Питание рек грунтовыми водами

Водное питание рек и его виды

Речной водный сток формируется в результате поступления в реки с их водосборов вод атмосферного происхождения, при этом часть атмосферных осадков стекает с реками в океан или бессточные озёра, другая часть – испаряется. Однако при единстве атмосферного происхождения в конечном счёте всех речных вод непосредственные пути поступления вод в реки могут быть различными. Выделяют четыре вида (или источника) водного питания рек: дождевое, снеговое, ледниковое и подземное. Для рек в условиях тёплого климата главный вид питания – дождевое. Сток таких крупнейших рек, как Амазонка, Ганг и Брахмапутра, Меконг, формируется в основном дождевыми водами. Этот вид питания рек в глобальном масштабе – главнейший: на его долю приходится более трети всего водного стока рек. Вторым по важности служит снеговое питание. Его роль весьма велика в питании рек в условиях умеренного климата (не менее 1/3 водного стока). Третье место по объёму поступающих в реки вод занимает подземное питание (на его долю в среднем приходится около 30% объёма речного водного стока). Именно подземное питание обусловливает постоянство или большую продолжительность стока реки в течение года, что и создает в конечном итоге реку. Последнее место по значимости в водном питании рек занимает ледниковое питание (около 1% стока рек мира).

Дождевое питание

Каждый дождь характеризуется слоем выпавших осадков (мм), продолжительностью (минуты, часы, сутки), интенсивностью выпадения (мм в минуту, мм в час) и площадью распространения (км 2 ). В зависимости от этих характеристик дожди можно подразделить, например, на ливни и обложные.

Интенсивность, площадь распространения и продолжительность выпадения дождей определяют многие особенности формирования речного водного стока и пополнения подземных вод. Чем больше интенсивность, площадь распространения и продолжительность дождя, тем больше величина дождевого паводка. Чем больше отношение между площадью распространения дождя и площадью всего бассейна реки, тем также больше величина возможного паводка. Экстремальные паводки происходят по этим причинам обычно лишь на малых и средних реках. Пополнение подземных вод, как правило, происходит при длительных дождях. Чем меньше влажность воздуха и суше почва в период выпадения дождя, тем больше затраты воды на испарение и инфильтрацию и тем меньше величина дождевого стока. Наоборот, дожди, выпадающие на влажную почву при пониженной температуре воздуха, дают большую величину дождевого стока. Таким образом, один и тот же дождь в зависимости от состояния подстилающей поверхности и влажности воздуха может быть в одних случаях стокообразующим, а в других – почти не давать стока.

Снеговое питание

В умеренных широтах основным источником водного питания рек служит вода, накапливающаяся в снежном покрове. Снег в зависимости от его плотности и толщины снежного покрова может при таянии дать разный слой воды. Запасы воды в снеге (величину, очень важную для предсказания объёма талого стока в период половодья) определяют с помощью снегомерных съёмок. Запасы воды в снеге в бассейне реки зависят от величины зимних осадков, в свою очередь определяемой климатическими условиями. Запасы воды в снежном покрове распределяются по площади бассейна реки обычно неравномерно – в зависимости от высоты местности, экспозиции склонов, неровностей рельефа, влияния растительного покрова и т.д. Следует различать процессы снеготаяния и водоотдачи снежного покрова, т.е. поступления не удерживаемой снегом воды на поверхность почвы. Снеготаяние начинается после достижения температурой воздуха положительных значений и при условии положительного теплового баланса на поверхности снега. Водоотдача начинается позже начала снеготаяния и зависит от физических свойств снега – зернистости, капиллярных свойств и т.д. Сток возникает только после начала водоотдачи.

Подземное питание

Оно определяется характером взаимодействия подземных (грунтовых) и речных вод. Направленность и интенсивность этого взаимодействия зависят от взаимного положения уровня воды в реке, высоты кровли водоупорного пласта грунта и уровня грунтовых вод, в свою очередь зависящего от фазы водного режима реки и гидрогеологических условий. Подземное питание рек обычно наибольшее в межень, когда грунтовые воды поступают в реку. В половодье уровень воды в реке, как правило, выше уровня грунтовых вод и поэтому в это время река питает грунтовые воды.

