Гідрологія та гідробіологія Дніпра

     Пропускну здатність русла, розподіл швидкостей, нахилів та інше визначає поперечний переріз русла. Поперечний переріз - це площина, перпендикулярна до напряму  течії потоку і обмежена знизу  дном, а зверху - лінією горизонту води. Площа поперечного перерізу визначається за вимірами глибин, що робляться впоперек річки через рівні відстані.

     Залежно від віку ріки та місцевості поздовжні  профілі бувають досить різні, але  їх можна об’єднати в 4 основні  типи. 1 тип – плавно увігнутий /профіль рівноваги/, найпоширеніший. Це увігнута крива гіперболічного типу, крутіша у верхів’ях і полога в пригирловій частині /наприклад, рр. Ріоні, Селенга/; 2 тип - прямолінійний з рівномірним розподілом нахилів за всією довжиною. Спостерігається в малих річках та деяких гірських /Пяндж, Зеравшан/; 3 тип - опуклий, що характеризується малими нахилами у верхів’ї й більшими в нижній течії, трапляється рідко, характерний для річок Карелії та Кольського півострова;-4 тип - східчастий /в Карелії/.

     У руслах річок, особливо гірських, наявні нерівності, що призводить до утворення  порогів та водоспадів.

     Гіпсометрично найнижча точка ріки, де вона вже  не проводить ерозійну роботу, називається  базисом ерозії. Для всієї ріки він буде головним і. перебуває в місці впадіння цієї ріки в озеро чи море, а для її приток базисом ерозії кожної служить місце її впадіння в головну ріку.

      1.2. Водозбір і басейн ріки

 

     Кожна річкова система займає певну  площу, що називається басейном. Територія, звідки річкова система /або ріка/ отримує воду, називається водозбором. Басейн і водозбір здебільшого збігаються, проте бувають випадки і незбігання, наприклад, якщо в межах басейну частина території безстічна, вона до складу водозбору ріки не входить. Басейни один від одного відмежовані вододілом. Вододіл - не лінія на земній поверхні, що поділяє стік атмосферних опадів на два протилежні схили. Виділяють головний вододіл Землі, що відмежовує басейни річок, які впадають в Тихий та Індійський океани, з одного боку, і басейни річок, що впадають в Атлантичний та Північний Льодовитий океан - з іншого. Виділяють ще безстічні області, звідки вони не мають виходу до Світового океану, наприклад, басейни Каспійського і Аральського морів /басейни річок Волги. Уралу, Тереку. Кури, Амудар’ї. Сирдар’ї [10].

     Для характеристики басейну використовують такі параметри: площа басейну F; довжина  басейну L, яка визначається як пряма, що з'єднує гирло ріки і точку  на вододілі, прилеглу до витоку ріки; максимальна ширина басейну В, що визначається по прямій, перпендикулярній до осі басейну в найширшій його частині. Крім морфометричних характеристик, басейну властиві ще ряд фізико-географічних характеристик, а саме: географічне положення, зона, геологічна будова, рельєф, клімат, грунтово-рослинний покрив, та ін., а також вплив на нього господарської діяльності суспільства.

           Загальний вигляд рівняння водного балансу басейна річки:

           X + Y1 + W1 + Z1 = Y2 + W2 + Z2 +  U

     X – рідкі (дощ) та тверді (сніг) опади на поверхню річкового  басейну;

     Y1 – поверхневий притік з - за меж басейна (штучно – з допомогою перетинаючих вододіл трубопроводів, каналів, насосних станцій і т. д.) ;

     W1 – підземний притік з-за меж  басейна ( у випадку неспівпадіння  поверхневого та підземного вододілів);

     Z1 – конденсація водяної пари;

     Y2  - поверхневий відтік за межі басейну;

     W2  - підземний відтік за межі  басейну;

     Z2  - випаровування з поверхні басейна;

     U – зміни запасів води в басейні  за інтервал часу.

           Атмосферні опади, підземний притік та штучний поверхневий  притік з-за меж басейна складають прибуткову частину рівняння водного балансу; поверхневий та підземний стоки за межі басейна та випаровування об’єднуються в витратну частину рівняння водного балансу.

