Стоку води

В.Д. Зайков поділив усі річки колишнього СРСР на три основні групи :

І - річки з весняним водопіллям;

ІІ - річки з водопіллям у теплу пору року;

ІІІ - річки з паводковим режимом.

За характером весняного водопілля та іншими особливостями режиму річки І групи поділені на п’ять типів: казахстанський, східноєвропейський, західносибірський, східносибірський і алтайський.

Річки казахстанського типу характеризуються дуже різко вираженою високою хвилею весняного водопілля, в інші пори року річки дуже маловодні, а багато з них навіть пересихають. Це річки посушливих районів Казахстану, Заволжжя, Туринської низовини.

Східноєвропейський тип річок характеризується високим весняним водопіллям, низькою літньою і зимовою меженню та підвищеним осіннім стоком за рахунок дощів. Найбільш показовими прикладами річок цього типу є Волга, Дніпро, Дон.

Західносибірський тип річок відрізняється невисоким і розтягнутим весняним водопіллям, підвищеним літньо-осіннім стоком та низькою зимовою меженню. Це річки Західно-Сибірської рівнини (Об, Іртиш).

Для річок східносибірського типу характерне високе весняне водопілля, літньо-осінні паводки і дуже низький стік у зимовий період (аж до повного перемерзання річок). Це пояснюється незначною роллю грунтового живлення в умовах багаторічної мерзлоти. Це річки Алдан, Колима та ін.

Алтайський тип річок відрізняється невисоким і розтягнутим водопіллям, підвищеним літньо-осіннім і низьким стоком у зимовий період. Такий характер водопілля в основному визначається режимом танення снігу в горах і умовами стоку дощових опадів. Крім Алтаю, річки з таким режимом є на Кавказі, в Середній Азії та на Сахаліні (річки Том, Бія).

Групу річок з водопіллям у теплу пору року поділяють на два типи: далекосхідний і тянь-шанський. Для річок далекосхідного типу характерне невисоке і дуже розтягнуте водопілля в теплу пору і низький стік протягом решти року. Основним джерелом живлення річок є дощові води. Багато річок взимку перемерзає. До цього типу належать річки Далекого Сходу, Східного Забайкалля і Яно-Індигірського району (річки Амур, Зея, Яна).

Тянь-шанський тип річок за характером водопілля частково подібний до далекосхідного, проте водопілля на них формується не дощовими, а талими водами високогірних снігів і льодовиків, тобто тісно пов’язане з ходом температури. Це річки Тянь-Шаню, Паміру, Великого Кавказу, Камчатки (річки Терек, Вахш, Нурек).

Серед річок з паводковим режимом виділяють три типи: причорноморський, кримський і північнокавказький(рис.3.9).

Річки причорноморського типу мають паводковий режим протягом року, який зумовлений значними дощами. Це річки Закавказзя, а також карпатські притоки Дністра (річки Сочі, Кура, Черемош).

На річках кримського типу паводки спостерігаються протягом холодного періоду року, влітку та восени багато річок пересихають. Цей тип річок поширений у Криму, Ленкорані та інших районах (річки Салгир, Альма, Кача).

Річки північнокавказького типу в холодну пору року мають сталу межень, а в теплу – часті паводки. До них належать в основному водотоки східної половини північного схилу Великого Кавказу (річки Великий Зеленчук та Малий Зеленчук, Кума).

2.8.Рівняння водного балансу басейну річки

Водний баланс – співвідношення за якийсь проміжок часу (рік, місяць, декаду тощо) прибутку, витрат і акумуляції (зміна запасу) води для річкового басейну або ділянки території; для озера, болота або будь-якого іншого досліджуваного об’єкта.

Рівняння водного балансу – це математичне висловлювання, що описує водний баланс.

Рівняння водного балансу річки:

х + у₁ + w₁ + z₁ = у₂ + w₂ + z₂ ± ∆u,

де: х – опади (дощ і сніг);

у₁ – поверхневий притік з-за меж басейну;

w₁ – підземний притік з-за меж басейну;

z₁ – конденсація водяної пари;

у₂ – поверхневий стік за межі басейну;

w₂ – підземний стік за межі басейну;

z₂ – випаровування з поверхні басейну;

± ∆u – зміна запасів води в басейні за проміжок часу (позитивна – за збільшенням запасів води, від’ємна – за їх зменшенням).

