Анализ условий формирования и расчет основных статистических характеристик стока реки кегеты. Характеристика реки

2.13. При определении расчетных гидрологических характеристик годового стока воды рек надлежит выполнять требования,изложенные в пп. 2.1 - 2.12.

2.14. Для определения внутригодового распределения стока воды при наличии данных гидрометрических наблюдений за период не менее 15 лет принимаются следующие методы:

распределение стока по данным рек-аналогов;

метод компоновки сезонов.

2.15. Внутригодовое распределение стока следует рассчитывать по водохозяйственным годам,начиная с многоводного сезона. Границы сезонов назначаются едиными для всех лет с округлением до месяца.

2.16. Деление года на периоды и сезоны производится в зависимости от типа режима реки и преобладающего вида использования стока. Продолжительность многоводного периода следует назначать так,чтобы в принятые его границы включалось половодье за все годы. Период года и сезон,в котором естественный сток может лимитировать водопотреб­ление,принимаются за лимитирующий период и лимитирующий сезон. В лимитирующий период входят два смежных сезона,из которых один является наиболее неблагоприятным в отношении использования стока (лимитирующий сезон).

Для рек с весенним половодьем за лимитирующий период прини­маются два маловодных сезона:лето - осень и зима. При преобладании водопотребления на сельскохозяйственные нужды за лимитирующий сезон следует принимать лето - осень,а для гидроэнергетики и в целях водоснабжения - зиму.

2.17. Для высокогорных рек с летним половодьем при преимущест­венно ирригационном использовании стока за лимитирующий период принимается осень - зима и весна,а за лимитирующий сезон - весна.

При проектировании отвода избыточных вод для борьбы с навод­нениями или при осушении болот и заболоченных земель за лимити­рующий период принимается многоводная часть года (например,весна и лето - осень),а за лимитирующий сезон - самый многоводный сезон (например,весна).

Расчетная вероятность превышения величины стока за год,за лимитирующие сезон и период определяется по кривым распределения ежегодных вероятностей превышения (эмпирическим или аналити­ческим).

2.18. Внутригодовое распределение стока за конкретный год наблюдений принимается в качестве расчетного,если вероятность превышения стока за этот год и за лимитирующие период и сезон близки между собой и соответствуют заданной по условиям проектирования ежегодной вероятности превышения.

2.19. Внутригодовое распределение стока при расчете по методу компоновки определяется из условий равенства вероятностей превы­шения стока за год,стока за лимитирующий период и внутри его за лимитирующий сезон.

Величину стока сезона,не входящего в лимитирующий период,определяются по разности между стоком за год и стоком за этот период,а величины стока за нелимитирующий сезон,входящий в лимитирующий период,- по разности стока этого периода и сезона.

2.20. При близких значениях коэффициентов вариации и асимметрии речного стока за год и лимитирующие период и сезон расчетное внутригодовое распределение определяется как среднее для всех лет распределение стока воды по месяцам (декадам) в процентах от годового стока воды исследуемой реки.

2.21. При незначительном изменении водопотребления в течение года допускается замена календарного распределения стока воды по сезонам и месяцам кривой продолжительности суточных расходов воды за год.

2.22. При изменении стока воды под влиянием хозяйственной деятельности необходимо привести его к естественному стоку воды реки согласно требованиям п. 1.6. По этим данным определяется расчетное внутригодовое распределение стока воды реки и в результаты расчетов вносятся соответствующие изменения.

Характеристики годового стока

Сток - это движение воды по поверхности, а также в толще почв и горных пород в процессе ее круговорота в природе. При расчетах под стоком понимается количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо период времени. Это количество воды может быть выражено в виде расхода Q, объема W, модуля M или слоя стока h.

Объем стока W - количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо период времени (сутки, месяц, год и т.п.), - определяется по формуле

W=QT [м 3 ], (19)

где Q - средний расход воды за расчетный период времени, м 3 /с, T - число секунд в расчетном периоде времени.

Так как средний расход воды был вычислен ранее как норма годового стока, объем стока р. Кегеты за год W = 2.39 365,25 24 3600 = 31764096м 3 .

Модуль стока М - количество воды, стекающей с единицы площади водосбора в единицу времени, - определяется по формуле

М=103Q/F [л/(скм2)], (20)

где F - площадь водосбора, км 2 .

Модуль стока р. Кегеты М=10 3 2.39/178 = 13.42 л/(скм 2).

Слой стока h мм - количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо период времени, равное толщине слоя, равномерно распределенного по площади этого водосбора, - определяется по формуле

h=W/(F 10 3)=QT/(F 10 3). (21)

Слой стока для бассейна р. Кегеты h = 31764096/ (178 10 3) = 178.44 мм.

К безразмерным характеристикам относятся модульный коэффициент и коэффициент стока.

Модульный коэффициент К представляет собой отношение стока за какой либо конкретный год к норме стока:

К = Q i /Q 0 = W i /W 0 = h i /h 0 , (22)

и для р. Кегеты за рассматриваемый период К меняется от К =1.58 / 2.39= 0.66 для года с минимальным расходом до К = 3.26 / 2.39 = 1.36 для максимального расхода.

Коэффициент стока - отношение объема или слоя стока к количеству выпавших на площадь водосбора осадков х, обусловивших возникновение стока:

Коэффициент стока показывает, какая часть осадков идет на образование стока.

В курсовой работе необходимо определить характеристики годового стока для принятого к рассмотрению бассейна, приняв норму стока из раздела

Внутригодовое распределение стока

Внутригодовое распределение стока рек занимает важное место в вопросе изучения и расчетов стока как в практическом, так и в научном отношении, являясь в тоже время наиболее сложной задачей гидрологических исследований /2,4,13/.

Основные факторы, определяющие внутригодовое распределение стока и его общую величину, - климатические. Они определяют общий характер (фон) распределения стока в году того или иного географического района; территориальные изменения распределения стока следуют за изменением климата.

К факторам, влияющим на распределение стока в течении года относятся озерность, лесистость, заболоченность, размеры водосборов, характер почв и грунтов, глубина залегания грунтовых вод, и т.д., которые в определенной мере должны учитываться в расчетах как при отсутствии, так и при наличии материалов наблюдений.

В зависимости от наличия данных гидрометрических наблюдений применяются следующие методы расчета внутригодового распределения стока:

при наличии наблюдений за период не менее 10 лет: а) распределение по аналогии с распределением реального года; б) метод компоновки сезонов;

при отсутствии или недостаточности (менее 10 лет) данных наблюдений: а) по аналогии с распределением стока изученной реки-аналога; б) по районным схемам и региональным зависимостям параметров внутригодового распределения стока от физико-географических факторов.

Внутригодовое распределение стока обычно рассчитывается не по календарным годам, а по водохозяйственным, начиная с многоводного сезона. Границы сезонов назначаются едиными для всех лет с округлением до месяца.

Расчетная вероятность превышения стока за год, лимитирующие период и сезон назначается в соответствии с задачами водохозяйственного использования стока реки.

В курсовой работе необходимо выполнить расчеты при наличии гидрометрических наблюдений.

Расчеты внутригодового распределения стока методом компоновки

Исходными данными для расчета являются среднемесячные расходы воды и в зависимости от цели использования расчета - заданный процент обеспеченности Р и деление на периоды и сезоны.

Расчет делится на две части:

межсезонное распределение, имеющее наиболее важное значение;

внутрисезонное распределение (по месяцам и декадам, устанавливаемое с некоторой схематизацией.)

Межсезонное распределение. В зависимости от типа внутригодового распределения стока год делится на два периода: многоводный и маловодный (межень). В зависимости от цели использования один из них назначается лимитирующим.

Лимитирующий-это наиболее напряженный с точки зрения водохозяйственного использования период (сезон). Для целей осушения лимитирующим периодом является многоводный; для целей орошения, энергетики-маловодный.

В период включается один или два сезона. На реках с весенним половодьем для целей орошения выделяются: многоводный период (он же сезон) - весна и маловодный (лимитирующий) период, включающий в себя сезоны; лето-осень и зима, причем лимитирующим сезоном при орошении является лето-осень (при энергетическом использовании-зима).

Расчет выполняется по гидрологическим годам, т.е. по годам, начинающимся с многоводного сезона. Сроки сезонов назначаются едиными для всех лет наблюдений с округлением их до целого месяца. Продолжительность многоводного сезона назначается так, чтобы в границах сезона помещалось половодье как в годы с наиболее ранним сроком наступления, так и с наиболее поздним сроком окончания.

В задании продолжительность сезонов можно принять следующей: весна - апрель, май, июнь; лето-осень - июль, август, сентябрь, октябрь, ноябрь; зима - декабрь и январь, февраль, март следующего года.

Величина стока за отдельные сезоны и периоды определяется суммой среднемесячных расходов (табл. 10). В последнем году к расходу за декабрь прибавляются расходы за три месяца (I, II, III) первого года.

При расчете по методу компоновки внутригодовое распределение стока принимается из условия равенства вероятности превышения стока за год, стока за лимитирующий период и внутри его за лимитирующий сезон. Поэтому необходимо определить расходы заданной проектом обеспеченности (в задании Р=80%) для года, лимитирующих периода и сезона. Следовательно, требуется рассчитать параметры кривых обеспеченности (О 0 , С v и С s) для лимитирующих периода и сезона (для годового стока параметры вычислены выше). Вычисления производятся методом моментов в табл. 10 по схеме, изложенной выше для годового стока.

Определять расчетные расходы можно по формулам:

годового стока

Орасгод = Kр"12Q 0 , (26)

лимитирующего периода

Орасмеж= KрQ0меж, (27)

лимитирующего сезона

Орасло= Kр"Qло (27)

где Kр", Kр, Kр" - ординаты кривых трехпараметрического гамма-распределения, снятые с таблицы соответственно для С v - годового стока. С v меженного стока и С v для лета-осени.

Примечание. Так как расчеты выполняются по среднемесячным расходам, расчетный расход за год требуется умножить на 12.

Одним из основных условий метода компоновки является равенство

Орасгод= Орассез. Однако это равенство нарушится, если расчетный сток за не лимитирующие сезоны определять также по кривым обеспеченности (ввиду различия параметров кривых). Поэтому расчетный сток за не лимитирующий период (в задании - за весну) определяют по разности

Орасвес = Орасгод - Орасмеж, (28)

а за не лимитирующий сезон (в задании-зима)

Орасзим = Орасмеж. - Qло (29)

Расчет удобнее выполнить в форме табл. 10.

Внутрисезонное распределение - принимается осредненным по каждой из трех групп водности (многоводная группа, включающая годы с обеспеченностью стока за сезон Р<33%, средняя по водности 33<Р<66%, маловодная Р>66%).

Для выделения лет, входящих в отдельные группы водности, необходимо суммарные расходы за сезоны расположить по убыванию и подсчитать их фактическую обеспеченность. Так как расчетная обеспеченность (Р=80%) соответствует маловодной группе, дальнейший расчет можно производить для лет, входящих в маловодную группу (табл. 11).

Для этого в. графу «Суммарный сток» выписать расходы по сезонам, соответственные обеспеченности Р>66%, а графу «Годы» - записать годы, соответственные этим расходам.

Среднемесячные расходы внутри сезона расположить в убывающем порядке с указанием календарных месяцев, к которым они относятся (табл. 11). Таким образом, первым окажется расход за наиболее многоводный месяц, последним-за маловодный месяц.

