Hidrologija

 I. Hidrologijos mokslas ir vandens ištekliai 1. Hidrologijos objektas, uždaviniai ir pritaikymas 1.1. Vandens reikšmė Žemėje vykstantiems procesams ir jo panaudojimas Žemėje vyksta nuolatinė vandens apytaka (yra didysis ir mažasis apytakos ratai), kurios dėka dalis vandens patenka į žemynus, didesnei daliai liekant vandenyne. Vanduo atlieka svarbų vaidmenį, keičiant mūsų planetos paviršių, tirpdydamas ar mechaniškai ardydamas uolienas, išnešdamas išplautas daleles į Pasaulinį vandenyną. Tai paviršinis (lietaus) vanduo ar vanduo, susidaręs ištirpus sniegui. Vandens apstu ir Žemės plutoje. Daug jo yra dirvožemio sluoksnyje, dengiančiame didesnę sausumos dalį. Šis vanduo ypač reikalingas dirvodaros procesams, derlingumui ir kt. Vanduo viršutiniame Žemės plutos sluoksnio dalyje mūsų planetoje slūgso kelių šimtų metrų storymėje, sudarytoje iš birių kvartero uolienų. Šiame periode, kurio trukmė per 1,6 mln. metų yra buvę 3-6 apledėjimai, kuriuos skyrė tarpledynmečiai. Pastarųjų nuosėdose, sudarytose iš smėlio, žvyro ir kitų birių uolienų, yra gero, kokybiško vandens horizontai, naudojami buityje ir maisto pramonėje. Gilesniuose sluoksniuose, susiformavusiuose prieš kelis ar kelis šimtus milijonų metų irgi yra vandens tarpsluoksniai – gėlo, mineralizuoto, mineralinio ar sūraus, priklausomai nuo uolienų, pro kurias jis teka ar tirpina. Šis vanduo irgi įvairiu mastu gali būti panaudojamas. Pagal bendras vandens atsargas požeminis vanduo yra antroje vietoje po Pasaulinio vandenyno atsargų. Šis vanduo, be nuolatinio jo buvimo nuo uolienų susidarymo laiko (yra uolienų sudėtyje), gali prasiskverbti į gilius Žemės plutos sluoksnius ir plyšiais, kurių apstu dėl endogeninių-vidinių žemės gelmių jėgų vykstančių judesių. Dideliuose (kelių šimtų ar net kilometrų) gyliuose, vanduo dėl milžiniško slėgio būna skystas net ir temperatūroje, viršijančioje 400o C. Apatinė skysto vandens riba yra 13-14 km gylyje. Giliau gali būti jo garų arba vanduo yra kietų uolienų ir magmos sudėtyje. Šio vandens kiekiai Žemės rutulyje yra didžiausi. Magmai kylant link Žemės paviršiaus, šis vanduo garų pavidalu ar jungdamasis su kitais lakiais komponentais, kyla aukštyn, formuoja prisotintus tirpalus ir hidratinius mineralus ar patenka į Pasaulinį vandenyną, atmosferą ir sausumon. Ištirpusios cheminės medžiagos vandenys tirpaluose žemės gelmėse (plutoje) gali migruoti dideliais atstumais, neretai sudarydamas nuosėdas, ilgainiui virstančias cheminės kilmės naudingomis iškasenomis. Be vandens neįmanomas organinio pasaulio vystymasis, be jo neįmanoma biologinė apytaka, o tuo pačiu ir organizmų kaita. Taip, kartu su vandeniu augalai iš dirvožemio ima maistingas medžiagas, vanduo reguliuoja augalų temperatūrą: garuodamas nuo lapų paviršiaus, juos apsaugo nuo išdžiuvimo vasarą. Savo gyvybinei veiklai augalai suvartoja daug vandens, kurio reikalingą kiekį paima iš dirvožemio. Atmosferos vanduo saugo Žemę nuo per didelio atvėsimo Saulės spinduliavimo pritakos sumažėjimo laikotarpiu, jis drėkina žemyną, o tuo pačiu ir švelnina klimatą. Žmonija vandenį plačiai naudoja buičiai, maistui, sveikatai, pramonei, žemės ūkiui. Vanduo naudojamas elektros energijai gauti, drėkinimui, poilsio zonoms įrengti. Vandens keliai naudojami transportui ir turizmui. Šiluminei energetikai reikia net 35-40% viso pramoninio vandens kiekio, metalurgijai – iki 23%, chemijai - 9%, kuro ir naftos chemijai - 7%, popieriaus - 6% ir t.t. Vadinasi, nuo vandens atsargų priklauso ir pramonės išdėstymas. Kiekvienoje šalyje atskirai, regioniniu ar kontinentiniu mastu būtina vykdyti balansinius vandens apskaičiavimus. Svarbiausia vandens išteklių dedamąja yra vandens kokybė. Kiekvienos šalies valstybiniam fondui priklauso: 1) upės, ežerai, vandens talpyklos, kiti paviršiniai telkiniai ir šaltiniai, kanalai, tvenkiniai, 2) ledynai, 3) požeminis vanduo, 4) vidinės jūros, 5) teritoriniai vandenys. 1.2. Hidrologijos objektas, jos ryšys su kitais mokslais. Hidrologija (mokslas apie vandenį) tiria gamtinį vandenį, reiškinius ir procesus, vykstančius jame ir lemiančius vandens pasiskirstymą Žemės paviršiuje, dirvožemyje bei gruntuose bei šių reiškinių ir procesų vystymosi dėsningumus. Kaip ir daugelis mokslų apie Žemę, hidrologija tiria jos ir hidrosferos fizines savybes. Jos objektai: vandenynai, jūros, upės, ežerai, vandens talpyklos, pelkės, sniegas, ledynai, dirvožemio ir požeminis vanduo. Tyrimų tikslas – nustatyti geografinį vandens objektų rodiklių pasiskirstymą, jų dydžius, bei išaiškinti vandens sąveikos su aplinka fizinius dėsningumus (migraciją, garavimą, sniego ir ledo tirpsmo parametrus, vandens tėkmės poveikį vagai ir kt.). Vadinasi, visapusiški hidrologinių procesų tyrimai įjungia vandens kaip geografinio landšafto elemento bei fizinių dėsningumų, pagal kuriuos vyksta hidrologiniai procesai, analizę. Kadangi litosferos, hidrosferos ir atmosferos vanduo vienaip ar kitaip yra glaudžiai susijęs, tad jį įvairiais aspektais nagrinėja hidrologijos, meteorologijos, geologijos, dirvotyros, geomorfologijos, okeanologijos ir kt. mokslai. Kadangi procesai, vykstantys Pasauliniame vandenyne, iš esmės skiriasi nuo tarpstančių upėse, ežeruose ir pelkėse, taigi skirtingi yra ir tyrimų metodai. Pirmuosius tiria okeanologija (okeanografija), o antruosius - hidrologija, pagal objektus išsiskirianti į upių, ežerų, pelkių, požeminio vandens, ledynų hidrologiją. Žinios apie požeminį vandenį hidrologijoje nagrinėjamos tik iš paviršinio ir požeminio vandens sąveikos analizės pozicijų – infiltracijos į dirvožemį, vandens judėjimo ir balanso (druskų) bei režimo formavimosi aeracijos zonoje, požeminio vandens nutekėjimo į hidrografinį tinklą ir pan. Pagrindines požeminio (giluminio) vandens formavimosi ir režimo problemas, jo paieškų ir eksploatacijos metodus nagrinėja hidrogeologija. Pagal įvairias tyrimų kryptis hidrologijoje dar skiriame hidrometriją, hidrografiją, bendrąją hidrologiją, inžinerinę hidrologiją, hidrofiziką, hidrochemiją. Pažymėsime, kad bendrosios hidrologijos uždavinys yra nustatyti bendruosius sausumos (ir jūros) vandens formavimosi bei veiklos dėsningumus. Tai: hidrografinio tinklo susidarymą, drėgmės apykaitos, hidrologinių reiškinių ir metereologinių veiksnių bei paklotinio paviršiaus sąlygų ryšį. Ji atskleidžia hidrologinių dėsningumų pasireiškimo ypatumus įvairiuose vandens objektuose. 1.3. Sausumos vandens režimo sąvoka ir nuotėkio matavimas. Vandens (hidrologinis) režimas – tai vandens objektų būklės kitimo per laiko būdingų ypatumų visumą. Jį apima: 1) vandens lygis, 2) vandeningumas (nuotėkis), 3) ledo reiškiniai, 4) vandens temperatūra (termika), 5) vandens srauto nešamų kietų medžiagų kiekis ir sudėtis (suspensijos ir nešmenys), 6) ištirpusių medžiagų sudėtis ir koncentracija (hidrochemija), 7) upės vagos paros, sezoniniai ir daugiamečiai pokyčiai, 8) bangavimas, tėkmės greitis ir t.t. Vandens režimas – tai vandens lygio ir vandeningumo svyravimai per tam tikrą laiko vienetą. Vandens objekto būklės pakitimų visuma esant ledui – žiemos režimas. Jei yra hidrotechniniai įrenginiai, galintys paveikti hidrologinę būklę – sureguliuotas režimas, jei jų nėra – režimas natūralus. Hidrologinio režimo elementai – reiškiniai ir procesai (lygio, vandeningumo, temperatūros svyravimai ir kt.), kurių visuma apibūdina objekto hidrologinį režimą. Praktiškai iš jų svarbiausiu yra upių nuotėkis, nuo kurio dydžio priklauso tam tikros teritorijos apvandeninimas, hidroenergetika, transportas ir kt. Skiriamos šios pagrindinės nuotėkio tyrimų sąvokos: Momentinis (sekundinis) vandens debitas (Q). Jis apibūdina upės vandeningumą tam tikru momentu ir reiškia kiekį vandens, pratekantį skersai srauto pjūvio per laiko vienetą. Jis matuojamas m3/s. Upės nuotėkio tūris (W). Tai pratekančio skersai srauto pjūvio per laiko vienetą vandens kiekis. Jis priklauso nuo analizuojamo laikotarpio trukmės ir upės vandeningumo. Matavimo vienetas – m3 ar km3. Nuotėkio modulis (q). Tai vandens kiekis, nutekantis per laiko vienetą iš baseino ploto (F) vieneto. Baseinas – žemės paviršiaus plotas, (km2), iš kurio vanduo priteka į nagrinėjamą upės pjūvį. Modulis išreiškiamas m3/sek.km2. Tarp nuotėkio modulio ir vandens debito yra priklausomybė: q=1000Q/F………(1) Nuotėkio sluoksnio aukštis (y). Nuotėkio dydis palyginamas su kritulių, iškritusių baseine per laiko vienetą, kiekiu (paprastai mm/metus). Krituliai išreiškiami tolygiai pasiskirsčiusio paviršiuje vandens (sniego) sluoksnio aukščiu. Neretai nuotėkis išreiškiamas sluoksnio aukščiu (y). Pastarajam apskaičiuoti imamas metinis upės nuotėkio tūris ir dalijamas iš jos baseino ploto (y=W/F) ir išreiškiamas mm/metus. Tarp nuotėkio modulio q (l/s∙km2) ir nuotėkio sluoksnio aukščio y (mm/metus) yra ryšys: y=31,5q..............................................(2) ir q=0,0317y..........................................(3) Pastarieji du santykiai tikslūs, nes, išreiškus y per mm/metus, o F – km2, nutekančio vandens tūris (W – m3/metus, km3/metus) bus: W = y∙F∙106/103 = yF∙103. Toks vandens kiekis nutekės per metus, t.y. per 31,5 ∙ 106 sekundžių. Moduliui q, išreikštam l/s∙km2, galima lygybė: q∙31,5∙106F/103m3/metus=yF∙103m3/metus, iš čia tiesiogiai gaunamos lygtys (2) ir (3). Šios lygtys tinka metiniams nuotėkio modulio ir sluoksnio aukščio dydžiams. Kitam laikotarpiui šios lygtys atitinkamai bus: y=q∙N, o q=y/N, kur N – tiriamo laikmečio sekundžių kiekis milijonais. Vadinasi, 30 dienų mėnesiui N=2.59, 31 dienos – N=2.68 ir t.t. Nuotėkio norma. Metinis nuotėkis – dydis nepastovus. Pastovesniu rodikliu yra vidutinė nuotėkio reikšmė per pakankamai ilgą laikotarpį– vidutinis daugiametis nuotėkis arba nuotėkio norma. Šią normą apibūdiname vidutiniu debitu, nuotėkio tūriu arba nuotėkio moduliu, atitinkančiu vidutinį debitą. Kai kada nuotėkio norma išreiškiama ir vandens sluoksniu (mm). Modulio koeficientas yra santykis tam tikrų metų (laikotarpio) nuotėkio modulio (debito) su vidutine daugiamete tų dydžių reikšme (nuotėkio norma). Nuotėkio koeficientas (η) – santykis nuotėkio sluoksnio aukščio (y) per tam tikrą laikotarpį su per šį laiką baseine iškritusių kritulių kiekiui (x): η=y/x Šis koeficientas bedimensinis, bet jis visuomet mažesnis už 1. Išskaičiuotas pagal nuotėkio ir kritulių normą, jis rodo dalį kritulių sudarančių nuotėkį. 1.4. Hidrologijos praktinis pritaikymas vandens ūkio statybose. Vandens objektų hidrologinio režimo ypatumų praeityje ir jo pokyčių prognozavimo, įgyvendinus juose inžinerines priemones, žinios būtinos statant talpyklas (užtvankas), kanalus, tiltus, melioracijos sistemas, panaudojant upių nuotėkį transportui, apvandeninant kai kurias teritorijas. Projektuojant talpyklas ir kanalus geografiniuose regionuose, reikia žinoti, kiek vandens pritekės į jas metų sezonuose, įvairaus vandeningumo metais, įvertinti vandens netektį dėl garavimo, filtracijos ar ledo susidarymo žiemos metu. Svarbu įvertinti ir bangavimą, nes jis bus didesnis nei upėse, vadinasi reikės ir naujo tipo laivų. Reikia numatyti ir deformacijas, kurios iškils talpyklų krantuose, nes jas gali kenkti talpyklų pakrantėse vykdomoms statyboms. Akvatorija daro įtaką ir hidrometeorologiniams elementams, keičiantiems garavimą, meteorežimą (vėjo greitis, vandens ir oro temperatūra, oro drėgmė). Tai reikia žinoti, norint tiksliai įvertinti vandens netektį dėl garavimo ir t.t. Upių, ežerų ir pelkių režimo duomenys būtini įgyvendinant melioraciją (sausinimas ar apvandeninimas), vedlinių gilinimą žemsemėmis, vandens paėmimą iš šių objektų drėkinimo ar hidroenergetikos tikslams, statant jų aplinkoje tiltus. Būtina žinoti ir apie pakitimus, galimus atlikus numatytas ūkines priemones. Visai ūkinei veiklai hidrologiniai duomenys pateikiami, reguliariai vykdant atitinkamus stebėjimus hidrometeorologijos stočių tinkle. Be tokių stebėjimų neįmanoma ir hidrotechninių įrenginių eksploatacija. 