»

происходить не только выделением ее из мантии, но и при вулканических извержениях.

Гидросфера играет очень большую роль в жизни нашей планеты. Она на-

капливает солнечное тепло и перераспределяет его на Земле; с Мирового океана на сушу поступают атмосферные осадки. Мировой океан особенно влияет на климат прибрежных территорий.

В настоящее время гидросфера охвачена невиданными по скорости и размерам преобразованиями, связанными с технической деятельностью человека. Ежегодно используется около 5 тыс. км3, а загрязняется в 10 раз больше. Некоторые страны начали ощущать нехватку пресной воды.

Гидросфера взаимодействует со всеми оболочками Земли. О связи ее с литосферой свидетельствует эрозионная и аккумулятивная работа вод, влияющая на формирование рельефа. Взаимодействует гидросфера и с атмосферой: облака состоят из паров воды, испарившихся с поверхности морей и океанов. Так как живые существа, населяющие биосферу, не могут жить без воды, можно говорить о взаимосвязи гидросферы и с биосферой. Взаимодействуя

21

с различными оболочками планеты, гидросфера выступает, в свою очередь, как часть целостной природы Земли

Гидросфера едина. Ее единство – в общности происхождения всех природных вод из мантии Земли, в их пространственной непрерывности и взаимосвязанного в системе мирового круговорота воды в природе.

1.5. Круговорот воды в природе

Все воды на Земле – океанические, поверхностные и подземные воды суши – благодаря лучистой энергии солнца и силе тяжести тесно взаимосвязаны и образуют единый круговорот воды в природе. Физической основой круговорота воды в природе служит солнечная радиация, способствующая нагреванию воды, возникновению горизонтальных градиентов давления, переносу воздушных масс в атмосфере и водных масс в океане, и сила тяжести, заставляющая сконденсировавшуюся в атмосфере воду выпадать на поверхность Земли в виде осадков и стекатьнасушевнаправленииуклонасначалакрекам, азатемикокеану.

Круговорот воды в природе (гидрологический цикл) – процесс цикличе-

ского перемещения воды в земной биосфере. Состоит из испарения, конденсации и осадков.

Моря теряют из-за испарения больше воды, чем получают с осадками, на суше – положение обратное. Вода непрерывно циркулирует на земном шаре, при этом ее общее количество остается неизменным.

Три четверти поверхности земного шара покрыто водой. Водную оболочку Земли называют гидросферой. Большую ее часть составляет соленая вода морей и океанов, а меньшую – пресная вода озер, рек, ледников, грунтовые воды и водяной пар.

Постоянный обмен влагой между гидросферой, атмосферой и земной поверхностью, состоящий из процессов испарения, передвижения водяного пара в атмосфере, его конденсации в атмосфере, выпадения осадков и стока, получил название круговорота воды в природе. Атмосферные осадки частично испаряются, частично образуют временные и постоянные водостоки и водоемы, частично – просачиваются в землю и образуют подземные воды.

Различают несколько видов круговоротов воды в природе:

Большой, или мировой, круговорот – водяной пар, образовавшийся над поверхностью океанов, переносится ветрами на материки, выпадает там, в виде атмосферных осадков и возвращается в океан в виде стока. В этом процессе изменяется качество воды: при испарении соленая морская вода превращается в пресную, а загрязненная – очищается.

Малый, или океанический, круговорот – водяной пар, образовавшийся над поверхностью океана, сконденсируетсяивыпадаетввидеосадковсновавокеан.

Внутриконтинентальный круговорот – вода, которая испарилась над по-

верхностью суши, опять выпадает на сушу в виде атмосферных осадков.

В итоге, осадки в процессе движения опять достигают Мирового океана

(рис. 4).

22

Скорость переноса различных видов воды изменяется в широких пределах, так и периоды расходов, и периоды обновления воды также разные. Они изменяются от нескольких часов до нескольких десятков тысячелетий. Запасы почвенной влаги имеют примерно летний период накопления и расходов. Атмосферная влага, которая образуется при испарении воды с поверхности океанов, морей и суши и существует в виде облаков, обновляется в среднем через восемь дней.