Для всех лет произвести суммирование расходов отдельно за сезон и за каждый месяц. Принимая сумму расходов за сезон за 100%, определить процент каждого месяца А%, входящего в сезон, а в графу «Месяц» записать наименование того месяца, который повторяется наиболее часто. Если повторений нет, выписать любой из встречающихся, но так, чтобы каждый месяц, входящий в сезон, имел свой процент от сезона.

Затем, умножая расчетный расход за сезон, определенный в части межсезонного распределения стока (табл. 10), на процентную долю каждого месяца А% (табл. 11), вычислить расчетный расход каждого месяца.

Орас v = Орасвес А % v / 100% (30)

Полученные данные заносятся в табл. 12 «Расчетные расходы по месяцам» и на миллиметровке строится расчетный гидрограф Р-80% изучаемой реки (рис. 11).

Таблица 12. Расчетные расходы (м3/с) по месяцам

ВВЕДЕНИЕ.

Задачи гидрологических расчетов и их роль в развитии хозяйства страны. Связь гидрологических расчетов с другими науками. История развития гидрологических расчетов: первые работы зарубежных ученых 17-19вв.; работы русских ученых конца 19 – начала 20вв.; первый учебник гидрологии в России; советский период развития гидрологических расчетов; Всесоюзные гидрологические съезды и их роль в развитии методов расчета речного стока; постсоветский период развития гидрологических расчетов. Основные характеристики стока рек. Три случая определения гидрологических характеристик.

МЕТОДЫ АНАЛИЗА ХАРАКТЕРИСТИК РЕЧНОГО СТОКА.

Генетический анализ гидрологических данных: географо-гидрологический метод и его частные случаи – методы гидрологической аналогии, географической интерполяции и гидролого-гидрогеологический. Вероятностно-статистический анализ: метод моментов, метод наибольшего правдоподобия, метод кванителей, корреляционный и регрессионный анализ, факторный анализ , метод главных компонент, метод дискриминантного анализа. Методы анализа вычислительной математики: системы алгебраических уравнений, дифференцирование и интегрирование функций, уравнения с частными производными, метод Монте-Карло. Математическое моделирование гидрологических явлений и процессов, классы и типы моделей. Системный анализ.

СПОСОБЫ ОБОБЩЕНИЯ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК.

Карты изолиний стока: принципы построения, надежность определения стока. Гидрологическое районирование территории: понятие, границы применения, принципы районирования и подходы к районированию, способы определения границ районов, однородность районов. Графическая обработка гидрологических данных: прямолинейные, степенные и показательные графические зависимости.

ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЧНОГО СТОКА.

Важность понимания механизма и степени влияния физико-географических факторов на режим и величину речного стока. Уравнение водного баланса речного бассейна. Классификация факторов формирования речного стока. Климатические и метеорологические факторы речного стока: атмосферные осадки, испарение, температура воздуха. Влияние на сток факторов речного бассейна и его подстилающей поверхности: географическое положение, размеры, форма речного бассейна, рельеф, растительность, почвы и горные породы, многолетняя мерзлота, озерность, болотистость, ледники и наледи в пределах бассейна. Влияние хозяйственной деятельности на речной сток: создание водохранилищ и прудов, перераспределение стока между речными бассейнами стока, орошение сельскохозяйственных полей, осушение болот и заболоченных территорий, агролесотехнические мероприятия на водосборах рек, водопотребление на промышленные и коммунально-бытовые нужды, урбанизация, добыча полезных ископаемых .

СТАТИСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ РЕЧНОГО СТОКА.

НАДЕЖНОСТЬ ИСХОДНОЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.

Норма стока и принципы ее вычисления. Изменчивость речного стока, ее относительное (коэффициент вариации) и абсолютное (среднеквадратическое отклонение) выражение, связь с метеорологическими факторами. Изменчивость внутригодового распределения стока, максимального стока весеннего половодья и дождевых паводков, минимального зимнего и летнего стока. Коэффициент асимметрии. Степень надежности гидрологической исходной информации. Причины возникновения погрешностей в режимной гидрологической информации.

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И РАСЧЕТЫ НОРМЫ ГОДОВОГО СТОКА.

Годовой сток рек как основная гидрологическая характеристика. Условия формирования годового стока: осадки, испарение, температура воздуха. Влияние озер, болот, ледников, наледей, площади бассейна, высоты водосбора, леса и его вырубки, создания водохранилищ, орошения, промышленно-коммунального водопотребления, осушения болот и заболоченных земель, агролесомелиоративных мероприятий на формирование годового стока рек. Понятие о репрезентативности ряда гидрологических данных. Элементы циклических колебаний стока. Синхронность, асинхронность, синфазность, асинфазность колебаний стока. Расчеты нормы годового стока при наличии, недостаточности и отсутствии данных наблюдений. Распределение годового стока по территории России.

ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ И РАСЧЕТ

ВНУТРИГОДОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СТОКА РЕК.

Практическая значимость знаний о внутригодовом распределении стока. Роль климата в распределении стока в течение года. Факторы подстилающей поверхности, корректирующие внутригодовое распределение стока: озера, болота, пойма реки, ледники, многолетняя мерзлота, наледи, лес, карст, размеры речного бассейна, форма водосбора. Влияние создания водохранилищ и прудов, орошения, агролесотехнических мероприятий и осушения на внутригодовое распределение стока рек. Расчет внутригодового распределения стока при наличии, недостаточности и отсутствии данных наблюдений. Расчет суточного распределения стока. Кривые продолжительности суточных расходов. Коэффициент естественной зарегулированности стока. Коэффициент внутригодовой неравномерности стока.

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА МАКСИМАЛЬНОГО

СТОКА РЕК ЗА ПЕРИОД ВЕСЕННЕГО ПОЛОВОДЬЯ.

Понятие «катастрофический паводок (половодье)». Практическое и научное значение достоверной оценки статистических параметров половодий. Причины катастрофических наводнений. Генетические группы максимальных расходов воды. Расчетная обеспеченность максимальных расходов воды в зависимости от класса капитальности гидротехнического сооружения. Качество исходной информации о максимальных расходах воды. Условия формирования стока половодий: снегозапасы в бассейне реки и запасы воды в снежном покрове, потери на испарение со снега, интенсивность и продолжительность снеготаяния, потери талых вод. Факторы подстилающей поверхности: рельеф, экспозиция склона, размеры, конфигурация, расчлененность бассейна, озера и болота, почвы и грунты. Антропогенные факторы формирования максимального стока половодий. Генетическая теория формирования максимального стока. Редукция максимального стока. Расчеты максимального весеннего стока при наличии, недостаточности и отсутствии данных наблюдений. Математические и физико-математические модели процессов формирования стока талых вод.

МАКСИМАЛЬНЫЙ СТОК РЕК ЗА ПЕРИОД ДОЖДЕВЫХ ПАВОДКОВ.

Районы распространения высоких дождевых максимумов. Сложности в исследовании и обобщении характеристик дождевого стока. Виды дождей и их составные части. Особенности формирования дождевых паводков: интенсивность и продолжительность дождя, интенсивность инфильтрации, скорость и время добегания дождевых вод. Роль факторов подстилающей поверхности и видов хозяйственной деятельности в формировании дождевого стока. Расчеты максимальных расходов воды дождевых паводков при наличии, недостаточности и отсутствии данных наблюдений. Моделирование стока дождевых паводков.

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И РАСЧЕТЫ МИНИМАЛЬНОГО ЛЕТНЕГО
И ЗИМНЕГО СТОКА РЕК.

Понятие меженного периода и меженного стока. Практическая значимость знаний о минимальном стоке рек. Основные расчетные характеристики минимального и меженного стока рек. Продолжительность зимнего и летнего или летнее-осеннего меженного периода на реках территории России. Типы межени и меженных периодов рек России. Факторы формирования минимального стока: осадки, температура, испарение, связь вод зоны аэрации, грунтовых вод, карстовых и артезианских вод с рекой, геологические и гидрогеологические условия в бассейне, озера, болота, лес, расчленение и высота местности, пойма реки, глубина эрозионного вреза русла реки, площади поверхностного и подземного водосборов, уклон и ориентирование водосбора, орошение сельскохозяйственных земель, промышленное и бытовое потребление воды рек, осушение, использование подземных вод, создание водохранилищ, урбанизация. Расчеты минимального меженного стока при разном объеме исходной гидрологической информации.

4. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1.

РАСЧЕТЫ ГОДОВОГО СТОКА РЕК ЗАДАННОЙ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ
ПРИ НЕДОСТАТОЧНОСТИ И ОТСУТСТВИИ ДАННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ.

ЗАДАНИЕ 1: Выбрать бассейн реки с площадью водосбора не менее 2000км ² и не более 50000км ² в пределах Тюменской области и выписать из изданий ОГХ для этого бассейна ряд наблюдений среднегодовых расходов.

ЗАДАНИЕ 2: Определить статистические параметры кривой обеспеченности среднегодовых расходов выбранной реки методами моментов, наибольшего правдоподобия, графо-аналитическим.

ЗАДАНИЕ 3: Определить годовой сток реки обеспеченностью 1%, 50% и 95%.

ЗАДАНИЕ 4: Вычислить среднегодовой сток той же реки по карте изолиний модуля и слоя стока и оценить точность расчета.

ТЕОРИЯ: При наличии или недостаточности данных наблюдений основные статистические параметры речного стока определяют тремя методами: методом моментов, методом наибольшего правдоподобия, графоаналитическим методом.

МЕТОД МОМЕНТОВ .

Для определения параметров кривой распределения Qо, Cv и Сs методом моментов используются следующие формулы:

1) среднее многолетнее значение расхода воды

Qо = ΣQi /n, где

Qi – погодичные значения расхода воды, м³/с;

n – количество лет наблюдений; при рядах наблюдений менее 30 лет вместо n принимают (n – 1).

2) коэффициент вариации

Cv = ((Σ(Кi -1)²) /n)½, где

Кi – модульный коэффициент, вычисляемый по формуле

Кi = Qi / Qо .

3) коэффициент асимметрии

Cs = Σ(Кi – 1)³/ (n · Сv³).

По значениям Cv и Cs рассчитывается соотношение Cs/Cv и ошибки вычисления Qо, Cv и Cs:

1) ошибка Qо

σ = (Cv /n½) ·100%;

2) ошибка Cv должна быть не более 10-15%

Έ = ((1+Cv²) / 2n)½ · 100%,

3) ошибка Cs

έ = ((6/n)½ (1+6Cv²+5Cv ( ½ / Cs) ·100%.

МЕТОД НАИБОЛЬШЕГО ПРАВДОПОДОБИЯ .

Сущность метода состоит в том, что наиболее вероятным считается такое значение неизвестного параметра, при котором функция правдоподобия достигает наибольшего возможного значения. При этом большее влияние имеют члены ряда, которым соответствует большее значение функции. Этот способ основан на использовании статистик λ 1 , λ 2 , λ 3. Статистики λ 2 и λ 3 связаны друг с другом и их соотношение меняется от изменения Сv и соотношения Сs/Сv. Статистики вычисляются по формулам:

1) статистика λ 1 есть среднее арифметическое ряда наблюдений

λ 1 = ΣQi / n ;

2)статистика λ 2

λ 2 = Σ ІgКi /(n – 1);

3) статистика λ 3

λ 3 = Σ Кi· ІgКi /(n – 1).