Ледниковое питание

Такое питание имеют лишь реки, вытекающие из районов с высокогорными ледниками и снежниками. Вклад ледникового питания в речной водный сток тем больше, чем больше доля общей площади бассейна реки занята ледниками. Этот вклад наибольший в самых верхних частях горных рек.

У каждой реки доля отдельных видов водного питания может быть разной. Определение в каждом конкретном случае вклада различных видов питания в речной водный сток – задача исключительно сложная. Наиболее точно её можно решить либо с применением «меченых атомов», т.е. путём радиоактивной «маркировки» вод различного происхождения, либо путём анализа изотопного состава природных вод. Более простой, но приближённый способ выделения различных видов питания – это графическое расчленение гидрографа реки.

В настоящее время наиболее распространена классификация рек по видам (или источникам) питания М.И. Львовича Львович Михаил Исаакович (1906–1998), известный советский гидролог, доктор географических наук (1942). Внёс большой вклад в изучение мирового водного баланса, питания и режима рек. Создал первые в СССР карты стока рек мира и водного баланса страны. . Для определения степени преобладания того или иного вида питания приняты три градации. Если один из видов питания даёт более 80% годового водного стока реки, следует говорить об исключительном значении данного вида питания (вклад других видов питания не учитывается). Если на долю данного вида питания приходится от 50 до 80% водного стока, то этому виду питания придается преимущественное значение (другие виды питания упоминаются, если на долю каждого из них приходится больше 10% годового водного стока). Если же ни один из видов питания не дает больше 50% годового стока, то такое питание называют смешанным и иногда указывают некоторые виды питания в порядке убывания их вклада в сток реки. Указанные диапазоны градаций (80 и 50%) относятся ко всем видам питания, кроме ледникового. Для ледникового питания соответствующие диапазоны градаций уменьшены до 50 и 25%.

Бóльшая часть рек на территории бывшего СССР имеет преобладающее снеговое питание. Почти исключительное снеговое питание имеют реки Северного Казахстана и Заволжья. Реки с дождевым питанием занимают южную часть территории к востоку от Байкала, а также бассейны Яны и Индигирки, Черноморское побережье Кавказа, Крым и Северный Кавказ. Ледниковое питание имеют реки на Кавказе и в Средней Азии.

Источник

Гидрология

Лекция. Гидрология подземных вод

1. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД И ИХ РАСПРОСТРАНЕНИЕ НА ЗЕМНОМ ШАРЕ

Согласно современным представлениям, подземные воды по происхождению могут быть:

1. Экзогенными (их источник — вод­ные объекты на поверхности суши и влага атмосферы),
2. Эндо­генными (их источник — недра Земли).

1. Экзогенные подземные воды поразделяются на:

— Инфильтрационные — проникают в горные породы путем просачивания атмосферных, речных, морских и озерных вод. Основную роль при этом играет проникновение в грунт через поры и трещины практически пресной атмосферной воды.

— Кон­денсационные — образуются при конденсации в порах грунта

водяного пара, перемещающегося в грунте под влиянием разности давления. Считают, что вклад этого вида питания подземных вод невелик, однако в некоторых физико-географических условиях, например пустынях, может иметь существенное значение.

— Седиментационные (осадконакопление) образуются из вод того водного объекта, где происходил процесс седиментации, т. е. отложения наносов. Воды такого типа распространены в осадочных породах и в ложах океанов и морей, где образуют так называемые «иловые растворы».

2. Эндогенные подземные воды подразделяются на:

— Дегидратационные — образуются в горных породах в ре­зультате дегидратации минералов (такие воды называют «возрожденными»)

— Ювенильные — поступают из магматических очагов, в частности в районах современного вулканизма (их назы­вают «ювенильными» водами).

Инфильтрационные, конденсационные, седиментационные, де-гидратационные и «ювенильные» воды при своем перемещении в горных породах смешиваются, образуя смешанные по происхож­дению подземные воды.

Подземные воды (главным обра­зом — Инфильтрационные) являются важным компонентом матери­кового звена круговорота воды на земном шаре и играют заметную роль в балансе и режиме природных вод и растворенных в них веществ.