Воды, входящие в состав живых организмов, восстанавливаются в течение нескольких часов. Это наиболее активная форма водообмена. Период обновления запасов воды в горных ледниках составляет около 1 600 лет, в ледниках полярных стран значительно больше – около 9 700 лет. Время очистки и обновления воды в элементах гидросферы приведено в таблице 4.

Полное обновление вод Мирового океана происходит примерно через

2 700 лет.

Рис. 4. Круговорот воды в природе: А1 – осадки, выпадающие над сушей; А2 – осадки, выпадающие над океаном; Б1 – испарение с суши; Б2 – транспирация растительностью;

Б3 – испарение с озер и рек; Б4 – испарение с океана; В1 – инфильтрация воды в почву; В2 – потребление воды растительностью; В3 – подземный сток воды в реки и озера;

В4 – подземный сток воды в океан; Г – поверхностный сток в озера и реки

Таблица 4

Время очистки и обновления воды в элементах гидросферы

23

Окончание табл. 4

1.6. Понятие о водных ресурсах

Водные ресурсы – пригодные для использования воды; практически – все воды гидросферы, т. е. воды рек, озер, каналов, водохранилищ, морей и океанов, подземные воды, почвенная влага, вода (льды) горных и полярных ледников, водяные пары атмосферы. В понятие водных ресурсов входят также водные объекты – реки, озера, моря, поскольку для некоторых целей (судоходство, гидроэнергетика, рыбное хозяйство, отдых и туризм) они используются без изъятия из них воды.

Представление о количестве водных ресурсов складывается из стационарных запасов различных частей гидросферы (табл. 5) и запасов, непрерывно возобновляемых в процессе круговорота воды.

Таблица 5

Стационарные водные ресурсы Земли (по М. И. Львовичу)

*В скобках – приближенные данные

Для комплексной, балансовой оценки водных ресурсов служит система уравнений водного баланса суши: R = U + S; Р = U + S + Е; W = Р – S = U + Е, где R – полный речной сток; U – подземный сток в реки; S – поверхностный сток (паводочный); Р – атмосферные осадки; Е – испарение; W – валовое увлажнение территории.

24

С помощью этих уравнений удаётся оценить различные источники водных ресурсов взаимосвязанно, в соответствии со свойственным природе единством вод, обусловленном круговоротом воды.

Речные водные ресурсы состоят из двух неравноценных, различимых по происхождению частей: подземной и поверхностной. Первая устойчива, поэтому, как правило, не требует регулирования. Вместе с тем, она в общем виде характеризует возобновимые запасы подземных вод зоны активного водообмена. Глубинные подземные воды (ниже уровня дренажа реками) слабо участвуют в современном круговороте воды, носят застойный характер и поэтому чаще всего сильно минерализованы. Поверхностный (паводочный) сток весьма изменчив и для использования, как правило, требует регулирования.

Из стационарных запасов гидросферы менее 2% относится к пресным водам. Но если исключить воды (льды) полярных ледников, пока недоступных для использования, то на долю доступных для использования пресных вод приходится всего лишь 0,3% стационарного объема гидросферы. Речные водные ресурсы под влиянием высокой активности (в среднем сменяются каждые 11 суток), как правило, пресные. Пресными же являются и проточные озера и большая часть подземных вод зоны активного водообмена. Эти источники водных ресурсов наиболее широко используются для разнообразных целей (водоснабжение, орошение, отдых и туризм, рыболовство и рыборазведение, гидроэнергетика, внутреннее судоходство).

Теоретически водные ресурсы неисчерпаемы, так как при рациональном использовании они непрерывно возобновляются в процессе круговорота. Еще в недалеком прошлом считалось, что воды на Земле так много, что, за исключением отдельных засушливых районов, людям не надо беспокоиться о том, что ее может не хватить. Однако потребление воды растет такими темпами, что человечество все чаще сталкивается с проблемой, как обеспечить будущие потребности в ней. Во многих странах и районах Европы, Америки уже ощущается недостаток водных ресурсов, усиливающийся с каждым годом. Большую опасность истощения водных ресурсов вызывает быстро возрастающее загрязнение речных, озерных и в значительной мере морских вод, вызванное сбросом в них сточных вод.

