5.3.5. Русло реки

Как водосборы (речные бассейны) и речные долины, так и русла имеют свои морфометрические характеристики. Характеристики русла важны для определения расхода воды, количества наносов и растворенных веществ и ряда других гидрологических величин. Эти характеристики находятся по поперечным профилям и плану участка русла в изобатах и горизонталях.

Изобатами называются линии равных глубин, отсчитывае­мых от поверхности воды. План в изобатах легко перестроить в план в горизонталях, если известны отметки уровня воды во время производства промеров.

Водным сечением реки называется сечение потока в плос­кости, перпендикулярной его оси. При наличии ле­дяного покрова площадь водного сечения определяется за вычетом площади погруженного льда. В водном сечении, особенно у берегов, могут быть участки, где течения воды нет. Такие участки называются мертвыми про­странствами. При определении расхода воды они исключаются из общей площади водного сечения. Оставшаяся часть называется живым сечением русла.

Живое сечение характеризуется рядом морфометрических эле­ментов. Ширина живого сечения В - расстояние по прямой между урезами воды левого и правого берегов в случае совпадения пло­щадей водного и живого сечений; при наличии мертвых про­странств - расстояние между границами мертвых пространств по поверхности воды. Ширина живого сечения изменяется с наполнением русла. Площадь живого сечения ω - площадь водного сечения за вычетом суммарной площади мертвых пространств. Она также зависит от уровня воды. Средняя глубина живого сечения h_ср - частное от де­ления площади живого сечения ω на его ширину В. Смоченный периметр χ - длина линии, по которой во­да соприкасается с неподвижными твердыми границами потока. С возрастанием χ увеличивается сопротивление, оказываемое рус­лом потоку.

Для равнинных рек ширина русла и смоченный периметр обычно мало отличаются друг от друга. Поэтому в расчетах средней ско­рости течения воды вместо гидравлического радиуса R часто используют среднюю глубину h_ср. Для горных рек этого делать нельзя, так как русла их нешироки и смоченный периметр существенно превышает ширину русла.

5.3.6. Продольный профиль реки. Средний уклон русла.

Продольным профилем реки называет­ся график, характеризующий изменение отметок дна русла и вод­ной поверхности по длине реки. На горизонтальной его оси откла­дывают расстояния по длине реки, а по вертикальной - абсолютные или условные отметки дна или уровня воды. Отсчет расстояния ведется от устья как наиболее стабильной точки. Про­дольный профиль, таким образом, характеризует изменение паде­ния и уклона по длине реки.

Падением называется разность высот двух каких-либо то­чек дна или водной поверхности (Н₁—Н₂). Частное от деления величины падения на расстояние между точками l называется продольным геометрическим уклоном:

I = (H₁ – H₂) / l (5.19)

Высоты и расстояния берутся в одних и тех же линейных еди­ницах, например в метрах. Следовательно, уклон является без­размерной величиной. Обычно он выражается десятичной дробью или в промилле (в тысяч­ных долях). Иногда падение вы­ражается в метрах на километр длины. Например, при падении 0.1 м на 1 км уклон равен 0.0001, или 0.1‰.

Рис.5.10. Определение уклона реки

В формуле (5.19) величина l представляет собой проекцию длины на горизонтальную плоскость; следовательно, уклон i в данном случае равен тангенсу угла tgα (рис.5.10). Строго говоря, вместо катета треугольника (l) следует брать гипотенузу (l₁), и тогда ук­лон равен синусу α. Но для малых углов синус и тангенс близ­ки друг к другу, и такая замена считается допустимой.

Реки в результате многовековой эрозионной деятельности по­степенно изменяют свой профиль, стремясь придать ему такие очертания, при которых сопротивление движению воды становит­ся наименьшим. При этом большую роль играет базис эрозии. Различают общий (главный) базис эрозии и местные базисы эрозии. Общим базисом эрозии является уровень моря или озера, куда впадает главная река системы. Местным базисом эро­зии для данной реки служит уровень воды той реки, куда она впадает, либо выход на поверхность трудно размываемых горных пород, образующих пороги и водопады.

Порогом называется короткий участок реки с относительно большим падением уровня воды и повышенной скоростью течения. Пороги могут образоваться не только в местах выхода скаль­ных пород, но и в результате скопления в русле круп­ного валунного материала. Много порогов на горных реках.

Места, где вода низвергается с вертикального уступа дна, на­зываются водопадами. Высота водопадов иногда достигает сотни и более метров. Водопад Виктория на р. Замбези в Африке имеет высоту 119 м; Ниагарский - 50 м. Ниже водопадов под действием падающей воды образуются углубления. Уступы, с которых падает вода, постепенно сме­щаются вверх по реке. Так, Ниагарский водопад ежегодно в среднем отступает к озеру Эри на 1.5 м.

Невыработанные ступенчатые профили характерны для сравни­тельно молодых рек. Реки в более зрелом возрасте имеют более плавные очертания профиля, хотя и на них встречаются пороги и стремнины.

Типы продольных профилей. Среди большого разнообразия про­дольных профилей можно выделить несколько характерных типов продольных профилей (рис. 5.11):

1) плавновогнутый, характеризующийся уменьшением уклона от верховья к устью;

2) прямолинейный, отличающийся одинаковыми уклона­ми на всем протяжении реки;

3) выпуклый, для которого характерны пониженные уклоны в верховье и повышенные в нижнем течении;

4) ступенчатый - с резкими изменениями уклонов по­д лине реки.

Расстояния от устья в % от полной длины реки

Рис.5.11. Типы продольных профилей рек: а – плавновогнутый,

б – прямолинейный, в – выпуклый, г – ступенчатый.

Профили, приближающиеся к плавновогнутому, в природе встречаются чаще всего, особенно в равнинных районах с однород­ными, легко размываемыми грунтами. Выпуклый и ступенчатый типы профиля чаще встреча­ются в горных странах, например, в Средней Азии, в Закавказье.

Продольные профили большинства рек непрерывно изменяются под влиянием многих факторов. Об­щая тенденция изменения выражается в том, что русло реки с течением времени стремится занять более низкое положение, а уклоны по длине реки распределиться так, чтобы не происходило намыва или размыва дна и материал, приносимый притоками, выносился вниз по течению. Такому состоянию соответствует плавновогнутый профиль, называемый профилем равнове­сия.

Медленные вековые изменения происходят под влиянием коле­баний земной коры или изменения уровня моря, вследствие чего повышается или понижается базис эрозии.