Источник

Понятие питания подземных вод для гидрологии

Для питания подземных вод имеет значение не только количество атмосферных осадков, но и частота их выпа­дения, интенсивность и, наконец, другие климатические и физико-географические условия. Летние ливни не играют большой роли в питании подземных вод, так как они бурно стекают в овраги и реки, очень мало промачивая почву. А осенние мелкие обложные дожди проникают в почву очень глубоко. Снег, выпадающий на мокрую промерзшую почву, не влияет на питание подземных вод, так как при весеннем снеготаянии талая вода не имеет возможности просочиться в глубь почвы. Если снег выпадает на талую или промерзшую сухую почву, то в нее при весеннем снего­таянии обильно просачиваются воды.

Физико-географические условия местности отражаются прежде всего на стоке осадков. Как уже указывалось выше, часть атмосферных осадков испаряется, часть про­никает в почву и питает подземные воды, а часть их стекает по неровностям местности в пониженные участки. Сток атмосферных осадков особенно интенсивен, если рельеф местности обладает значительными неровностями, поверх­ность земли сложена непроницаемыми для воды породами и на них отсутствует растительность. В этих случаях осадки (особенно ливневые) иногда целиком стекают, не успев ни просочиться в землю, ни испариться хотя бы отчасти в воздух. Сток совершается особенно неравномерно, если осадки выпадают в виде снега. В течение зимы часть снега испаряется, не переходя в жидкое состояние. Весной снеготаяние зависит от колебания температуры: если теплые дни сменяются морозными ночами, то сток талых вод затягивается на довольно продолжительное время, и поло­водье на реках бывает продолжительным; если же теплые дни сменяются не морозными ночами, то паводок на реках проходит бурно в короткий срок.

Равнинный ландшафт, сложенный легко впитываю­щими воду горными породами, весьма затрудняет сток, содействуя просачиванию осадков в почву и их испа­рению.

Замеряя систематически сток реки и всех ее притоков, подсчитывают сток с бассейна реки в целом. Не надо при этом забывать, что, кроме поверхностного стока, суще­ствует и подземный сток, при котором бассейн данной реки может либо терять свои воды, отдавая их подземным путем из соседнего бассейна.

Миграция подземного потока воды из одного (расположен­ного выше) речного бассейна в другой

где 1 — водоупорные толщи, 2 — водоносная толща, 3 — направление подзем­ного потока

Испарению содействует прежде всего интенсив­ная инсоляция (нагревание солнцем). В южных странах, где летом поверхность земли нагревается до 70° С и выше, выпавший летний дождик почти весь испаряется. Испарение совершается значительно сильнее при ветре, нежели в безветренную погоду.

В конечном итоге на просачивание идет сравнительно очень небольшая доля осадков. Для южной половины европейской части России просачивание едва ли превышает 20% годового количества осадков.

Большое значение в смысле изоляции почвы от осадков имеет растительность и в особенности древесная. Некоторые наблюдения показывают, что в хвойных лесах на деревьях задерживается до 68% осадков, а на лиственных дере­вьях — не менее 30%. Если дожди слабые, то и все 100% остаются на листве и хвое.

Роль древесных пород в задержании осадков

Выпало по расчету дождя над кроной, л

Из них упало на землю по омброметрическим сред­ним данным, л

По стволу было отведено, л

Всего попало на землю, л

Количество воды, попавшее на землю, в про­центах ко всему количеству вы­павшего над кро­ной дождя

без учета воды, отведенной по стволу

Следовательно, по лиственным деревьям до земли дохо­дит вдвое больше влаги, нежели по хвойным.

Тщательные наблюдения над задержанием осадков кро­нами деревьев проводились во многих местах. На терри­тории Центрального лесного государственного заповедника (Нелидовский район Великолукской области) подобные исследования в течение трех лет проводил Н. С. Васильев. Для наблюдений была выбрана площадка сплошного ельника с единичными березами. Возраст деревьев от 90 до 100 лет, средний диаметр 36 см. Во втором ярусе леса — клен, ясень, ильм, липа, в подлеске — лещина, крушина, жимолость, изредка рябина; травяной покров — медуница, ясменик, голубая перелеска, кислица и др. Моховой покров — лиственные зеленые мхи.