В багатьох випадках можливі деякі спрощування рівняння водного балансу. Частіше можна не враховувати конденсацію. Для великих річкових басейнів часто не враховують підземний притік і стік. В таких випадках і за відсутністю штучного перерозподілу стоку між басейнами рівняння водного балансу має таке рівняння:

х = у + z ± ∆u

Нарешті, якщо зневажати зміни запасів води в межах річкового басейну, то рівняння водного балансу має такий вигляд:

х = у + z

Структура водного балансу басейну річки – це співвідношення між різними прибутковими і витратними складовими частинами рівняння водного балансу.

Відношення стоку до опадів – коефіцієнт стоку (a = у/х). Цей коефіцієнт показує, яка частка опадів перетворюється в стік. Відношення випаровування до опадів можна назвати коефіцієнтом випаровування (b = z/x). Сума a та b повинні дорівнювати одиниці.

Діапазон можливої зміни коефіцієнта стоку для багаторічного періоду такий: 0<a< 1.

В умовах надмірного і достатнього зволоження значення a знаходиться зазвичай в межах 0,4-0,6. В умовах недостатнього зволоження величина коефіцієнту стоку менша – 0,4-0,1. Нарешті, в умовах посушливого клімату (напівпустелі пустелі) величина a близька до нуля.

2.9.Рух води в річках

Вода в річках рухається (тече) під дією сили ваги. У природі існує два види руху води – ламінарний і турбулентний.

Ламінарний рух – це паралельноструменний рух. Швидкість біля дна дорівнює нулю, а максимальна швидкість – на поверхні води. Ламінарний рух властивий переважно підземним водам.

Турбулентний рух – це рух, в якому частки рідини, здійснюючи переміщення в напрямку течії всього потоку, одночасно здійснюють відхилення від нього за складними скривленими траєкторіями. У природних потоках спостерігається майже завжди турбулентний рух. При цьому русі швидкість збільшується вгору від дна спочатку дуже швидко, а далі наростає повільніше.

Крива розподілу швидкості течії по вертикалі називається годографом або епюрою швидкостей.

Стрижнем – плавна лінія, яка з’єднує точки на поверхні річки з найбільшою швидкістю. Найбільша швидкість в середній частині потоку і біля поверхні, а найменша – коло берегів і біля дна.

Лінії однакових швидкостей течії – ізотахи.

Динамічна вісь потоку – всі точки окремих живих перерізів з максимальними швидкостями, які з’єднані плавною лінією по довжині потоку.

На розподіл швидкостей у водотоках значною мірою впливає рельєф дна, льодовий покрив, водна рослинність, швидкість і напрямок вітру.

Середня швидкість у живому перерізі V_сер (м/с) визначається за формулою:

V_сер = Q/w,

де Q – витрати води, м³/с;

w – площа перерізу (м²).

За відсутністю безпосередніх вимірів для обчислення середньої швидкості потоку використовують формулу Шезі:

V_сер = С √ RI або V_сер = С · √HI,

де: R – гідравлічний радіус;

Н – середня глибина потоку;

І – похил водної поверхні на ділянці;

С – коефіцієнт, який залежить від шорсткості русла і величини гідравлічного радіуса. Для його визначення можна користуватися формулою Павловського:

С = R^у/n,

де n – коефіцієнт шорсткості,

у – показник, який залежить від R і n. Показники визначаються за таблицями.

Вимірюють швидкість течії річок за допомогою поплавків, гідрометричних млинків.

2.10.Річкові наноси

Річкові наноси – це тверді частинки, що переносить потік і які формують заплавні та руслові відклади. Частина наносів надходить до русла внаслідок абразії берегів.

Наноси, що складають дно річки називають донними відкладами або алювієм.

Найбільш важливі характеристики наносів такі: геометрична крупність (мм), гідравлічна крупність (швидкість осідання часток наносів в нерухомій воді, мм/с, мм/хв), щільність часток (кг/м³), щільність відкладів (щільність грунту, кг/м³), концентрація (вміст) наносів (відношення маси або об’єму наносів до маси чи об’єму води), мутність води (S = m/U, де m – маса наносів у пробі води, U - об’єм проби води).