Определение коэффициента изменчивости Сv и соотношения Сs/Сv производится по номограммам (см. в учебном пособии . Практическая гидрология. Л.: Гидрометеоиздат, 1976, стр. 137) в соответствии с вычисленными статистиками λ 2 и λ 3 . На номограммах находим точку пересечения значений статистик λ 2 и λ 3 . По ближайшей к ней вертикальной кривой определяется значение Сv, а по горизонтальной кривой соотношение Сs/Сv, от которого переходим к значению Сs. Ошибка Сv определяется по формуле:

Έ = (3 / (2n(3+ Cv²)))½ · 100%.

ГРАФО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД .

Этим методом статистические параметры аналитической кривой обеспеченности вычисляются по трем характерным ординатам сглаженной эмпирической кривой обеспеченности. Такими ординатами служат величины Q

На полулогарифмической клетчатке вероятности строят зависимость Q = f(Р). Для построения сглаженной эмпирической кривой обеспеченности необходимо ряд наблюдений выстроить в убывающей последовательности и каждому ранжированному значению расхода воды Q уб . присвоить значение обеспеченности Р, вычисленное по формуле:

Р = (m / n+1) · 100%, где

m – порядковый номер члена ряда;

n – число членов ряда.

По горизонтальной оси откладываются значения обеспеченности, по вертикальной – соответствующие им Q уб. Точки пересечения обозначаются кружочками диаметром 1,5-2мм и закрепляются тушью. По точкам карандашом проводят сглаженную эмпирическую кривую обеспеченности. С этой кривой снимают три характерные ординаты Q 5% ,Q 50% и Q 95% обеспеченности, благодаря которым вычисляют значение коэффициента скошенности S кривой обеспеченности по следующей формуле:

S = (Q 5% + Q 95% - 2 Q 50% ) / (Q 5% - Q 95% ).

Коэффициент скошенности является функцией коэффициента асимметрии. Поэтому по вычисленному значению S определяют величину Сs (см. приложение 3 в учебном пособии. Практическая гидрология. Л.: Гидрометеоиздат, 1976, стр. 431). По этому же приложению в зависимости от полученного значения Сs определяют разность нормированных отклонений (Ф 5 % - Ф 95% ) и нормированное отклонение Ф 50% . Далее рассчитывают среднее квадратическое отклонение σ, средний многолетний сток Qо´и коэффициент вариации Сv по следующим формулам:

σ = (Q 5% - Q 95% ) / (Ф 5% - Ф 95% ),

Qо ´ = Q 50% - σ · Ф 50% ,

Сv = σ / Q´.

Аналитическая кривая обеспеченности считается в достаточной мере соответствующей эмпирическому распределению, если выполняется следующее неравенство:

ІQо - Qо´І < 0,02·Qо.

Средняя квадратическая ошибка Qо´ вычисляется по формуле:

σ Qо´ = (Сv / n½) · 100%.

Ошибка коэффициента вариации

Έ = ((1+ Сv²) / 2n)½ ·100%.

РАСЧЕТ РАСХОДОВ ЗАДАННОЙ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ .

Расход заданной обеспеченности вычисляется по формуле:

Qр = Кр·Qо, где

Кр – модульный коэффициент заданной обеспеченности р%, рассчитываемый по формуле

Кр = Фр·Cv + 1 , где

Фр – нормированные отклонения заданной обеспеченности от среднего значения ординат биномиальной кривой распределения, определяется по приложению 3 учебного пособия. Практическая гидрология. Л.: Гидрометеоиздат, 1976, стр. 431.

Рекомендуемые для дальнейших гидрологических расчетов и проектных работ статистические параметры по бассейну реки и ее обеспеченные расходы получают путем вычисления среднего арифметического из полученных тремя вышеизложенными методами Qо, Cv, Cs, Q 5% ,Q 50% и Q 95% обеспеченности.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗНАЧЕНИЙ СРЕДНЕГОДОВОГО СТОКА РЕК ПО

КАРТАМ .

При отсутствии данных наблюдений о стоке одним из способов его определения являются карты изолиний модулей и слоя стока (см. учебное пособие. Практическая гидрология. Л.: Гидрометеоиздат, 1976, стр. 169-170). Значение модуля или слоя стока определяется для центра водосбора реки. Если центр водосбора лежит на изолинии, то среднее значение стока данного водосбора принимается по значению этой изолинии. Если водосбор лежит между двумя изолиниями, то значение стока для его центра определяется методом линейной интерполяции. Если водосбор пересекают несколько изолиний, то значение модуля стока (или слоя стока) для центра водосбора определяют методом средневзвешенного по формуле:

Мср = (М 1 f 1 + М 2 f 2 +…М n f n ) / (f 1 + f 2 +…f n ), где

М 1 ,М 2… - средние значения стока между соседними изолиниями, пересекающими водосбор;

f 1, f 2… - площади водосбора между изолиниями в пределах водосбора (в км² или в делениях палетки).

28.07.2015

Колебания речного стока и критерии его оценки. Речным стоком называют перемещение воды в процессе ее кругооборота в природе, когда она стекает по речному руслу. Речной сток определяется количеством воды, протекающим по речному руслу за определенный промежуток времени.
На режим стока оказывают влияние многочисленные факторы: климатические - осадки, испарение, влажность и температура воздуха; топографические - рельеф местности, форма и размеры речных бассейнов и почвенно-геологические, включая растительный покров.
Для любых бассейнов, чем больше осадков и меньше испарение, тем больше сток реки.
Установлено, что с возрастанием площади водосбора продолжительность весеннего половодья также увеличивается, гидрограф же имеет более вытянутую и «спокойную» форму. В легко проницаемых грунтах больше фильтрация и меньше сток.
При выполнении различных гидрологических расчетов, связанных с проектированием гидротехнических сооружений, мелиоративных систем, систем водоснабжения, мероприятий по борьбе с наводнениями, дорог и т. д., определяют следующие основные характеристики речного стока.
1. Расход воды - это объем воды, протекающий через рассматриваемый створ в единицу времени. Средний расход воды Qcp рассчитывают как среднее арифметическое из расходов за данный промежуток времени Т:

2. Объем стока V - это объем воды, который протекает через заданный створ за рассматриваемый промежуток времени T

3. Модуль стока M - это расход воды, приходящийся на 1 км2 площади водосбора F (или стекающей с единицы площади водосбора):

В отличие от расхода воды модуль стока не связан с конкретным створом реки и характеризует сток в целом с бассейна. Средний многолетний модуль стока M0 не зависит от водности отдельных лет, а определяется только географическим положением бассейна реки. Это позволило районировать нашу страну в гидрологическом отношении и построить карту изолиний среднемноголетних модулей стока. Эти карты приводятся в соответствующей нормативной литературе. Зная площадь водосбора какой-либо реки и определив для нее по карте изолиний величину M0, можно установить средний многолетний расход воды Q0 этой реки по формуле

Для близко расположенных створов реки модули стока можно принять постоянными, то есть

Отсюда по известному расходу воды в одном створе Q1 и известным площадям водосборов в этих створах F1 и F2, расход воды в другом створе Q2 может быть установлен по соотношению

4. Слой стока h - это высота слоя воды, которая бы получилась при равномерном распределении по всей площади бассейна F объема стока V за определенный промежуток времени:

Для среднего многолетнего слоя стока h0 весеннего половодья составлены карты изолиний.
5. Модульный коэффициент стока К - это отношение любой из выше приведенных характеристик стока к ее среднеарифметическому значению:

Эти коэффициенты могут быть установлены для любых гидрологических характеристик (расходов, уровней, осадков, испарения и т.д.) и для любых периодов стока.
6. Коэффициент стока η - это отношение слоя стока к слою выпавших на водосборную площадь осадков х:

Этот коэффициент может быть выражен также через отношение объема стока к объему осадков за один и тот же промежуток времени.
7. Норма стока - наиболее вероятная средняя многолетняя величина стока, выраженная любой из вышеприведенных характеристик стока за многолетний период. Для установления нормы стока ряд наблюдений должен быть не менее 40...60 лет.
Норма годового стока Q0 определяется по формуле

Так как на большинстве водомерных постов число лет наблюдений обычно менее 40, то необходимо проверить, достаточно ли этого числа лет для получения достоверных значений нормы стока Q0. Для этого вычисляют среднеквадратическую ошибку нормы стока по зависимости

Продолжительность периода наблюдений достаточна, если величина среднеквадратической ошибки σQ не превышает 5 %.
На изменение годового стока преимущественное влияние оказывают климатические факторы: осадки, испарение, температура воздуха и т. д. Все они взаимосвязаны и, в свою очередь, зависят от ряда причин, которые имеют случайный характер. Поэтому гидрологические параметры, характеризующие сток, определяются совокупностью случайных величин. При проектировании мероприятий по лесосплаву необходимо знать значения этих параметров с необходимой вероятностью их превышения. Например, при гидравлическом расчете лесосплавных плотин необходимо установить максимальный расход весеннего паводка, который может быть превышен пять раз за сто лет. Эту задачу решают, используя методы математической статистики и теории вероятности. Для характеристики величин гидрологических параметров - расходов, уровней и т. д. используют понятия: частота (повторяемость) и обеспеченность (продолжительность).
Частота показывает, во скольких случаях за рассматриваемый период времени величина гидрологического параметра находилась в определенном интервале. Например, если среднегодовой расход воды в заданном створе реки изменялся за ряд лет наблюдений от 150 до 350 м3/с, то можно установить, сколько раз значения этой величины находились в интервалах 150...200, 200...250, 250...300 м3/с и т. д.
Обеспеченность показывает, во скольких случаях величина гидрологического элемента имела значения, равные и большие определенной величины. В широком понимании обеспеченность - это вероятность превышения данной величины. Обеспеченность какого-либо гидрологического элемента равна сумме частот вышерасположенных интервалов.
Частота и обеспеченность могут выражаться числом случаев, но в гидрологических расчетах их чаще всего определяют в процентах от общего числа членов гидрологического ряда. Например, в гидрологическом ряду двадцать значений среднегодовых расходов воды, шесть из них имели величину, равную или большую 200 м3/с, это значит, что этот расход обеспечен на 30 %. Графически изменения частоты и обеспеченности изображаются кривыми частоты (рис. 8а) и обеспеченности (рис. 8б).

В гидрологических расчетах чаще используют кривую обеспеченности. Из этой кривой видно, что чем больше величина гидрологического параметра, тем меньше процент обеспеченности, и наоборот. Поэтому принято считать, что годы, для которых обеспеченность стока, то есть среднегодовой расход воды Qг, меньше 50 % являются многоводными, а годы с обеспеченностью Qг больше 50 % - маловодными. Год с обеспеченностью стока 50 % считают годом средней водности.
Обеспеченность водности года иногда характеризуют ее средней повторяемостью. Для многоводных лет повторяемость показывает, как часто встречаются в среднем годы данной или большей водности, для маловодных - данной или меньшей водности. Например, среднегодовой расход многоводного года 10%-ной обеспеченности имеет среднюю повторяемость 10 раз в 100 лет или 1 раз в 10 лет; средняя повторяемость маловодного года 90%-ной обеспеченности также имеет повторяемость 10 раз в 100 лет, так как в 10 % случаев среднегодовые расходы будут иметь меньшие значения.
Годы определенной водности имеют соответствующее наименование. В табл. 1 для них приведены обеспеченность и повторяемость.