1.5. Vandens išteklių tyrimo metodai. Minėti hidrologinio režimo dėsningumai nustatomi ilgalaikių stebėjimų hidrologinėse stotyse ir postuose duomenimis. Priklausomai nuo šalies dydžio ir vandens surenkamojo baseino ploto nustatomas ir šių stebėjimo punktų kiekis, jų apimtys ir tyrimų galimybės. Štai buv. TSRS jau 1972 metais buvo apie 35 tūkst. tokių punktų. Nuotėkį matavo apie 5000 punktų. Lietuvoje tokių punktų tada buvo..........., dabar jų priskaičiuojama............... Vienas garsiausių mūsuose nuotėkio stebėjimo punktų yra Smalininkuose, veikiantis jau per 100 metų. Kodėl yra toks tankus stebėjimų tinklas? Visų pirma, turint daugiau duomenų, ypač ilgalaikių, galima nustatyti žymiai tikslesnius dėsningumus ir prognozes. Taip TSRS buvo sukaupta hidrologinė informacija apie daugiau nei 25 metų (70%) ir daugiau nei 50 metų (30%) laikotarpius. Antra, buv. TSRS teritorijoje esama apie 3 mln. upių (įskaitant ir tas, kurių ilgis (1, kai mažai – artimas 1. Atlikti apskaičiavimai parodė, jog net gana didelėse teritorijose krituliai, nuotėkis ir garavimas sudaro tik nedidelę pernešamo per metus vandens dalį. Garavimas svarbėja, didėjant oro masių migracijos nuotoliui. Į Rytų Europos regioną (~6,5 mln.km2 ploto) oro srautai kasmet atneša 8500 km3. Esant vidutiniam metiniam kritulių kiekiui 3120 km3 (480mm), šios teritorijos upių nuotėkis siekia 830 km3. Pagal lygtį (5) gauname išgaravusio vandens kiekį 2190 km3. Taigi, iš bendro vandens kiekio krituliams tenka 37%, nuotėkiui - 10% ir garavimui - 26% kasmet pernešamo drėgmės kiekio. Iš minėto didžiulio kiekio drėgmės (8500km3), pernešamos virš Rytų Europos, upėmis į jūras nuteka tik 930km3, didesnė gi dalis (7570 km3) šios drėgmės daugiausia išnešama už šios teritorijos ribų rytų kryptimi. Žinant pagrindinių kontinentinės drėgmės apykaitos dedamųjų dydžius, padarius tam tikras prielaidas, apskaičiuojame drėgmės apytakos koeficientą Qx/Qxi, kuris įvertinamas tokiu būdu. Vietinis garavimas visą laiką išnešamus vandens garus už teritorijos ribų keičia – kiekviena šių garų dalelė nukeliauja tik dalį kelio šioje teritorijoje. Dalelės, patekusios į atmosferą tose vietose, kur oro masės ateina į tiriamą plotą, kerta ją visą. Tuo tarpu drėgmė, išgaravusi oro masės išeigos iš ploto rajone, nukeliauja labai mažą atstumą. Padarius prielaidą, kad vietinių vandens garų kiekis virš Rytų Europos yra lygus pusei to kelio, kurį nukeliauja išorinės dalelės, ir kad virš teritorijos metų bėgyje keliauja vietinės kilmės vandens garų kiekis Qvx, lygus apie pusę vietinio garavimo dydžio, t.y. 1095 km3, gauname, kad metinis drėgmės apytakos koeficientas (išorinių garų ir vietinių garų kiekio virš Rytų Europos santykis) lygus 8500/1095 = 7,7. Atneštieji oro srautų ir vietiniai vandens garai atmosferoje susimaišo. Vadinasi santykis tarp kritulių, susiformavusių iš atneštų vandens molekulių, kiekio Qxi ir vietinio garavimo metu susiformavusių kritulių kiekio Qxv turi būti lygus santykiui tarp oro srauto atneštų vandens garų kiekio Q1 ir vietinių garų (Qv) kiekio atmosferoje, t.y: Qix/Qvx=Q1/Qv………………………………………………………(8) pagal šį santykį jau apskaičiuojamas išorinių (Qxi) ir vietinių (Qxv) kritulių kiekis. Žinant, kad Q1 = 8500 km3, o Qv = 1095 km3, gauname Qxi /Qxv = Q1/Qv =7,7........................................................................(9) Toliau, žinant metinę kritulių sumą Qx, lygią Rytų Europoje 480 mm (3120km3), apskaičiuojame išorinių kritulių kiekį Qxi : Qxv = Qx - Qxi ir pagal (9) tai bus: Qxi / (Qx - Qxi) = 7,7. vadinasi, gausime, kad Qxi = 425 mm (2760 km3), o Qxv = 55 mm (360 km3) per metus. Pagal tai gauname, kad drėgmės apykaitos koeficientas Qx/Qxi bus lygus 1,13. Reiškia, Rytų Europoje pakartotinai gali iškristi apie 13% išorinių kritulių kiekio sudarančių kritulių. Iš pateiktų skaičiavimų matome, jog garavimo įtaka pernešamų virš tiriamo ploto oro masių drėgnumui yra palyginti nedidelė. Vadinasi, tiek pelkių sausinimas, tiek ežerų ploto didinimas ar tvenkinių – drėkinimo sistemų ruošimas smarkiai nepakeis atmosferos kritulių režimo bei drėgmės apytakos režimo sausumoje. Drėgmės apytaka virš žemynų apibūdinta lent.3 . 3 lentelė. Atmosferos drėgmės apytaka (km3) virš kontinentų. Lentelės duomenys rodo, kad nemaža kritulių dalis virš žemynų (išskyrus Australiją) susiformavo garavimo pasekoje kontinentuose. Drėgmės apytakos koeficientas didėja, didėjant plotui. Pavyzdžiu, Azijos žemyne šis koeficientas yra 1,62, o Atlanto vandenyno šelfe ( plotas 722 tūkst.km2) jis lygus 1,06. Analogiškai, Arkties vandenyno šlaite (plotas 11550 tūkst.km2) jis padidėja iki 1,53. Apskaičiuota, kad 0-7 km atmosferos sluoksnyje drėgmės kiekis siekia 1290 km3. Drėgmės apytakos dėka vandens garai atmosferoje pasikeičia kas 8 paros, vadinasi metų bėgyje ši kaita siekia 45 kartus. Vandens garai aplink Žemę apsisuka per 109 paras, tad atmosferos drėgmė per vieną apsisukimą apie Žemę pasikeis 13,5 karto (K = 45/365·109). Šis dydis laikytinas visos Žemės rutulio drėgmės apytakos koeficientu. Iš bendro drėgmės apykaitos ciklų skaičiaus atėmus pradinį, lygu 1, matysime, kad drėgmės apytakos dėka kritulių Žemėje padaugėja 12,5 karto. 2.4. Vandens apytakos tūriai Žemės rutulyje. Pav.2 parodyta vandens apytaka Žemėje išreiškiama keliomis paprastomis lygtimis, išreiškiančiomis ryšį tarp drėgmės pritakos ir netekties visame Žemės rutulyje ar atskirose jo dalyse. Jei vidutinius metinius dydžius pažymėsime: Qz1 – išgaravusio nuo vandenyno vandens kiekis, Qz2 – išgaravusio nuo sausumos vandens kiekis, Qx1 – iškritusių ant vandenyno kritulių kiekis, Qx2 – iškritusių ant sausumos kritulių kiekis, Qy - upių nuotėkis į vandenyną, tada pagal vandens apytaką: Qz1 = Qx1 + Qy............(10) ir Qz2 = Qx2 + Qy...........(11). Matome, kad: 1) vidutinis metinis išgaravimo iš vandenyno kiekis lygus į juos iškritusių kritulių kiekio ir upių nuotėkio sumai ir, 2) iš sausumos vidutiniškai per metus išgaruoja vandens kiekis, lygus ant jos iškritusių kritulių kiekio ir upių nuotėkio skirtumui. Sudėjus lygtis (10) ir (11), gausime: Qz1 + Qz2 = Qx1 + Qx2, t.y. vandens garavimo iš vandenynų ir sausumos paviršiaus suma lygi ant jų iškritusių kritulių sumai. Kokie gi yra konkretūs vandens apytakos tūriai? Jie parodyti lent.4, iš kurios matome, kad išorinio nuotėkio srityse formuojasi 45,8 tūkst. km3 upių nuotėkio, į vandenyną patenkančio 44,7 tūkst. km2 kiekiu ir 1,1 km3 jo prarandama vandeniui tekant upių vagomis. Į vandenyną drenuojama ir 2,2 tūkst. km3 požeminio vandens. Taigi, pasaulinis vandenynas iš viso gauna 47 tūkst. km3 sausumos vandens. Kritulių ir garavimo pasiskirstymas atspindi globalinę sausumos ir vandenyno sąveiką didžiajame vandens apytakos rate ir (10) bei (11) lygtyse pateiktoms mintims. II. Hidrologinių reiškinių ir procesų fizinė charakteristika. 1. Vandens, sniego ir ledo fizinės savybės. 1.1.1. Bendrosios žinios. Vanduo itin paplitęs, judrus gamtos kūnas, reikalingas daugumai Žemėje vykstančių fizinių, klimatinių bei biologinių procesų. Priimama, kad hidrologinių reiškinių analizėje laisvojo vandens kiekis Žemėje yra pastovus. paviršinių procesų metu vanduo sudaro patvarius junginius su kitomis medžiagomis, bet gelmėse vyksta atvirkštiniai procesai, kai aukšto slėgio ir temperatūros poveikyje vanduo susidaro iš junginių ir iš uolienų kitimo procesų. Plonas skysto vandens sluoksnis – bespalvis, storas – turi žalią atspalvį. Švarus vanduo praktiškai nepraleidžia elektros srovės. Distiliuotas vanduo užšąla prie 0°C, o esant normaliam slėgiui užverda prie 100°C. Gamtoje vanduo praktiškai visuomet su priemaišomis. Chemiškai švariausias – lietaus vanduo, bet turintis atmosferinio oro priemaišų. Lietaus vanduo arba nuteka paviršiumi, arba dalinai įsifiltruoja į dirvožemį bei birias uolienas, formuodamas požeminį vandenį. Tekėdamas Žemės paviršiumi ar nuogulų storymėje, vanduo tirpina įvairias medžiagas, tapdamas tirpalu, kurio cheminė sudėtis itin įvairi, priklausomai nuo gamtinių sąlygų, kuriose vyksta vandens apykaita Žemėje. 1.2. Vandens sudėtis. Jį sudaro 11,11% vandenilio ir 88,89% deguonies (pagal masę). Vanduo susidaro susijungus 2 vandenilio atomams su vienu O2 atomu. Vandens molekulėje H ir O2 atomai išsidėstę lygiašonio trikampio kampuose: viršūnėje – O2 atomas, o pagrindo kampuose – po H atomą. Vandens molekulei būdingas poliariškumas, nes vandenilio atomai išsidėsto ne tiesėje, išvestoje per O2 atomo centrą, o yra vienoje pusėje nuo jo. Dėl poliariškumo ir kitų jėgų H2O molekulės jungiasi į kelių molekulių junginius. Paprasčiausią formulę (H2O) turi vandens garų molekulė. Skysto vandens molekulė susideda iš dviejų susijungusių paprastų molekulių (H2O)2, o ledo molekulę sudaro trys paprastos molekulės (H2O)3. Pirmuoju atveju H2O molekulė vadinama hidroliu, antruoju – dihidroliu, trečiuoju – trihidroliu. Dvi pastarosios susidaro veikiant vandens molekulių tarpusavio traukai, atsirandančiai dėl poliariškumo efekto. Vanduo yra visų trijų molekulių mišinys, o jų kiekiai kinta priklausomai nuo temperatūros. 1.3.Tankis ir specifinis tūris. Vandens tankis (ς) – yra jo masės m santykis su tūriu V tam tikroje temperatūroje, matuojamas g/cm3(kg/m3): ς = m / V Vandens tankio etalonu yra distiliuoto vandens tankis 4°C temperatūroje. Dydis, atvirkštinis tankiui, t.y. tūrio santykis su mase yra specifinis tūris (v), matuojamas cm3/g (m3/kg) : v = V/m = 1/ ς ς priklauso nuo temperatūros, mineralizacijos, slėgio, suspensijų kiekio bei ištirpusių dujų koncentracijos. Didėjant t°C, visų skysčių tankis mažėja. V pokytis, tenkantis 1t°C, įvairiuose temperatūros intervaluose skiriasi: labai mažas didžiausio ς temperatūros intervale ir staigiai kyla, t°C reikšmėms tolstant nuo jo. Pereinančio iš skystos fazės į kietą (ledas) ς staigiai pakinta ~9%. Distiliuoto H2O tankis 0°C temperatūroje yra 0,99987, o iš tokio vandens susidariusio ledo tankis ς l = 0,9167. Gryno ledo tankis žemėjant t°C, kiek išauga, -20t°C jis lygus 0,92. ς nepastovumas kintant t°C itin svarbus gamtoje. Dėl to H2O telkiniai (ežerai) žiemą net labai atšiauraus klimato sąlygomis, būdami gilūs, iki dugno neįšala. Po ledu lieka skysto vandens, nes šąlant lengvesnis už H2O ledas yra telkinio paviršiuje, o į dugną nusileidžia šaltesnės (iki +4°C) tankiausio vandens masės. Didelę įtaką tas nepastovumas turi ir telkinio režimui, nes dėl to formuojasi konvekcinės srovės ir srautai. Sniego tankis ς s – tai sniego masės santykis su to paties tūrio vandens mase, arba sniego masės P(g) santykio su jo tūriu W (cm3): ς s = P / W Sniege esančias H2O atsargas išreiškiant sluoksniu hv, dangos aukštį hs dauginame iš qs, t.y.: hv = qs·hs. Nuo dangos tankio priklauso sniego poringumas, šilumos laidumas, vandens sulaikymo geba, kietumas ir kt. savybės. Sniego tankis itin kinta laike ir erdvėje. Mažiausias (~0,01g/cm3) jis yra tik ką iškritusiame ramiu oru ir žemoje temperatūroje sniege. Ilgainiui sniegas tankėja: stipriai įmirkęs ir po to užšalęs jis jau lygus 0,70g/cm3. Rajonuose su pastovia danga, prieš jos tirpsmą tankis dėsningai didėja iš šiaurės į pietus nuo 0,22-0,28g/cm3 (šiaurėje) iki 0,24-0,32g/cm3 (vidutinėse juostose) iki 0,34-0,36g/cm2 (pietuose). Pradedančio tirpti sniego tankis – 0,18-0,35, intensyviai tirpstančio – 0,35-0,45 ir baigiančio tirpti – net 0,5g/cm3. Sniego tankis miške 10-15% mažesnis nei atvirose vietovėse. Vandens perėjimo iš vienos agregatinės būklės į kitą (skystis → ledas → garai ir atgal) geba priklauso nuo t°C ir slėgio. Vandens fazių diagrama (pav. 4) rodo tų perėjimų ribas. Taip, linija AB yra H2O kietos ir garų, linija BC – skystos ir garų fazių pusiausvyros ribas. Esant t°C 0,0075°C ir slėgiui 6,1 mb (hPa), vanduo gali būti ir kietas, ir garų, ir skystos fazės (taškas B). Itin švarų vandenį šaldant ir nesukrečiant, ledas, nepaisant žemos t°C, ilgai nesusidarys. Tokiu būdu vandenį galima atšaldyti iki -72°C. Bet toks peršaldytas vanduo nepastovus – jį sujudinus, iškart virsta ledu. Natūraliuose vandens telkiniuose H2O peršaldymas 0,005-0,01°C būna dažnai. Grunte didesnės mineralizacijos vanduo gali būti ir daugiau peršaldytas. 1.4.Specifinė vandens garavimo ir ledo bei sniego lydymosi šiluma. Specifinė garavimo šiluma (L) yra šilumos kiekis, reikalingas 1g vandens paversti tos pačios t°C garais, esant normaliam slėgiui. Ši šiluma 0°C temperatūroje yra 597 kal/g arba 2,5x106dž/kg; 100°C – ji lygi 539 kal/g(2,23 dž/kg). Kondensuojantis H2O garams išsiskiria toks pat šilumos kiekis. Garavimo šiluma L yra dvejopa: L = L1 + L2, kur – L1 – šiluma, eikvojama tarpmokekulinėms sąveikos jėgoms nugalėti, t.y. padidinti vidinei energijai. Tai vidinė garavimo šiluma; L2 – šiluma, eikvojama užimamos medžiagos vieneto tūriui padidinti, t.y. eikvojama darbui prieš išorinį slėgį. Kylant temperatūrai, specifinė garavimo šiluma mažėja. Ją apibūdina formulė L = 597 - 0,57 t, kur –t – garuojančio paviršiaus t°C, L – matuojama kal/g. Šilumos kiekis Qg, kal, reikalingas išgarinti E cm aukščio H2O stulpelį, esant pagrindo plotui 1 cm2 ir tankiui ς = 1, išreiškiamas formule: Qg = EL = E(597 – 0,57t) Specifinė lydymosi šiluma (s.l.