           Якщо прибуткова частина перевищує витрати (наприклад, взимку під час накопичення снігу, в період дощів і т. д.), то запаси води в басейні збільшуються і 

     U > 0. Якщо, навпаки, витратна частина  більше прибуткової ( в період  сніготанення, в межень, коли річка  живиться в основному підземними  водами), то запаси води в басейні виснажуються і U < 0 [1].

      1.3. Основні закономірності  живлення річок

 

     Річковий  стік формується внаслідок надходження  в річки вод атмосферного походження, при цьому частина атмосферних  опадів стікає з ріками в океан  або безстічні озера, решта –  випаровується.

     Виділяють чотири основних види живлення річок: дощове, снігове, льодовикове та підземне.

     Для річок в умовах теплого клімату  головний вид живлення – дощовий. За рахунок дощових вод формується стік таких крупних річок світу, як Амазонка, Ганг і Брахмапутра. Цей  вид живлення річок є найважливішим. Другим за значимістю є снігове живлення. Його роль досить велика в живленні річок в умовах помірного клімату. Третє місце за об’ємом поступаючих в річки вод займає підземне живлення. На його частку припадає в середньому 1/3 річкового стоку. Останнє місце за значимістю займає льодовикове живлення.

     Зупинемося  детальніше на основних видах живлення річок.

     Дощове  живлення.

     Кожний  дощ характеризується шаром випавших опадів (мм), тривалість (хв, год, сут), інтенсивність  випадіння (мм/хв, мм/год) та площею розповсюдження (км2). У зв’язку з цим дощі можна поділити на зливи та обложні дощі. Чим більше інтенсивність, площа розповсюдження та тривалість дощу, тим більше величина дощового паводка. Чим більше відношення між площею розповсюдження дощу та площею басейна, тим також більше величина можливого паводка. Катастрофічні паводки відбуваються з цих причин найчастіше лише на малих та середніх річках. Поповнення підземних вод відбувається під час тривалих дощах.

     Чим менше вологість повітря і грунт більш сухий в період випадання дощу, тим більше витрати води на випаровування та інфільтрацію і тим менша величина дощового стоку.

     І, навпаки, якщо дощі випадають на вологу поверхню при пониженій температурі  повітря, збільшується величина дощового стоку.

     Таким чином, один і той дощ в залежності від стану підстилаючої поверхні та вологості повітря може бути в  одному випадку стокоутворюючим, а  в другому – не давати стоку.

     Снігове живлення.

     Сніг  в залежності від товщі снігового  покриву та щільності може під час таяння давати різний шар води. Слід розрізняти процеси сніготанення та водовіддачі сніжного покриву, тобто надходження води, що не утримується снігом на поверхню ґрунту. Сніготанення починається після досягнення температурою повітря позитивних значень та виникнення позитивного теплового балансу на поверхні снігу. Водовіддача починається пізніше початку сніготанення та залежить від фізичних властивостей снігу – зернистості, капілярних властивостей і т. д. Стік починається тільки після початку водовіддачі.

     Територію, де відбувається в даний момент танення  снігу, називають зоною одночасного  сніготанення.

     Підземне  живлення річок.

     Воно  визначається характером взаємодії  підземних (ґрунтових) та річкових вод. 

     Виділяють 3 типи взаємодії річкових та ґрунтових вод:

     - наявність постійного гідравлічного  зв’язку;

     - наявність тимчасового гідравлічного  зв’язку;

     - відсутність гідравлічного зв’язку [4].

     Перший  тип включає два підтипи: наявність  одностороннього та двостороннього постійного гідравлічного зв’язку. Характер зв’язку річкових та ґрунтових вод залежить від співвідношення висоти стояння рівня води в річці в повінь та межень, з одного боку, та положення крівлі водотривкого пласта і рівня ґрунтових вод, які над ним знаходяться, з другого.

     При дуже низькому положенні водоупору та рівня ґрунтових вод річка протягом всього року через свої береги та дно живить підруслові та прибережні ґрунтові води, тобто постійно втрачає воду на живлення ґрунтових вод.

     При більш високому положенні водоупору  річка живить ґрунтові води лише в повінь; в межень річка, навпаки, дренує грунтові води та ними живиться. Під час зменшення повені та в межень частина акумульованої в ґрунті води повертається в русло річки. Таке явище називається береговим регулюванням річкового стоку.  

     В цілому підземні води є одним з найважливіших видів живлення річок. Частка підземного живлення річок становить 30% річкового стоку. Роль підземного живлення особливо зростає в межень, коли живлення інших видів (дощове, снігове) зовсім припиняється.

