до середнього напрямку течії води, і нумерують по порядку, починаючи з верхньої (рис. 13).

     Рис. 13. Водомірний пост з палями

     Рівні відраховують по переносній рейці (довжиною біля 1,5 м, з поділками через 1 см), яку ставлять вертикально на найближчу  до берега палю, що знаходиться під  водою. В цьому випадку відмітка головки палі буде нулем водомірних спостережень. Одночасно з записом відрахунку по рейці треба записати номер палі (рис. 14).

     Рис. 14. Водомірний пост на палях 

     Різниця між відміткою нуль водомірних спостережень і відміткою нуль графіку водомірного  посту називається приводкою  до нуля графіка поста.

     Рівень  над нулем графіка дорівнює рівню  над нулем спостережень плюс приводка.

     На  ділянках річок з різкими переломами поперечного профілю влаштовують  рейково-пальні пости, що мають постійну рейку (на березі з урвищем) і палі (у пологій частині), розташовані  в одному створі.

     Самописці рівнів води

     Одна  з головних деталей самописця - поплавець (рис. 15). Він піднімається або ж опускається разом з рівнем води. Цей рух поплавка передається на передаточний і годинниковий механізм самописця, за допомогою яких на розлінованому папері (стрічці) записується графік зміни рівня води в часі.