Связь между повторяемостью у и обеспеченностью р может быть записана в таком виде:
для многоводных лет

для маловодных лет

Все гидротехнические сооружения для регулирования русла или стока рек рассчитываются по водности года определенной обеспеченности, гарантирующей надежность и безаварийность работы сооружений.
Расчетный процент обеспеченности гидрологических показателей регламентируется «Инструкцией по проектированию лесосплавных предприятий».
Кривые обеспеченности и способы их расчета. В практике гидрологических расчетов применяются два способа построения кривых обеспеченности: эмпирический и теоретический.
Обоснованный расчет эмпирической кривой обеспеченности можно выполнить только при числе наблюдений за стоком реки более 30...40 лет.
При расчете обеспеченности членов гидрологического ряда для годового, сезонного и минимального стоков можно использовать формулу Н.Н. Чегодаева:

Для определения обеспеченности максимальных расходов воды применяют зависимость С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля:

Порядок построения эмпирической кривой обеспеченности:
1) все члены гидрологического ряда записываются в убывающем по абсолютной величине порядке;
2) каждому члену ряда присваивается порядковый номер, начиная с единицы;
3) определяется обеспеченность каждого члена убывающего ряда по формулам (23) или (24).
По результатам расчета строят кривую обеспеченности, подобную той, которая представлена на рис. 8б.
Ho эмпирические кривые обеспеченности обладают рядом недостатков. Даже при достаточно длительном периоде наблюдений нельзя гарантировать, что этот интервал охватывает все возможные максимальные и минимальные значения стока реки. Расчетные значения обеспеченности стока 1...2 % не надежны, так как достаточно обоснованные результаты можно получить только при числе наблюдений за 50...80 лет. В связи с этим, при ограниченном периоде наблюдений за гидрологическим режимом реки, когда число лет менее тридцати, или при полном их отсутствии, строят теоретические кривые обеспеченности.
Исследования показали, что распределение случайных гидрологических величин наиболее хорошо подчиняется уравнению кривой Пирсона III типа, интегральное выражение которой является кривой обеспеченности. Пирсоном получены таблицы для построения этой кривой. Кривая обеспеченности может быть построена с достаточной для практики точностью по трем параметрам: среднеарифметическому значению членов ряда, коэффициентам вариации и асимметрии.
Среднеарифметическое значение членов ряда вычисляется по формуле (19).
Если число лет наблюдений менее десяти или наблюдения вообще не проводились, то среднегодовой расход воды Qгcp принимают равным среднему многолетнему Q0, то есть Qгcp = Q0. Величина Q0 может быть установлена при помощи модульного коэффициента K0 или модуля стока M0, определенного по картам изолиний, так как Q0 = M0*F.
Коэффициент вариации Cv характеризует изменчивость стока или степень колебания его относительно среднего значения в данном ряду, он численно равен отношению среднеквадратической ошибки к среднеарифметическому значению членов ряда. На величину коэффициента Cv оказывают существенное влияние климатические условия, тип питания реки и гидрографические особенности ее бассейна.
При наличии данных наблюдений не менее чем за десять лет коэффициент вариации годового стока вычисляют по формуле

Величина Cv меняется в широких пределах: от 0,05 до 1,50; для лесосплавных рек Cv = 0,15...0,40.
При коротком периоде наблюдений за стоком реки или при их полном отсутствии коэффициент вариации можно установить по формуле Д.Л. Соколовского:

В гидрологических расчетах для бассейнов с F > 1000 км2 также используют карту изолиний коэффициента Cv, если суммарная площадь озер не более 3 % площади водосбора.
В нормативном документе СНиП 2.01.14-83 для определения коэффициента вариации неизученных рек рекомендуется обобщенная формула К.П. Воскресенского:

Коэффициент асимметрии Cs характеризует несимметричность ряда рассматриваемой случайной величины относительно ее среднего значения. Чем меньшая часть членов ряда превышает величину нормы стока, тем больше величина коэффициента асимметрии.
Коэффициент асимметрии может быть рассчитан по формуле

Однако эта зависимость дает удовлетворительные результаты только при числе лет наблюдений n > 100.
Коэффициент асимметрии неизученных рек устанавливается по соотношению Cs/Cv для рек-аналогов, а при отсутствии достаточно хороших аналогов принимаются средние отношения Cs/Cv по рекам данного района.
Если невозможно установить отношение Cs/Cv по группе рек-аналогов, то значения коэффициента Cs для неизученных рек принимаются по нормативным соображениям: для бассейнов рек с коэффициентом озерности более 40 %

для зон избыточного и переменного увлажнения - арктической, тундровой, лесной, лесостепной, степной

Для построения теоретической кривой обеспеченности по приведенным выше трем ее параметрам - Q0, Cv и Cs - пользуются методом, предложенным Фостером - Рыбкиным.
Из выше приведенного соотношения для модульного коэффициента (17) следует, что средняя многолетняя величина стока заданной обеспеченности - Qp%, Мр%, Vp%, hp% - может быть рассчитана по формуле

Модульный коэффициент стока года заданной обеспеченности определяется по зависимости

Определив ряд любых характеристик стока за многолетний период различной обеспеченности, можно по этим данным построить и кривую обеспеченности. При этом все расчеты целесообразно вести в табличной форме (табл. 3 и 4).

Способы расчета модульных коэффициентов. Для решения многих водохозяйственных задач необходимо знать распределение стока по сезонам или месяцам года. Внутригодовое распределение стока выражают в виде модульных коэффициентов месячного стока, представляющих отношения среднемесячных расходов Qм.ср к среднегодовому Qг.ср:

Внутригодовое распределение стока различно для лет разной водности, поэтому в практических расчетах определяют модульные коэффициенты месячного стока для трех характерных лет: многоводного года 10%-ной обеспеченности, среднего по водности - 50%-ной обеспеченности и маловодного - 90%-ной обеспеченности.
Модульные коэффициенты месячного стока можно установить по фактическим знаниям среднемесячных расходов воды при наличии данных наблюдений не менее чем за 30 лет, по реке-аналогу или по типовым таблицам распределения месячного стока, которые составлены для разных бассейнов рек.
Среднемесячные расходы воды определяют, исходя из формулы

(33): Qм.cp = KмQг.ср

Максимальные расходы воды. При проектировании плотин, мостов, запаней, мероприятий по укреплению берегов необходимо знать максимальные расходы воды. В зависимости от типа питания реки за расчетный максимальный расход может быть принят максимальный расход воды весеннего половодья или осеннего паводка. Расчетная обеспеченность этих расходов определяется классом капитальности гидросооружений и регламентируется соответствующими нормативными документами. Например, лесосплавные плотины Ill класса капитальности рассчитываются на пропуск максимального расхода воды 2%-ной обеспеченности, а IV класса - 5%-ной обеспеченности, берегоукрепительные сооружения не должны разрушаться при скоростях течения, соответствующих максимальному расходу воды 10%-ной обеспеченности.
Способ определения величины Qmax зависит от степени изученности реки и от различия между максимальными расходами весеннего половодья и паводка.
Если имеются данные наблюдений за период более 30...40 лет, то строят эмпирическую кривую обеспеченности Qmax, а при меньшем периоде - теоретическую кривую. В расчетах принимают: для весеннего половодья Cs = 2Сv, а для дождевых паводков Cs = (3...4)CV.
Поскольку наблюдения за режимом рек ведутся на водомерных постах, то обычно кривую обеспеченности строят для этих створов, а максимальные расходы воды в створах расположения сооружений рассчитывают по соотношению

Для равнинных рек максимальный расход воды весеннего половодья заданной обеспеченности р% вычисляют по формуле

Значения параметров n и K0 определяются в зависимости от природной зоны и категории рельефа по табл. 5.

I категория - реки, расположенные в пределах холмистых и платообразных возвышенностей - Среднерусская, Струго-Красненская, Судомская возвышенности, Среднесибирское плоскогорье и др.;
II категория - реки, в бассейнах которых холмистые возвышенности чередуются с понижениями между ними;
III категория - реки, большая часть бассейнов которых располагается в пределах плоских низменностей - Молого-Шекснинская, Мещерская, Белорусское полесье, Приднестровская, Васюганская и др.
Значение коэффициента μ устанавливается в зависимости от природной зоны и процента обеспеченности по табл. 6.

Параметр hp% вычисляют по зависимости

Коэффициент δ1 рассчитывают (при h0 > 100 мм) по формуле

Коэффициент δ2 определяют по соотношению

Расчет максимальных расходов воды весеннего половодья ведется в табличной форме (табл. 7).

Уровни высоких вод (УВВ) расчетной обеспеченности устанавливаются по кривым расходов воды для соответствующих значений Qmaxp% и расчетных створов.
При приближенных расчетах максимальный расход воды дождевого паводка может быть установлен по зависимости

В ответственных расчетах определение максимальных расходов воды следует проводить в соответствии с указаниями нормативных документов.

Река - естественный водный поток, протекающий постоянно в сформированном им углублении (русле).
В каждой реке различают исток, верхнее, среднее, нижнее течения и устье. Исток - начало реки. Реки начинаются при слиянии ручьев, возникающих в местах выходов подземных вод или собирающих воду атмосферных осадков, выпавших на поверхность. Вытекают они из болот (например, Волга), озер и ледников, питаясь скопившейся в них водой. В большинстве случаев определить исток реки можно только условно.
От истоков реки начинается ее верхнее течение.
В верхнем течении речной поток обычно менее многоводен, чем в среднем и нижнем течениях, уклон поверхности, наоборот, больше, и это отражается на скорости течения и на размывающей деятельности потока. В среднем течении река становится многоводнее, но скорость течения уменьшается, и поток переносит главным образом продукты размыва русла в верхнем течении. В нижнем течении при медленном движении потока преобладает отложение приносимых им сверху наносов (аккумуляция). Нижнее течение реки заканчивается устьем.
Устье реки - место ее впадения в море, озеро, в другую реку. В условиях сухого климата, там, где реки расходуют много воды (на испарение, орошение, фильтрацию), они могут постепенно иссякнуть, не донеся своих вод до моря или до другой реки. Устья таких рек называют «слепыми». Все реки, протекающие по той или иной территории, образуют ее речную сеть , входящую вместе с озерами, болотами и ледниками в гидрографическую сеть.
Речная сеть состоит из речных систем.
Речная система включает главную реку (название которой она носит) и притоки. Во многих речных системах главная река отчетливо выделяется только в нижнем течении, в среднем и особенно в верхнем течениях определить ее очень трудно. В качестве признаков главной реки можно принять длину, водность, осевое положение в речной системе, относительный возраст речной долины (долина более старая, чем у притоков). Главные реки большинства крупных речных систем не отвечают сразу всем этим признакам, например: Миссури длиннее и полноводнее Миссисипи; Кама приносит в Волгу не меньше воды, чем Волга несет у устья Камы; Иртыш длиннее Оби и его положение больше соответствует положению главной реки речной системы. Главной рекой речной системы исторически становилась та, которую раньше и лучше других рек этой системы знали люди.
Притоки главной реки называются притоками первого порядка, их притоки - притоками второго порядка и т. д.