š.Lt) yra šilumos kiekis, sunaudojamas 1g sniego ar ledo ištirpinti į tos pat temperatūros vandenį. Analoginis jo kiekis išsiskiria užšąlant 1g H2O. Ledo s.l.š., esant 0°C ir normaliam slėgiui, lygi 79,9 kal/g (334x103 dž/kg). Šilumos kiekis (Q1, kal), sunaudojamas tirpinimui ar išsiskyrimui švaraus ledo h cm aukščio ir 1 cm2 ploto stulpeliui, išreiškiamas lygtimi: Q1 = ς t h Lt, kur ς t – ledo tankis Lt – s.l.š. Tiek L, tiek Lt yra gerokai didesnės nei daugeliui kitų skysčių. Tai paaiškinama vandens sandaros ypatumais. Vandeniui virstant garais ir ledui – vandeniu, energija eikvojama ir traukos jėgoms tarp molekulių nugalėti, ir suardyti dvigubų bei trigubų molekulių agregatus. Specifinė ledo – sniego garavimo šiluma 0°C temperatūroje ir esant normaliam atmosferos slėgiui, lygi s.l.š. ir specifinės vandens garavimo šilumos sumai, t.y. 677 kal/g (2,83x106dž/kg). Tai atitinka energijos tvarumo dėsniui. Ledo dalelė gali tiesiogiai pereiti į garus (sublimacija) arba pradžioje ištirpti, o paskui išgaruoti. Abiem atvejais pradinė ir galutinė sistemos fazės yra vienodos, reiškia ir energijos pokytis turi būti toks pat. Šilumos kiekis vandens garavimui sudaro didelę vandens telkinių šilumos balanso dalį. Rytų Europos vidutinėse (t.t.ir Lietuvoje) ir pietų platumose ji siekia 40-70%. 1.5. Šilumos talpa ir šilumos laidumas. Šilumos kiekis 1g vandens sušildyti 1°C – specifinė šilumos talpa (s.š.t. kal/g ∙ deg), dž/(kg ∙ K). Vandeniui, palyginus su kitais skystais ir kietais kūnais (išskyrus H ir NH3), būdinga maksimali šilumos talpa. Dėl didelio jo kiekio, H2O paros ir sezoniniai t°C svyravimai mažesni nei oro, nes pastarojo s.š.t. yra 4 kartus mažesnė. Perduodant šilumą molekulinio laidumo būdu, labiau įšilusių sluoksnių molekulių didesni svyravimai pamažu persiduoda gretimų sluoksnių molekulėms. Tokiu būdu, šilumos energija plinta iš sluoksnio į sluoksnį, atsirandant šilumos srautui iš didesnių į mažesnių t°C H2O sluoksnius. Šis procesas išreiškiamas: Q = λdt / dz, ...................................................................................(2.1) kur Q – šilumos srautas (kal, dž), praeinantis per laiko vienetą (1 sek) ploto (1 cm2) vienetą, λ – šilumos laidumo koeficientas (š.l.k.), dt / dz – vertikalus t°C gradientas. Minusas reiškia šilumos srauto kryptį t°C mažėjimo kryptimi, t.y. dt / dz yra neigiamas. Esant dt / dz = -1, Q = λ, t.y. Šilumos laidumo koeficientas lygus šilumos srautui, praeinančiam per 1 sek. 1 cm2 plotą, pakitus t°C 1°, 1 cm storio sluoksnyje. Jei t°C =0°, λ = 0,001358 kal / cm ∙ s ∙ deg arba 0,5686 dž / m ∙ s ∙ k, prie 20°C – λ = 0,00143 kal / cm ∙ s ∙ deg arba 0,5987 dž / m ∙ s ∙ K. Natūraliuose telkiniuose šiluma daugiausia perduodama turbulentiškai. Ledo š.l.k. λ=0,0054 kal/cm.s.deg(2,26 dž/ m ∙ s ∙ K Kintant t°C, jis mažėja. Sniego š.l.k. λs priklauso nuo sniego tankio (ς s): λs = 0,0067 ς s2.........................................................................................(2.2) Šiuo atveju, esant tankiui 0,1 g/cm3, sniego λs = 0,00007kal/cm·s·deg, jei ςs = 0,28/cm3 – λs = 0,00027 . Tūrio vieneto temperatūros padidėjimas, pritekėjus šilumos kiekiui λ – temperatūros laidumo koeficientas (t.l.k.) a, matuojamas cm2/s (m2/s), lygus: a = λ/ς Cp, kur – Cp – specifinė šilumos talpa, o Cp ∙ ς – tūrinė šilumos talpa. Kadangi vandens ς ir Cp artimi 1, todėl a = λ, t.y. š.l.k. ir t.l.k. yra lygūs, skiriantis tik jų dimensijai. Ledo ir sniego a ir λ nevienodi. Tarp sniego t.l.k. as, cm2/s ir tankio ς s yra tiesinė priklausomybė as = 0,0013. šis santykis rodo, kad sniego t.l.k. = esant tankiui 0,1 ir padidėja iki 0,004 prie ς = 0,3. Nelabai laidi t°C-ai sniego danga apsaugo dirvožemį ir H2O telkinius nuo įšalimo. Taip, jei dirvos paviršius įšąla 100%, tai esant ςs = 0,28, 10 cm sluoksnyje temperatūra mažėja 3 kartus. Esant ςs dar mažesniam - t°C svyravimai gylyn gęsta dar sparčiau (10 cm gylyje prie ςs = 0,1 t°C amplitudė sumažėja 5 kartus). Paros temperatūros svyravimai, esant skirtingiems ςs, sniego dangoje stebimi iki šių gylių: ς s (g/cm2): 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 zr (cm) : 28 40 49 56 63 Metinis, palyginus su paros, temperatūros svyravimas prasiskverbia beveik iki 19 kartų didesnio gylio. 1.6. Molekulinis klampis. Paviršiaus įtampa. Klampis – skysčio savybė: vienų sluoksnių priešinimasis kitų sluoksnių judėjimui. Šį judėjimą klampis veikia dvejopai: 1) jis yra veiksnys, formuojantis srauto greičio lauką ir plitimą iš vieno sluoksnio į kitą ir jo išsilyginimą gretimuose taškuose, 2) jis sukelia pasipriešinimą tam judėjimui, todėl mechaninė energija virsta šilumine. Gamtoje klampį galima ignoruoti, nes jis judėjimui įtakos beveik neturi, o energijos nuostoliai susidaro dėl netvarkingo, sukūrinio (turbulentinio) vandens judėjimo. Klampis arba skysčio vidinė trinties jėga (φ) yra Niutono trinties dėsnis: φ =μ ∙ dv / dz..........................................................................................(2.3) kur: φ – trinties jėga ploto vienete, μ – klampio (vidinės trinties) koeficientas (g/cm ∙ s), dv / dz – vertikalus greičio gradientas. - μ priklauso nuo t°C: jai kylant, šis koeficientas smarkiai sumažėja. Traukos jėgos molekulių vandens – oro – kieto kūno ribose sukelia paviršinę įtampą, atsirandančią tose ribose dėl molekulinės traukos jėgų skirtumo. Molekules paviršiuje veikia didesnės traukos jėgos, nukreiptos vandens masėn, negu esančių ore H2O garų dalelių kryptimi. Vandens paviršiaus įtampa yra žymiai didesnė negu visų skysčių, išskyrus Hg: 0°C ji lygi 75,5 dyn/cm, 100°C – 57,15 dyn/cm. Vanduo sąlytyje su kietu kūnu drėkina jo paviršių, ir dėl paviršiaus įtampos jėgų jo paviršius išsikreivina ir pakyla, susidarant meniskui. Dėl paviršiaus įtampos ir menisko kreivumo susidaro menisko jėga, kurios dėka dėl slėgio skirtumo paviršiuje ir kapiliaruose, vanduo kapiliaruose kyla. Šis kilimas vyksta tol, kol kapiliaruose vandens stulpelio hidrostatinis slėgis susilyginus su menisko jėga. 1.7. Saulės energijos sorbcija ir išsklaidymas vandenyje, sniege ir lede. Dalis šios energijos prasiskverbia į vandenį ir yra sugeriama, kita energija atsispindi nuo vandens, sniego ar ledo paviršiaus. Sugertoji energija virsta šilumine. Energijos atspindžio dydis priklauso nuo spindulių kritimo kampo (Saulės aukščio). Išsklaidymo atspindys nuo Saulės aukščio nepriklauso, jis vyksta pagal kitus dėsnius. Atspindėtos ir išsklaidytos Saulės energijos santykis vadinamas atspindžio koeficientu – atbedu. Saulei esant aukštai (30°- 80°), lygus vandens paviršius atspindi tik 2-6% jos energijos, Saulės aukščiui mažėjant atspindys sparčiai didėja ( prie 15° atspindys siekia 21,5%, 10° - 35%, o 1° -paviršius atspindi 90% krintančių spindulių. Išsklaidymo gi koeficientas H2O paviršiuje būna 5-10 % ir didėja, mažėjant šio spinduliavimo srautui. Sniego ir ledo savybė atspindėti, be Saulės aukščio priklauso ir nuo jų struktūros , užteršimo ir kt. Rytų Europos vidutinėse platumose šviežio sauso sniego albedas 0,82, drėgno – 0,50. Sniegui tirpstant atspindžio rodiklis greitai kinta nuo 0,82-0,70 tirpimo pradžioje iki 0,30 jam baigiantis. Jis mažėja kartu su sniego dangos aukščiu ir vėl padidėja pasnigus. Spindulių energijos srautas, praėjęs pro labai mažo storio (dh) vandens sluoksnį ir jį įšildęs praranda dalį energijos (dIs). Kada išsklaidytos (sugertosios) energijos kiekis proporcingas sluoksnį pasiekiančios energijos kiekiui (I) ir sluoksnio storiui dh, tai: d I s = - m I d h, ..........................................................................................2.4 kur – m yra sorbcijos koeficientas. Bet energija tuo pačiu ne tik sorbuojama, bet ir išsklaidoma, tad: d Ii = - k I d h ...........................................................................................2.5 kur: k – išsklaidymo koeficientas, Ii – išsklaidyta sluoksnyje d h energija Pagal lygtis (2.4) ir (2.5) galima išvesti: D I = - (m + k) I ∙ d h .................................................................................2.6 Kur: m + k – šviesos energijos sumažėjimo koeficientas. Pagal (2.6) d I / I = - (m + k) d h ....................................................................................2.7 Jei vandens aplinka vienalytė ir koeficientai m ir k pastovūs, integruojant gauname: l n I = - (m + k) h + C ...............................................................................2.8 kur: C – integravimo pastovioji, nustatoma esant sąlygai, kad vandens paviršiuje (h = 0): l n Io = C, kur – Io – energija, pasiekianti vandens paviršių. Tada: ln I = ln Io –(m + k)h. Atlikus antilogaritmavimą gauname: Ih = Io –(m + k)h..............................................................................................2.8 kur: Ih – saulės energija, pasiekusi gylį h, Io – saulės energija, pasiekusi vandens paviršių, e – natūralių logaritmų pagrindas (e = 2,718), m + k – energijos sumažėjimo koeficientas. Pagal (2.9), dydis, atvirkščias (m + k), t.y. 1/(m + k), atitinka gylį, iki kurio Saulės energijos intensyvumas sumažėja e kartų. Taigi (m + k) dimensija atvirkštinė ilgio vienetui – 1/m. Sorbcijos koeficientas (m) priklauso nuo šviesos bangos ilgio (μm) ir suspenduotų bei ištirpusių vandenyje medžiagų kiekio. m yra didžiausias infraraudonojoje spektro dalyje (bangų ilgis > 0,76μm), mažiausias – regimosios šviesos spektro srityje (0,40-0,76mm). Ultravioletiniame spektro ( 1,5 μm, į šį sluoksnį prasiskverbia 74% pasiekusios vandenį Saulės energijos, 10 cm – jau tik 55%, į 1m – 36%,o į 10 m gylį – tik 18%. Kitą Saulės energijos dalį sorbuoja aukščiau esantis vandens sluoksnis, ir jis įšyla. Šviesą išsklaido pati vandens masė ir suspensijos, esančios joje. Jei šių dalelių skersmuo yra mažesnis už bangos ilgį, tai išsklaidymo koeficientas K yra atvirkščiai proporcingas ketvirtojo laipsnio bangos ilgiui: K = a/ λ4 kur: a – išsklaidymo modulis, priklausantis nuo spindulių lūžio rodiklio medžiagoje ir pastarosios dalelių kiekio 1 cm3, λ – bangos ilgis. Matome, kad kuo ilgesnė banga, tuo mažiau ji išsklaidoma, bet ilgesnės bangos labiau sorbuojamos negu trumposios. Kitaip tariant, labiau išsklaidoma ir mažiau sorbuojama trumpabangė mėlynoji – violetinė regimosios šviesos spektro dalis ir priešingai – raudonieji spinduliai. Nuo sobcijos ir išsklaidymo priklauso vandens telkinių spalva. Kadangi pirmieji (violetiniai) spinduliai mažiau sorbuojami nei raudonieji ir daugiau išsklaidomi, todėl vandeniui būdingas mėlynas ar mėlynai žalsvas atspalvis. 1.8. Sniego fizinių savybių rodikliai. 1.8.1.Sniego struktūra. Šviežio sniego struktūra paprasta, bet vėliau dėl pustymo, atlydžių ir pačiai sniego masei veikiant, ji gana smarkiai pakinta. Tuo pačiu kinta ir kiti sniego rodikliai. Sniege be ledo kristalų yra oro, kai kada ir vandens. Pagal masę sniego dangoje oro yra nedaug ir tik tada, kai sniego tankis (ςs) 15-25 mm. Kuo ilgesnis yra vidutinio intensyvumo lietaus periodas, tuo iškritimo intensyvumas yra mažesnis, o kuo didesnis lietaus paplitimo plotas, tuo kritulių sluoksnis mažesnis. Lietaus trukmė ir intensyvumas yra įvairūs. Bet mažo intensyvumo trumpalaikio lietaus vandenį sugeria dirvožemis ir jis paviršinio nuotėkio nesudaro. Šiuo požiūriu iš lietaus visumos išskiriamos liūtys – tam tikros trukmės ir didelio intensyvumo lietūs. 3. Garavimas. Garavimas yra svarbiausias vandens balanso elementas. Tai ypač svarbu nustatyti pietiniuose (subtropiniuose ir tropiniuose) rajonuose, kur benuotakinėse srityse į jūras sutekantis vanduo tik garuoja. Vandens paviršiaus garavimas yra svarbus baseinų vandens balanso netekties narys. Pavyzdžiui, 56°š.pl.Europos upių baseinų garavimas yra apie 500 mm/metus. Tai didelis išgaravusios drėgmės kiekis, kurio negalima ignoruoti, nustatant drėkinimo normas, dirvožemio išdžiūvimo laipsnį sezonais ir kt. vandens balanso dedamąsias. 