Морфометрические характеристики рек и их бассейнов
Каждая река и ее бассейн могут быть охарактеризованы количественными показателями - морфометрическими характеристиками. К ним относятся длина реки, площадь ее водосбора, высотное положение реки и бассейнаи др.
Определение всех морфометрических характеристик может быть выполнено по крупномасштабным топографическим картам, данным аэрофотосъемок и полевых исследований.
Практически чаще всего используются карты. Масштаб карт необходимо выбирать в соответствии с размерами бассейнов рек - чем меньше бассейн, тем крупнее должен быть масштаб карты. Кроме того, карты должны удовлетворять следующим требованиям: новизна и сохранность, наличие сведений о рельефе, полнота изображения гидрографической сети, покрытие всего бассейна картами одного масштаба.
Длиной реки называется расстояние по реке от устья до истока в километрах.
Истоком называется начало реки, соответствующее месту, с которого появляется постоянное течение воды в русле. Истоком реки часто является родник, болото, озеро или ледник.
Устьем реки называется место ее впадения в другую реку, озеро, море. При впадении реки в озеро или море несколькими рукавами за устье принимается устье основного рукава.
Если река оканчивается оросительным веером, за устье берется место разветвления ее на оросительные каналы. При впадении реки в залив, лиман, губу их длина к длине реки не причисляется.
Для крупных рек нередко за начало условно принимается место слияния двух рек разных наименований. В этом случае различают гидрографическую длину (т. е. длину от наиболее удаленного истока) и длину реки данного наименования.
Перед измерением длины реки на крупномасштабной карте определяется и фиксируется ее исток и устье, река разделяется на участки с однородной извилистостью.
Длина реки может определяться циркулем-измерителем или курвиметром. При работе с циркулем длина реки (участка) измеряется постоянным раствором М, равным 1 или 2 мм. Величина М тщательно устанавливается перед началом работы и периодически проверяется в ее процессе. Длины измеряются дважды. Вначале от устья реки до истока с отсчетом числа М на каждом участке. Затем в обратном направлении. Доли М оцениваются на глаз. Расхождение между количеством отложений при первом и втором измерениях не должно превышать 2%. При выполнении этого условия за окончательное значение принимается среднее значение.
Длина реки (участка) при измерении циркулем вычисляется по формуле:
L=naK, (1)
где n - среднее число отложений раствора циркуля; а - значение раствора циркуля в масштабе карты, км; К - поправочный коэффициент на извилистость, определяемый для каждого участка.
При измерении длины реки (участка) курвиметром определяется отсчет по шкале после продвижения курвиметра по участку. Для удобства при измерении каждого участка стрелка прибора устанавливается на нулевой отсчет. Измерения производятся два раза - от устья к истоку и в обратном направлении. Расхождение между результатами не должно превышать- 0,5-0,7 деления при масштабе топографической карты 1:100 000.
Длина реки (участка) при измерении курвиметром вычисляется по формуле
L = (n+Δl·n)a, (2)
где n - средний из двух измерений отсчет больших делений по шкале курвиметра; Δl - поправка на одно деление шкалы (указывается в свидетельстве прибора); а - цена деления курвиметра в масштабе карты.
Цена деления курвиметра в зависимости от масштаба карты равна: 0,25 км для масштаба 1:25 000; 0,50 км - 1 : 50 000; 1,00 км 1: 100 000.
Длины рек необходимо определять по картам крупного масштаба. По картам среднего масштаба (1:200 000, 1:500 000) можно производить измерения длин рек, изображенных двумя линиями; по мелкомасштабным картам (1:1 000 000) можно измерять длину рек, имеющих ширину не менее 0,5 см в масштабе карты. Измерение длин в этих случаях производится по средней линии. В результаты следует вводить поправочные коэффициенты, приведенные в табл. 1, на которые нужно умножать полученные по формулам (1) и (2) значения длины.
Для периодически действующих малых водотоков и логов длину определяют по картам или натурной съемкой на всем протяжении главного лога, ясно заметного в натуре или хорошо выраженного горизонталями на карте.
Площадь бассейна и водосбора.Территория, на которой расположена река, и с которой она получает водное питание, называется бассейном, или водосбором реки. Выделяют поверхностный и подземный водосборы. Границы подземного водосбора часто не совпадают с поверхностными. Но ввиду трудности их определения водосбор реки обычно определяется только по поверхностным границам (водораздельной линии).
