Гидрология суши

Гигроскопическая вода представляет собой прочно связанную воду удерживаемую адсорбционными силами на, поверхности частиц почво-грунта в виде отдельных, как бы изолированных молекул или образующих пленку воды толщиной одну-две молекулы. Обладает высокой плотностью.

Пленочная вода относится  к категории рыхло связанной  движение которой происходит под  действием силы тяжести и сил  молекулярного притяжении при малых запасах влаги могут проявляться сорбционные силы. Ее можно представить себе как водную оболочку, состоящую из нескольких слоев молекул, удерживающихся один над другим. Между частицами грунта, окруженными слоем пленочной воды, находится воздух, и грунт производит на глаз впечатление сухого.

Капиллярная, вода относится, к категории свободной влаги  Пленочная вода распределяется лишь на поверхности частиц. Промежутки же между частицами, как указано  выше, остаются при этом не заполненными водой. В силу этого пленочная  вода не способна передавать гидростатическое давление. Если же капиллярные промежутки, имеющиеся в грунтах, заполнены  водой, то такую воду принято называть капиллярной. Заполняя полностью сечение  капилляров, капиллярная вода может  передавать гидростатическое давление.

Свободная гравитационная вода заполняет промежутки в грунтах  при влажности в интервале  между полной и наименьшей влагоемкостями; она не может удерживаться силами притяжения к стенкам каналов, а поп влиянием силы тяжести, свободно стекает по направлению уклона. Движение ее осуществляется в капельно-струйчатом виде.

Физические и водные свойства почво-грунтов. Почвенные константы. Отношение почво-грунтов к воде зависит от их строения и состава. Основными характеристиками почво-грунтов с точки зрения их водных свойств: скважность, высота капиллярного поднятия, удельный и объемный вес, водопроницаемость, влагоемкость, водоотдача, дефицит влаги, недостаток насыщения.

Капиллярное поднятие. Почво-грунты обладают порами, представляющими собой тонкие канальцы, имеющие свойства капилляров. По сети капиллярных каналов происходит поднятие воды выше уровня грунтовых вод.

 

6. Режим грунтовых вод. Взаимодействие поверхностных и грунтовых вод

Влияние метеорологических  факторов и строения зоны аэрации  на режим грунтовых вод; Формирование речного стока в значительной мере связано с процессами накопления и передвижения грунтовых вод. Изменение во времени запасов грунтовых вод, заключенных в водоносных горизонтах, зависит главным образом от метеорологических факторов. Степень влияния метеорологических факторов на режим грунтовых вод зависит от условий их залегания. Если между водоносным слоем и поверхностью земли нет изолирующего водоупорного слоя, то на этом участке возможен непосредственный водообмен между водоносным слоем и атмосферой (просачивание осадков, испарение). Положение мало изменяется, если имеющиеся над водоносным слоем водоупорные породы залегают линзообразно. На небольших линзах водоупорных пород задерживаются капельно-жидкие воды, и здесь образуется местная верховодка. Воды, залегающие на линзах, подвержены особо резким колебаниям, вплоть до полного высыхания. Грунтовые воды, расположенные под линзами верховодки, несколько защищены от непосредственного влияния метеорологических факторов на их уровень.

Воздействие атмосферных  осадков на грунтовые воды зависит  от глубины их залегания, характера  и интенсивности осадков, а также  от строения грунтов.

При незначительных дождях вода не проникает глубоко в почву, поэтому после окончания дождя  она испаряется. При сильных, но кратковременных  дождях и ливнях вода не успевает глубоко  просочиться, особенно при наличии  большого поверхностного уклона, обеспечивающего  быстрый сток воды по поверхности. Наиболее благоприятные условия для инфильтрации создаются при мелких, длительных, затяжных дождях.

Запасы снега, скапливающиеся в течение зимы, во время весеннего  таяния являются главным источником питания грунтовых вод. На ход  просачивания в весенний период оказывает  влияние соотношение сроков таяния снега и периода оттаивания почвы.

В степных областях, где  высота снежного покрова бывает небольшой, а таяние происходит иногда очень  быстро, образующиеся от таяния снега  воды часто успевают увлажнить лишь верхний слой. На режим грунтовых  вод, помимо количества и интенсивности  поступления воды на поверхность  земли, существенное влияние оказывает  строение зоны, аэрации, т. е. толщи почво-грунтов от поверхности земли до уровня грунтовых вод.

Изменение уровня грунтовых вод и стока их в речную сеть

Годовой ход и многолетние  колебания осадков вызывают соответствующие  изменения уровней грунтовых  вод. Обусловленные этим колебания  уровней грунтовых вод могут  быть сезонные, годовые и эпизодические.

У колебаний сезонного  типа, имеющих наиболее закономерный периодический характер и связанные  с распространением осадков и испарения в годовом цикле, наиболее значительная амплитуда.

7. Инфильтрация воды в почву

Впитывание, фильтрация, свободное  просачивание. Просачивание— это проникновение воды в толщу почво-грунтов и движение ее к уровню подземных вод.