За характером переміщення в річках наноси поділяють на два типи – завислі і тягнені.

Тягнені (донні) наноси – це наноси, які переміщаються річковим потоком по дну як шляхом ковзання, перекатування або сальтацією (стрибкоподібно); гідравлічна крупність яких перевищує вертикальну складову швидкості течії.

Сальтація – це форма переміщення донних наносів, яка висловлюється в перекиданні вихровими утвореннями частинок грунту, які відриваються від дна на деякій порівняно короткій відстані з послідуючим перекиданням частинок новими вихровими імпульсами.

Тягнені наноси розподіляються в річковому потоці нерівномірно, в придонних шарах мутність максимальна і зменшується в напрямку до поверхні.

Дослідженнями встановлено, що між масою частинок, яка переміщується по дну і швидкістю, при якій ці частинки рухаються, існує залежність, яка названа законом Ері і виражається формулою:

М = АV⁶,

де М – маса частинок, або їх вага;

V – швидкість, з якою рухаються частинки;

А – постійний коефіцієнт.

Завислі наноси – це тверді частинки, що переносить потік у завислому стані і які мають значно більшу питому вагу ніж вода.

Проміжним типом є сальтуючі наноси, які рухаються стрибкоподібно в придонному шарі; наноси цієї проміжної групи умовно об’єднують з завислими.

Транспортуюча здатність потоку – це гранична витрата наносів, понад яку потік при заданих гідравлічних характеристиках не може переміщувати твердий матеріал.

Основною характеристикою стоку наносів є витрата наносів – це кількість завислих наносів, які річка переносить через живий переріз за одиницю часу (R, кг/с).

Сумарна кількість наносів за певний проміжок часу називається стоком наносів (твердим стоком) і розраховується за формулою:

W_н = RT,

де W_н – стік наносів (кг, або Т);

Т – час (с); 31,54 · 10⁶ с;

R – середня витрата наносів (кг/с).

Мутність води (S, г/м³) – це кількість наносів у грамах, які містяться в 1 м³ води і обраховуються за формулою:

S = m/V

Модуль твердого стоку (М_R, m/км²/рік) – це стік наносів в тоннах з 1 км² площі (F) водозбору:

M_R = T · R/F = W_н/F

2.11.Селі

Селі (від араб. сель – бурхливий потік) – це бурхливі руслові потоки з води та уламків гірських порід, які раптово виникають у долинах гірських річок.

Типи селів

1. В залежності від складу селевої маси, що переноситься потоком селі розрізняють:

Водно-кам’яні селі - це зв’язані селі, які відрізняються незначним вмістом дрібнозему.

Грязево-кам’яні селі - це зв’язані селі, які утворюються при одночасному попаданні в потік дрібних фракцій наносів та крупного уламкового матеріалу.

Грязьові селі – це незв’язані селі, які утворюються внаслідок змивання грунтових прошарок.

2. За характером течії селі поділяють на зв’язані (структурні) і незв’язані.

Зв’язані селі – в цьому потоці вода входить до селевої маси, транспортування здійснюється як єдиний гравітаційний рух.

Незв’язані селі – це турбулентний потік, в якому достатньо багато води і вона знаходиться у вільному стані. Вода є транспортуючою середою і може виконувати велику роботу зваження.

2.12.Руслові процеси

Руслові процеси – це зміни морфологічної будови річкового русла і заплави, які постійно виникають і обумовлені дією води. Руслові процеси виникають при взаємодії потоку і русла річки. Основними факторами руслових процесів є стік води, геологічна будова, рослинність, вітри, льодові явища, зсуви, а також господарська діяльність.

Руслові деформації – це зміна розмірів і положення в просторі річкового русла та окремих руслових утворень, які пов’язані з перевідкладанням наносів. Руслові деформації поділяють на три основних види: вертикальні, котрі спричиняють трансформацію поздовжнього профілю річки та зміну позначок дна русла річки; горизонтальні, які спричиняють розмиви або нарощування берегів та утворення заплави; пересування донних гряд – це транспортування наносів у вигляді гряд, він характерний майже для всіх річок, крім гірських. Руслові деформації можуть бути короткочасними, періодичними й тривалими. Перші відбуваються короткий час і мають тенденцію повторюватися (наприклад, за водопілля). Другі розвиваються протягом історичних та геологічних відрізків часу.

