Файл: Давыдов Л.К. Общая гидрология учебник.pdf

Выделяются летняя и зимняя межени. В период летней межени река питается преимущественно подземными водами и водами ат­ мосферных осадков, выпадающих нерегулярно. Летняя межень мо­ жет быть устойчивой продолжительной, а также прерывистой. Дли­ тельная устойчивая летняя, иногда летне-осенняя межень отлича­ ется постепенным уменьшением расходов воды с конца половодья до конца лета, осени (реки степной и полупустынной зон СССР),,

что связано с истощением запасов подземных (грунтовых) вод. Па­ водки на таких реках в период межени бывают редко. На малых ре­ ках истощение грунтовых вод приводит к летнему пересыханию.

Межень, нарушаемая дождевыми паводками, неустойчивая,, прерывистая. Периоды малой водности между паводками короткие,, иногда длятся несколько дней. Неустойчивая летняя межень ха­ рактерна для рек севера и северо-запада Русской равнины и Восточ­ ной Сибири. Максимальные расходы воды и уровни на малых реках, в этих областях во время дождевых паводков иногда превышают максимальные расходы и уровни весеннего половодья.

Зимняя межень на реках континентального климата совпадает обычно с периодом ледостава. Исключение составляют горные реки, где отсутствие ледостава обусловливается большими скоростями те­ чения. В период зимней межени реки питаются грунтовыми водами, частично (реки северо-запада и юга Русской равнины) снеговыми водами во время зимних оттепелей. Расходы воды от начала замер­ зания рек постепенно снижаются, достигая минимума перед вскры­ тием. В районах с суровым климатом, особенно в зоне многолет­ ней мерзлоты, многие реки перемерзают, что является следствием не только прекращения стока подземных вод в русло рек, но и за­ трат воды на ледообразование.

Среди многообразия типов водного режима выделяются реки с простым и сложным режимом. Сложный водный режим свойствен крупным рекам, притоки которых собирают воды с бассейнов, рас­ положенных в разных географических зонах (Нил, Амур, Енисей, Печора, Дунай и др.). Малые и средние реки (условно с площадями водосборов до 50000 км2) имеют простой режим, формирующийся в пределах одной географической зоны. В то же время водный ре­ жим малых рек иногда может значительно отклоняться от харак­ терного «зонального» режима под воздействием азональных факто­ ров, таких, например, как геологическое строение речного бассейна, с которыми тесно связано питание рек подземными водами.

§ 129. Весеннее половодье на реках СССР

Весеннее половодье представляет собой основную фазу водного режима рек чисто снегового, преимущественно снегового и смешан­ ного с преобладанием снегового типа питания. Такие реки распро­ странены на равнинной территории СССР.

Основными элементами весеннего половодья являются: начало

иконец половодья, его продолжительность, максимальные расход

иуровень, продолжительность подъема и спада и объем стока. Ве­

сеннее половодье начинается с интенсивного роста уровней и рас­ ходов. Это происходит через несколько дней после перехода темпе­ ратуры воздуха через 0°С, так как отдача воды снежным покровом начинается только после того, как снег пропитается водой. Начало половодья довольно хорошо совпадает со временем появления ру­ чьев снеговой воды на склонах.

В пределах нашей страны раньше всего половодье начинается на юго-западе европейской части (вторая половина февраля). Фронт начала половодья продвигается с юго-запада на северо-во­ сток, и в низовьях Печоры половодье наступает в начале мая. В азиатской части СССР половодье начинается несколько позже: на юге — в начале апреля, на севере — в конце мая — начале июня (в низовьях Хатанги, Пясины, Лены и на других реках).