Просачивание воды в почву  является одним из важнейших факторов формирования режима вод суши. Оно  в значительной степени определяет обводнение почвы, интенсивность поверхностного стока и увеличение запасов грунтовых  вод.

Просачивание воды в почво-грунты может осуществляться как в форме капельно-струйчатого (турбулентного) движения воды по трещинам, ходам и порам больших размеров, так и в виде капиллярного (ламинарного) движения по каналам и порам небольшого сечения, когда проявляется действие капиллярных сил.

При этом начала ная стадия просачивания, когда силы трения и силы сопротивления почвенного воздуха, вытесняемого из пор при просачивании, малы, а преобладают капиллярные силы, называется впитыванием (поглощением, инфильтрацией).

По мере увеличения толщины  слоя почво-грунта, в котором поры заполнены водой, действие капиллярных сил затухает, и дальнейшее продвижение воды происходит под преобладающим действием силы тяжести со скоростью, соответствующей коэффициенту фильтрации данного почво-грунта. Эту стадию явления просачивания называют фильтрацией.

Механизм проникновения  воды в почву. Просачивание воды в  почву совершается под действием  следующих сил 

1) силы тяжести просачивающегося  столба воды 

2) всасывающей силы капиллярных  менисков, измеряемой высотой капиллярного  всасывания воды данной почвой;

3) давления поверхностного  слоя воды;

Понятие о кривых инфильтрации. Учет поглощающей способности почвы  в зависимости от изменения интенсивности  впитывания во времени может быть осуществлен с помощью, так называемых кривых инфильтрации (называемых иногда кривыми просачивания, или кривыми  поглощения, или впитывания).

 

8. Понятие о многолетней мерзлоте, ее распространение

Помимо сезонного промерзания, зависящего от географического положения  и местных особенностей района, имеется  обширная зона, в пределах которой  на некоторой глубине грунт постоянно  сохраняется в мерзлом состоянии. Мощность сезонной мерзлоты в пределах СНГ изменяется от нескольких сантиметров  до 1—2 м. В средних широтах глубина  сезонного промерзания составляет 0,6—0,8 м.

Над толщей постоянного мерзлого грунта находится слой, который ежегодно летом оттаивает, а зимой замерзает. Этот слой называется деятельным, или активным.

Толща вечной мерзлоты и  слой сезонного промерзания могут  непосредственно переходить один в  другой или же между ними бывает талая прослойка.

Если слой постоянной мерзлоты находится на такой глубине, что  сезонное промерзание ежегодно достигает  его верхней поверхности, то в  этом случае вечная мерзлота называется сливающейся; когда указанного соединения сезонного промерзания и вечной мерзлоты не наблюдается, мерзлота называется несливающейся.

Область сплошного распространения  вечной мерзлоты по мере продвижения  к более южным и менее континентальным  зонам сменяется областью вечной мерзлоты с включениями участков талого грунта. Эти участки, называемые таликами, обычно располагаются под озерами и реками, а также в местах, благоприятных для образования мощных скоплений снега.

В зависимости от соотношения  площадей вечной мерзлоты и площадей таликов различают:

1. Районы сплошного распространения  вечной мерзлоты, т. е. районы, в пределах которых вечная  мерзлота, как правило, наблюдается  повсеместно, независимо от различий  в местных особенностях отдельных  участков.

2. Районы почти сплошного  распространения вечной мерзлоты, нарушаемой более или менее  значительными вкраплениями таликов.

3. Распространение вечной  мерзлоты в форме отдельных  островов среди обширных таликовых пространств.

4. Распространение вечной  мерзлоты только в буграх торфяников.

Воды в районах  многолетней мерзлоты. В соответствии с характером вертикального строения воды этой зоны могут быть разделены на четыре категории:

1) воды поверхностные (реки, озера);

2) надмерзлотные воды, залегающие над толщей вечной мерзлоты, на ее верхней поверхности;

3) межмерзлотные воды, находящиеся в пределах вечной мерзлоты. Наиболее часто они находятся в твердом состоянии;

4) подмерзлотные воды, залегающие ниже толщи вечной мерзлоты. Для верхней части этих вод вечная мерзлота является кровлей.

Режим поверхностных вод  в районе распространения вечной мерзлоты обладает рядом существенных особенностей.

Реки, протекающие в этих районах, отличаются весьма малым стоком в зимний период. Если реки, протекающие  в районах, не охваченных вечной мерзлотой, за период декабрь—февраль проносят 6—10% годового объема стока, то в районах  вечной мерзлоты на таких же реках  протекает 1—2% и менее годового стока.

9. Режим речного стока

Общие понятия о водном питании рек. Вода, проносимая реками, поступает в них в результате выпадения атмосферных осадков на земную поверхность в процессе круговорота воды на земном шаре. Однако в зависимости от конкретных условий поступления атмосферной влаги непосредственно в реки воды, принимающие участие в питании рек, обычно делят на снеговые, дождевые, подземные и ледниковые (включая вечные снега).