3.1. Vandens paviršiaus garavimo apibūdinimas. Garuodamas vanduo virsta dujomis (garais). Judančios vandens molekulės įveikia tarpusavio traukos jėgą ir išlekia į orą. Kuo aukštesnė vandens t°C, tuo didesnis molekulių judėjimo greitis, tuo daugiau molekulių patenka į atmosferą – išgaruoja. Garavimo intensyvumas priklauso nuo garinančio paviršiaus temperatūros. Dalis molekulių iš oro judėdamos gali vėl patekti į vandenį. Tad, garavimas yra skirtumas skaičiaus molekulių, paliekančių garinantį paviršių ir molekulių, krintančių atgal. Kai pastarųjų kiekis yra didesnis nei paliekančiųjų skystį molekulių, vyksta priešingas garavimui procesas – kondensacija. Vandens garams būdingas tam tikras tamprumas. Didėjant garų kiekiui ore, didėja ir jų tamprumas. Pagaliau jų kiekis jau sotina erdvę. Sotinančių garų tamprumas priklauso nuo jų temperatūros ir, jai kylant, greitai didėja (pvz.:0°C garų tamprumas 6,1mb, o 30°C – jau 42,5mb). Kuo daugiau vandens molekulių yra ore ir kuo mažiau garų tamprumas skiriasi nuo maksimalaus jo dydžio, tuo didesnė tikimybė molekulių grįžimui į garinantį paviršių. Garavimas priklauso nuo garų, tam tikroje garinančio paviršiaus temperatūroje sotinančių erdvę, ir faktiškai esančių ore vandens garų tamprumo skirtumo. Esant orui prisotintam vandens garų, t.y. esant pusiausvyrai tarp kylančių ir grįžtančių molekulių, garavimas nutrūksta. Erdvei esant neprisotintai vandens garų, nors prievandeninis sluoksnis ir yra prisotintas, lėtas garavimas vyks. Molekulės iš šio prisotinto sluoksnio judės aukštyn, o jų vietą užims molekulės, pereinančios atmosferon iš skysčio. Nejudant orui, nuo šio reiškinio – difuzijos priklauso garavimo intensyvumas. Jis didėja esant prievandeniniame oro sluoksnyje aukštyn – ir žemyneigiams konvekciniams srūviams, susidarantiems šio sluoksnio temperatūrai esant aukštesnei už aukščiau esančių sluoksnių temperatūrą. Lengvesnis oras iš apačios kyla aukštyn, o jo vietą užima besileidžiantis iš aukščiau mažiau garų prisotintas oras. Taigi, pagrindiniai veiksniai, sąlygojantys vandens paviršiaus garavimą natūraliose sąlygose, yra vandens garų tamprumo skirtumas ir turbulentinio maišymosi intensyvumas, apibūdinamas apykaitos koeficientu (žr.skyrių II) Šie veiksniai lemia drėgno paviršiaus garavimą. Dirvos ir augalų garavimas sudėtingesnis. Jis priklauso dar ir nuo dirvožemyje esančios drėgmės kiekio bei dirvožemio sudėties. Augalų garavimas – transpiracija (fiziologinis garavimas) susijęs su jų gyvybine veikla. Vandens garus oro masės perneša horizontaliai ir vertikaliai. Ore gali būti įvairus vandens garų kiekis, t.y. gali būti įvairi drėgmė. Vandens garų (g) kiekis 1 m3 oro – absoliuti drėgmė. Oro prisisotinimo vandens garais laipsnis apibūdinamas drėgmės deficitu. Tai yra skirtumas tarp kiekio vandens garų, tam tikroje temperatūroje sotinančių orą, ir faktiškai ore esančių vandens garų kiekio.Šio deficito dydis empyrinėse formulėse yra argumentu, nuo kurio priklauso sniego ir vandens paviršiaus garavimas. 3.2. Sniego ir ledo paviršiaus garavimas. Šis paviršius garuoja, kai vandens garų tamprumas ore virš sniego ar ledo yra mažesnis už vandens garų, sotinančių jų erdvę, tamprumą. Šis garavimas arba kieto vandens virtimas iš karto dujiniu bei kondensacija ant jų paviršiaus vadinamas sublimacija. Vyraujanti garų pernešimo kryptis (garavimas ar kondensacija) priklauso nuo jų tamprumo, nustatomo pagal sniego paviršiaus temperatūros ir absoliutinės oro drėgmės skirtumo ženklo. Tirpstančio sniego paviršiaus temperatūra lygi 0°C,o maksimalus tamprumas lygus 6,11 mb. Minėto skirtumo ženklas priklauso nuo absoliutinės oro drėgmės, apskaičiuojamos pagal oro temperatūrą ir santykinę drėgmę. Jei pastaroji yra pastovi, tai su temperatūros didėjimu, auga absoliuti drėgmė. Dėl to mažėja garų tamprumo skirtumas bei garavimas. Oro temperatūrai pasiekus tam tikrą dydį, garų tamprumo skirtumas bus lygus 0 ir garavimas nutrūks. Toliau kylant temperatūrai, kinta vandens tamprumo skirtumo ženklas – prasideda kondensacija. Taigi, kas bus sniegui tirpstant – garavimas ar kondensacija, sprendžiama pagal oro temperatūrą ir santykinę drėgmę (pav.6). Matome, kad kiekvieną tam tikrą teigiamą oro temperatūrą atitinka viena santykinės oro drėgmės (r) reikšmė, kai garavimas ir kondensacija lygūs 0. Drėgmės reikšmės žemiau kreivės – garavimas, aukščiau – kondensacija. Sniego tirpsmo metu r paprastai būna 70-80%. Esant tokiai drėgmei ir temperatūrai, garavimas iš viso mažas, o temperatūrai viršijus 3°C, prasideda kondensacija. Dėl mažesnio šilumos laidumo ir žemesnės paviršiaus t°C sniego garavimo greitis, esant vienodoms kitoms sąlygoms, mažesnis už ledo garavimą. Kuo labiau sniego tankis (šilumos laidumas) skiriasi nuo ledo tankio, tuo daugiau skiriasi garavimo reikšmių skirtumas. Sniego garavimo intensyvumas priklauso nuo jo tankio: tankesnė danga garuoja intensyviau nei šviežias sniegas. Mūsų platumose išgaruoja tik 25-30 mm sniego. 3.3. Suminis dirvožemio paviršiaus ir augalų garavimas. Sausumos plotų, padengtų augalais, suminį garavimą sudaro: dirvožemio, augalų garavimas dėl jų gyvybinės veiklos(transpiracija) ir kritulių sulaikomų augalų paviršiuje, garavimas. Šis skirstymas yra tik eksperimentinis. Nedengiamo augalų dirvožemio garavimas priklauso nuo drėgmės (skystoje ar dujinėje fazėje) prietakos į jo paviršių. Drėgmės judrumas priklauso nuo skysčio ir grunto dalelių tarpusavio sąveikos jėgų. Jei drėgmė maža, vandens judrumą lemia jo molekulių ir grunto paviršiaus įtampos (kapiliarinės) jėgos. Dirvožemio drėgmei augant, didėja sunkio vaidmuo. Dirvožemį dengiant ištisinio vandens sluoksniui, jo procese gali likti suspausto oro, užimančio iki 10-12% bendro porų tūrio. Dirvožemis garuoja per tris fazes: Pirmoje, prasidedančioje lengvai palaisčius ar jau iškritus krituliams, sudrėkinantiems dirvožemį iki visiškos drėgmės talpos, garavimas lygus garingumui ir priklauso nuo meteosąlygų. Antroje – garavimas sąlygojamas vandens prietakos į dirvožemio paviršių greičio. Šioje fazėje išgaruoja daugiausiai drėgmės. Trečioje – drėgmei nekylant iš gilesnių horizontų, viršutiniai jo sluoksniai išdžiūsta. Dirvožemio drėgmės garavimo intensyvumas E (mm/dieną) išreškiamas priklausomybe nuo garingumo E0 ir gruntinio vandens lygio z: E=E0(1-z/zk)n, kur: zk – kritinis vandens lygis, vandeniui pradedant garuoti (zk≈1,4÷4m), n – laipsnio rodiklis, kintantis nuo 1 iki 3. Garavimo intensyvumas E (mm/dieną) gali būti išreiškiamas ir priklausomybe nuo dirvožemio tūrinio drėgnumo W (%): E=γ(W-Wt), kur: γ – koeficientas, priklausomai nuo dirvožemių savybių kinta 1,5-0,7 mm/dieną, ribose. Wt – kapiliarinio ryšio suirimo drėgnumas (drėgmė nustoja judėti kapiliarais į paviršių). Transpiracijos (augalų garavimo) esmė yra ta, kad kiekvienas augalas šaknimis ima vandenį su ištirpusiomis jame maistingomis medžiagomis. Toks vanduo juda augalu iki lapų paviršiaus ir garuoja (tai nėra lietaus sudrėkintų lapų vandens garavimas!). Transpiracijos koeficientas – tai augalo vandens, išgarinto per tam tikrą laikotarpį, kiekio (g) santykis su sausos medžiagos prieaugiu (g) tuo pačiu metu. Kol dirvožemis optimaliai drėkinamas, transpiracija sąlygojama meteosąlygų (saulės energijos prietakos per parą ir vėjo greičio) ir ji nusakoma šilumos balanso ar turbulentinės difuzijos lygtimis. Pailgėjus saulės spinduliavimo trukmei, padidėja ir vandens bei dirvožemio paviršiaus garavimas. Didėjant spinduliavimui, kyla augalo paviršiaus temperatūra. Jei dirvožemyje yra pakankamai drėgmės, jis intensyviai garuoja ir eikvoja daug šilumos. Taip augalas reguliuoja šilumos režimą. Šiuo atveju transpiracija yra analogiška vandens paviršiaus garavimui, kol jo neriboja vandens prietaka iš giliau į žemės paviršių. Transpiracija priklauso nuo spinduliavimo paros eigos (pav. 7). Ši eiga tipiška būna tik giedromis arba visiškai apsiniaukusiomis dienomis, kada tipiška yra ir meteoveiksnių eiga. Transpiraciją sąlygoja ir gruntinio vandens gylis. Didžiausias garavimas yra tada, kai šis gylis yra 50 cm. Tai sąlygojama augalijos sistemos šaknų lygiu. Esant gruntinio vandens lygiui aukštesniam, augalai blogai auga dėl drėgmės pertekliaus ir mažiau garina vandens. Jam pažemėjus per 50 cm – augalams vandenį paimti sunkiau ir garavimas irgi sumažėja. Drėgmės pertekliaus zonoje pievos garavimą riboja drėgmės atsargos dirvožemyje. Todėl transpiracija, esanti fiziniu procesu, labai priklauso nuo augalų fiziologijos ir dirvožemio drėgnumo. Miško augalijos transpiracija priklauso nuo medžių amžiaus ir rūšies. Taip 14-19 metų miške ir esant dirvožemio po medžių lajomis garavimui, vidutiniškai per vasaros-rudens sezoną medžių transpiracija siekia 50-60% suminio garavimo kiekio. atskirų medžių transpiracija mažai tesiskiria. Beržui per trejus metus šiltuoju metų laiku ji sudarė 130 mm, pušiai – 151 mm, eglei – 135 mm. Jų koeficientų reikšmės labai skirtingos: beržo – 360, pušies – 207, eglės – 145. Taigi, garavimas miške priklauso nuo drėgmės prietakos į šaknų sistemą sąlygų, vadinasi, ir nuo gruntinio vandens lygio, ir nuo bendrų meteosąlygų. Pastarosios vadinamos sausros indeksu. Tai spinduliavimo balanso R santykis su šilumos netektimi dėl iškritusių kritulių išgaravimo Lx. Mažos jo reikšmės (1-1,5) atitinka drėgnus metus, didelės – sausringus. Esant sausros indeksui 2,2, garavimas miške ir lauke bus vienodas, jei 1,5-1,7 – miškas optimaliai naudoja vandenį. Esant didesnėms R/Lx reikšmėms, vandens suvartojimas mažėja dėl nedidelių vandens atsargų dirvožemyje, esant mažesnėms – dėl šilumos trūkumo. Suminis garavimas priklauso nuo dirvožemio drėkinimo, tad jo intensyvumo rodikliu naudotinas faktinio suminio garavimo E santykį su garingumu E0, t.y. garavimu, esant pilnai sudrėkintam dirvožemiui. Natūralaus aprūpinimo drėgme koeficiento η=E/E0 chronologinis grafikas vadinamas biologine garavimo kreive, o skirtumas 1-η yra vandens vartojimo koeficientas, sandauga (1-η) E0=de-vandens vartojimo deficitas. Suminį garavimą tam tikrame plote (transpiraciją) galima nustatyti detaliais vandens balanso tyrimais šilumos balanso arba turbulentinės difuzijos metodais. Nesant tokių duomenų, naudojamos skaičiavimo schemos pagal apibendrintus garavimo prietaisų duomenis. Garavimas nustatomas garomačiu, vandens balanso, turbulentinės difuzijos ir šilumos balanso matodais. Gautų garavimo reikšmių (r) pasiskirstymą teritorijoje pagal formulę z=x-y (čia x – baseine iškritę krituliai, y – nuotėkis iš baseino)galima pavaizduoti izolinijomis(pav.8). 