Речная система характеризуется протяженностью составляющих ее рек, их извилистостью и густотой речной сети. Протяжённость рек - суммарная длина всех рек системы, измеряемая по карте крупного масштаба. Степень извилистости реки определяется коэффициентом извилистости (рис. 87) - отношением длины реки к длине прямой линии, соединяющей исток и устье. Густота речной сети - отношение суммарной протяженности всех рек рассматриваемой речной сети к занимаемой ею площади (км/км2). На карте, даже не очень крупного масштаба, видно, что густота речной сети в различных природных зонах неодинакова.
В горах густота речной сети больше, чем на равнинах, например: на северных склонах Кавказского хребта она составляет 1,49 км/км2, а на равнинах Предкавказья - 0,05 км/км2.
Участок поверхности, с которого вода стекает в одну и ту же речную систему, называется бассейном этой речной системы или ее водосбором. Бассейн речной системы складывается из бассейнов притоков первого порядка, которые в свою очередь состоят из бассейнов притоков второго порядка и т. д. Бассейны рек входят в бассейны морей и океанов. Все воды суши делятся между главными бассейнами: 1) Атлантического и Северного Ледовитого океанов (площадь 67 359 тыс. км2), 2) Тихого и Индийского океанов (площадь 49 419 тыс. км2), 3) областью внутреннего стока (площадь 32 035 тыс. км2).
Речные бассейны имеют различные размеры и очень разнообразную форму. Выделяются бассейны симметричные (например, бассейн Волги) и асимметричные (например, бассейн Енисея).
Размеры и форма бассейна в значительной степени определяют величину и режим стока реки. Важно также положение речного бассейна, который может находиться в разных климатических поясах и может протягиваться в широтном направлении в пределах одного и того же пояса.
Бассейны ограничены водоразделами. В горных странах они могут представлять собой линии, в общем совпадающие с гребнями хребтов. На равнинах, особенно плоских и заболоченных, водоразделы четко не выражены.
В некоторых местах водоразделы провести вообще невозможно, так как масса воды одной реки делится на две части, направляющиеся в разные системы. Такое явление называется бифуркацией реки (делением ее на две). Яркий пример бифуркации - деление верхнего течения Ориноко на две реки. Одна из них, за которой сохраняется название Ориноко, течет в Атлантический океан, другая - Касикьяре - впадает в приток Амазонки Риу-Негру.
Водоразделы ограничивают бассейны рек, морей, океанов. Главные бассейны: Атлантический и Северного Ледовитого океана (Атлантико-Арктический), с одной стороны, и Тихого и Индийского - с другой - ограничены главным (мировым) водоразделом Земли.
Положение водоразделов не остается постоянным. Их перемещения связаны с медленным врезанием верховий рек в результате развития речных систем и с перестройкой речной сети, вызываемой, например, тектоническими движениями земной коры.
Русло реки. Водные потоки протекают по земной поверхности в созданных ими продольных углублениях - руслах. Без русла не может быть реки. Понятие «река» включает и поток и русло. У большинства рек русло врезано в поверхность, по которой река протекает. Ho есть немало рек, русла которых возвышаются над пересекаемой ими равниной. Эти реки проложили свои русла в отложенных ими же наносах. Примером могут быть реки Хуанхэ, Миссисипи и По в нижнем течении. Такие русла легко перемещаются, нередко происходят прорывы их бокового вала, грозящие наводнениями.
Поперечное сечение русла, заполненного водой, называют водным сечением реки. Если все водное сечение представляет собой сечение движущегося потока, оно совпадает с так называемым живым сечением. Если же в водном сечении есть участки неподвижные (со скоростью движения, не улавливаемой приборами), их называют мертвым пространством. В этом случае живое сечение будет меньше водного на величину, равную площади мертвого пространства. Поперечное сечение русла характеризуется площадью, гидравлическим радиусом, шириной, средней и максимальной глубиной.
Площадь поперечного сечения (F) определяется в результате промеров глубины по всему поперечному сечению через определенные интервалы, принимаемые в зависимости от ширины реки. По В.A. Aпполову, площадь живого сечения связана с шириной (В) и наибольшей глубиной (H) уравнением: F=2/3BH.
Гидравлический радиус (R) - отношение площади поперечного сечения к смоченному периметру (P), т. е. к длине, линии соприкосновения потока с его ложем:

Гидравлический радиус характеризует форму русла в поперечном разрезе, так как зависит от соотношения его ширины и глубины. У мелких и широких рек смоченный периметр почти равен ширине, в этом случае гидравлический радиус почти равен средней глубине.
Средняя глубина (Hcp) поперечного сечения реки определяется делением его площади на ширину (В): Hcp = S/B. Ширину и максимальную глубину получают путем непосредственных их измерений.
Все элементы поперечного сечения изменяются вместе с изменением положения уровня реки. Уровень реки подвержен постоянным колебаниям, наблюдения над которыми систематически ведутся на специальных водомерных постах.
Продольный профиль речного русла характеризуется падением и уклоном. Падение (Δh) - разность высот двух точек (h1-h2). Отношение падения к длине участка (l) называется уклоном (i):

Падение выражается в метрах, уклон показывается десятичной дробью - в метрах на километр падения, или тысячными долями (промилле - ‰).
Реки равнин имеют небольшие уклоны, уклоны горных рек значительны.
Чем больше уклон, тем быстрее течение реки (табл. 23).

Продольный профиль дна русла и продольный профиль водной поверхности отличаются: первый представляет собой всегда волнистую линию, второй - плавную линию (рис. 88).
Скорость движения речного потока. Для водного потока характерно турбулентное движение. Скорость его в каждой точке непрерывно изменяется и по величине и по направлению. Это обеспечивает постоянное перемешивание воды и способствует размывающей деятельности.
Скорость течения речного потока неодинакова в разных частях живого сечения. Многочисленные измерения показывают, что наибольшая скорость обычно наблюдается близ поверхности. По мере приближения к дну и к стенкам русла скорость течения плавно убывает, и в придонном слое воды, толщиной всего несколько десятков миллиметров она резко уменьшается, достигая у самого дна величины, близкой к 0.
Линии распределения равных скоростей по живому сечению реки - изотахи. Ветер, дующий по течению, увеличивает скороеть на поверхности; ветер, дующий против течения, замедляет ее. Замедляет скорость движения воды на поверхности и ледяной покров реки. Струя в потоке, имеющая наибольшую скорость, называется его динамической осью, струя наибольшей скорости на поверхности потока - стрежень. При некоторых условиях, например при ветре, попутном течению, динамическая ось потока оказывается на поверхности и совпадает со стрежнем.
Средняя скорость в живом сечении (Vср) вычисляется по формуле Шези: V=C √Ri, где R - гидравлический радиус, i - уклон водной поверхности на участке наблюдений, С - коэффициент, зависящий от шероховатости и формы русла (последняя определяется с помощью специальных таблиц).

Характер движения потока. Частицы воды в потоке перемещаются под действием силы тяжести по уклону. Их перемещение задерживает сила трения. Кроме силы тяжести и трения, на характер движения потока влияют центробежная сила, возникающая на поворотах русла, и отклоняющая сила вращения Земли. Эти силы вызывают поперечное и круговое течения в потоке.
Под действием центробежной силы на повороте поток прижимается к вогнутому берегу. При этом чем больше скорость течения, тем больше сила инерции, мешающая потоку изменить направление движения и отклониться от вогнутого берега. Скорость течения у дна меньше, чем на поверхности, поэтому отклонение придонных слоев в сторону берега, противоположного вогнутому, больше, чем поверхностных слоев. Это способствует возникновению течения поперек русла. Так как вода прижимается к вогнутому берегу, поверхность потока получает поперечный уклон от вогнутого к выпуклому берегу. Однако перемещения воды на поверхности по уклону от одного берега к другому не происходит. Этому мешает центробежная сила, заставляющая частицы воды, преодолевая уклон, перемещаться в сторону вогнутого берега. В придонных слоях в связи с меньшей скоростью течения влияние центробежной силы сказывается меньше, и поэтому вода перемещается в соответствии с уклоном от вогнутого к выпуклому берегу. Частицы воды, перемещающиеся поперек реки, относятся одновременно вниз по течению, и их траектория напоминает спираль.
Отклоняющая сила вращения Земли заставляет поток прижиматься к правому берегу (в северном полушарии), отчего поверхность его (так же как на повороте под влиянием центробежной силы) приобретает поперечный уклон. Уклон и разная степень воздействия силы на частицы воды на поверхности и у дна вызывают внутреннее противотечение, направленное по часовой стрелке (в северном полушарии), если смотреть вниз по течению. Так как и это движение складывается с поступательным движением частиц, они двигаются вдоль русла по спирали.
На прямолинейном участке русла, где центробежные силы отсутствуют, характер поперечного течения определяется в основном действием отклоняющей силы вращения Земли. На изгибах русла сила отклоняющего действия вращения Земли и центробежная сила или складываются, или вычитаются в зависимости от того, куда поворачивает река, и поперечная циркуляция усиливается или ослабляется.
Поперечная циркуляция может возникать также под влиянием разной температуры (неодинаковой плотности) воды в разных частях поперечного сечения, под влиянием рельефа дна и других причин. Поэтому она сложна и разнообразна. Влияние поперечной циркуляции на формирование русла, как увидим ниже, очень велико.
Речной сток и его характеристики. Количество воды, проходящей через живое сечение реки за 1 секунду, составляет ее расход. Расход (Q) равен произведению площади живого сечения (F) на среднюю скорость (Vcp):Q=FVcp м3/сек.
Расходы воды в реках очень изменчивы. Более устойчивы они на реках, зарегулированных озерами и водохранилищами. На реках умеренного пояса наибольший расход воды приходится на период весеннего половодья, наименьший - на летние месяцы. По данным ежедневных расходов строят графики изменения расхода - гидрографы.
Количество-воды, проходящее через живое сечение реки за более или менее продолжительное время, - сток реки. Сток определяется суммированием расходов воды за интересующий промежуток времени (сутки, месяц, сезон, год). Объем стока выражается или в кубических метрах, или в кубических километрах. Вычисление стока в течение ряда лет позволяет получить его среднюю многолетнюю величину (табл. 24).