На все виды водоснабжения на Земле в год расходуется 150 км3 воды, но одновременно сбрасывается в реки и озера около 450 км3 сточных вод, для обезвреживания которых требуется св. 5500 км3 чистой речной воды, что составляет 1/7 часть мировых ресурсов речного стока. Если продолжать сброс сточных вод в реки, то, даже при существенном улучшении качества их предварительной очистки, вскоре для этой цели потребуется израсходовать все мировые ресурсы речного стока.

Во избежание качественного истощения водных ресурсов необходимо проведение комплекса целенаправленных мер, среди которых видное место принадлежит всемерному сокращению, а впоследствии и полному прекращению использования рек, озер и водохранилищ для удаления и обезвреживания сточных вод. Это возможно осуществить путем повторного использования сточных вод (орошение земледельческих полей, применение после очистки на

25

некоторых предприятиях), а также путем всемерного снижения водоемкости производства, т. е. уменьшения расхода воды на единицу продукции и перевода некоторых водоемких производств на сухую технологию.

Расширенное производство водных ресурсов, т. е. увеличение наиболее доступных для использования за счет труднодоступных или потенциальных водных ресурсов, широко применяется в практике водного и сельского хозяйства. Это достигается преобразованием водных ресурсов, например, путем умножения ресурсов почвенной влаги мелиоративными и агротехническими средствами, а также устойчивого речного стока за счет поверхностного (паводочного) стока путем регулирования водохранилищами. Важное значение приобретает искусственное магазинирование подземных вод (устройство крупных постоянно пополняемых подземных водохранилищ с большим транзитом воды).

1.7. Водные объекты и их виды

Водный кодекс РФ от 03. 06. 2006 № 74 – ФЗ, вступивший в силу с 01.01.2007, определяет водные объекты и их виды следующим образом.

Водный объект – природный или искусственный водоём, водоток или иной объект, в котором постоянно или временно сосредоточены воды.

То есть, водный объект – естественное или рукотворное образование с постоянным или временным скоплением вод. Имеет характерные формы и признаки водного режима и даже агрегатных состояний. Скопление различных видов вод может быть как в формах рельефа, так и в недрах.

Различают поверхностные водные объекты, состоящие из поверхностных вод и покрытых ими земель в пределах береговой линии, и подземные водные объекты.

Существуют и такие природные образования переходного характера, которые не обладают признаками водного объекта, но обладающие «возможностью» вредного воздействия. Примером таких образования являются, в частности, «дышащие» озера. Суть явления заключается в неожиданном и быстром (иногда в одну ночь) появлении и исчезновении «большой воды» во впадинах рельефа, болотистых и луговых низменностях (иногда площадью до 20 км2).

«Дышащие» озера наблюдаются в Ленинградской области, Прионежье, в Новгородчине, Архангельской области, в Вологодчине, в Дагестане. Внезапно возникающие возле населенных пунктов и различных коммуникаций озера подтопляют их. Есть случаи, когда такие «временные водоемы» становились водными путями для речного и рыболовного флота. Так, существовавшее в конце 19 века в США озеро Алахуа, неожиданно возникшее во Флориде, на целое десятилетие стало судоходным.

Кповерхностным водным объектам относятся: моря, реки, ручьи, каналы, озера, обводненные карьеры, пруды, водохранилища, болота, ледники, снежники, родники, гейзеры.

Кподземным водным объектам относятся бассейны подземных вод, водоносные горизонты.

26

Водные объекты делятся на виды:

Общего пользования – общедоступные поверхностные водные объекты, находящиесявгосударственнойилимуниципальнойсобственности(ст. 6 ВКРФ).

Особо охраняемые «дышащие» озера – водные объекты (или их части), имеющие особое природоохранное, научное, культурное, а также эстетическое, рекреационное и оздоровительное значение. Их перечень определяется законодательством об особо охраняемых природных территориях (ст. 66 ВК РФ).