В пределах некоторых бассейнов могут находиться области, с которых вода поступает в низины или озера, не связанные поверхностными водотоками с речной сетью данного бассейна. Вода здесь расходуется на испарение и питание подземных вод, уходящих за пределы бассейна. Такие области относятся к бессточным, они не должны включаться в водосборную площадь реки.
Таблица 1
Значения поправочных коэффициентов при измерении длин рек
по картам разных масштабов
| Масштаб карты | Коэффициент извилистости и изображение реки на карте | Поправочный коэффициент | |||
| 1:200 000 | 1:300 000 | 1:500 000 | 1:1 000 000 | ||
| 1:100 000 | 1,00-1,03 | 1,01 | 1,04 | 1,06 | 1,15 |
| 1:100 000 | 1,05-1,17 | 1,07 | 1,13 | 1,21 | 1,26 |
| 1:100 000 | 1,20-1,35 | 1,15 | 1,28 | 1,42 | 1,53 |
| 1:100 000 | Река в две линии | 1,07 | 1,14 | 1,27 | 1,44 |
| 1:300 000 | Река в одну линию | ||||
| 1:100 000 и 1:300 000 | Река в две линии | 1,01 | 1,03 | 1,06 | 1,09 |
| 1:1 000 000 | На картах всех масштабов река в две линии | 1,01 | 1,01 | 1,03 | 1,03 |
Граница между смежными водосборами называется водоразделом. Водораздел проходит по наиболее высоким точкам земной поверхности, расположенным между бассейнами соседних рек, разделяет обращенные в противоположные стороны покатости земной поверхности и отделяет площадь, с которой получает водное питание данная река, от площадей, сток с которых происходит в соседние реки. В пределах бассейна могут находиться отдельные точки с отметками, превышающими отметки водораздела.
Площади бассейнов рек чаще всего определяются по картам. На карте выделяются площади водосборов главной реки, основных притоков и межбассейновые пространства (рисунок 1А).
Межбассейновыми пространствами называются такие участки склонов, сток с которых происходит непосредственно в главную реку. Они расположены между площадями водосборов притоков, впадающих и главную реку с одного берега. Межбассейновые пространства нумеруются в направлении от истока к устью вначале по правому, затем по левому берегам.
Площади водосборов малых рек могут располагаться в пределах одной широтной зоны, бассейны же больших рек иногда охватывают несколько широтных зон.
Широтной зоной называется часть поверхности земного сфероида, заключенная между двумя смежными параллелями. Часть широтной зоны, заключенная между двумя смежными меридианами, называется трапецией. Площади трапеций вычисляются по формулам геодезии. Чаще всего измерение площадей производится планиметром или палеткой.
При определении площади планиметром вначале вычисляется цена деления планиметра. Цена деления планиметра представляет собой отношение площади трапеции в квадратных километрах к числу делений планиметра, получаемому при обводе трапеции по контуру на карте. Так как площади трапеций разные, различны и цены деления планиметра для этих трапеций. При работе по картам крупного масштаба, когда бассейны рек меньше трапеций, для определения цены деления планиметра обычно обводится квадрат площадью 5х5 или 10х10 см или другая фигура с известной площадью. Цена деления планиметра в этом случае определяется как отношение площади фигуры в масштабе карты в км2 к разности отсчетов по планиметру, полученной при ее обводе. Обвод площадей производится 2-3 раза. Допустимое расхождение в разностях отсчетов по планиметру составляет 7-2% среднеарифметического значения разностей. Цена деления планиметра вычисляется до четырех значащих цифр (3).
При определении площадей планиметром контур обводится при двух положениях полюса планиметра - вправо и влево от обводимой площади. Полюс планиметра может находиться и внутри обводимого контура, в этом случае необходимо определить «постоянное число» планиметра q. Постоянное число планиметра вычисляется по формуле:
(3)
где F, см2 - известная площадь заданной фигуры; k — цена деления планиметра; n - средняя разность отсчетов планиметра при обводе этой фигуры при положении полюса внутри контура. Площади вычисляются по формулам:
· при положении полюса планиметра вне контура:
F=k (n2 — n1), (4)
· при положении полюса планиметра внутри контура
(5)
где п2, n1 - конечный и начальный отсчеты по планиметру; q — постоянное число планиметра.