4 Skyrius. Paviršinio ir požeminio vandens sąveika 4.1. Dirvožemio ir grunto fizinės-hidrologinės savybės 4.1.1. Vandens būklė. Dirvožemio ir grunto vanduo gali būti šiose būsenos formose: garų, higroskopinis, plėvelinis, kapiliarinis, lašų ir srovelių, kietas. Vandens garai yra ore, užpildančiame poras ir tarpus tarp grunto dalelių. Jų tamprumas priklauso nuo dirvožemio drėgnumo ir temperatūros. Kadangi naktį jų tamprumas atmosferoje didesnis nei grunto porose esančiame ore, todėl vandens garai juda iš atmosferos į požemio orą. Krintant temperatūrai, čia jis kondensuojasi ir virsta vandens lašeliais. Temperatūrai kylant, dalis grunte esančio skysčio virsta garais. Vandens garai juda dėl jų tamprumo skirtumo įvairiose terpėse(atmosferoje, dirvožemyje, grunte). Higroskopinis vanduo yra patvarus surištasis vanduo, laikosi ant dalelių paviršiaus dėl absorbcinės jėgos kaip atskiros, izoliuotos molekulės arba 1-2 molekulių storio vandens plėvelė, turi didelį tankį. Vilgant sausą dirvožemį, išsiskiria grunto vilginimo šiluma. Tai vyksta dėl vandens molekulių, traukiamų grunto dalelių, perėjimo į nejudrią būklę ir būdingos kontinentinės energijos atidavimo. Dirvožemiui surišant 1 g vandens, išsiskiria apie 80 cal (335 J) šilumos. Taigi, jo surišimo bei kristalizacijos bei ledo susidarymo fizinė esmė artima. Grunto geba sorbuoti ir savo dalelių ar porų sienelių paviršiuje sulaikyti tam tikrą vandens kiekį yra higroskopiškumas. Tuo pasižymi molis, kurio dalelių bendras paviršius tūrio vienete itin didelis. Smėlio ir žvyro grūdelių paviršius yra daug mažesnis,jie – mažai higroskopiški. Higroskopinis vanduo iš uolienos pašalinamas ,ją kaitinant iki 105-110°C iki pastovios masės kiekio. Plėvelinis vanduo. Jis priklauso silpnai surištojo vandens grupei ir juda sunkio jėgos bei molekulinės traukos jėgų poveikyje. Tai tarsi vandens apvalkalas iš kelių molekulių sluoksnių. Veikiamas oro, šis vanduo juda vertikaliai žemyn. Molekulinės traukos jėgų poveikyje jis juda iš storesne plėvele apgaubtų vietų į plonesnes, t.y. kryptimi, nebūtinai sutampančia su sunkio jėga. Šis procesas vyksta tol, kol abiejų vietų apvalkalų storis suvienodės. Grunto paviršiuje dėl garavimo plėvelės storiui mažėjant, dalis plėvelės vandens kils aukštyn. Sunkio ir molekulinės traukos jėgos poveikis plėvelės judėjimui priklauso nuo plėvelės storio. Jam mažėjant ir artėjant prie būdingo higroskopinei drėgmei, vanduo juda vien dėl molekulinės traukos jai storėjant, didėja sunkio poveikis. Kai plėvelinis vanduo beveik pereina į kapiliarinį, sunkio poveikis vyrauja. Kapiliarinis vanduo priklauso jau laisvojo vandens grupei. Plėvelinis yra tik dalelių paviršiuje, o tarpų tarp jų jis neužpildo. Tad, plėvelinis vanduo negali perduoti hidrostatinio slėgio. Grunto kapiliarinius tarpelius užpildantis vanduo – kapiliarinis. Jis jau perduoda hidrostatinį slėgį, tad vanduo juda uolienoje ir jo judėjimas priklauso nuo sunkio ir kapiliarinių jėgų. Pastarosios būna įvairių krypčių, netgi nukreiptų ir aukštyn. Jei šios zonos viršuje yra vandens-oro riba, jos yra priešingos sunkiui. Tada kapiliarinio pakilimo aukščio ribose šį vandenį laiko kapiliarinės jėgos, neleidžiančios jam laisvai ištekėti iš uolienos. Uolienose, kurių kapiliarai labai siauri (molis), skirtumas tarp plėvelinio ir kapiliarinio vandens beveik išnyksta – vanduo užpildo visas poras, tačiau porų sienelių traukos jėgos yra didelės ir labai stipriai laiko vandenį. Laisvai gravitacinis vanduo užpildo tarpus grunte, jo nesulaiko kanalo sienelių traukos jėgos ir jis, veikiamas sunkio, laisvai teka (laša, sruvena) pagal nuolydį. Šis judėjimas gali būti laminarinis ar turbulentinis, priklausomai nuo tuštumų dydžio. Pirmu atveju judėjimas vyksta filtraciniu keliu per smulkių grūdelių gruntą, turbulentiškai – kai vanduo teka stambiais plyšiais ar tuštumomis. Laminarios tėkmės atveju, vandens dalelių trajektorija yra lygiagretė bendrai tėkmės krypčiai. Tada H2O greitisV proporcingas slėgio mažėjimui ilgio vienete (hidraulinis nuolydis) i: V=Ki, kur............................................................................................................................(4.1) K – grunto filtracijos koeficientas, rodantis vandens judėjimo greitį, hidrauliniam nuolydžiui lygiam 1.Ši lygybė, nusakanti gruntinio vandens judėjimo greičio priklausomybę nuo nuolydžio – Darsi dėsnis. Besifiltruojančio per grunto skerspjūvį vandens kiekis (debitas) Q lygus šio pjūvio ploto F ir greičio V sandaugai: Q=FV arba Q=KiF, kur: Q – vandens debitas, K- filtracijos koeficientas, i=h/l – hidraulinis nuolydis, h – slėgis, l – filtracijos kelias, F – srauto grunte skerspjūvio plotas. Esant i ir F lygiems 1, tada: Q=K, t.y. filtracijos koeficientas yra gruntinio vandens srauto debitas per plotą, lygų vienetui, kai nuolydis taip pat lygus 1. Turbulentinio judėjimo atveju, vandens dalelės slenka įvairia kryptimi srauto ribose. Todėl greitisV išreiškiamas Šezi formule: V=C√Ri, kur: C – koeficientas, priklausantis nuo sienelių šiurkštumo, R – hidraulinis spindulys (srauto skerspjūvio ploto santykis su šlapiuoju perimetru). Pastarasis – linijos, pagal kurią srautas vilgo sieneles, ilgis. Laminarinį ir turbulentinį judėjimą detaliai apibūdiname sk. 2.1. 4.1.2. Fizinės ir hidrologinės savybės. Dirvožemio konstantos. Dirvožemio ir grunto sąveika su vandeniu priklauso nuo jų sudėties ir struktūros. Sąveikos rodikliai yra: poringumas, kapiliarinio pakilimo aukštis, specifinis ir tūrio svoris, vandens laidumas ir talpa, vandens atidavimas, drėgmės deficitas. Poringumas. Požeminis vanduo slūgso dirvožemio ir grunto tuštumose, kurių visuma vadinama poringumu. Kuo jis didesnis, tuo daugiau vandens gali jame tilpti. Įvertinant vandens judėjimo sąlygas, žinotinas ne tik bendras poringumas, bet ir tuštumų dydis. Didelėse – vanduo juda sunkio poveikyje ir, esant vienodam greičiui, patiria mažesnį pasipriešinimą nei judėdamas smulkiomis – kapiliarinėmis poromis. Pirmuoju atveju judėjimas turbulentinis, antruoju – laminarus. Ypatingą grupę sudaro vanduo, paplitęs karstinėse tuštumose, atsirandančiose dėl cheminių procesų ištirpstant dideliam kiekiui uolienos. Erdviose karstinėse tuštumose vanduo gali sudaryti sudėtingas srautų, pratakių – nenuotakių ežerų sistemas ir pan. Porų yra visose uolienose, netgi magminėse (granite) yra labai smulkių porų. Kapiliarams priskiriamos poros 2,5 mm, kapiliarais vanduo beveik nekyla. Specifinis svoris ( kietos fazės tankis – γ). Tai santykis esančio natūraliose sąlygose dirvožemio ir grunto bandinio svorio (g) ir tūrio (cm3) vandens, kurį išstumia įdėtas į vandenį sausas ir susmulkintas šis bandinys (tankus – be porų). Išspausto vandens tūris cm3 atitinka vandens svorį gramais, todėl ieškomas specifinis svoris (tankis) yra bedimensinis. Tūrio svoris (tankis – δ) išreiškiamas g/cm3 reiškia santykį dirvožemio ir grunto sausame būvyje su jo tūriu. Jis rodo, kiek tiriamojo mėginio gramų tenka 1 cm3 jo tūrio, esant natūraliai susiklosčiusioms sausoms dalelėms. Šis santykis (δ/γ) yra ta dalis, kurią bandinyje užima kietos dalelės. Tada tūris P, kurį užima poros, bus lygus P = 1- δ/v. padauginę šį dydį iš 100, gauname poringumo reikšmė bendro dirvožemio tūrio procentais: P = (1-δ/γ)100%. Vandens laidumas. Tai geba praleisti vandenį – viena svarbiausių dirvožemio ir grunto savybių. Jis priklauso nuo poringumo ir tuštumų (porų) pobūdžio. Poringumas dar nelemia laidumo vandeniui. Jis gali būti didelis (moliui iki 50%), bet nelaidus, o 30% poringumo smėlis gerai praleidžia vandenį. Molis nelaidus, nes jį sudaro smulkiausios plokščios dalelės su siaurais tarpais tarp jų ir dar mažėjančių moliui brinkstant. Vandens beveik nepraleidžia ir durpės, greitai jį sugeriančios. Pagal laidumą vandeniui uolienos yra trijų grupių: laidžios (gargždas, žvyras, smėlis), pusiau laidžios (molingas smėlis, priesmėlis, purus smiltainis) ir nelaidžios arba vandensparos (molis, kristalinės neplyšiuotos uolienos, tamsios durpės). Drėgmės talpa. Tai grunto geba sorbuoti ar sulaikyti tam tikrą vandens kiekį. Pagal jį ir vandens būklę skiriamos: pilna ir nepilna talpa. Pastaroji dar skiriama į kapiliarinę, mažiausią – ir didžiausią higroskopines. Drėgmės talpa išreiškiama sauso mėginio svorio procentais ar drėgmės atsargomis vandens sluoksnio milimetrais, atitinkančiomis tam tikrą drėgmės talpos formą. Pilna drėgmės talpa – tai dirvožemio-grunto geba sorbuoti tam tikrą vandens kiekį, t.y. tokį kiekį, kuris užpildo visus jo plyšelius ir poras. Šiuo atveju skystas vanduo būna įvairiose būklėse,tarp jų ir laisvoje gravitacinėje. Nepilna talpa – jei vanduo užpildo tik dalį grunto plyšelių-porų, susidarant aukščiau minėtoms nepilnos talpos formoms, nagrinėjamoms kiekviena atskirai kaip savarankiški dirvožemio-grunto vandens fizinių savybių rodikliai. Uolienų pilnos ar nepilnos drėgmės talpos sąvokos gali sutapti ar ne.Štai, gargždo didelė pilna talpa (tarp jo dalelių telpa daug vandens), todėl nepilna jo drėgmės talpa bus itin maža. Priežastis – vanduo gali laisvai nutekėti iš plyšelių ir jo lieka tik labai mažai ant drėkinamo dalelių paviršiaus. Molyje gi yra kitaip. Sausas molis itin sparčiai sorbuoja vandenį ir visos jo poros užsipildo. Šis vanduo laisvai negali ištekėti. Taigi, molio pilnos ir nepilnos drėgmės talpos sąvokos sutampa. Kapiliarinė drėgmės talpa. Tai grunto savybė sulaikyti vandenį porose bei tuštumose. Ši talpos forma priklauso nuo to, kiek grunte yra higroskopinio, plėvelinio ir kapiliarinio vandens. Pastarojo, sulaikomo kapiliarinės (meniskinės) jėgos, kiekis priklauso nuo tiriamo grunto sluoksnio padėties virš gruntinio vandens paviršiaus. Taigi, ši talpa kinta nuo gruntinio vandens lygio. Šiuo atveju svaresniu jos rodikliu yra maksimali kapiliarinė drėgmės talpa, atitinkanti dižiausią vandens kiekį, kurį išlaiko kapiliarinės jėgos grunte virš gruntinio vandens paviršiaus. Mažiausia drėgmės talpa yra vandens kiekis, esantis aukščiau kapiliarinio pakilimo zonos virš gruntinio vandens lygio zonos ir sulaikantis ant dalelių paviršiaus dėl traukos jėgų veikimo, pasibaigus sunkio sąlygojamam sunkimuisi. Tada grunte yra higroskopinis ir plėvelinis vanduo. Maksimali higroskopinė drėgmės talpa. Tai talpa, kai porose vandens nėra, o ant grunto dalelių paviršiaus susilaiko izoliuotos vandens molekulės arba jos sudaro kelių molekulių storio higroskopinį vandenį. Vandens atidavimas (vandengrąža). Tai yra prisotinto iki visiškos drėgmės talpos grunto geba atiduoti dalį vandens, jam laisvai nutekant sunkio poveikyje. Atidavimas didėja, stambėjant tuštumoms ir poroms: gargžde jis itin didelis, molyje ir durpėse jo beveik nėra. Jį rodo vandens atidavimo koeficientas – santykis nutekančio vandens tūrio su grunto tūriu. Didžiausias jo kiekis lygus pilnos ir mažiausios drėgmės talpos skirtumui, bet paprastai jis būna kiek mažesnis už apskaičiuotąjį, nes dirvožemis ir gruntas gamtoje retai būna prisotinti iki visiškos drėgmės talpos (visad jo storymėje lieka tam tikras kiekis suspausto oro). Maksimalus atidavimas yra tada, aki požeminis vanduo nuslūgsta žemiau jo sluoksnio ir šis lieka auksčiau viršutinės kapiliaro ribos. Drėgmės deficitas grunte (sotinimo stoka) – dydis, rodantis kiek trūksta drėgmės dirvožemyje (grunte) iki visiško jo sudrėkinimo. Jis lygus pilnos drėgmės talpos ir faktinės drėgmės skirtumui tam tikru laiko momentu. Šis deficitas išreiškiamas vandens sluoksniu (mm) arba masės %, arba sauso grunto tūrio %. Žinoma tūrinė drėgmė (Wt) – vandens kiekis grunto tūrio vienete, svorinė drėgmė (Ws) – dirvoje esančios vandens ir sausos dirvos masės santykis. Tūrio ir svorio drėgmės santykis lygus: Wt=ςd /ςv*Ws, kur: ςd – dirvos tankis (tūrinis svoris), ςv – dirvos drėgmės tankis (paprastai = 1). Tiriamo grunto fizinių savybių pastovūs kiekio rodikliai (poringumas, kapiliarinio kilimo aukštis, specifinis ir tūrio svoris) yra fizinės grunto konstantos. Grunto vandens savybių rodikliai (įvairios drėgmės talpos, vandens atidavimas, filtracijos koeficientas) yra gruntinio vandens konstantos. Turint duomenų apie dirvožemio ir grunto fizines ir vandens savybes, galima apskaičiuoti vandens atsargas t.y. natūralų drėgnumą tam tikru momentu. Jos išreiškiamos m3/ha arba vandens sluoksniu mm. Pastarasis būdas patogesnis, įgalinantis gautą dydį palyginti su atmosferos krituliais, garavimu ir nuotėkiu, taip pat matuojamais vandens sluoksnio mm. Skaičiavimo pavyzdys. Esant sklypo plotui F cm2, o tiriamo sluoksnio storiui – H cm, šio sluoksnio tūris bus W=FH cm3. Jei grunto specifinis svoris (tankis) yra δ, tai ieškomame tūryje esančio sauso grunto svoris bus P=Wδ gramų. Jei jo svorinis drėgnumas nustatymo metu yra ε % sauso grunto svorio, tai vandens tūris nustatomame tūryje bus Q=Pε/100 m3. Šis vandens kiekis plote sudarys vandens sluoksnį h=Hδε/100 cm arba h=Hδε/10 mm. Reziumė: apskaičiuojant drėgmės atsargas grunte mm, reikia jo svorinį drėgnumą padauginti iš tūrinio svorio ir grunto sluoksnio, kur skaičiuojamas drėgmės atsargos, storio (cm), o grunto dydį dalinti iš 10. 