Стоком воды характеризуется водоносность реки. Речной сток зависит от количества воды, поступающей в реку с площади ее бассейна. Для характеристики стока, кроме расхода, служат модуль стока, слой стока, коэффициент стока.
Модуль стока (M) - количество литров воды, стекающее с единицы площади бассейна (1 кв. км) в единицу времени (в сек). Если средний расход воды в реке за некоторый промежуток времени Q м3/сек, а площадь бассейна F кв. км, то средний модуль стока за тот же промежуток времени M=1000 л/сек*км2 (множитель 1000 необходим, так как Q выражается в куб. м, a M - в л). M Невы - 10 л/сек, Дона - 9 л/ceк, Амазонки - 17 л/сек.
Слой стока - слой воды в миллиметрах, который покрыл бы площадь водосбора при равномерном распределении по ней всего объема стока.
Коэффициент стока (h) - отношение величины слоя стока к величине слоя осадков, выпавших на ту же площадь за тот же промежуток времени, выражается в процентах или в долях единицы, например: коэффициент стока Невы - 65%, Дона - 16%, Нила - 4%, Амазонки - 28%.
Сток зависит от всего комплекса физико-географических условий: от климата, почв, геологического строения зоны, активного водообмена, растительности, озер и болот, а также от деятельности людей.
Климат относится к главнейшим факторам формирования стока. Он определяет величину увлажнения, зависящую от количества атмосферных осадков (основной элемент приходной части водного баланса) и от испаряемости (основной показатель расходной части баланса). Чем больше количество осадков и чем меньше испаряемость, тем выше должно быть увлажнение и тем значительнее может быть сток. Осадки и испаряемость определяют потенциальные возможности стока. Действительный сток зависит от всего комплекса условий.
Климат влияет на сток не только непосредственно (через осадки и испаряемость), но и через другие компоненты географического комплекса- через почвы, растительность, рельеф, которые в той или иной степени зависят от климата. Влияние климата на сток как непосредственно, так и через другие факторы проявляется в зональных различиях величины и характера стока. Отклонение величин фактически наблюдаемого стока от зонального вызывается местными, внутризональными физико-географическими условиями.
Очень важное место среди факторов, определяющих речной сток, его поверхностную и подземную составляющие, занимает почвенный покров, играющий роль посредника между климатом и стоком. От свойств почвенного покрова зависят величина поверхностного стока, расход воды на испарение, транспирацию и питание подземных вод. Если почва слабо впитывает воду, поверхностный сток велик, в почве аккумулируется мало влаги, расход на испарение и транспирацию не может быть большим, мало питание подземных вод. При тех же климатических условиях, но при большей инфильтрационной способности почвы поверхностный сток, наоборот, мал, в почве аккумулируется много влаги, расход на испарение и транспирацию велик, обильно питание подземных вод. Во втором из двух описанных случаев величина поверхностного стока меньше, чем в первом, но зато за счет подземного питания он более равномерен. Почва, впитывая воду атмосферных осадков, может удерживать ее и пропускать вглубь за пределы зоны, доступной для испарения. От водоудерживающей способности почвы зависит соотношение расхода воды на испарение из почвы и на питание подземных вод. Почва, хорошо удерживающая воду, расходует больше воды на испарение и меньше пропускает ее вглубь. В результате переувлажнения почвы, обладающей высокой водоудерживающей способностью, поверхностный сток увеличивается. Свойства почв комбинируются по-разному, и это отражается на стоке.
Влияние геологического строения на речной сток определяется в основном водопроницаемостью горных пород и в общем сходно с влиянием почвенного покрова. Имеет значение также залегание водоупорных слоев по отношению к дневной поверхности. Глубокое залегание водоупоров способствует сохранению просочившихся вод от расходования на испарение. Геологическое строение влияет на степень зарегулированности стока, на условия питания подземных вод.
Влияние геологических факторов менее всех других зависит от зональных условий и в некоторых случаях перекрывает влияние зональных факторов.
Растительность влияет на величину стока и непосредственно, и через почвенный покров. Непосредственное ее влияние заключается в транспирации. Речной сток зависит от транспирации так же, как от испарения с почвы. Чем больше транспирация, тем меньше обе составляющие речного стока. Кроны деревьев задерживают до 50% выпавших осадков, которые затем с них испаряются. Зимой лес предохраняет почву от промерзания, весной умеряет интенсивность снеготаяния, что способствует просачиванию талых вод и пополнению запасов вод подземных. Влияние растительности на сток через посредство почвы обусловлено тем, что растительность является одним из факторов почвообразования. От характера растительности в большой степени зависят инфильтрационные и водоудерживающие свойства. Исключительно велика инфильтрационная способность почвы в лесу.
Сток в лесу и в поле в общем различается мало, но структура его существенно отлична. В лесу меньше поверхностный сток и больше запасы почвенных и грунтовых вод (подземный сток), более ценных для хозяйства.
В лесу в соотношениях между составляющими стока (поверхностной и подземной) обнаруживается зональная закономерность. В лесах лесной зоны поверхностный сток значителен (более высокая увлажненность), хотя и меньше, чем в поле. В лесостепной и степной зонах в лесу поверхностный сток практически отсутствует и вся вода, усвоенная почвой, расходуется на испарение и питание подземных вод. В общем влияние леса на сток водорегулирующее и водоохранное.
Рельеф воздействует на сток различно в зависимости от размеров форм. Особенно велико влияние гор. С высотой изменяется весь комплекс физико-географических условий (высотная поясность). В связи с этим изменяется и сток. Так как смена комплекса условий с высотой может происходить очень быстро, общая картина формирования стока в высоких горах усложняется. С высотой количество осадков до определенного предела увеличивается, сток в общем возрастает. Особенно заметно увеличение стока на наветренных склонах, например модуль стока на западных склонах Скандинавских гор составляет 200 л/сек*км2. Во внутренних, частях горных областей сток меньше, чем в рериферических. Важное значение приобретает рельеф для формирования стока в связи с распределением снежного покрова. Существенно влияет на сток и микрорельеф. Мелкие впадины рельефа, в которых собирается вода, способствуют ее инфильтрации и испарению.
Уклон местности и крутизна склонов оказывают влияние на интенсивность стока, на его колебания, но не сказываются существенно на величине стока.
Озера , испаряя накапливающуюся в них воду, уменьшают сток и вместе с тем являются его регуляторами. Особенно велика в этом отношении роль больших проточных озер. Количество воды в реках, вытекающих из таких озер, почти не изменяется в течение года. Например, расход Невы - 1000-5000 м3/сек, тогда как расход Волги у Ярославля до ее зарегулирования колебался в течение года от 200 до 11 000 м3/сек.
Сильное влияние на сток оказывает хозяйственная деятельность людей, вносящая большие изменения в природные комплексы. Велико значение воздействия людей и на почвенный покров. Чем больше распаханных пространств, тем большая часть атмосферных осадков просачивается в почвогрунт, увлажняет почву и питает подземные воды, тем меньшая их часть стекает по поверхности. Примитивное земледелие вызывает обесструктуривание почв, снижение их способности усваивать влагу, а следовательно, увеличение поверхностного стока и ослабление витания подземного. При рациональном земледелии возрастает инфильтрационная способность почв со всеми вытекающими из этого последствиями.
Воздействуют на сток мероприятия по задержанию снега, направленные на увеличение влаги, поступающей в почву.
Регулирующее влияние на речной сток оказывают искусственные водохранилища. Уменьшает сток расход воды на орошение и водоснабжение.
Прогноз водоносности и режима рек важен для планирования использования водных ресурсов страны. В России разработан специальный метод прогноза, основанный на экспериментальном изучении различных приемов хозяйственного воздействия на элементы водного баланса.
Распределение стока на территории можно показать с помощью специальных карт, на которых нанесены изолинии величин стока - модулей или годового стока. На карте видно проявление широтной зональности в распределении стока, особенно хорошо выраженной на равнинах. Отчетливо выявляется также влияние рельефа на сток.
Питание рек. Выделяют четыре основных источника питания рек: дождевое, снеговое, ледниковое, подземное. Роль того или иного источника питания, их сочетание и распределение во времени зависят главным образом от климатических условий. Так, например, в странах с жарким климатом снеговое питание отсутствует, не питают реки и глубоко залегающие грунтовые воды и единственным источником питания оказывается дождевое. В холодном климате основное значение в питании рек приобретают талые воды, а зимой грунтовые. В умеренном климате сочетаются различные источники питания (рис. 89).