За спрямованістю руслові деформації поділяють на два види: розмив (ерозія) і намив (акумуляція наносів). Розмив русла (ерозія) – це процес захоплення й перенесення потоком частинок грунту, що утворюють руслові та заплавні відклади. Намив (акумуляція наносів) – це процес накопичення в природних та штучних водних об’єктах продуктів ерозії і абразії, донних відкладів тощо.

Руслові утворення – це накопичення наносів, що визначають морфологічну будову річкового русла. Виділяють мікро,- мезо- і макроформи в річковому руслі. Мікроформи – це донні гряди, висота яких може змінюватися від декількох сантиметрів до 4-6 метрів. До мезоформи відносять річкові перекати (характерні для рівнинних річок, форми донного рельєфу, що сформовані відкладами наносів, зазвичай у вигляді більш або менш широкої гряди, яка пересікає русло під деяким кутом до загального напряму течії, це ділянки з малими глибинами), плеси – це глибоководні ділянки річки, які розташовані між перекатами, осередки – рухомі, відокремлені від берегів накопичення наносів у руслі річки у вигляді невисоких, зазвичай позбавлених рослинності, затоплених або частково оголених рухомих островів і обмілин, переважно довгастої форми.

Макроформи – це найбільші руслові утворення, характерним видом яких є звивини – це заворот русла річки в плані. Через наявність звивин русло може переміщуватись на окремих ділянках паралельно самому собі. Меандруючі русла складають понад 80 % довжини русел усіх рівнинних річок України. Решта русел утворюють постійні рукави.

Рукав – це відгалудження русла річки.

В заплавах річок виникають старики (стариці) – виникають в результаті відокремлення ділянки річкового русла при спрямлінні звивини шляхом прориву перешейку петлі або розробки спрямляючої протоки.

Гирлові процеси – взаємодія морських та річкових вод в нижніх частинах річок.

Дельта – особлива форма гирла річки, яка виникає на мілководдях моря або озера в місцях впадання річок, що несуть значну кількість наносів; характеризується наявністю багаточисельних рукавів і приток.

Типи дельт:

Дельти виповнення – виникають тоді, коли річка впадає в яку-небудь затоку або бухту; наноси заповнюють захищену від хвилювання бухту і лише потім виходять на узмор’я (Дніпро, Дон, Кубань).

Висунуті дельти виникають на відкритих берегах з опуклістю, спрямованою в море (Дунай, Волга, Лена).

Лопасті дельти утворюються при великій кількості наносів. Дельта росте вузькими і довгими акумулятивними валами за рахунок розвитку пригирлових кіс (Кура, Міссісіпі).

Дзьобоподібні дельти характерні для річок, котрі виносять відносно небагато наносів; збільшується довжина пригирлових кіс, форма яких нагадує дзьоб птаха (Дністер).

Складні дельти виникають при злитті двох дельт (Терек, Судак).

2.13.Термічний режим річок

Термічний режим - це закономірні коливання температури води у водних об’єктах.

Зміна температури річкової води - це наслідок зміни складаючих теплового балансу даної ділянки річки. Рівняння теплового балансу має такий вигляд:

R = LE + P + B,

де R - радіаційний баланс; Е - випаровування за відніманням конденсації; L - захована теплота випаровування; В - теплообмін з грунтом.

Для періоду сніготанення:

R = LE + L^'h + P + B,

де L^' - схована теплота танення, h - шар води, який утворився внаслідок танення снігу.

Співвідношення між елементами теплового балансу змінюються разом зі зміною метеорологічних елементів. Тому кожному сезону року властиві певні співвідношення між прибутком і втратою тепла. Максимальна температура води буває в липні-серпні (25 -34°С), а мінімальна на початку льодоставу. Максимальна температура води менша від максимальної температури повітря і настає дещо пізніше від неї. Температура води в річках не буває від’ємною і тому середня річна температура води в річках значно вища, ніж середня річна температура повітря.

