Если мы разрежем мысленно реку поперёк течения, то получим так называемое «живое сечение» реки. Распределение скорости течения по живому сечению реки весьма неравномерно. На скорость течения влияет и глубина русла, и форма его, и препятствия, которые встречает на своём пути река, например опора моста, остров и т. д.
Обычно у берегов скорость меньше, а на середине, в более глубокой части реки, скорость значительно больше, чем в мелкой. В верхней части потока скорости бывают больше, а чем ближе ко дну, тем меньше. На ровном участке реки наибольшая скорость бывает обычно несколько ниже поверхности воды, но иногда наибольшая скорость наблюдается и на поверхности.
Если течение наталкивается на препятствие, например на опору моста, островок, то наибольшие скорости могут переместиться ближе ко дну реки. На старицах в половодье скорости вблизи дна падают до нуля.
На рисунке 14 показано распределение скоростей течения по живому сечению Волги около Саратова в половодье. Скорость на поверхности в левом рукаве 1,3 м в секунду, а в правом 1,7 м в секунду. Над островом, который в половодье покрыт водой, скорости падают до 0,5 м в секунду. На дне реки скорости падают до 0,4 м. Летом наибольшая скорость на этом участке в главном русле была не более 0,4 м в секунду.
Рис. 14. Живое сечение Волги у Саратова. Распределение скоростей течения в высокую воду.
Вдоль реки скорости могут также сильно меняться в зависимости от очертаний живого сечения. Например, четырнадцатью километрами ниже Саратова, у Увека, где русло не имеет островов и стеснено дамбами, в половодье поверхностная скорость доходила до 3 м в секунду, в то время, как у Саратова скорость была до 1,8 м в секунду.
В глубоких местах на реке, которые называются плёсами, живое сечение больше. На мелких местах или перекатах живое сечение значительно меньше. Поскольку на коротком участке по длине реки расходы воды равны, а сечения на плёсе больше, чем на перекате, то и скорости течения будут разные: в глубоком месте вода идёт тихо, а на перекате — значительно быстрее.
Скорость течения зависит ещё от уклона потока, шероховатости дна и глубины. Чем больше уклон, чем ровнее ложе и чем правильнее его очертания, тем выше скорость течения. Примерные величины скорости на реках указаны в таблице 8.
В таблице указана «средняя скорость». Эта скорость определяется путём деления расхода воды на площадь живого сечения реки. Наибольшая поверхностная скорость обычно раза в полтора больше, а донная — в полтора раза меньше средней скорости.
Реки Советского Союза и пограничных государств (заштрихованы бессточные области).
Измерением скоростей и расходов воды рек занимается наука гидрометрия.
Таблица 8
Скорость течения воды можно измерить очень простым путём. Для этого нужно по берегу отмерить, хотя бы шагами, определённое расстояние, установить отметки и бросить в воду несколько выше верхней отметки поплавок или просто щепку. Время прохода поплавка от одной отметки до другой измеряется по часам с секундной стрелкой. Разделив расстояние между заметками на время, которое поплавок плыл от одной отметки до другой, мы получим поверхностную скорость потока в этом месте.
На изысканиях проход поплавков засекают специальным угломерным инструментом.
Наиболее точно можно измерить скорость с помощью гидрометрических вертушек (рис. 15). Эти вертушки на металлическом стержне (при глубинах до 4 м)или на тросе (при любой глубине) опускают со специально оборудованных судов в воду на разную глубину. Как только вертушка сделает определённое число оборотов, электрические провода в ней замыкаются, по вертушке идёт ток, и наверху получается короткий звонок. Промежуток времени между отдельными звонками соответствует определённой скорости течения. Опуская вертушку всё ниже и ниже, можно измерить скорости по всей глубине реки на данной вертикали.
Рис. 15. Гидрометрическая вертушка.
Расход воды на реке подсчитывается так. На каждой из 10–20 вертикалей, расположенных поперёк течения на одинаковом расстоянии друг от друга, определяют среднюю скорость течения, которую затем умножают на площадь живого сечения реки между вертикалями. Полученные таким путём отдельные частные расходы между вертикалями складывают. Сумма даёт общий расход реки, выраженный в кубических метрах в секунду.
В заключение приведём некоторые сведения о переправе через реки вброд.
Переправу вброд можно делать, в зависимости от скорости, при разной глубине. Как правило, при скорости 1,5 м/сек можно идти вброд на глубине 1 м, верхом на лошади — при глубине 1,2 м, на автомашине — при глубине в 0,5 м. При скорости 2 м/сек идти вброд можно на глубине 0,6 м, переходить реку верхом — на глубине 1 м, на автомашине — при глубине 0,3 м. Если вода неподвижна, наибольшая глубина для перехода вброд определяется только ростом человека и конструкцией машины.
Изменение уровней рек. Мелеют ли реки?
Мы уже знаем, что питание реки в течение года неравномерно. Неравномерно оно и по отдельным годам: в дождливые и снежные годы оно больше, чем в засушливые и малоснежные. За изменениями в питании рек следуют и изменения их уровней, или, как говорят, горизонтов. Колебания уровня зависят ещё и от очертаний русла и поймы. В ущелье, при тех же расходах воды, подъём уровня при паводке будет, конечно, выше, чем в широкой долине.
На рисунке 16 показаны средние колебания уровней разных рек в течение года. Наивысшие подъёмы, которые зарегистрированы за последние 50 лет на некоторых реках, приведены в таблице 9. Из европейских равнинных рек наибольший подъём имеет Ока (у Калуги). Наивысший подъём имеет Янцзыцзян.
Рис. 16. Средние колебания речных горизонтов в течение года.
Таблица 9
На рисунке 17 дана примерная схема колебаний высоких и меженних уровней за много лет. Как видно из рисунка, очень высокие и очень низкие уровни бывают редко.
Рис. 17. Схема колебаний высоких и меженних горизонтов рек.
Чаще всего бывают средние уровни. Из высоких редких уровней на рисунке выделяется один — уровень 1931 года.
Такой уровень называется высоким историческим горизонтом. Низкие уровни также имеют свои колебания, но эти колебания менее резки.
Жизнь человека всегда связана в той или другой форме с жизнью рек. Поэтому мы всегда интересуемся вопросом, существует ли какая-нибудь закономерность в изменении уровней рек.
Часто приходится слышать разговоры о том, что реки мелеют. Многие говорят, что они помнят какую-нибудь реку или речку многоводной, а теперь, через каких-нибудь 20–30 лет, она стала мелководной.