Гидравлика, гидрология и метеорология (стр. 36 )

На одном и том же графике вместе с кривой расходов Q = f(H) часто наносят кривые площадей живых сечений щ = f(Н) и средних скоростей течения v = f(H).

Кривую щ = f(Н) строят по способу, изложенному в подразделе 11.3, а кривую v = f(H) – по средним скоростям (v = Q/щ).

Масштабы уровней, расходов, площадей и средних скоростей назначаются с таким расчетом, чтобы кривая Q = f(H) расположилась к оси абсцисс под углом 40–45є, а кривые щ = f(Н) и v = f(H) – под углом 55–60°.

Для удобства пользования кривой расходов ее нижнюю ветвь часто вычерчивают отдельно в более крупном масштабе.

Рис. 12.9. Кривые расходов, площадей живого сечения и средних скоростей течения

Разброс точек измеренных расходов на графике Q = f(H) обусловлен помимо неизбежно допускаемых погрешностей при их определении рядом природных факторов: неустойчивостью русла реки, изменчивостью уклона водной поверхности в течение года, наличием ледяного покрова в зимнее время и др.

Средние скорости течения, а следовательно, и расходы воды в реках зависят от уклонов водной поверхности. Последние же нередко подвержены существенным колебаниям. Например, в период весеннего подъема уровней уклоны водной поверхности больше, чем при спаде уровней. Поэтому расходы воды, измеренные при одинаковых горизонтах в периоды подъема и спада паводка, оказываются разными, что вызывает значительный разброс точек на графике Q = f(H) при высоких уровнях. В таких случаях верхний участок кривой расходов строят в виде двух ветвей – одной для периода подъема паводка и второй для периода спада.

Зимние расходы воды, измеренные под ледяным покровом, оказываются значительно меньше летних при тех же уровнях. Объясняется это тем, что ледяной покров создает дополнительное сопротивление, обусловливающее уменьшение скоростей течения. Поэтому для зимнего периода следует строить самостоятельную кривую расходов. Наконец, при неустойчивом русле кривая расходов может ежегодно менять свое очертание и поэтому должна систематически корректироваться.

Кривые расходов и таблицы ежедневных уровней воды по опорным гидрометрическим створам служат исходным материалом для определения ежедневных расходов, которые в свою очередь предназначены для расчета объема стока и всех его характеристик.

13. ГИДРОЛОГИЯ ВОДОЕМОВ (ЛИМНОЛОГИЯ)

13.1. Общие сведения

Лимнология – отрасль гидрологии, изучающая водоемы замедленного массообмена – озера, водохранилища, пруды.

Озера и водохранилища часто объединяют под общим названием «озеровидные водоемы». Они существенно отличаются как от морей, так и от рек. Основное отличие озера от моря – отсутствие непосредственного водообмена с океаном. Исключение составляют озера морских побережий, в которых водообмен с морем или океаном осуществляется периодически.

Если в реках главной причиной движения воды является градиент силы тяжести, то в озерах – ветер. Однако во многих проточных озерах существуют течения, характерные для рек. В свою очередь, плесы медленно текущих рек, особенно пересыхающих в межень, имеют ряд особенностей, типичных для озер. Режим стариц весной имеет часто речной, а в межень – озерный характер.

Водная масса озера располагается в его котловине. Степень заполнения котловины зависит от водного баланса (поступления воды в водоем и потерь ее из него). Водное питание, колебания объема водной массы и уровня, особенности режима озер зависят от размеров и географических условий их бассейнов, поэтому понимание режима озер неразрывно связано с изучением их водосборов.

Вследствие замедленного водообмена вода в озере претерпевает существенные изменения и приобретает особенности, значительно отличающие ее от поступающих вод стока и атмосферных осадков.

Благодаря значительной тепловой инерции водной массы крупные озера смягчают климат прилегающих районов, уменьшая годовые и сезонные колебания метеорологических элементов.

В водах озер происходят химические и биохимические реакции. Одни элементы переходят из воды в донные отложения, другие  – наоборот. В результате непрерывного накопления органических и минеральных веществ донные отложения могут составлять в водоемах большой объем.

Наряду с существенным воздействием на режим природных озер люди создают искусственные озера – водохранилища с целью наиболее полного и комплексного использования природных вод. Их режим заранее проектируется с учетом влияния физико-географических факторов и запросов народного хозяйства и в дальнейшем регулируется гидротехническими мероприятиями. В связи с этим режим водохранилищ приобретает ряд особенностей, отличающих их от озер, и вызывает необходимость выработки специфических методов исследования. Влияние больших водохранилищ на ландшафт окружающих районов не уступает влиянию крупнейших озер.