Крім сезонних коливань температури води в річках відбуваються і добові зміни: максимальна температура води о 15-17 годині (повітря на 1-2 години раніше), мінімальна - вранці. Температура води змінюється по живому перерізу, довжині і глибині річки. По ширині і глибині річки температура води змінюється мало внаслідок турбулентного перемішування. Так, влітку температура біля берегів вища ніж на середині річки, а восени навпаки. Влітку вдень вода на поверхні тепліша, ніж біля дна, а вночі - навпаки.

По довжині річок зміна температури води обумовлюється зміною джерел живлення, проточності кліматичних умов природних зон. Так, температура води великих річок, які течуть з півночі на південь, підвищується, а які течуть в широтному напрямку, температура води змінюється мало, за винятком верхів'я, де температура поступово підвищується на деякій відстані від витоку. На гірських річках температура води також підвищується вниз за течією.

2.14.Льодовий режим річок

Льодовий режим річок - зміна в часі процесів виникнення, розвитку і руйнування льодових утворень на річках.

Зимовий режим річок - це сукупність всіх процесів, які протікають у річках протягом періоду з переважанням від'ємних температур повітря.

За характером зимового режиму всі річки поділяють на три групи: замерзаючі (річки рівнинної території України, наприклад), з нестійким льодоставом(гірські річки) і незамерзаючі(річки в субтропічних районах).

В льодовому режимі замерзаючих річок виділяють три фази: замерзання, льодостав і скресання.

Замерзання - це фаза льодового режиму, яка характеризується утворенням льодового покриву (сала, заберегів, сніжури, внутрішньоводного і донного льоду, шуги, льодоходу).

Сало - поверхневі первинні льодові утворення, які складені із голок і пластинчатих кристалів у вигляді плям захололого жиру або тонкого суцільного шару.

Забереги - смуги тонкого нерухомого льоду, який утворюється перед замерзанням вздовж берегів річок.

Сніжура - плаваючий сніг у воді у вигляді кашеподібної маси.

Внутрішньоводний лід -накопичення первинних льодових кристалів, що утворюються в товщі води і на дні водного об'єкту.

Донний лід - внутрішньоводний лід, який утворюється на нерівностях дна річки.

Шуга - льодові утворення у вигляді накопичень пухкого льоду, який утворюється з внутрішньоводного льоду, що сплив на поверхню, з включенням сніжури, дрібного льоду, заберегів, сала.

Льодохід - рух льоду (крижин) на річках. Розрізняють осінній і весняний льодохід.

Затор - накопичення крижин на окремих ділянках річок, де пропускна здатність русла не відповідає кількості льоду, що пересувається, і яке спричиняє відносно невелике підняття рівнів води.

Льодостав -період, протягом якого на річках стоїть нерухомий льодовий покрив.

Зажори - накопичення шуги з включенням дрібнобитого льоду в руслі річки, що викликає стиснення водного перерізу і підвищення рівня води.

Промоїни - простори відкритої води в льодовому покриві, що утворюється внаслідок посування льоду.

Ополонки - у період льодоставу деякі ділянки річок протягом тривалого періоду, а іноді й протягом усієї зими, не замерзають.

Під впливом нагрівання грунту і стікання талих вод зі схилів і підвищення рівня води в річці утворюються прибережні смуги чистої води - закраїни.

Скресання - фаза льодового режиму, що характеризується руйнуванням льодового покриву.

2.15.Гідрохімічний режим річок

Основними характеристиками хімічних властивостей річкових вод є хімічний склад і ступінь мінералізації.

Хімічний склад природних вод - це увесь комплекс розчинених мінеральних і органічних речовин, що знаходяться в іонно-молекулярному й колоїдному станах.

Іонно-молекулярні розчини - речовина перебуває в дуже розсіяному стані, у вигляді молекул та іонів; розміри розчинених у них часток не перевищують 10⁷ мм.

Колоїдні розчини поряд з окремими молекулами та іонами містять у собі групи їх; розміри розчинених речовин становлять від 10^-7 до 10^-5мм.

Суспензія - частки речовин розміром більше 10^-5; вони видимі простим оком і бувають як органічного, так і неорганічного походження. Вода з домішкою таких часток каламутна.