4.2. Vandens sunkimasis į gruntą Filtracija (laisvasis sunkimasis). Filtracija – tai vandens sunkimasis į grunto storymę ir jo judėjimas link požeminio vandens lygio. Nuo jo priklauso dirvožemio vandens atsargos, nuotėkio intensyvumas ir gruntinio vandens išteklių pasipildymas. Panagrinėkime filtracijos rodiklius. Filtracijos greitis v1 arba infiltracijos koeficientas (greitis) – tai vandens kiekis (sluoksnis mm), prasisunkęs pro grunto ploto vienetą per laiko vienetą (per min). Šis greitis yra skirtingas įvairiuose dirvožemiuose. Taip, smėliui jis lygus 3-34 mm/min, priesmėliui – 1,5-3, priemoliui – 0,66-1,5, jauriniam dirvožemiui – 0,8-2,5, moliui – 0,06-0,7 mm/min. Laisvai sunkdamasis vanduo apteka grunto daleles, bet nepripildo porų ir drėgmė slenka į gilius grunto sluoksnius iki gruntinio vandens lygio. Jis stebimas pradinėje vandens skverbimosi stadijoje, kol jo neužtenka poroms prisipildyti. Dėl fizinių-mechaninių ir cheminių grunto savybių, keičiantis jo būklei ir drėgnumui, vandens filtracijos intensyvumas kinta. Iš cheminių grunto savybių svarbiausia yra kaloidinė sudėtis. Dirvožemyje, kur išvystytos augalų šaknys ir aktyvi bakterijų veikla,sulipusios grunto dalelės formuoja organinės kilmės drebutines medžiagas – koloidus. Jie užima porų dalį. Sugeriant gruntui vandenį, kaloidai išbrinksta, tūriui padidėjant kelis kartus, bet tuo pačiu mažėjant intensyvumui. Svarbiu vandens filtracijos veiksniu yra grunto sudrėkinimo laipsnis ir jo dinamika. Pavyzdžiui, 20 mm vandens sluoksnis, drėkinantis gruntą, kurio drėgmės deficitas yra apie 45 mm, susigeria visas, o deficitui esant 10 mm, susigeria tik apie 11 mm. Augalai padidina dirvožemio (grunto) filtracinę gebą, nes šaknys supurena gruntą, susidaro miško paklotė. Kritulių kiekiui ir lietaus trukmei didėjant, susigėrimo intensyvumas mažėja ir po 1-3 val jis būna lygus filtracijos koeficientui. Apibendrinant reikia pasakyti, kad hidrologinio režimo tyrimų tikslas – sužinoti, kiek tiriamoje teritorijoje kritulių susigeria į dirvožemį, kiek išgaruoja ar nuteka. Dažnai pakanka nustatyti nutekančio ar įsifiltruojančio į gruntą vandens kiekį. 4.3. Požeminio vandens slūgsojimas. Šis vanduo dirvožemio, grunto ir Žemės plutos uolienų storymėje sudaro sankaupas ir yra skirstomas į grupes pagal jų susidarymo, režimo, slūgsojimo, judėjimo sąlygas bei ryšį su paviršiniu vandeniu. Skiriame dirvožemio, dirvožemio-gruntinio, gruntinio nespūdinio ir artezinio vandens grupes. Grunto sluoknis, kurio vanduo užpildo visas poras, vadinamas vandeningu, o nelaidus sluoksnis, esantis po vandeninguoju – vandenspara. Dirvožemio vanduo yra dirvožemio storymėje ir neturi hidraulinio ryšio su žemiau slūgsančiu gruntiniu. Šis vanduo yra higroskopinėje, plėvelinėje ar garų būklėje, rečiau gravitacinis. Jo režimas tiriamas norint įvertinti, kiek eikvojama vandens filtracijai, kaip vyksta garavimas iš dirvožemio, transpiracija ir pan. Dirvožemio gruntinis vanduo – požeminis vanduo, kurio vandenspara yra grunto storymėje, o vandens veidrodis (jo paviršiaus bendras lygis) pastoviai arba periodiškai yra dirvožemyje. Šiuo atveju dirvožemio storymėje prasideda vandens tekėjimas nuolydžio kryptimi. Gruntinis vanduo. Tai nespūdinis vanduo, esantis žemiau dirvožemio, drenuojamas upės arba ištekantis į erozinį tinklą ir reljefo pažemėjimus. Prasisunkęs lietaus-tirpsmo vanduo, aeracijos zonoje sudarąs laikinus vandens telkinius (linzes) vadinamas paviršiniu vandeniu. Šio vandens atsargos dėl hidrometeorologinių sąlygų pokyčių svyruoja daug staigiau nei gruntinio vandens kiekis. Nespūdinis vanduo gręžinyje (šulinyje) yra viename lygyje su gruntiniu jo lygiu. Į žemės paviršių jis išteka nespūdiniais šaltiniais. Šį vandenį papildo susigėrę atmosferos krituliai. Judančio vandens kelyje gali pasitaikyti vandensparos iškiluma, patvenkianti tą srautą. Ji sudaro tarsi slenkstį, o vandensparos pažemėjimuose sutinkamas stovintis vanduo. Gruntinio vandens sluoksniui kertant upės ar griovos slėnį, arba šiam sluoksniui baigiantis ežero ar jūros krante, vandens ištekėjimas vyksta žemyneigiu šaltiniu. Dažnai gruntinis vanduo tiesiogiai susilieja su atviro telkinio ar upės vandeniu. Su gamtinio vandens lygiu susijęs kapiliarinės zonos lygis. Pastarąjį veikia ir sunkis, todėl, pakitus gamtinio vandens lygiui, keisis ir kapiliarinės zonos lygis. Esant gruntiniam vandeniui negiliai nuo paviršiaus, vanduo kapiliarais pakyla iki jo ir tada gruntinis vanduo naudojamas garavimui. Sauso klimato ir itin mineralizuoto vandens srityse to pasėkoje dirvožemis uždruskėja ir susidaro druskožemis. Nespūdiniam tipui priskiriamas taip pat karstinis ir tarpsluoksninis vanduo. Tirpių uolienų (klinties, gipso, akmens druskos) paplitimo srityse judantis plyšiais vanduo tirpina ir išneša dalį uolienų. Platėjantys plyšiai virsta tuštumomis – įvairiais karstiniais urvais. Diduma atmosferos kritulių susigeria, papildydami karstinių sričių požeminį vandenį. Esant plačiam šių reiškinių paplitimui, susidaro dideli vandens srautai, judantys pagal nuolydį ir išsiveržiantys gretimame baseine. Tarpsluoksninis nespūdinis vanduo yra laidžiuose gruntuose tarp 2 nelaidžių sluoksnių, tekąs silpnu nuolydžiu. Jis slūgso didelio storio vandeninguose kloduose, kurių mitybos sritis – vietos, kur priteka vanduo iš kitų vandeniui laidžių sluoksnių. Šis vanduo išteka gausiais šaltiniais. Spūdinis vanduo (artezinis) yra vandeningame horizonte tarp vandensparinių uolienų ir turi hidrostatinį slėgį, kylantį dėl vandens lygio skirtumo mitybos ir iškrovos srityse. Pagal slūgsojimo sąlygas šis vanduo būna artezinis (sluoksninis) ir gyslinis. Artezinis vanduo spūdinis, todėl jį siekusiame gręžinyje (šulinyje) lygis pakyla iki vandeningojo sluoksnio aukščio mitybos srityje. Gręžiniui esant slėnyje, kurio dugnas yra žemiau mitybos srities aukščio, vanduo iš gręžinio trykšta fontanu. Gyslinis vanduo užpildo Žemės plutos plyšius, kertančius įvairių uolienų sluoksnius, prieš tai buvusius ar tuščiais arba prisipildžiusius sudūlėjusia vandeniui laidžia uoliena. Požeminio vandens paplitimo sritys yra: 1) aktyvios apykaitos zonos, daugumoje sutampančios su nespūdinio vandens zona, 2) sulėtintos apykaitos zonos, aitinkančios viršutinių artezinių vandenų paplitimą ir, 3) lėtos apykaitos zonos, sudarytos iš giliojo artezinio vandens. Pagrindinė gruntinio vandens nuotėkio dalis (90%) priklauso aktyvios vandens apykaitos zonai. Sulėtintos apykaitos zonos vanduo svarbus tik giliai įsirėžusių sausringųjų sričių upių požeminei mitybai. Lėtos apykaitos zonos vanduo – svarbus tik amžinojo įšalo srityse. Nuo šio vandens priklauso upių nuotėkis žiemą kartais ir ampalų formavimasis. 4.4. Dirvožemio drėgmė. Požeminis vanduo, slūgsantis žemiau aeracijos zonos, yra pagrindinis upių požeminės mitybos šaltinis, bet didelės įtakos paviršiniam nuotėkiui neturi. Vanduo, susitelkęs dirvožemyje, priešingai, yra svarbus šio nuotėkio veiksnys. Vasarą vandens infiltracija į dirvožemį (paviršinio nuotėkio netektis) tiesiogiai priklauso nuo dirvos prisisotinimo vandeniu prieš lietų. Be to, ankstyvoje (pavasarinė) dirvožemio drėgmė turi įtakos tirpsmo vandens nuotėkiui. Drėgmės atsargos dirvoje kinta dėl meteorologinių sąlygų (kritulių, oro tºC) įtakos. Vandens atsargų dirvoje sezoniniai pokyčiai yra ryškūs ir priklauso nuo minėtų sąlygų metinės eigos. Didžiausios drėgmės atsargos yra pavasarį, kai susigėręs į dirvožemį tirpsmo vanduo prisotina jį iki lauko drėgmės talpos. Kai tirpsmo vandens yra daugiau nei reikia prisotinimui iki pilnos drėgmės talpos, susidaro paviršinis nuotėkis. Kai dirvos sluoksnis pilnai prisotinamas, vandens perteklius maitina gruntinį vandenį. Kylant oro temperatūrai, garavimas pasidaro didesnis už drėgmės prietaką į dirvožemį, tad drėgmės atsargos ima mažėti. Jai esant 15ºC, šios atsargos >200 mm metriniame sluoksnyje būna tik mažoje teritorijoje. Rudenį (tº 20-30 mm vandens. Vandens išgaravimas priklauso nuo jo slūgsojimo gylio. Krituliai gruntinį vandenį veikia iki tam tikro jų slūgsojimo gylio, priklausomai nuo kritulių pobūdžio ir intensyvumo bei grunto sudėties. Palankiausios infiltracijos sąlygos būna lyjant smulkiam ir ilgos trukmės lietui. Žiemos sniegas pavasario tirpsmo metu yra pagrindinis vandens mitybos šaltinis. Jo sugėrimo eiga priklauso nuo sniego tirpsmo bei dirvožemio atšilimo datų santykio. Be vandens patekimo ant žemės paviršiaus kiekio ir intensyvumo, gruntinio vandens režimas priklauso nuo aeracijos zonos – dirvožemio ir grunto storymės nuo žemės paviršiaus iki gruntinio vandens lygio – sudėties. Pagrindiniais jos rodikliais, sąlygojančiais gruntinio vandens režimą, yra: aeracijos zonos storis (jam didėjant, vanduo sunkiasi tolygiau ir gruntinio vandens lygis mažiau kinta), jos sudėties įvairumas, specifinis gruntinio vandens atidavimas virš kapiliarinio pakilimo zonos ir aeracijos zonos sudrėkinimo laipsnio. Gruntinio vandens kilimas priklauso nuo vandeningojo horizonto ir virš jo esančio grunto poringumo. Taip, sunkiame priemolyje 1-1,5 m gylyje gruntinio vandens lygis vidutiniškai pakyla 8 mm nuo kiekvieno kritulių mm. Kritulių metinė eiga ir daugiamečiai svyravimai sukelia sezoninius, metinius ar epizodinius gruntinio vandens lygio pokyčius. Sezoniniai susijęs su kritulių ir garavimo metų ciklu, jiems būdingas periodiškumas bei didžiausia amplitudė. Metiniai svyravimai priklauso nuo įvairiais metais skirtingo kritulių kiekio ir garavimo, jie nėra dėsningi. Jų amplitudė per daugiametį laikotarpį yra mažesnė negu sezoninių pokyčių. Epizodiniai svyravimai susiję su atlydžiais ir gausiais vasaros krituliais. Jų amplitudė gali būti didžiulė. Požeminio nuotėkio pokyčiai priklauso nuo šio vandens slūgsojimo rajono geologinės sandaros bei hidrogeologinių sąlygų. Požeminio srauto debitas keisis, jei: 1) mitybos plotas bus didesnis už vandeningo sluoksnio paplitimo plotą, t.y. kuo didesnė bus dirvožemio vandens apykaitos su atmosfera zona; 2) mitybos zona yra arčiau iškrovos zonos; 3) didesnis aeracijos zonos ir vandeningojo sluoksnio uolienų laidumas. Požeminis ir paviršinis vanduo yra labai susijęs. Paviršinės tėkmės daugiausiai veikia pakrantės zonų požeminį vandenį. Iš kitos pusės, požeminis vanduo maitina upes ypač tada, kai paviršinio nuotėkio nėra arba jis menkas. Šių vandenų apykaita priklauso nuo jų lygio kaitos, hidrogeologinių sąlygų bei vietovės geomorfologinės sandaros. Pagal vandensparos slūgsojimą išskiriami du pakrantės zonų gruntinio srauto tipai (pav.9): 1) hidrauliškai susijęs su paviršiniu vandeniu (vandenspara yra žemiau upės vandens lygio); yra du jo atvejai: a) gruntinio srauto paviršius nuolaidus į upę, drenuojančią vandeningą horizontą (pav.9,a) ir b) gruntinio vandens paviršius žemėja nuo upės, todėl gruntinį srautą filtracijos dėka maitina upė (pav.9,b). Šis atvejis būdingas sausringiems pietų rajonams, kur dėl didelio garavimo gruntinio vandens ištekliai yra maži; 2) gruntinis srautas hidrauliškai nesusijęs su paviršiniu vandeniu arba laikinos dvipusės apykaitos. Hidraulinio ryšio nebus, jei srauto vandenspara bus aukščiau už maksimalų upės lygį (pav.9,c), kai tas lygis yra aukščiau upės lygio per nuseklėjimą ir užtvindomos per potvynį – bus laikinas abiejų vandens tipų hidraulinis ryšys (pav.9,d). Detalus požeminio vandens ryšys su paviršinėmis tėkmėmis apibūdinamos lentelėje 5. 5. Upių vanduo 5.1. Hidrografinis tinklas ir upyno elementai. Krituliai ir ištekantis požeminis vanduo žemės paviršiuje kaupiasi reljefo pažemėjimuose ir sunkio veikiamas teka vietovės nuolydžio kryptimi, formuodamos paviršines vandentėkmes. Didelės upės, vienok, susidaro ne iš karto. Vanduo pradžioje telkiasi į atskiras sroveles, po to į upelius, susiliejančius į upes. Upėn įteka intakai, ko dėka, upė didėja žemupio link. Poliarinėse zonose ir aukštikalnėse upės prasideda tirpstančiuose ledynuose. Neretai upės prasideda pelkėse ar išteka iš ežero. Pastaruoju atveju upė gali būti labai didelė (pvz.: Neva, ištekanti iš Ladogos). Paviršinės vandentėkmės pagal jų dydį ir tėkmės fizines-geografines sąlygų yra pastovios arba laikinos. Jų bei ežerų sistema sudaro sausumos paviršiaus hidrografinį tinklą. Pastovių pakankamai didelių srautų sistema sudaro upių tinklą. Pagrindine jų dalimi yra slėniai, kuriems būdinga didelė tįsa, matuojama nuo dešimčių iki tūkstančių kilometrų, ir pastovus srautas. Dėl paviršiaus nuolydžio upių tinklas pasiskirsto tarp įvairių pagrindinių vandens arterijų, įtekančių į vandenynus, jūras, nenuotakius ežerus arba pasibaigiančius dykumose. Jį sudaro pagrindinė upė ir įtekantys į ją intakai, pastarųjų intakai ir t.t. Upės pradžios vieta vadinama ištaka, galinčia būti šaltiniu, ledynu, ežeru ar pelke. Vieta, kur upė įteka į kitą upę, ežerą ar jūrą, yra žiotys. Atstumas nuo tolimiausios ištakos iki žiočių yra hidrografinis upės ilgis. Palyginti stambiose upėse, be to, dar išskiriamos aukštupio, vidurupio ir žemupio atkarpos. Šis išskyrimas atliekamas pagal vietovės reljefo, tėkmės greičio, vandeningumo ir kt. srauto rodiklių kaitą upės išilginiame pjūvyje. Žiotyse nusėda srautu nešamos nuosėdos, vyksta saviti vandens sąveikos su priimančio telkinio vandenimis (kita upė, ežeras, jūra, vandenynas) procesai. Čia yra geocheminio barjero zona. Įtekėjimo zonoje nusėda daug nešmenų (nuosėdų). Jie sudaro daugelio