2. ГИДРОЛОГИЯ РЕК

2.1.Реки и их типы

2.2.Морфометрические характеристики бассейна реки

2.3.Водный баланс речного бассейна

2.4.Строение реки

2.5.Морфометрические характеристики реки и русла реки

2.6.Количественные характеристики стока реки

2.7.Водный режим рек

2.8.Классификация рек по водному режиму

2.9.Гидрометрия

2.10 Русловые процессы на реках. Распределение скоростей течения в речном потоке. Характеристика речных наносов

2.11.Термический и ледовый режим рек. Ледовые явления

2.12.Гидрохимия рек

2.13.Антропогенное воздействие на режим рек и речной сток

2.1. Реки и их типы

Река – природный водный поток (водоток), текущий в выработанном им углублении – постоянном естественном русле и питающийся за счет поверхностного и подземного стока с его бассейна. К рекам не относятся временные водотоки, водотоки, не имеющие водосбора (например, сформированные приливами реки приморских районов), каналы.

Речной сток – перемещение воды в виде потока по речному руслу, под которым понимают вытянутое понижение земной поверхности, занятое водным потоком.

Реки классифицируют по нескольким показателям:

1.По размерам (площади бассейна, т. е. территории земной поверхности,

скоторой все поверхностные и грунтовые воды стекают в данный водоем, включая различные его притоки реки). В России принята следующая классификация рек по величине:

Большими реками называются равнинные реки, имеющие бассейн площадью более 50 000 км2, а также реки преимущественно горные с площадью водосбора более 30 000 км2. Как правило, их бассейны располагаются в несколь-

27

ких географических зонах, а гидрологический режим не свойственен рекам каждой географической зоны в отдельности.

Средними реками называются равнинные реки, бассейны которых располагаются в одной гидрографической зоне, имеющие площадь от 2000 до 50 000 км2, гидрологический режим которых свойственен для рек этой зоны.

Малыми реками называются реки, бассейны которых располагаются в одной гидрографической зоне, имеют площадь не более 2000 км2 и гидрологический режим которых под влиянием местных факторов может быть не свойственен для рек этой зоны.

2. По местоположению речного бассейна: в зависимости от рельефа местности, в пределах которой текут реки, они разделяются на горные и равнинные. На многих реках перемежаются участки горного и равнинного характера. Горные реки, как правило, отличаются большими уклонами, бурным течением, текут в узких долинах; преобладают процессы размыва. Для равнинных рек характерно наличие извилин русла, или меандр, образующихся в результате русловых процессов.

Критерием для разделения (как и для любых горных потоков) служит число Фруда:

Fr = V2/gh,

где h – глубина потока (м); V – скорость течения (м/с);

G– ускорение свободного падения (м/с2).

Кравнинным рекам относятся реки с числом Фруда менее 0,1; от 0,1 до 1 – к полугорным; к горным – более 1.

3.По географическому местоположению выделяют: таежные, тундровые, степные, ледниковые, болотные реки.

4.По отношению к водному режиму, согласно классификации Б. Д. Зайкова, выделяют три основные группы:

1) реки с весенним половодьем;

2) реки с половодьем в теплую часть года;

3) реки с паводочным режимом.

Для рек первых двух групп характерны ежегодно повторяющиеся примерно в одни и те же сроки большие подъемы воды и сравнительно низкая водность в остальное время года. Паводки большей частью редки и носят случайный характер.

5.В зависимости от типа питания выделяют:

1 (S) – почти исключительно снеговое питание (снеговое питание составляет более 80%). 2 (Sx) – преимущественно снеговое питание (> 50%). 3 (R) – почти исключительно дождевое питание (дождевое питание составляет более 80%), 4 (Rx) – преимущественно дождевое питание (> 50%), 5 (Gх) – преимущественно ледниковое питание, 6 (sx) – смешанное питание (преобладает снеговое), 7 (rх) – смешанное питание (преобладает дождевое). 8 (gx) – смешанное питание (преобладает ледниковое), 9 – смешанное питание (преобладает грунтовое). Буква «х» условных обозначениях заменяет тот или иной второстепен-