Если начало половодья определяется только климатическими условиями, то конец его зависит от величины запасов воды в снеж­ ном покрове в речном бассейне, интенсивности снеготаяния и мор­ фологических особенностей бассейна (размеры, уклон местности, развитие речной сети, временной и постоянной), определяющих ско­ рость стекания и время добегания талых вод до замыкающего створа. Очевидно, что и продолжительность половодья зависит от этих же факторов и может меняться в широких пределах. На тер­ ритории СССР она колеблется от 10—15 дней на реках Южного Заволжья и равнинного Казахстана до 4—5 месяцев на больших реках с крупными водосборами, обширными поймами, как, напри­ мер, на Оби, и с повышенной озерностью. Поймы рек и их русла, заполненные большими массами воды, медленно отдают ее, вследствие чего спад половодья происходит медленнее, чем подъем, т. е. продолжительность спада больше продолжительности подъема.

Максимальные расходы и уровни держатся на некоторых реках недолго (1-—2 дня), на других стояние высоких уровней затяги­ вается (реки Западно-Сибирской равнины). Иногда наблюдается несколько максимумов, что является следствием или возврата хо­

За время весеннего половодья реки проносят большую часть годо­ вого стока — от 50% на севере до 90% и более на юге.

Советскими гидрологами разработаны методы прогноза элемен­ тов весеннего половодья, в частности его объема. Величина послед­ него определяется запасами воды в снежном покрове к началу сне­ готаяния (снегозапасы), количеством осадков, выпавших во время половодья, и расходом этих вод на инфильтрацию, заполнение уг­ лублений рельефа снеговыми водами (аккумуляцию вод в пониже­ ниях рельефа), аккумуляцию вод в верхних слоях почвы, затрачи­ ваемых впоследствии на испарение. Инфильтрация зависит от

увлажненности почвы осенью и промерзания зимой. Учет увлажнен­ ности почвы и глубины ее промерзания значительно улучшает про­ гноз объема весеннего половодья. (Подробнее о процессе инфильт­ рации см. § 91.)

§ 130. Формирование паводков и передвижение паводочной волны в русле реки

Паводки формируются под влиянием дождей и таяния снега во время зимних оттепелей; они могут быть вызваны также попу­

падения которого больше интенсивности инфильтрации и аккумуля-

1

ции воды в неровностях рельефа. Форма гидрографа паводка (вы­ сота, время подъема и спада) зависит от режима осадков и опреде­ ляется величиной площади орошения дождем, а также конфигура­ цией и размерами бассейна, морфологическими особенностями русла и поймы, влияющими на скорость добегания воды до замы­ кающего створа на реке. Ливневые дожди обычно одновременно охватывают сравнительно ограниченные территории. Фронт осад­ ков над большими речными бассейнами движется в определенной последовательности во времени и пространстве, поэтому весь бас­ сейн редко бывает охвачен дождем одновременно. В связи с этим паводки на главной реке приобретают разные размеры и форму. Может случиться так, что паводки, сформированные на притоках в разное время, достигают главной реки в определенном месте од­ новременно. Накладываясь друг на друга, они могут вызвать на главной реке катастрофический паводок.

Паводки разделяют на элементарные и сложные. Элементарным паводком называют тот, который возник от выпадения единичного дождя (например, часового, суточного), равномерно орошающего весь бассейн, или от снеготаяния в единицу времени. Сложным на­

знак минус взят потому, что уменьшению расхода в нижнем сече­ нии соответствует увеличение объема воды в русле реки на данном участке. Переходя к пределам, нетрудно получить уравнение, кото­ рое называется уравнением неразрывности: оно характризует не­ разрывность (сплошность) движения водных масс в потоке

dQ I дш

(129)

На рис. 84 6 показаны изменения величин Q во времени для двух последовательно расположенных по течению реки пунктов (1, 2). Точки А и. В соответствуют максимальным расходам в каждом из этих пунктов. Так как паводок распластывается, то, очевидно, мак­ симальные расходы уменьшаются вниз по течению. В некоторый мо­ мент времени, соответствующий на рис. 84 б точке Е, расходы воды в двух соседних пунктах будут равны между собой, а следовательно,

ния максимальная, а следовательно, и уровень максимальный. Так как точка Е соответствует более позднему моменту, чем точка А, то отсюда можно сделать очень важный вывод: максимум расходов при паводках наступает раньше максимума уровней.