В зависимости от питания количество воды в реке изменяется. Эти изменения проявляются в колебаниях уровня реки (высоты стояния поверхности воды). Систематические наблюдения за уровнем рек позволяют выяснить закономерности в изменениях количества воды в реках во времени, их режим.
В режиме рек умеренно-холодного климата, в питании которых важную роль играют талые снеговые воды, отчетливо выделяются четыре фазы, или гидрологических сезона: весеннее половодье, летняя межень, осенние паводки и зимняя межень. Половодья, паводки, и межень свойственны режиму рек, находящихся и в иных климатических условиях.
Половодье - ежегодно повторяющееся в один и тот же сезон относительно длительное и значительное увеличение количества воды в реке, сопровождающееся подъемом уровня. Оно вызывается весенним таянием снега на равнинах, летним таянием снега и льда в горах, обильными дождями.
Время наступления и продолжительность половодья в разных условиях различны. Половодье, вызванное таянием снега на равнинах, в условиях умеренного климата наступает весной, в холодном климате - летом, в горах растягивается на весну и лето. Половодья, вызванные дождями, в муссонном климате захватывают весну и лето, в экваториальном климате они приходятся на осень, а в средиземноморском климате наступают зимой. Сток некоторых рек за время половодья составляет до 90% годового стока.
Межень - наиболее низкое стояние воды в реке при преобладании подземного питания. Летняя межень наступает в результате высокой инфильтрационной способности почв и сильного испарения, зимняя - в результате отсутствия поверхностного питания.
Паводки - относительно кратковременные и непериодические подъемы уровня воды в реке, вызываемые поступлением в реку дождевых и талых вод, а также пропусками воды из водохранилищ. Высота паводка зависит от интенсивности дождя или снеготаяния. Паводок можно рассматривать как волну, вызванную быстрым поступлением воды в русло.
А.И. Воейков, рассматривавший реки как «продукт климата» их бассейнов, создал в 1884 г. классификацию рек по условиям питания.
Идеи, положенные в основу классификации рек Воейкова, были учтены в ряде классификаций. Наиболее полная и четкая классификация разработана М. И. Львовичем. Львович классифицирует реки в зависимости от источника питания и от характера распределения стока в течение года. Каждый из четырех источников питания (дождевое, снеговое, ледниковое, подземное) в известных условиях может оказаться почти единственным (почти исключительным), составляя более 80% всего питания, может иметь преимущественное значение в питании реки (от 50 до 80%) и может преобладать (>50%) среди других источников, также играющих в нем заметную роль. В последнем случае питание реки называют смешанным.
Сток бывает весенним, летним, осенним и зимним. При этом он может сосредоточиваться почти исключительно (>80%) или преимущественно (от 50 до 80%) в одно из четырех времен года или происходить -во все времена года, преобладая (>50%) в одно из них.
Естественные сочетания различных комбинаций источников питания с разными вариантами распределения стока в течение года позволили Львовичу выделить типы водного режима рек. На основании главных закономерностей водного режима выделяются основные зональные его типы: полярный, субарктический, умеренный, субтропический, тропический и экваториальный.
Реки полярного типа короткий период питаются талыми водами полярных льдов и снега, большую же часть года они перемерзают. Реки субарктического типа питаются талыми снеговыми водами, подземное питание их очень незначительно. Многие, даже значительные реки перемерзают. Наивысший уровень эти реки имеют летом (летнее половодье). Причина - поздняя весна и летние дожди.
Реки умеренного типа делятся на четыре подтипа: 1) с преобладанием питания за счет весеннего таяния снежного покрова; 2) с преобладанием дождевого питания при небольшом стоке весной как вследствие обилия дождей, так и под влиянием таяния снега; 3) с преобладанием дождевого питания зимой при более или менее равномерном распределении осадков в течение года; 4) с преобладанием дождевого питания летом за счет обложных дождей муссонного происхождения.
Реки субтропического типа питаются главным образом зимой дождевыми водами.
Реки тропического типа отличаются малым стоком. Преобладает летнее дождевое питание, зимой осадков мало.
Реки экваториального типа имеют обильное дождевое питание в течение всего года; наибольший сток бывает осенью соответствующего полушария.
Для рек горных областей характерны закономерности вертикальной поясности.
Тепловой режим рек. Тепловой режим реки определяется поглощением тепла прямой солнечной радиации, эффективным излучением водной поверхности, затратами тепла на испарение и на его выделение при конденсации, теплообменом с атмосферой и ложем русла. От соотношения приходной и расходной частей баланса тепла зависят температура воды и ее изменения.
В соответствии с тепловым режимом рек их можно разделить на три типа: 1) реки очень теплые, без сезонных колебаний температуры; 2) реки теплые, с заметным сезонным колебанием температуры, не замерзающие зимой; 3) реки с большими сезонными колебаниями температуры, замерзающие зимой.
Так как тепловой режим рек определяется прежде всего климатом, большие реки, протекающие через разные климатические области, имеют неодинаковый режим в различных частях. Наиболее сложный тепловой режим имеют реки умеренных широт. Зимой, при охлаждении воды несколько ниже температуры ее замерзания, начинается процесс льдообразования. В спокойно текущей реке прежде всего возникают забереги. Одновременно с ними или несколько позже на поверхности воды образуется тонкий слой мелких кристалликов льда - сало. Сало и забереги смерзаются в сплошной ледяной покров реки.
При быстром движении воды процесс замерзания задерживается ее перемешиванием и вода может переохладиться на несколько сотых долей градуса. При этом условия кристаллы льда возникают во всей толще воды и образуется внутриводный и донный лед. Всплывший на поверхность реки внутридонный и донный лед называют шугой. Скапливаясь подо льдом, шуга создает зажоры. Плывущие по реке шуга, сало, мокрый снег, битый лед образуют осенний ледоход. На поворотах реки, в сужениях русла во время ледохода возникают заторы. Установление оплошного устойчивого ледяного покрова на реке называют ледоставом. Малые реки замерзают, как травило, раньше больших. Ледяной покров и ложащийся на него снег предохраняют воду от дальнейшего охлаждения. Если потеря тепла продолжается, лед нарастает снизу. Так как в результате замерзания воды живое сечение реки уменьшается, вода под давлением может изливаться на поверхность льда и замерзать, увеличивая его мощность. Мощность ледяного покрова на равнинных реках России - от 0,25 до 1,5 м и более.
Время замерзания рек и продолжительность периода, в течение которого на реке сохраняется ледяной покров, очень различны: Лена в среднем покрыта льдом 270 дней в году, Мезень - 200, Ока - 139, Днепр - 98, Висла у Варшавы - 60, Эльба у Гамбурга - 39 дней и то не ежегодно.
Под влиянием обильных выходов грунтовых вод или вследствие притока более теплой озерной воды на некоторых реках в течение всей зимы могут сохраняться полыньи (например, на Ангаре).
Вскрытие рек начинается близ берегов под влиянием солнечного тепла атмосферы и поступающих в реку талых вод. Приток талых вод вызывает подъем уровня, лед всплывает, отрываясь от берегов, и вдоль берегов протягивается полоса воды без льда - закраины. Лед начинает всей массой смещаться вниз по течению и останавливается: сначала происходят так называемые подвижки льда, а затем уже начинается весенний ледоход. На реках, текущих с севера на юг, ледоход проходит более спокойно, чем на реках, текущих с юга на север. В последнем случае вокрытие начинается с верховьев, в то время как среднее и нижнее течение реки сковано льдом. Волна весеннего половодья перемещается вниз по реке, при этом образуются заторы, возникают подъемы уровня воды, лед, еще не начиная таять, взламывается и выбрасывается на берег, создаются мощные ледоходы, разрушающие берега.
На реках, вытекающих из озер, часто наблюдаются два весенних ледохода: сначала идет речной лед, затем озерный.
Химизм речных вод. Речная вода - раствор с очень малой концентрацией солей. Химические особенности воды в реке зависят от источников питания и от гидрологического режима. По растворенным минеральным веществам (по эквивалентному преобладанию главных анионов) речные воды делятся (по А.О. Алекину) на три класса: гидрокарбонатные (CO3), сульфатные (SO4) и хлоридные (Cl). Классы, в свою очередь делятся по преобладанию одного из катионов (Ca, Mg или сумма Na+К) на три группы. В каждой группе выделяются три типа вод по соотношению между общей жесткостью и щелочностью. Большинство рек относится к гидрокарбонатному классу, к группе кальциевых вод. Гидрокарбонатные воды натриевой группы встречаются редко, в России преимущественно в Средней Азии и Сибири. Среди карбонатных вод преобладают воды слабо минерализованные (менее 200 мг/л), меньше распространены воды средней минерализации (200-500 мг/л) - в средней полосе Европейской части России, на Южном Кавказе и частично в Средней Азии. Сильно минерализованные гидрокарбонатные воды (>1000 мг/л) - явление очень редкое. Реки сульфатного класса встречаются сравнительно редко. Как пример можно привести реки Приазовья, некоторые реки Северного Кавказа, Казахстана и Средней Азии. Еще реже встречаются хлоридные реки. Они протекают на пространстве между нижним течением Волги и верховьями Оби. Воды рек этого класса сильно минерализованы, например в р. Тургай минерализация воды достигает 19000 мг/л.
В течение года в связи с изменением водоносности рек химический состав воды настолько изменяется, что некоторые реки «переходят» из одного гидрохимического класса в другой (например, р. Теджен зимой относится к сульфатному классу, летом - к гидрокарбонатному).
В зонах избыточного увлажнения минерализация речных вод незначительная (например, Печора - 40 мг/л), в зонах недостаточного увлажнения - высокая (например, Эмба - 1641 мг/л, Калаус - 7904 мг/л). При переходе от зоны избыточного к зоне недостаточного увлажнения изменяется состав солей, увеличивается количество хлора и натрия.
Таким образом, химические свойства речной воды обнаруживают зональный характер. Присутствие легко растворимых пород (известняк, соли, гипс) может привести к значительным местным особенностям в минерализации воды рек.
Количество растворенных веществ, проносимое за 1 секунду через живое сечение реки, составляет расход растворенных веществ. Из суммы расходов складывается сток растворенных веществ, измеряемый тоннами (табл. 25).

Общее количество растворенных веществ, выносимых реками с территории России, составляет около 335*10в6 т в год. Около 73,7% растворенных веществ выносится в Океан и около 26,3% - в водоемы области внутреннего стока.
Твердый сток. Твердые минеральные частицы, переносимые речным потоком, называются речными наносами. Они образуются за счет сноса частиц пород с поверхности бассейна и размыва русла. Количество их зависит от энергии движущейся воды и от сопротивляемости пород размыву.
Речные наносы разделяют на взвешенные и влекомые, или донные. Деление это условно, так как при изменении скорости течения одна категория наносов быстро переходит в другую. Чем больше скорость потока, тем крупнее могут быть взвешенные частицы. При уменьшении скорости более крупные частицы опускаются на дно, становясь влекомыми (движущимися скачкообразно) наносами.
Количество взвешенных наносов, проносимых потоком через живое сечение реки в единицу времени (секунду), составляет расход взвешенных наносов (R кг/м3). Количество взвешенных наносов, проносимое через живое сечение реки за большой промежуток времени,- сток взвешенных наносов.
Зная расход взвешенных наносов и расход воды в реке, можно определить ее мутность - количество граммов взвесей в 1 м3 воды: P=1000 R/Q г/м3. Чем сильнее размыв и чем больше частиц сносится в реку, тем больше ее мутность. Наибольшей мутностью среди рек России отличаются реки бассейна Аму-Дарьи - от 2500 до 4000 г/м3. Малая мутность характерна для северных рек - 50 г/м3.
Средний годовой сток взвешенных наносов некоторых рек приведен в таблице 26.

В течение года сток взвешенных наносов распределяется в зависимости от режима стока воды и бывает максимальным на больших реках России в период весеннего половодья. Для рек северной части России весенний сток (взвешенных наносов составляет 70-75% годового стока, а для рек центральной части Русской равнины - 90%.
Влекомые (донные) наносы составляют всего 1-5% количества взвешенных наносов.
По закону Эри масса частиц, перемещаемых водой по дну (M), пропорциональна скорости (F) в шестой степени: M=AV6 (А - коэффициент). Если скорость увеличилась в 3 раза, масса частиц, которые река способна переносить, увеличится в 729 раз. Отсюда ясно, почему спокойные равнинные реки перемещают только лесок, тогда как горные перекатывают валуны.
При большой скорости влекомые (донные) наносы могут передвигаться слоем мощностью до нескольких десятков сантиметров. Передвижение их происходит очень неравномерно, так как скорость у дна резко изменяется. Поэтому на дне реки образуются песчаные волны.
Общее количество наносов (взвешенных и донных), проносимое через живое сечение реки, называется ее твердым стоком.
Переносимые рекой наносы претерпевают изменения: обрабатываются (истираются, дробятся, окатываются), сортируются по весу и по величине), и в результате образуется аллювий.
Энергия потока. Поток воды, движущийся в русле, обладает энергией и способен производить работу. Эта способность зависит от массы движущейся воды и от ее скорости. Энергия реки на участке длиною L км при падении Нм и при расходе Q м3/сек равна 1000 Q*H кгм/сек. Так как один киловатт равен 103 кгм/сек, мощность реки на данном участке составляет 1000 QH/103 = 9,7 QH квт. Реки Земли несут ежегодно в Океан 36 000 куб. км воды. При средней высоте суши 875 м энергия всех рек, (А) равна 31,40*1000в6 кгм.

Энергия рек расходуется на преодоление трения, на размыв, на перенос материала в растворенном, взвешенном и влекомом состояниях.
В результате процессов размыва (эрозии), переноса (транспортировки) и отложения (аккумуляции) наносов формируется русло реки.
Формирование речного русла. Поток постоянно и непосредственно врезается в породы, по которым течет. При этом он стремится выработать продольный профиль, при котором кинетическая сила его (mv2/2) на всем протяжении реки будет одинакова, и между размывом, переносом и отложением наносов в русле установится равновесие. Такой профиль русла называется профилем равновесия. При равномерном увеличении количества воды в реке вниз по течению профиль равновесия должен представлять собой вогнутую кривую. Наибольший уклон он имеет в верхней части, там, где масса воды наименьшая; вниз по течению, с увеличением количества воды, уклон уменьшается (рис. 90). У рек пустыни, получающих питание в горах, а в нижнем течении теряющих много воды на испарение и фильтрацию, формируется профиль равновесия, выпуклый в нижней части. Вследствие того что количество воды, количество и характер наносов, скорость на протяжении течения реки изменяются (например, под влиянием притоков), профиль равновесия рек имеет на разных отрезках неодинаковую кривизну, он может быть изломанным, ступенчатым в зависимости от конкретных условий.
Выработать профиль равновесия река может только в условиях длительного тектонического покоя и неизменного положения базиса эрозии. Всякое нарушение этих условий ведет к нарушению профиля равновесия и к возобновлению работы над его созданием. Поэтому практически профиль равновесия рекой не достижим.
Невыработанные продольные профили рек имеют много неровностей. Река усиленно размывает уступы, заполняет наносами углубления в русле, стремясь его выровнять. Одновременно происходит врезание русла соответственно положению базиса эрозии, распространяющееся вверх по реке (пятящаяся, регрессивная эрозия). В связи с неровностями продольного профиля реки в ней нередко возникают водопады и пороги.
Водопад - падение речного потока с резко выраженного уступа или с нескольких уступов (каскад водопадов). Различают два типа водопадов: ниагарский и йосемитский. Ширина водопадов ниагарского типа превосходит их высоту. Ниагарский водопад делится островом на две части: ширина канадской части - около 800 м, высота - 40 м; ширина американской части - около 300 м, высота - 51 м. Водопады йосемитского типа имеют большую высоту при сравнительно небольшой ширине. Йосемитский водопад (р. Мерсед) - узкая струя воды, падающая с высоты 727,5 м. К этому типу относится самый высокий на Земле водопад - Анхель (Энджела) - 1054 м (Южная Америка, р. Чурун).
Уступ водопада непрерывно разрушается и отступает вверх по реке. В верхней части его размывает стекающая вода, в нижней он энергично разрушается падающей сверху водой. Особенно быстро отступают водопады в тех случаях, когда уступ сложен легкоразмываемыми породами, покрытыми только сверху слоями стойких пород. Именно такое строение имеет уступ Ниагары, отступающий со скоростью 0,08 м в год в американской части и 1,5 м в год - в канадской.
В некоторых районах существуют «линии водопадов», связанные с уступами, протягивающимися на большие расстояния. Часто «линии водопадов» приурочены к линии разломов. У подножия Аппалачей при переходе от гор к равнине все реки образуют водопады и пороги, энергия которых широко используется в промышленности. В России линия водопадов проходит в Прибалтике (обрыв силурийского плато).
Пороги - участки продольного русла реки, на которых падение реки увеличивается и соответственно возрастает скорость течения реки. Пороги образуются по тем же причинам, что и водопады, но при меньшей высоте уступа. Они могут возникать на месте водопада.
Вырабатывая продольный профиль, река врезается верховьями, отодвигая водораздел. Бассейн ее увеличивается, в реку начинает поступать добавочное количество воды, что способствует врезанию. В результате этого верховья одной реки могут вплотную подойти к другой реке и, если последняя расположена выше, захватить ее, включить в свою систему (рис. 91). Включение новой реки в речную систему изменит длину реки, ее сток и отразится на процессе формирования русла.