28

ный вид питания. Для краткости виды питания обозначают следующими символами: снеговое – Ss, дождевое – Rr, грунтовое – Uu и ледниковое – Gg, причем большими буквами пользуются в тех случаях, если доля того или иного вида питания превышает 50%, а малыми, когда она менее 50% годового стока. Если тот или иной источник является явно преобладающим и его доля составляет более 80% годового стока, то реки можно отнести к типу с исключительно снеговым (дождевым, ледниковым или грунтовым питанием; реки, в питании которых это преобладание менее резко выражено и доля одного из источников составляет от 50 до 80% годового стока, можно причислить к водотокам преимущественно снегового (дождевого, грунтового или ледникового) питания; наконец, реки, в питании которых нет резкого преобладания какого-либо из источников питания и доля каждого из них не превышает 50% общего годового стока, можно считать водотоками со смешанным питанием. В зависимости от той роли, которую играет тот или иной источник питания в формировании режима рек, можно выделитьчетыреосновныегруппырек. Рекиспреобладанием:

1)снегового;

2)дождевого;

3)ледникового;

4)грунтового питания.

6. По характеру ледового режима реки можно разделить на следующие основные группы:

1)реки с ежегодным устойчивым ледоставом различной длительности. К этой группе принадлежит подавляющее большинство рек;

2)реки с неустойчивым ледоставом, наблюдающимся не ежегодно. Сюда принадлежат реки крайних западных и южных районов Европейской части России и Северного Кавказа – Неман, Висла, Днестр, Кубань и др., а также многие водотоки юга Приморья на Дальнем Востоке;

3) реки, на которых наблюдаются ледовые явления (шуга, забереги и т. д.), но ледостав отсутствует. К этой группе принадлежит большинство рек Кавказа и горных областей Средней Азии и Алтая; реки эти в литературе носят название шугоносных;

4) реки, на которых ледовые образования вообще отсутствуют в силу теплого климата. К ним относятся водотоки сравнительно небольших районов – Колхидской и Ленкоранской низменностей на Кавказе, ряд рек на юге Туркмении и в Средней Азии.

7. По русловымпроцессам(устойчивостирусла): устойчивыеинеустойчивые. Тип русловых процессов – квазициклическая схема деформаций речных

русел (на конкретном участке реки).

Существуют различные типы русловых процессов. Среди них основные: меандрирование, русловая многорукавность, пойменная многорукавность (разветвленное русло) и др. Также существуют различные промежуточные и крайние проявления русловых процессов.

Для многих типов русловых процессов выявлены закономерные схемы развития речных русел. Например, при меандрировании – смещение излучин, при русловой многорукавности – смещение вниз по течению русловых остро-

29

вов, при пойменной многорукавности – разработка, развитие и отмирание пойменных проток.

Отнесение конкретного участка реки к соответствующему типу русловых процессов помогает дать прогноз деформаций русла.

Существуют различные типизации и классификации русловых процессов. Факторы, характеризующие реку и ее бассейн:

географическое положение – высота истока и устья, удаленность от морей и крупных водных объектов, географическая зона;

рельеф – характерные высоты, расчлененность долины; климат – осадки, испарение, температура, преобладающие ветра; почвы – водопроницаемость; геологические условия – водопроницаемость грунтов;

растительный покров – испарение (транспирация); водные объекты – наличие ледников, болот, озер, водохранилищ;

хозяйственная деятельность человека – распашка, сведение лесов, осу-

шение болот, мелиорация.

2.2. Морфометрические характеристики бассейна реки

Водосбор – часть земной поверхности, с которой вода поступает в отдельный водоток.

Бассейн водоема – территория земной поверхности, с которой все поверхностные и грунтовые воды стекают в данный водоем, включая различные его притоки реки. Чаще всего речь идет о бассейнах рек (рис. 5).

Рис. 5. Схематическое изображение речного бассейна

Бассейн каждого водоема включает в себя поверхностный и подземный водосборы. Поверхностный водосбор представляет собой участок земной поверхности, с которого поступают воды в данную речную систему или определенную реку. Подземный водосбор образуют толщи рыхлых отложений, из ко-

30