Предположим, что в некоторый момент времени в данном пункте

<3Q

наблюдается максимум расходов. В этом случае—— = 0. Известно, dt

что Q = со V, где ѵ ■ средняя скорость течения. Величина площади живого сечения со находится в прямой зависимости от Я, т. е. с уве­ личением Я увеличивается и со. Продифференцировав Q по t, по­ лучим

Сумма двух величин может быть равна нулю только в том слу­ чае, если обе эти величины равны нулю или если их абсолютные зна­ чения равны между собой, но одна из них положительная, а другая отрицательная. Из дифференциального исчисления известно, что если какая-либо функция имеет максимум, то производная этой функции до максимума (на подъеме) положительная, после него (на спаде) — отрицательная. Так как максимум уровней и соответ­ ственно максимум живого сечения наступают позже максимума рас-

ходов, то, следовательно, в момент максимума расходов â(ù---- вели­

чина положительная. Отсюда следует, что величина dt меньше

нуля, а это значит, что в момент максимума расходов кривая, изо­ бражающая изменения скорости во времени, находится на спаде, т. е. максимум скорости наступил раньше, чем максимум расходов.

Представим себе, что в данный момент наблюдался максимум

дѵ

скоростей. В таком случае - ^ - = 0. Пользуясь формулой Шези ѵ=

= C~^Ri и заменяя в ней гидравлический радиус R средней глубиной И, найдем v2 = CzHi. Продифференцировав обе части этого равен­ ства, получим

Так как — ----- величина положительная, ибо максимум уровнен,

а следовательно, и средней глубины наступает позже максимума

скоростей, то меньше нуля. Отсюда следует, что максимум укло­

нов наблюдается раньше максимума скоростей. Таким образом, при прохождении паводка на реке сначала наступает максимум укло­ нов, затем максимум скоростей, максимум расходов и позже всего максимум уровней.

Повышенные скорости в передней (лобовой) части волны па­ водка по сравнению со скоростями в тыловой части волны даже в ус­ ловиях однообразной формы и размеров русла приводят к распла­ стыванию (растягиванию) этой волны. На рис. 142 (см. § 202) за­ метно уменьшение высоты и увеличение длительности половодья в нижнем течении р. Волги.

При прохождении паводка изменяется продольный профиль вод­ ной поверхности реки. Это отчетливо заметно на отдельных ее уча­ стках, характеризующихся чередованием плёсов и перекатов. На этих участках с изменением водности происходит перераспределе­ ние уклонов водной поверхности. При меженных уровнях большее влияние на распределение уклонов оказывает глубина, при высоких уровнях (при прохождении паводочных расходов воды) — плановые очертания русла. В межень перекаты, возвышаясь над средней поверхностью дна участка плёс — перекат, подпирают воду на выше­ расположенной плёсе. В результате уклоны на плёсе меньше. На пе­ рекатах при малых глубинах поток испытывает большее сопроти­ вление, для преодоления которого увеличиваются уклоны и скоро­ сти течения. При высоких уровнях на закруглениях (плёсовые участки) движение воды по сравнению со спрямленными участками перекатов испытывает добавочное сопротивление, и тем большее, чем больше скорость течения. Это добавочное сопротивление на плёсах вызывает увеличение уклонов, а следовательно, и скоростей течения. Таким образом, при низких уровнях уклоны на плёсах меньше, на перекатах больше. С повышением уровней и увеличе­ нием расходов воды различия в уклонах на плёсах и перекатах сначала постепенно сглаживаются, а затем происходит их перерас­ пределение: при больших расходах на плёсах уклоны становятся больше, на перекатах меньше.