Влияние лесов на выпадение осадков по существу еще не вполне выяснено. Есть данные, которые указывают, что над лесами выпадает значительно больше осадков, нежели над полями. В некоторых случаях превышение количества осадков над лесом по сравнению с полем дости­гает 43% и более. Однако если брать поверхность Земли в общем, то количество осадков, выпадающих над боль­шими лесными массивами, превышает не более чем на 5% количество осадков, выпадающих на открытых местах.

Карта модулей речного стока

где а — изолинии модулей речного стока, б — то же, пред­положительно

Колебания расходов реки Бугуни с преобладающим снежным питаниемъ

Часть выпадающих осадков стекает по поверхности земли, питая так называемый речной сток. Гидро­метрические исследования показали, что в Причерноморье и Прикаспии с 1 км 2 площади попадает в реки только 1 л/сек, в Подмосковье — 6 л/сек, а в Прионежье — 10 л/сек . Режим речного стока меняется в течение года. Основные этапы режима: половодье, прихо­дящееся на весну и часть лета, и межень — в остальное время года. Весенне-летнее половодье и последующая межень нарушаются паводками, под которыми под­разумевают быстро наступающее повышение уровня воды в реке и быстрый его спад. Особенно высокими бывают паводки весенние. Дружное снеготаяние после многоснежной зимы дает огромные количества талой воды, бурно стекающей по реке и вызывающей иногда ката­строфические наводнения. При паводках, вызываемых летними и осенними ливнями, уровень воды в больших реках не поднимается очень высоко, но на маленьких реках или на суходолах с относительно большим водо­сборным бассейном паводки проходят бурно и иногда бывают разрушительными. Нередко образуются грязевые и грязекаменные потоки, известные под названием силей. Сили часты на Кавказе и в Средней Азии. От подобного паводка пострадал в 1922 г. г. Алма-Ата.

Карта коэффициентов подземного стока

где 1 — изолинии коэффициентов подземного стока, 2—то же. предположительно

Часть выпавших, как уже говорилось, осадков прони­кает в землю и стекает подземным путем, образуя под­земный сток , который частично также возвращается в реку. Таким образом, реки питаются и поверхностным и подземным стоками. Доля последнего в питании рек не одинакова и колеблется в отдельных речных бассейнах в пределах от 10 до 40% от годового стока реки и даже более в реках так называемого подземного питания. Процент подземного питания рек также подвер­гается колебаниям: в засушливые годы он иногда резко падает, а в годы с обильными осадками повышается.

Между осадками, испарением, поверхностным и под­земным стоками существуют закономерные взаимоотно­шения:

осадки = испарению + поверхностный сток + подзем­ный сток.

Осадки и испарение достаточно точно измеряются метео­рологическими методами, поверхностный сток также хоро­шо измеряется гидрометрическими методами; для изме­рения подземного стока было предложено много методов, но почти все они вызывали существенные возражения.

Летние ливни интенсивно питают поверхностный сток, кратковременные дожди расходуются главным образом на испарение, а обложные дожди при низких температурах (например, осенью) интенсивно питают подземный сток. Роль леса в питании рек поверхностным стоком отрица­тельна. С другой стороны, способствуя накоплению грунто­вых вод, а следовательно, и увеличению подземного пита­ния рек, он играет положительную роль. Очевидно, что в отдельные годы та или иная сторона значения леса может преобладать или быть преуменьшенной.

Для подсчета и составления карт подземного стока в настоящее время используется метод, предложенный Б. И. Куделиным. Он положен в основу составлен­ных карт подземного стока европейской части России, с его помощью уточняются методы составления таких же карт для азиатской части России.

Свойство лесной растительности способствовать накоп­лению грунтовых вод используется в практике сельского хозяйства. В засушливых областях создаются лесостепные полосы. Они смягчают действие суховеев летом и способ­ствуют снегонакоплению зимой. В первом случае снижается испаряемость, во втором — улучшается питание грунтовых вод при снеготаянии. И то и другое способствует повыше­нию урожайности сельскохозяйственных культур.

Обширные научные исследования по проблеме связи атмосферных осадков и поверхностного и подземного стока ведутся Государственным гидрологическим институтом: под его методическим руководством прово­дятся опытные работы на специально организованных опытных станциях, в частности на Валдайской станции.

Источник