У хімічному складі води виділяють такі групи:

1. Головні іони: аніони - хлоридні (Cl^-), сульфатні (SO₄^2-), гідрокарбонатні (HCO₃^-), карбонатні (CO₃^2-), катіони-натрію (NA⁺), калію (К⁺), магнію (Mg²⁺), кальцію (Ca²⁺). Більшість річок належать до гідрокарбонатного класу і кальцієвої групи.

2. Біогенні речовини: нітрати (NO₃^-), нітрити (NO₂^-), амоній (NH₄⁺), фосфати (РО₄^3-), кремній (Si) та органічні сполуки азоту і фосфору.

3. Органічні речовини: комплект розчинених і колоїдних сполук (органічні кислоти, феноли тощо).

4. Розчинні гази: кисень (О₂), вуглекислий газ (СО₂), сірководень (H₂S), метан (СН₄), азот (N₂).

5.Мікроелементи, які в природних водах є в дуже малих концентраціях (мкг/дм³): типові катіони (Li⁺, Pb⁺, Cs⁺, Be⁺, Sr²⁺ та ін.), типові аніони (Br^-, I^-, F^-, B^-), амфотерні комплексоутворювачі (Cr, Mo, V, Mn), радіоактивні елементи (Cs, Ra, Sr та ін.).

6. Іони водню, концентрація яких визначає кислотно-лужну рівновагу водних розчинів і виражена через показник рH = - log [ H⁺]

Вода з нейтральною реакцією має pH = 7, при pH< 7 - реакція кисла, а при pH>7 - лужна. Більшість природних вод мають pH від 6,5 до 8,5.

Мінералізація природних вод - ступінь концентрації і склад розчинених у воді речовин. За ступенем мінералізації О.О. Алекін поділяв води на чотири види: води малої (до 200мг/дм³), середньої (200-500 мг/дм³), підвищеної (500-1000 мг/дм³) та високої (1000 мг/л) мінералізації.

В залежності від відносного вмісту розчинених мінеральних речовин розрізняють води:

прісні - з вмістом розчинених речовин до 1г/кг; солонуваті - до 1-25г/кг, солоні - >25г/кг.

Річкові води, як правило, мають невисоку мінералізацію і належать до прісних вод.

Стік розчинених речовин - кількість розчинених речовин, яку проносить річка через будь-який живий переріз за якийсь час (добу, місяць, рік):

W_p = T· Q · M,

де Т - 31,54·10⁶ - кількість секунд у році;

Q-середня річна витрата води, м³/с;

М - середня річна мінералізація води, кг/м³.

2.15.Гідробіологічні особливості річок

Вода, дно і берег річки - це середа життя багатьох організмів. Як і в інших водних об'єктах, ці організми підрозділяють на планктон, бентос і нектон.

Планктон річок представлений фітопланктоном, зоопланктоном і бактеріями.

Фітопланктон - сукупність рослин, які вільно плавають у товщі води (поширений у річках до глибини 20-40 м). До фітопланктону відносять, наприклад, діатомові, зелені та синьо-зелені водорості.

Зоопланктон - сукупність тварин, переважно ракоподібних, які мешкають в товщі води морських та прісних водоймищ і не здатних протистояти течії.

Бактерії - найпростіші одноклітинні організми, розмір яких знаходиться в межах декількох мікронів.

Бентос- рослинні і тваринні організми, які мешкають у верхньому шарі мула, що залягає на дні водойми.

Нектон- це організми, що мешкають у водоймах і здатні активно рухатися у воді.

ГІДРОЛОГІЯ ВОДОЙМ

3.1.ГІДРОЛОГІЯ ОЗЕР

Гідрологія озер (лімнологія, озерознавство) є складовою частиною гідрології суші: вивчає водойми суші з уповільненим водообміном.

Озерами називають природні водойми, котрі являють собою западини на земній поверхні різної величини і форми, заповнені водою, постійний поступальний рух якої в певному напрямку в межах улоговини або відсутній або уповільнений. Озера належать до водойм з уповільненим водообміном і відрізняються від річок неоднорідністю водної маси. Водоймами з уповільненим водообміном є також штучні водойми – водосховища.

3.1.1.Типи озер

1. Озерні улоговини утворюються під впливом ендогенних (внутрішніх) та екзогенних (зовнішніх) процесів.