Значение озеровидных водоемов в народном хозяйстве чрезвычайно велико: здесь развито рыбное хозяйство и рыбные промыслы, проходят транспортные пути; из озерных отложений добывают минеральное и органическое сырье; озера и водохранилища во многих случаях являются источниками водоснабжения и орошения; лечебные грязи (донные отложения) некоторых озер широко используются в медицине.

13.2. Происхождение и морфология водоемов

Углубление на суше, в котором расположен водоем, называется  к о т л о в и н о й. С происхождением (генезисом) озерных котловин тесно связаны их размеры и форма, а следовательно, в определенной степени и режим озер. Ниже приводится краткая характеристика основных генетических типов озерных котловин.

Тектонические котловины образованы в понижениях, возникших в результате тектонических движений земной коры (трещин, сбросов и др.). Для них характерны большие глубины (Байкал – 1741 м, Танганьика – 1435 м, Ньяса – 706 м, Иссык-Куль – 702 м и т. д.) и крутые склоны. Часто такие котловины в дальнейшем преобразуются под воздействием других факторов.

Ледниковые котловины возникли в связи с деятельностью ледников (древних или современных). В формировании их сыграли роль эрозионные процессы при таянии ледника или аккумулирование воды среди моренных отложений (скоплений обломков горных пород, перемещаемых ледниками или отложенных при их таянии).

Озера речного и морского происхождения. Сюда относятся: с т а-р и ц ы  (некогда бывшие русла), широко распространенные в долинах рек; одни из них сообщаются с реками во время половодий и паводков, другие обособлены от них; разобщенные в межень  п л е с ы  пересыхающих рек в районах недостаточного увлажнения;  д е л ь т о в ы е озера, распространенные в дельтах крупных рек;  л а г у н н ы е  и  л и - м а н н ы е  озера морских побережий – большей частью это заливы, отшнурованные от моря наносами, или устьевые участки рек, отчлененные от моря наносами, косами или барами; ф и о р д о в ы е  озера, образованные в отделенных от моря наносами или завалами участках фиордов.

Провальные озера. Сюда относятся: к а р с т о в ы е  о з е р а, возникшие в районах распространения известняков, доломитов, гипсов, легко подвергающихся растворению; п р о с а д о ч н ы е  (суффозионные) озера, образующиеся в районах, где подземные воды растворяют и вымывают из почв и грунтов некоторые соли, цементирующие их, вызывая оседание участков местности.

Вулканические озера возникли в кратерах или среди лавовых полей.

Завальные озера образовались в результате горных обвалов или обвалов при землетрясении, преградивших речные долины.

Вторичные озера – это небольшие озера, возникшие на месте заросших озер и на болотах (большей частью в сфагновом торфе), а также при выгорании участков торфяных массивов и связанных с ним просадках.

Размеры и форма озерных котловин весьма различны. Наряду с почти правильными воронками распространены озера чрезвычайно причудливых форм с сильно изрезанными берегами и озера с настолько плохо выраженными котловинами, что трудно даже установить их границы.

Озерная котловина может представлять собой или одну простую впадину, или сложную, включающую несколько впадин и возвышений. Некоторые возвышения, поднимаясь над поверхностью воды, образуют острова.

Рельеф дна и очертания озерных котловин под воздействием внешних факторов (текучие воды, ветры и пр.) и процессов, протекающих в самих водоемах (волны, течения, жизнедеятельность водных растений и организмов), постепенно видоизменяются.

В различных частях котловины в зависимости от глубины, рельефа дна и конфигурации берегов создаются специфические особенности режима водных масс и условия жизнедеятельности организмов. В связи с этим в озерах (за исключением мелких) выделяются две зоны:  л и т о р а л ь  – прибрежная часть, в которой дно подвержено воздействию волн, и  п р о ф у н д а л ь  – глубинная область, в которой волны непосредственно не воздействуют на дно. Литораль является местом обитания высшей водной растительности. Переходным участком между этими двумя основными зонами служит  с у б л и т о р а л ь, составляющая вместе с литоралью прибрежную область озера.

Преобразование котловины идет в двух направлениях: формирование берегов и накопление донных отложений. Под воздействием ветровых волн формируются профили берегов и видоизменяются очертания береговой линии. Размыву в первую очередь подвергаются выступы берега (мысы), в бухтах преобладает аккумуляция наносов и ила. Постепенно береговая линия приобретает более сглаженные очертания, а в прибрежных частях водоемов образуются отмели.

Наносы, пополняющие донные отложения, поступают с водосборов при стоке и ветровом выносе, образуются при разрушении берегов и отмирании водной растительности и организмов. Котловины многих озер заполнены массой донных отложений, превосходящей по своей толщине в несколько раз глубину воды. При интенсивном зарастании водоема растительностью и прогрессирующих донных отложениях конечной стадией развития озера может стать болото.

Водохранилища отличаются значительно от озер как по формированию котловин, так и по режиму. Размеры водохранилищ определяются рельефом, размерами затопленной долины и дальностью распространения подпора.