В отдельных случаях бывает весьма трудно выделить достаточно четко  роль различных источников питания  в формировании суммарного стока  реки; в этом случае применяют термин «смешанное питание».

На территории СССР основная масса рек (около 60%) получает водное питание за счет таяния сезонных снегов. В южных степных районах Европейской  территории СССР, в Северном Казахстане и некоторых других областях, где  грунтовые воды залегают глубоко  и не дренируются реками, а летние дожди не дают поверхностного стока, реки целиком питаются водами, образующимися  весной от таяния снега.

Фазы водного  режима. В режиме стока рек можно выделить ряд характерных периодов (фаз) в зависимости от изменения условий питания. Применительно к режиму рек СССР различают следующие фазы водного режима: 1) половодье, 2) паводки, 3) межень. Половодье в зависимости от условий его формирования может быть весенним и летним или весенне-летним.

Половодье характеризуется наибольшей в году (среди других фаз режима) водностью, высоким и длительным подъемом уровня, обычно сопровождаемым выходом воды из русла на пойму. Вызывается главным источником питания (на равнинных реках — снеготаянием, на высокогорных — таянием снегов и ледников, в муссонных и тропических зонах — выпадением летних дождей и т. д.), и для рек одной климатической зоны ежегодно повторяется в один и тот же сезон с различной интенсивностью и продолжительностью. Паводки представляют собой быстрые и сравнительно кратковременные подъемы уровня воды в реке; в отличие от половодья, возникают нерегулярно; поднятие уровня и расход воды при паводке может в отдельных случаях превышать уровень и наибольший расход половодья. Возникают паводки в результате выпадения дождей, ливней и снеготаяния во время зимних оттепелей. К категории паводков обычно относят ежегодное повышение водности в осенний период в результате дождей и уменьшения испарения. Эти осенние паводки хотя и повторяются ежегодно, но часто не образуют общей волны и не являются столь значительными и регулярными, как половодье. Межень — фаза водного режима реки, характеризующаяся продолжительным (сезонным) стоянием низких (меженных) уровней и расходов воды в реке вследствие сильного уменьшения или прекращения поверхностного стока; в этот период река питается преимущественно подземными водами.

10. Классификация Зайкова

Все реки СССР, исключая искусственно или природно сильно зарегулированные, он разделил на следующие три основные группы:

1) реки с весенним половодьем;

2) реки с половодьем  в теплую часть года;

3) реки с паводочным режимом.

Реки первых двух групп  характеризуются периодически повторяющимися из года в год большими расходами  воды, приуроченными к весне или  теплой части года. В остальные  времена года наблюдается несколько  повышенный или низкий сток (межень) или, наконец, паводки, большей частью случайные.

Реки третьей группы отличаются резкими и обычно кратковременными паводками, носящими систематический  характер и возможными в любое  время года или наиболее часто  повторяющимися в те или иные сезоны; в межпаводковые периоды на этих реках устанавливается низкий сток.

Реки с весенним половодьем наиболее распространены на территории СССР. В течение весеннего половодья  в реке в зависимости от ее величины и района расположения проходит от 50 до 100% всего годового стока. В зависимости  от характера половодья и режима расходов в остальную часть года реки этой группы разделены на пять следующих типов: 1) казахстанский, 2) восточноевропейский, 3) западносибирский, 4) восточносибирский и 5) алтайский.

1. Казахстанский тип характеризуется  исключительно резкой и высокой  волной половодья и низким, до  полного пересыхания рек, стоком  в остальное время года. Максимальный  расход половодья в среднем  в несколько десятков раз превышает  средний годовой расход. Этот  тип распространен по северной  окраине Арало-Каспийской низменности, в Центральном и Западном Казахстане и в Южном Заволжье.

2. Восточноевропейский тип  характеризуется высоким половодьем, низкой летней и зимней меженью  и повышенным стоком осенью. Максимальный  расход половодья в среднем  в 10— 20 раз превышает средний  годовой расход. Этот тип распространен  на большей части Восточно-Европейской  равнины. Пересыхание рек летом  и перемерзание зимой имеет место только на очень малых реках, с площадями бассейнов до 200—300 км².

3. Западносибирский тип  имеет невысокое, растянутое и  сглаженное половодье, повышенный  летне-осенний сток и низкую  зимнюю межень. Максимальный расход  половодья превышает средний  годовой расход в среднем в  10 раз. Этот тип приурочен к  Западно-Сибирской низменности, простирающейся между Уралом и Енисеем, к северу от 54—55° с. ш.

4. Восточносибирский тип  характеризуется высоким весенним  половодьем, систематическими летне-осенними  паводками и очень низким стоком  зимой. Дождевые паводки на  большинстве рек высоки, и в  отдельные годы их максимальные  расходы могут превышать максимальные  расходы весеннего половодья.  Максимальный расход половодья  превышает средний годовой расход  в среднем в 25 раз.