При определении площадей очень малых водосборов они обводятся по контуру несколько раз без промежуточных отсчетов. Разность конечного и начального отсчетов, деленная на число обводок, даст число делений, соответствующее однократной обводке.
При работе с планиметром каждая площадь обводится не менее двух раз. Допустимое расхождение разностей отсчетов составляет 1/200 среднеарифметического значения разностей. Для площадей, соответствующих 50-200 делениям планиметра, разность отсчетов при обводках не должна превышать 1-2 деления. Если эти требования не достигнуты, работа повторяется до получения удовлетворительных результатов.
Площади могут быть измерены палеткой. Палетка представляет собой кальку, разграфленную на равновеликие квадраты. Площадь одного квадрата, выраженная в масштабе карты, называется ценой деления палетки.
Палетка в двух-трех положениях накладывается на план или карту бассейна. В каждом положении подсчитывается число полных клеток палетки, расположенных в пределах контура бассейна. Неполные квадраты, пересекаемые линией водораздела, суммируются на глаз. Общее число клеток палетки, расположенных в пределах бассейна, умноженное на цену деления палетки, даст площадь в квадратных километрах. Допустимое расхождение площадей, полученных при разных положениях палетки, составляет 1/100 среднего значения.
Палетка применяется при измерении малых площадей, когда их измерение планиметром дает всего одно-два деления. Палетки находят применение при измерении очень узких, изогнутых участков площадей (как, например, площади между горизонталями) и профилей, вычерченных на миллиметровой бумаге, которая сама может служить палеткой.
Точность определения площадей водосборов главной реки, основных притоков и межбассейновых пространств необходимо контролировать. Сумма частных площадей (притоков и межбассейновых пространств) бассейна должна быть равна площади водосбора главной реки. Допустимая невязка не превышает 1/100 общей площади. Полученная невязка разбрасывается пропорционально площадям отдельных контуров. Сумма площадей, размещенных в пределах одной трапеции, должна быть равна ее математической площади.
При измерении площадей малых водосборов они должны быть определены по картам такого масштаба, при котором эти водосборы изображаются площадями не менее 5 см2. При отсутствии таких карт и планов, а также в тех случаях, когда водосборы выражены неясно или площади меньше 0,25 км2, необходимо производить съемку водосборов в натуре.
Линии водоразделов проводятся, начиная от устьев замыкающих створов рек и далее по линиям хребтов и вершинам возвышенностей, как показано на рисунке 1 А. При пересечении замкнутых горизонталей линия водораздела подводится к местам их наибольшего перегиба. Внутри ограниченного замкнутой горизонталью пространства водораздел должен следовать общему изгибу ограничивающей горизонтали и проходить примерно на одинаковом расстоянии от рассекаемой горизонтали. Если внутри замкнутого горизонталью пространства на карте показаны вершины высотных отметок, то линию водораздела следует проводить через эти отметки. При пересечении седловин линию водораздела необходимо проводить по их наивысшим точкам.
Рисунок 1. Речной бассейн (А) и граф его речной сети (Б)
Результаты обработки топографических карт оформляются в таблицу. Пример, выполненный по рисунку 1 А, представлен в таблице 2.
Таблица 2
Список рек
| Название реки | Куда впадает, с какого берега | Расстояние от устья, км | Длина, км | Площадь водосбора, км2 |
| Бол. Куртун | Бугульдейка (Пб) | 10,00 | 53,56 | 806,79 |
| Загота | Бол. Куртун (Пб) | 34,22 | 24,27 | 117,88 |
| М/Б 1 | 3,21 | |||
| Руч. б/н 1 | Загота (Пб) | 3,04 | 4,8 | 10,59 |
| М/Б 2 | 10,66 | |||
| Мал. Загота | Загота (Пб) | 14,07 | 5,28 | 15,79 |
| Янгота | Загота (Лб) | 14,07 | 10,22 | 43,43 |
| М/Б 3 | 3,05 | |||
| Руч. б/н 2 | Загота (Лб) | 10,02 | 4,61 | 12,61 |
| М/Б 4 | 18,54 | |||
| Куртунка | Бол. Куртун (Лб) | 34,22 | 16,15 | 135,92 |
| М/Б 5 | 13,92 | |||
| Тусулюк | Куртунка (Пб) | 7,41 | 11,83 | 58,33 |
| Синатуй | Куртунка (Лб) | 7,40 | 9,5 | 42,31 |
| М/Б 6 | 0,65 | |||
| Руч. б/н 3 | Куртунка (Лб) | 6,98 | 5,03 | 11,48 |
| М/Б 6 | 9,23 |
Примечание: М/Б – межбассейновое пространство; Руч. б/н – ручей без названия
Гидрографическая сетьВместе с притоками, которые вливаются в них на пути к морю, реки образуют замысловатые, своеобразные рисунки гидрографической сети, хорошо видимые с воздуха и знакомые нам по картам. В отдельных местах конфигурация этих сетей настолько сложна, что у геоморфологов (ученых, изучающих формирование и изменение рельефа местности) возникают серьезные проблемы с определением их происхождения. Гидрографические сети могут иметь разные конфигурации в зависимости от нескольких факторов: климата, относительной твердости и рыхлости поверхностных пород, уклона местности, а также ее геологической истории (включая движение земной коры и периоды горообразования).