     Льодовикове живлення.

     Таке  живлення мають лише річки, які витікають  з районів з високогірними  льодовиками. Внесок льодовикового  стоку в сумарний стік річки та регулюючий вплив льодовиків на стік тим більше, чим більша відносна площа зледеніння. Завдяки акумульованим у товщі льодовика великим масам води льодовики впливають на регулювання річкового стоку.

     Багаторічне регулювання стоку льодовиками  полягає в тому, що тала вода льодовиків компенсує нестачу води в річках в посушливий період. Справа в тому, що підвищення річних температур повітря та низька кількість опадів спостерігаються одночасно.

     Сезонне регулювання також виявляється  в посиленні танення льодовиків в теплий, посушливий період, коли інші джерела живлення річок виснажуються. Крім того, сам льодовик із порожнинами, заповненими водою, а також його снігово-фірновими товщами, які містять гравітаційну воду, є причиною регулювання стоку [4]/

     Зараз поширена класифікація М.Л.Львовича, що ґрунтується на аналізі джерел живлення і річного розподілу стоку [13]. Для визначення переважання того чи іншого типу живлення встановлено три градації. Якщо один з видів живлення дає понад 80% річного стоку річки, мова йде про виключне значення цього виду живлення. Якщо кожне з видів, живлення становить 50-80% стоку, йому надається переважне значення. Якщо кожен з видів живлення менше 50% річного стоку, таке живлення навивається дощовим. Райони поширення річок снігового живлення займають значні площі, великі площі займаюсь басейни річок переважно снігового живлення /Урал, Іртиш, середня частина басейну Дніпра/. Ріки винятково дощового живлення розміщені в Закавказзі та на Далекому Сході в басейні Амуру. Ріки переважно дощового живлення займають басейни рр. Яни та Індигірки, ріки переважно льодовикового живлення приурочені до Головного Кавказького хребта і гір Середньої Азії, друге місце на цих ріках за величиною займає дощове живлення.

     Із  річок змішаного живлення найбільше  поширені з переважанням снігового /басейни р. Лени, ріки Алтаю, Саян. Із річок змішаного, живлення з переважанням дощового відомі ріки Закавказзя, північної частини Чорноморського узбережжя та ін.

      1.4. Принципи витрати води в басейні річки.

 

     Дощові  води, що поступають на поверхню басейна, а також снігові та льодовикові  води, частково стікають у вигляді  поверхневого (річкового та схилового стоку), і частково витрачаються на випаровування та інфільтрацію. Втрата атмосферних вод на випаровування є для даного річкового басейна безповоротною, так як вважається, що вони переносяться повітряними потоками за межі басейна. Води, що надійшли в грунт в результаті інфільтрації вважаються «втратами» лише для конкретної ділянки водозбору та для конкретного дощу або періоду сніготанення. Вони потім повернуться в річкове русло у процесі живлення річки підземними водами.

     Випаровування з водної поверхні тим більше, чим менша вологість повітря (і більше дефіцит вологості) та більша швидкість вітру. Величина річного випаровування з водної поверхні залежить від природної зони та в середньому дорівнює:

     - в тундрі – 200 - 350 мм;

     - в лісовій зоні – 350 - 650 мм;

     - в степовій зоні – 650 – 1000 мм;

     - в напівпустелі та пустелі  – 1000 – 1800 мм.

     Ці  величини і складають витрати  річкового стоку на випаровування  з поверхні водотоків ( річок, каналів ) та водойм ( озер та водосховищ ) [10].

     Випаровування з водної поверхні в конкретних умовах може бути визначено з допомогою метода водного балансу з урахуванням величини зниження в результаті випаровування рівня води в природній водоймі або у штучному випаровувачі. А також з допомогою метода теплового балансу шляхом розрахунку тепла, витраченого на випаровування води та користуючись емпіричними формулами.

     Випаровування з поверхні снігу та льоду залежить від тих же факторів, що й випаровування  з водної поверхні, але внаслідок  низької температури випаровуючої поверхні значно менш інтенсивно. Воно складає протягом зими всього 20 – 30 мм, тобто в десятки разів менше, ніж випаровування з поверхні води. Для вимірювання випаровування з поверхні снігу користуються спеціальними випаровувачами, при цьому застосовують ваговий метод.