Перехваты рек - явление нередкое, например р. Пинега (правый приток Северной Двины) была самостоятельной рекой и составляла одно целое с р. Кулоем, впадающей в Мезенский залив. Один из притоков Северной Двины перехватил большую часть Пинеги и отвел ее воды в Северную Двину. Река Псёл (приток Днепра) перехватила другой приток Днепра - Хорол, р. Мерты - верхнее течение p. Мозель (принадлежавшей р. Маас), Рона и Рейн - части верхнего Дуная. Намечается перехват Дуная реками Неккаром и Рутахом и т. д.
До тех пор, пока река не выработает профиль равновесия, она усиленно размывает дно русла (глубинная эрозия). Чем меньше затрачивается энергии на размыв дна, тем сильнее река размывает берега русла (боковая эрозия). Оба эти процесса, обусловливающие формирование русла, происходят одновременно, но ведущим каждый из них становится на разных этапах.
Река очень редко течет прямо. Причиной первоначального отклонения могут быть местные препятствия, обусловленные геологическим строением и рельефом местности. Образованные рекой извилины сохраняются длительное время неизменными только при определенных условиях, какими являются трудно размываемые породы, малое количество наносов.
Как правило, извилины независимо от причин их возникновения непрерывно изменяются и смещаются вниз по течению. Этот процесс называется меандрированием , а извилины, образовавшиеся вследствие этого процесса, - меандрами .
Водный поток, изменяющий по каким бы то ни было причинам (например, из-за выхода коренных пород на его пути) направление движения, подходит под углом к стенке русла и, усиленно размывая ее, приводит к постепенному отступанию. Отражаясь при этом ниже по течению, поток ударяется о противоположный берег, размывает его, снова отражается и т. д. В результате этого подмываемые участки «переходят» с одной стороны русла на другую. Между двумя вогнутыми (размываемыми) участками берега находится выпуклый участок - место, где придонное поперечное течение, идущее от противоположного берега, откладывает переносимые им продукты размыва.
По мере увеличения извилистости процесс меандрирования усиливается, правда, до известного предела (рис. 92). Увеличение извилистости означает увеличение длины реки и уменьшение уклона, а значит, и уменьшение скорости течения. Река теряет энергию и уже не может размывать берега.
Изогнутость меандров может быть настолько велика, что происходит прорыв перешейка. Концы отчленившейся извилины заполняются рыхлыми наносами, и она превращается в старицу.
Полоса, в пределах которой река меандрирует, называется меандровым поясом. Большие реки, извиваясь, образуют крупные меандры, и меандровый пояс у них шире, чем у маленьких рек.
Так как поток, размывая берег, подходит к нему под углом, меандры не просто увеличиваются, а смещаются постепенно вниз по течению. За длительный промежуток времени они могут переместиться настолько, что вогнутый участок русла окажется на месте выпуклого, и наоборот.

Перемещаясь в полосе меандрового пояса, река размывает породы и откладывает наносы, в результате чего создается плоское понижение, выстланное аллювием, по которому извивается русло реки. Во время половодья вода переполняет русло и заливает понижение. Так образуется пойма - часть речной долины, заливаемая в разливы.
В половодье река менее извилиста, уклон ее увеличивается, глубины возрастают, скорость становится больше, размывающая деятельность усиливается, формируются крупные меандры, не соответствующие меандрам, образующимся в межень. Причин, устраняющих извилистость реки, много, и поэтому меандры часто имеют очень сложную форму.
Рельеф дна русла меандрирующей реки определяется распределением течения. Продольное течение, обусловленное силой тяжести, является основным фактором размыва дна, поперечное - определяет перенос продуктов размыва. У подмываемого вогнутого берега поток вымывает углубление - плёс, а поперечное течение относит минеральные частицы к выпуклому берегу, создавая отмель. Поэтому поперечный профиль русла в месте изгиба реки несимметричен. На прямом участке русла, расположенном между двумя плёсами и называемом перекатом, глубины сравнительно небольшие, и в поперечном профиле русла нет резких колебаний глубины.
Линия, соединяющая наиболее глубокие места вдоль русла, - фарватер - проходит от плёса к плёсу через среднюю часть переката. Если перекат пересекается фарватерам, не отклоняющимся от основного направления, и если линия его идет плавно, он называется нормальным (хорошим); перекат, на котором фарватер делает резкий изгиб, будет сдвинутым (дурным) (рис. 93). Дурные перекаты затрудняют судоходство.
Формирование рельефа русла (образование плёсов и перекатов) происходит в основном весной во время половодий.

Жизнь в реках. Условия жизни в пресных водах существенно отличаются от условий жизни в океанах и морях. В реке большое значение для жизни имеют пресная вода, постоянное турбулентное перемешивание воды и сравнительно небольшие глубины, доступные для солнечных лучей.
Течение оказывает механическое воздействие на организмы, обеспечивает приток растворенных газов и удаление продуктов распада организмов.
По условиям жизни река может быть разделена на три участка, соответствующие верхнему, среднему и нижнему течению ее.
В верхнем течении горных рек вода движется с наибольшей скоростью. Здесь нередко бывают водопады, пороги. Дно обычно каменистое, илистые отложения почти отсутствуют. Температура воды благодаря абсолютной высоте места пониженная. В общем условия для жизни организмов менее благоприятные, чем в других частях реки. Водная растительность обычно отсутствует, планктон беден, фауна беспозвоночных очень скудна, питание рыб не обеспечено. Верхнеe течение рек бедно рыбой как по количеству видов, так и по количеству особей. Здесь могут жить только некоторые рыбы, например форели, хариусы, маринки.
В среднем течении горных рек, а также в верхнем и среднем течении рек равнинных скорость движения воды меньше, чем в верховьях горных рек. Температура воды выше. На дне появляются песок и галька, в заводях - ил. Условия жизни здесь более благоприятные, но далеко не оптимальные. Количество особей и видов рыб больше, чем в верхнем течении, в горах; распространены такие рыбы, как ёрш, угорь, налим, усач, плотва и др.
Наиболее благоприятные условия жизни в нижнем течении рек: малая скорость течения, илистое дно, большое количество питательных веществ. Здесь водятся главным образом такие рыбы, как корюшка, колюшка, речная камбала, осетр, лещ, карась, карп. Проникают рыбы, живущие в море, в которое впадают реки: морская камбала, акуловые и др. Далеко не все рыбы находят условия для всех стадий своего развития в одном месте, места размножения и обитания многих рыб не совпадают, и рыбы мигрируют (нерестовые, кормовые и зимовальные миграции).
Каналы. Каналы представляют собой искусственные реки со своеобразным регулируемым режимом, создаваемые для орошения, водоснабжения и судоходства. Особенность режима каналов - малые колебания уровня, но в случае необходимости вода из канала может быть вся спущена.
Движение воды в канале имеет те же закономерности, что и движение воды в реке. Вода канала в значительной степени (до 60% от всей расходуемой им воды) идет на инфильтрацию через его дно. Поэтому большое значение имеет создание противоинфильтрационных условий. Пока задача эта еще не решена.
Возможные средние скорости потока и донные скорости не должны превышать определенных пределов, находящихся в зависимости от устойчивости грунта к размыву. Для движения по каналу судов средняя скорость течения более 1,5 м/сек уже недопустима.
Глубина каналов должна быть более осадки судов на 0,5 м, ширина - не менее ширины двух судов +6 м.
Реки как природный ресурс. Реки - один из важнейших водных ресурсов, с давних пор используемых людьми в разнообразных целях.
Судоходство было той отраслью народного хозяйства, для которой раньше всего потребовалось изучение рек. Соединение рек каналами позволяет создавать сложные транспортные системы. Протяженность речных путей в России в настоящее время превосходит протяженность железных дорог. Издавна используются реки для лесосплава. Велико значение рек в водоснабжении населения (питьевом и бытовом), промышленности, сельского хозяйства. На реках стоят все крупные города. Население и городское хозяйство расходуют очень много воды (в среднем 60 л в сутки на человека). Любая промышленная продукция не может обойтись без безвозвратного расхода определенного количества воды. Например, для выработки 1 т чугуна необходимо 2,4 м3 воды, для производства 1 т бумаги - 10,5 м3 воды, для производства 1 г ткани из некоторых полимерных синтетических материалов - более 3000 м3 воды. На 1 голову скота в среднем приходится 40 л воды в сутки. Всегда имели большое значение рыбные богатства рек. Использование их способствовало возникновению поселений по берегам. В настоящее время реки как источник ценного и питательного продукта - рыбы используются недостаточно; гораздо большее значение имеет морское рыболовство. В России большое внимание уделяется организации рыбного хозяйства с созданием искусственных водоемов (пруды, водохранилища).
В районах с большим количеством тепла и недостатком атмосферной влаги вода рек в большом количестве идет на орошение (ОАР, Индия, Россия - Средняя Азия). Все шире используется энергия рек. Общие гидроэнергетические ресурсы на Земле оцениваются в 3750 млн. квт, из них на долю Азии приходится 35,7%, Африки - 18,7%, Северной Америки-18,7%, Южной Америки - 16,0%, Европы - 6,4%, Австралии - 4,5%. Степень использования этих ресурсов в разных странах, на разных континентах очень различна.
Масштабы использования рек в настоящее время очень велики и в дальнейшем они, несомненно, будут увеличиваться. Это связано с прогрессивным ростом производства и культуры, с непрерывно возрастающей потребностью промышленного производства в воде (особенно это относится к химической промышленности), с возрастающим расходом воды на нужды сельского хозяйства (увеличение урожайности связано с увеличением потребления воды). Все это ставит вопрос не только об охране речных ресурсов, но и о необходимости их расширенного воспроизводства.