Совокупность ручьев, речек и рек, соединяющихся друг с другом и в конце концов изливающихся в море или бессточное озеро, носит название речной системы. Одна из рек системы, считается главной и дает название всей системе, все прочие реки являются ее притоками. К середине XX-го столетия в Европе широко использовалась восходящая порядковая классификация, то есть наиболее разветвленный главный или коренной поток относится к I порядку, меньшие, второстепенные реки последовательно обозначаются возрастающими порядками, и, наконец, элементарные потоки обладают высшим порядком.
В 1948 г. вышла в свет работа Р. Хортона, где автор высказал предположение, что неразветвленные элементарные водотоки сходны в различных водосборах и должны обозначаться одним и тем же порядковым числом, и на основании этого положения разработал свою нисходящую порядковую классификацию. Его схема присваивает элементарным потокам I порядок, потоки II-го порядка образуются при слиянии двух рек I-го порядка, поток III-го принимают один или больше притоков II-го, но может также принимать притоки I-го порядка. Порядок реки увеличивается при слиянии не менее двух потоков одного порядка, но может принимать неограниченное число притоков меньшего порядка. Система Хортона присваивает главному потоку наивысший порядок. Позднее А. Стралер внес ряд изменений в систему порядковой классификации Хортона. Он отказался от определения речной сети как системы главных рек и, сохранив понятие «порядок», распространил его на составные элементы речных систем. Неразветвленным первичным водотокам всегда присваивается порядковый номер I, при слиянии которых образуется водоток с порядковым номером на единицу выше - II. Отрезок русла этого порядка увеличивает свой порядок в случае слияния с таким же или отрезком более высокого порядка.
Для схематического изображения речной системы составляется гидрографическая схема. На основе топографических карт выбранного масштаба строится граф речной сети без учета реальных геометрических размеров водотоков, последовательно включающихся в речную систему (см. рис. 1 Б).
Список рек бассейна составляется по картам крупного масштаба. В список обычно включаются водотоки длиной 10 км и более и водотоки меньшей длины, если они имеют водохозяйственное значение. Реки в списке помещаются в следующем порядке: главная река, ее верхний приток, первый верхний приток этого притока и т. д. Если река образуется слиянием двух водотоков, вначале приводится левый водоток и его притоки, а затем правый водоток с притоками. В списке указывается название реки, в которую впадает рассматриваемый водоток, с какого берега впадает, расстояние от устья по главной реке до места впадения притока, длина и площадь рассматриваемого водотока.
Коэффициент извилистости и густота речной сети.Коэффициент извилистости (Кизв) реки определяется как отношение истиной длины реки к длине прямой линии (отрезка), соединяющей исток и устье реки.
Густота речной сети D представляет собой длину речной сети, приходящуюся на 1 км2 площади какой-либо территории. Для бассейнов рек D определяется как отношение суммы длин всех водотоков L к площади бассейна реки F,и измеряется в км/км2:
D = L / F, (6)
где L= 
, км. Густота речной сети дает удельную протяженность водотоков, характеризует условия стекания поверхностных вод - чем больше густота речной сети, тем они благоприятнее.
По густоте речной сети можно приближенно оценить среднюю длину склонов. Допуская, что водоток течет по середине водосбора, средняя длина склонов lскл может быть рассчитана по формуле:
lскл 
(7)