atšakų žiotis, vadinamas delta. Jai susidaryti trukdo jūrų srovės, potvyniai-atoslūgiai, staigūs gylio pokyčiai. Pastaraisiais atvejais upė įsilieja jūron viena plačia vaga, sudarydama piltuvo formos užtakį vadinamą estuarija. Savita pastarosios forma yra limanas, susidarantis grimzdant pakrantei, išliekant būdingiems upės slėnio vingriams. Nerijos atskirta jūros pakrantės dalis vadinama lagūna – jau jūros dalimi prie upės žiočių. Tokiomis tad yra ir Kuršių Marios. Limanų gausu Juodosios jūros šiaurvakarinėje pakrantėje. Neretai nešmenys, atnešti į jūrą, nusėda už upės žiočių ribų, sudarydami priežiotinę seklumą – barą. Žemupyje upės režimas akivaizdžiai kinta – sumažėja tėkmės greitis, upe kyla potvynių-atoslūgių ar patvankų srovės, maišosi gėlas ir druskingas vanduo, upė platėja, susidaro delta ar estuarija. Savo ruožtu upė veikia ir priekrantinę jūros dalį. 5.2. Upynų struktūra, upių tinklas ir baseinas Upių tinklas būna įvairiai išsišakojęs, priklausomai nuo paplitusių baseine gruntų, reljefo, augalijos bei kritulių kiekio. Laidžių uolienų atveju didžioji kritulių dalis į upių vagą patenka požeminiu srautu. Tada vagų tinklas išsivystęs silpnai. Toks reiškinys būdingas karsto paplitimo rajonuose. Kuo aukštesnė vietovė, tuo vagų tinklas tankesnis, tuo tarpu žemi, pelkėti ir plokšti plotai turi retesnį vagų tinklą. Kalnuose, kur kritulių yra daugiau nei lygumose ir dažnai yra kitos uolienos, vagų tinklas tankesnis. Miškuose vandens filtracijos sąlygos geresnės, todėl vagų tinklas retesnis nei bemiškėse teritorijose. Kaipgi apibūdinamas tinklo tankumas? Vagų tinklo tankumas (d) apibūdinamas kaip visų vandentėkmių tam tikrame plote bendro ilgio (ΣL, km) santykis su šiuo plotu (F, km2): d= ΣL/F km/km2 Kuo stambesnis žemėlapio mastelis, tuo tiksliau nustatomas vagų tinklo tankumas. Kuo daugiau vietovėje yra mažų upelių, tuo jie trumpesni. Įvairaus ilgio upių skaičius 1000 km2 mažėja nuo miškų zonos pusdykumių zonos link. Vadinasi, nepakankamo drėkinimo zonoje vidutinis mažų upių ilgis yra didesnis nei geriau drėkinamuose rajonuose. Tundroje ir miškų zonoje griovų ir raguvų tinklo tankumas yra 2-3 kartus mažesnis už vagų tinklo tankumą, o miškastepių zonoje – 1,5-2 kartus didesnis. Vagų tinklo tankumas rodo ir vidutinį atstumą tarp gretimų vandentėkmių. Be pagrindinio hidrografinio tinklo, žemės paviršių vagoja gausus smulkių vagelių, išplovų ir įdubų tinklas, priklausantis nuo vietovės mikroreljefo. Todėl paviršiumi vanduo šlaitais nuteka ne ištisiniu sluoksniu, o įvairiomis srovelėmis. Dėl tokio nuotėkio prasideda viršutinio dirvos sluoksnio nuoplova vadinama plokštumine erozija. Esant dideliam paviršiaus nuolydžiui ir ilgiems šlaitams, srovelės ilgainiui susilieja į upokšnius, išplaunančius 5-20 (ir daugiau) cm gylio išplovas-gremžles. Jei šios gremžlės, suformuotos gausių tirpsmo ir liūčių vandens srautų neišlyginamos, turime naują vandens erozijos tipą – griovų eroziją. Erozijos intensyvumas priklauso nuo grunto tipo, šlaitų nuolydžio bei ilgio, augalijos ir kritulių režimo. Šie duomenys svarbūs agropriemonių bei miško melioracijos priemonių taikymui plokštuminei dirvožemio erozijai sumažinti. Paviršiaus plotas kartu su dirvožemio-grunto storyme, kurios vanduo maitina upių sistemą ar atskirą upę sudaro upyno (upės) baseiną. Kiekviena jų turi paviršinį ir požeminį baseinus. Paviršinis baseinas yra plotas, iš kurio vanduo suteka į upyną (upę). Požeminį sudaro grunto storymė, kurios vanduo suteka į upyną. Gretimų upių paviršinius baseinus skiria takoskyra, einanti per aukščiausius paviršiaus taškus tarp besiribojančių upių baseinų. Dažniausiai paviršinis ir požeminis baseinai nesutampa, bet pastarojo ribas nustatyti yra sunku. Sausringuose lyguminiuose baseinuose yra didelės sritys, iš kurių vanduo nenuteka į pagrindinę upę, bet išgaruoja ir maitina požeminį vandenį, nutekantį jau už tiriamojo baseino ribų. Tokios nenuotakios sritys nepriklauso upės baseinui. Šių sričių dydis gali kisti nuo metų vandeningumo: vandeningais metais jos mažėja, nevandeningais – didėja. Nenutrūkstanti grunto erozija gali baigtis dviejų gretimų upių takoskyros praplovimu vadinamu vandens pagrobimu arba maišymusi (susiliejimu). Šis susiliejimas gali būti dėl bifurkacijos – upės skaidymosi į atšakas (žemupyje). Atsiskyrusios atšakos žemiau pagal tėkmę vėl gali įsilieti į pagrindinę vagą arba nutekėti į kaimyninį baseiną, pvz.: Suomijos įlankoje Lugos upės Rasonės atšaka nesusilieja su Luga, bet įteka į Narvą ties jos žiotimis. Upių baseinas apibūdinamas morfometriniais rodikliais – upės ilgiu, baseino plotu ir kt. Upės ilgis – kilometrais išreikštas atstumas nuo ištakos iki žiočių. Jis priklauso nuo upės vingiuotumo ir nuo topografinio žemėlapio mastelio (stambesniame ilgis nustatomas tiksliau). Dėl vingiuotumo išmatuotame žemėlapyje upės ilgiui priimamos pataisos pagal įvairias vingiuotumo kategorijas. Išmatavus upių ilgius visoje jų sistemoje, susidarome hidrografinę schemą, vaizdžiai rodančią kur ir po kurio intako įteka upė, koks jos ilgis, palyginus su kitomis baseino upėmis. Vienodose fizinėse-geografinėse sąlygose esančių upių baseinų plotai rodo upių vandeningumą: kuo ji didesnė, tuo vandeningesnė. Plotui nustatyti žemėlapyje atžymima takoskyra ir planimetru išmatuojamas jos ribojamas plotas. Upės baseino plotis būna nepastovus ir kinta išilgai upės. Dėl to į vagą įvairiose atkarpose atiteka nevienodas vandens kiekis net ir tuomet, kai tirpsmo ar lietaus vandens mityba yra tolygi visame baseino plote. Pagal intakų išsidėstymą pagrindinės upės atžvilgiu išskiriami simetriniai ir asimetriniai baseinai. 5.2.1. Fiziniai-geografiniai baseino rodikliai. Tai geografinė padėtis, klimatas, geologinė sąranga, dirvožemio ir gruntų tipai, augalija ir reljefas, turintys didelę įtaką nuotėkio procesams. Geografinę padėtį nusako koordinatės – platuma ir ilguma. Aiškiai įsivaizduojame ir iš kitų nurodymų apie baseino vietą kitų upių baseinų, kalnagūbrių ir kt. atžvilgiu. Klimato sąlygos – dažniausiai lemiantis vandens režimo veiksnys. Svarbiausiais čia yra kritulių kiekis, oro temperatūra bei drėgmės deficitas. Geologinė sandara, dirvožemio ir grunto tipai sąlygoja požeminį upių mitybos pobūdį ir dydžius, infiltracinę kritulių netektį, užpelkėjimų atsiradimą ir pan. Mažuose baseinuose pageidautini specialūs šių veiksnių (terpių) tyrimai. Reljefas sąlygoja kritulių kiekį, pobūdį ir jų pasiskirstymą baseine, oro temperatūrą, vandens tėkmės sąlygas. Jis yra esminis vandeningumo ir upių režimo veiksnys. Baseino augaliją apibūdina pagrindinės jos rūšys, paplitusios jame ir plotai, kuriuose šios rūšys paplitusios. Svarbiu rodikliu yra miško masyvų paplitimo plotai (aukštupys, vidurupis, žemupys, takoskyra, upės slėnis) bei baseino teritorijos panaudojimas žemės ūkyje (ariamų naudmenų dydis ir kt.). Kiekybiniu miškų rodikliu yra miškingumo koeficientas, rodantis kokią baseino ploto dalį užima jame esančių miškų plotas. Jis išreiškiamas procentais arba vieneto dalimis. Svarbūs yra ir ežeringumo, pelkėtumo, amžino įšalo ir ledynų paplitimo rodikliai. Ežeringumo ir pelkėtumo koeficientai išreiškia ežerų ir pelkių plotų santykius su viso upės baseino plotu. Kalnų upių baseinuose svarbūs aukščio matavimo rodikliai, nuo kurių priklauso upių vandeningumas. Juos apibūdina hidrografinio baseino kreivė, esanti analogiška hipsometrinei kreivei, vaizduojančiai baseino ploto didėjimą pagal aukštį. Šios kreivės – pagrindiniai rodikliai, parodantys vidutinio nuotėkio pasiskirstymą baseino plote ir aukščio zonose. 5.3. Upių slėnių formavimosi procesai, vandens tėkmės dėsningumai ir nuotėkio režimas. Slėniais vadinamos siauros ir ilgos, dažniausiai vingiuotos, žemos reljefo formos, kurioms būdingas dugno nuolydis žiočių link. Slėniai niekada nekerta vienas kito, susiliedami į vieną bendrą pažemėjimą. Tai būdinga visiems slėniams, nepriklausomai nuo jų dydžio, kontūrų ir kilmės. Slėnius sudaro: Dugnas – žemiausia slėnio dalis, o linija jungianti žemiausius slėnio taškus yra talvegas. Slėnio dugno dalis, užimta vandeniu – upės vaga. Šlaitai – sausumos plotai, iš šonų ribojantys slėnio dugną. Terasos – palyginti horizontalios aikštelės, sudarančios laiptus įvairiame aukštyje slėnio šlaituose ir dugne. Terasa, slėnio dugne užliejama vandeniu – salpa. Žemiausioji terasa – pirmoji, aukščiau jos – antroji ir t.t. Slėnio dugnas – dažnai vingiuotas ir nevienodo ploto – tai paplatėja, tai staigiai susiaurėja. Tai būdinga slėniams, kertantiems kalnų keteras, atskirtas pažemėjimų ar skirtingos sudėties (kietumo) uolienų juostas. Slėnis gali susiaurėti ir dėl išplovimo produktų išnešimo į slėnį (išnašų kūgiai), dėl nuobyrynų, griūčių ir t.t. Bendras išilginio slėnio dugno nuolydis būna į vieną pusę, tekančio vandens užnešamas plovimo produktais, sudarydamas įdubusią žemyn parabolės kreivės formą – pusiausvyros profilį. Tokio profilio slėniuose visa vandens srauto energija eikvojama trinčiai įveikti ir medžiagai pernešti, todėl upės vagos gilinimas – giluminė erozija – baigiasi. Upių slėnių gyliai įvairūs: lygumose nuo 10-20 iki 200-300 m, kalnuose jis gali siekti net iki 2-3 km. Slėniai susidaro tekančio vandens veikloje, bet jų formavimasis ir raida priklausė nuo geologinių (tektoniniai, vulkaniniai, karstiniai, ledyno judėjimo procesai) veiksnių. Gilūs ir siauri, uolėti upių slėniai su iškiliais, labai stačiais apačioje šlaitais – tarpekliai. Tie slėniai dažniausiai jauni. Senesnių slėnių šlaitai nuolaidesni, apaugę augmenija, dugnas platus, pilnas upių nešmenų – aliuvio. Vingių susidarymas slėnio dugne dėl plaunamosios srauto veiklos yra meandravimo procesas. Vingiuojant upei, vystosi švelnūs vingiai, kinta upės kontūrai. Dalis slėnio dugno visą laiką perdirbama, formuojantis būdingoms rumbių reljefo salpoms ir senvagėms. Nepriklausomai nuo galutinės upės vagos formos, vingiuotų jos atkarpų yra gerokai daugiau negu tiesių, kadangi ši forma yra pastoviausia upei tekant palyginti lengvai išplaunamame grunte. Upei meandruojant ir nešant daug nešmenų, nuolat formuojasi įvairūs sėkliai, kuriuos laivybinėse upėse nuolat reikia gilinti. Susiformuoja ir įvairios morfologinės formos – salos, atšakos, pratakos, įlankos, seklumos, vieškrantės, paplūdimiai. Koks yra upės vagos pralaidumas, tėkmės greičio pasiskirstymas, koks yra nuolydis ir kiti srauto elementai? Apie tai sprendžiama iš vagos skerspjūvio – plokštumos, statmenos srauto srovės krypčiai ir apribotos iš apačios dugno, iš šonų – vagos šlaitų, o iš vidaus – vandens lygio linijos. Srauto vandens skerspjūvis kinta, svyruojant vandens lygiui. Kiekvieną upės vandens lygį atitinka tam tikras vandens skerspjūvis. Skaičiuojant vandens debitą, srovės greitį, kitus hidraulinio srauto elementus, pagrindiniai tėkmės skerspjūvio rodikliai išreiškiami kiekybiškai skaičiais – morfometriniais elementais. Kaip kinta dugno ir vandens paviršiaus aukštis, tolstant nuo ištakos ar žiočių rodo kreivė – išilginis upės profilis. Nagrinėjamų upės taškų aukščio ataskaita vykdoma nuo palyginimo plokštumos, dažniausiai nuo jūros lygio (m NN). Šis profilis apibūdina upės paviršiaus ir dugno nuolydžio I kitimą pagal tėkmę. Pastarasis išreiškiamas upės dugno arba vandens paviršiaus altitudžių ruožo pradžioje h1 ir pabaigoje h2 skirtumo, vadinama kritimu, ir ruožo ilgio l santykiu: I = (h1 – h2) / l Nuolydis išreiškiamas dešimtaine trupmena. Štai, jei 5 km ruože yra 1,5 m, tai nuolydis I = 1,5/5000 = 0,0003, t.y. kiekviename kilometre vidutinis kritimas bus 0,3 m. Visos upės išilginio profilio vaizdas artimas upės slėnio išilginiam profiliui. Raidos eigoje jis praeina kelias stadijas. Vaikystės ir ankstyvos jaunystės stadijose išilginis profilis dar nesusiformavęs. Ten, kur paviršiuje slūgso kietos uolienos, gausu lūžių, rėvų, slenksčių, krioklių. Jaunystės stadijos profilius turi geologiškai jaunų kalnų (Kaukazas, Alpės, Tianšanis, Himalajai) upės. Slenkstis – trumpa upės atkarpa, kur didelis kritimas ir audringa srovė. Jo vietoje upės dugne išeina sunkiai išplaunamos uolienos, stambių riedulių (reliktinių morenų) sankaupos, išnyrančios iš vandens, esant žemam vandens lygiui. Rėva (sraunuma) yra atkarpa, kurioje vienas po kito eina keli slenksčiai. Lietuvos upėse tokių vietų yra Neryje (tarp Jonavos ir Kauno), Minijoje (ties Kaltinėnais), Žeimenoje ir kt. Krioklys – upės vandens kritimas iš aukštai dėl laipto upės dugne. Pradinėje upės išilginio profilio formavimosi stadijoje erozija (išplovimo procesas) intensyvi, kadangi upės ištaka santykiniai yra aukštesnė už baseino, į kurį upė įteka, vandens lygį. Ši vandens lygio altitudė vadinama erozijos baze. Erozijos bazei žemėjant, išplovimo procesai stiprėja, išilginio profilio lyginimas tęsiasi, po truputį lėtėjant, ir profiliui pereinant į brandos stadiją. Šios stadijos profilių daugiausiai yra Sibiro kalnų sistemoje (Sajanai, Užbaikalė ir kt.), bei kalnų-lygumų pereinamojo tipo upėse. Vėlyvosios brandos (senėjimo) stadijoje išilginio profilio išlyginimas įgauna pusiausvyros būklę tarp erozijos, jos produktų pernešimo ir akumuliacijos (pastarųjų nusėdimo). Šioje būklėje profilis vadinamas pusiausvyros profiliu. Visoms upės vystymosi stadijoms būdinga erozija (išplovimas) ir vagos gilinimas aukštupyje, nešmenų tranzitas - vidurupyje ir jų akumuliacija – žemupyje. Šios atkarpos ilgėja aukštyn pagal tėkmę, t.y. išilginis profilis vystosi atsitraukiančios (regresyvios) erozijos būdu. Kalnų upėse erozijos, tranzito ir akumuliacijos atkarpos išsidėsto beveik dėsningai. Lygumų upėse jų pasiskirstymas yra daug sudėtingesnis, sąlygojamas daugelio veiksnių ir dažnai ne dėl regresyvios erozijos, bet dėl nešmenų nusėdimo žemupio (žiočių) atkarpoje. To pasėkoje, pavyzdžiui, Syr-Darjos upės metinis prieaugis yra 97 m, Misisipės – 80-350 m, Volgos – 150 m, Jang-dzy – 60-80 m, Nemuno – iki10 m. Vanduo srautu teka dėl sunkio poveikio. Jo tekėjimo greitis priklauso nuo santykio tarp sunkio dedamosios, lygiagrečios išilginio nuolydžio linijai, ir pasipriešinimo jėgos, atsirandančios dėl skystų dalelių tarpusavio trinties ir dėl vagos krantų bei dugno šiurkštumo, kurį nuo jų patiria judanti vandens masė. Sunkio dedamosios dydis priklauso nuo vandens paviršiaus nuolydžio, o pasipriešinimo jėga – nuo skysčio tekėjimo pobūdžio (laminaraus ar turbulentinio) ir nuo vagos šiurkštumo. Natūraliuose srautuose (upėse ir upeliuose), kur greitis yra didelis, laminarinės tėkmės nebūna. Gamtoje ji gali būti tik požeminiuose vandeninguose kloduose, kur vanduo teka grunto kapiliarais. Paviršinių ir stambių požeminių srautų tėkmė visada būna išsivysčiusi turbulentinė, t.y. tokia, kai juose nėra laminarinės tėkmės sričių, plonyčiais sluoksniais aptinkamų tik ant nedidelio skerspjūvio glotnių vamzdžių ar kanalo sienelių. Turbulentinių tėkmių svarbia ypatybe yra nereguliarus, atsitiktinis greičio pokytis visuose judėjimo srities taškuose, vadinamas pulsacija. Dėl pulsacinio skysčio tekėjimo gretimi jo sluoksniai visą laiką maišosi, t.y. vyksta turbulentinis maišymasis. Jo metu, jei substancija (šiluma, kurią apibūdina temperatūra, suspensijos ir kt.) pasiskirsčiusi netolygiai, tai maišantis skysčiui, ji bus pernešama iš vietos, kur jos daugiau į vietas, kur jos yra mažiau. ......................................................... Turbulentiškai tekančio skysčio gretimi tūriai sąveikauja, tarp jų vyksta apykaita, skatinanti tarpusavio stabdymo efektą, analogišką kylančiam dėl klampio jėgos laminariniame judėjime. Apykaitos ir stabdymo efekto įvertinimui vartojama ypatinga tariamojo klampio sąvoka, analoginė tikrajam fiziniam klampiui. Skysčio turbulentinio klampio koeficientas nepastovus tam tikroje temperatūroje, kinta priklausomai nuo bendrų srauto sąlygų ie dėl to skiriasi nuo fizinio klampio. Šis koeficientas yra didesnis už molekulinio klampio koeficientą 1000-1000000 kartų, t.y. turbulentinėje tėkmėje pasipriešinimas yra tiek pat kartų didesnis nei laminarinėje, esant vienodiems tėkmės greičiams. Vidutinis tėkmės greitis išreškiamas anksčiau minėta (žr. skyrių 4.1) Šezi formule (Vv=C√H(R)i). Ši formulė plačiai vartojama skaičiuojant vidutinį srauto greitį ar analizuojant bendruosius skysčio tėkmės klausimus. Iš jos matome, kad slėgio netektis hidrauliniam pasipriešinimui įveikti turbulentinio judėjimo sąlygomis yra proporcinga tėkmės greičio kvadratui. Tėkmės greitis pagal vertikalę pasiskirsto taip: maža (nulinė) reikšmė prie dugno → staigus padidėjimas aukščiau (mm atkarpoje) → tolygus greitis nuo tam tikro gylio → didžiausias greitis vandens paviršiuje, jei tėkmės čia nestabdo vėjas ar šiurkštus ledas. Greičio pasiskirstymą skerspjūvyje charakterizuoja vienodo greičio linijos – izotachos. Užšalusioje vagoje jos sudaro uždaras kreives. Vandens greičio pasiskirstymą vertikalėje ir skerspjūvyje gerokai keičia veiksniai, nuo kurių priklauso srauto greitis (dugno kyšuliai, sietuvų-sėklių kaita, ledo danga, vandens augalija, vėjo kryptis). Įvairių laikotarpių srauto vandeningumas nustatomas pagal debitą. Srauto debitas – vandens kiekis, patenkantis pro tam tikrą skerspjūvį (m3) per laiko vienetą (sek), t.y. m3/sek. Mažų srautų debitas išreiškiamas l/sek. Debitas – svarbiausias upės rodiklis įvertinant upės vandeningumą. Debitui kintant, kinta ir vandens lygis, ir greitis, ir srauto energija. Vandens debitas formuojasi pritekančio iš baseino vandens kiekiu, tad jis nuolat kinta dėl vandens prietakos ir nuotėkio sąlygų. Vandens debitas (Q) yra vandens lygio (H) funkcija: Q=φ(H). Dažniausiai debito priklausomybė nuo lygio būna vienareikšmė. Vadinasi, nubraižę šią priklausomybę, pagal nedidelį kiekį debitų, išmatuotų vandens lygio svyravimo, amplitudės ribose, labai paprastai net nematuodami nustatome debitą. Vienareikšmis jų ryšys nutrūksta, esant laikinai patvankai ir praeinant potvynio bangoms, sukeliančioms papildomą nuolydį, ar pakitus srauto šiurkštumui (atsiradus augalams ar ledui), ar deformuojantis vagai (dėl išplovos). Tada debitas priklausomas ir nuo lygio, ir nuo vandens paviršiaus nuolydžio. 5.5. Cirkuliacinės srauto tėkmės. Srauto išlinkyje prie įgaubtojo kranto vaga gilėja, prie išgaubtojo gi – susidaro sekli nuolaiduma (pav.: ). Upės vagoje yra dvi tėkmės: viršutinė – konverguojanti, pleišto formos, vedlinėje nusileidžia iki dugno, darydama jame išilgines, lygias išgraužas; dugninė, diverguojanti, vėduoklės formos, nukrypsta nuo pirmosios krypties vedlinėje iki beveik statmenos krypties į krantą. Pastarosios tėkmės dėka, vedlinėje išplautas gruntas iš įgaubtojo kranto pernešamas į išgaubtąjį ir susiklosto ant nuolaidžių seklumų, risdamasis jomis zigzagais įstrižai smėlio volelių paviršiaus. Šių tėkmių (sutraukiamosios ir išskleidžiamosios) susidarymas aiškinamas tuo, kad greta vedlinės srovė traukia vandenį iš šonų (pav.11,a). Tada vedlinės zonoje vandens lygis kiek aukštesnis (pav.11,b) ir tiesiojoje upės atkarpoje atsiranda cirkuliacinės srovės, statmenoje tėkmės krypčiai plokštumoje sudaro du uždarus kontūrus, suartėjančius paviršiuje ir išsiskiriančius prie dugno. Vandeniui tekant pirmyn, šios srovės upėje yra įvijų formos tėkmėmis (pav.11,c). Esant posūkiui, vedlinė priglunda prie įgaubtojo kranto tuo arčiau, kuo staigiau krantas pasisuka. Į vedlinę vanduo įtraukiamas tik iš vienos pusės ir vietoj dviejų cirkuliacinių kontūrų tiesios tėkmės atveju atsiranda vienpusė cirkuliacija (pav.12). Išlinkusioje sietuvoje vandens čiurkšlė, liečianti krantą dėl grunto pasipriešinimo nukrypsta nuo pradinės krypties, judėdama išilgai kranto. Gretima čiurkšlė juda tiesiai, spaudžia pakrantinę ir, atsimušusi į krantą, nukrypsta jau kito kranto link. Atsispindėjusios čiurkšlės jau prarado greitį ir negali pasipriešinti kitų čiukšlių slėgiui.Jos leidziasi zemyn,sudarydamos prie dugno tekme, einančią gilyn ir į kitą krantą. Paviršinės tiesios ir nukrypusios dugninės čiurkšlės formuoja bendrą cirkuliaciją, kurioje greitis a srityje (pav.12.) bus didžiausias, b – sumažėjęs, o c srityje, kur srūviai išsiskleidžia – bus mažiausias. Kartu čia ima nusėdinėti ir nešamos dalelės. Išlikusioje sietuvoje tėkmė yra įvija ir, jei sietuva yra išlinkusi į dešinę, tėkmė juda pagal laikrodžio rodyklę, jei į kairę – prieš laikrodžio rodyklę. Ši konverguojamų srovių krypties pobūdis vadinamas samplaikine (sutraukiamąja) tėkme. Sėkliuose čiurkšlės sudaro vadinamąją vėduoklinę tėkmę. Čia vaga yra tiesi, tėkmės skerspjūvyje nėra čiurkšlių sutankėjimo ir jų leidimosi žemyn. Gyliui esant mažesniam, čiurkšlių greičiai įvairiuose gyliuose yra vienodesni. Todėl čiurkšlės čia išsisklaido po visą tėkmės skerspjūvį. Vandens lygiui kintant, keičiasi ir greičiai sietuvose bei sėkliuose, o tuo pačiu ir dugno išplovimas, dalelių pernešimas ir jų nusėdimas sėkliuose išgaubtojo kranto pusėje. 5.5.1. Išcentrinės jėgos ir jų įtaka upės srautui. Iš pateiktos tėkmių schemos, vienok, nežinomos jėgos, sukeliančios cirkuliacines tėkmes. Apie jas galima spręsti pagal išcentrinės ir Žemės sukimosi kreipiančiosios jėgų (Koriolio jėga) poveikio vandens dalelėms sampratą. Vandens dalelę (čiukšlę), judančią vingyje, veikia išcentrinė jėga: P1=mv2/R , kur: m – skysčio dalelės masė, v – išilginio dalelės judėjimo greitis, R – judėjimo trajektorijos kreivumo spindulys. Ši jėgos kryptis sutampa su kreivumo centro spinduliu (13 pav.,a). Šios jėgos veikiamos vandens dalelės slinks link įgaubtojo kranto ir atsiras skersinis vandens lygio nuolydis išgaubtojo kranto link. Skersinis nuolydis (is), susidaręs dėl išcentrinės jėgos poveikio (17 pav.,b) bus lygus: is=tgγ=P1/φ=mv2/R:mg=v2/Rg , kur g-laisvojo kritimo pagreitis, φ – srauto plotas. Taip, jei vv=2m/s, R=100m, tai tgγ=0,004. vadinasi, upės pločiui esant 50m, vandens lygis ties įgaubtuoju krantu bus: 50x0,004=0,2m aukštesnis nei prie išgaubtojo kranto. Išcentrinė jėga yra tiesiog proporcinga vandens tėkmės greičio kvadratui, todėl išcentrinės jėgos P1 pasiskirstymo vertikalėje epiūra primena vandens greičio pasiskirstymo vertikalėje epiūrą (pav. 13,a). Dėl skersinio nuolydžio atsiradęs slėgio perteklius (isγ) kiekvienoje nagrinėjamo skerspjūvio vertikalėje bus vienodas einant gilyn (pav.13,b) (čia γ – vandens tūrio vieneto sunkis). Atstojamojoje epiūroje, vaizduojančioje išcentrinės jėgos ir slėgio pertekliaus sumą, viršutinėje dalyje jėgų vektorių kryptis bus į įgaubtąjį krantą (čia mv2/R>isγ), o apatinėje – į priešingą pusę (pav.13,c). Dėl tokio jėgų pasiskirstymo atsiranda vandensrūvos, viršutiniuose sluoksniuose nukrypstančios į įgaubtą krantą, apatiniuose – į priešingą pusę. Prasidedant išilginio greičio dedamajai, ši cirkuliacija tampa įvijine. Judančias vandens daleles veikia ir Žemės sukimosi kreipiančioji jėga. Žemės rutuliui sukantis kampiniu greičiu W=2π/86400=0,0000729 rad/s, kiekviena materiali dalelė, žemės atžvilgiu judanti greičiu v, įgyja papildomą pagreitį, kurio horizontali dedamoji lygi W=2vwsinγ, kur γ – vietos platuma. Padauginus šį pagreitį iš dalelės masės m, gauname jėgą P2=2vmwsin γ, kuri Š. pusrutulyje judančios dalelės trajektorijai yra statmena dešinėn, P. pusrutulyje – kairėn pusėn. Suvokimui iš kurgi atsiranda Žemės sukimosi kreipiančioji jega, išsiaiškiname kaip sukimasis gali veikti Žemės paviršiumi slenkančių kūnų judėjimą. Tam tikslui skiriame: 1) kūno judėjimą Žemės atžvilgiu (santykinis judėjimas) ir, 2) jo judėjimą kartu su Žeme jos ašies atžvilgiu (nešamasis judėjimas). Būdami Žemės paviršiuje, galime nustatyti tik santykinį judėjimą. Nešamąjį gi – tik būdami už Žemės paviršiaus ribų. Tada nustatytume, kad nevienodai nutolę nuo ašigalių taškai, sukantis Žemei, juda skirtingu greičiu: maksimaliu – ekvatoriaus zonoje, minimaliu (beveik nejudančios) – sritys prie ašgalių. Taip, taškas ekvatoriuje nukeliauja per parą ~ 40 tūkst. km (ekvatoriaus ilgis). Jo nešamasis greitis bus 40000x1000/86400=463 m/s (86400 – sek/parą). Tuo tarpu kelias, kurį taškas nukeliauja 60º platuma, yra du kartus mažesnis, tad jo nešamasis greitis bus 231 m/s. Taškas ašigalyje sukantis Žemėje nejuda ir jo nešamasis greitis bus lygus 0. Taigi, kūnas judantis Š. pusrutulyje pastoviu santykiniu greičiu Žemės paviršiumi iš šiaurės į pietus, nuolat pereina iš mažesnio linijinio sukimosi apie Žemės ašį greičio zonų į didesnio greičio zonas, t.y. jo nešamojo judėjimo greitis kinta. Kintant judėjimo greičiui arba krypčiai, atsiranda inercijos jėga, rodanti kūno pasipriešinimą bet kokiam jo judėjimo greičio ir krypties pokyčiui. Ši jėga visuomet yra priešingos krypties negu pagreitis. Iš anksčiau pasakyto matome, kaip atsiranda Žemės sukimosi kreipiančioji jėga. Jei srautas teka iš šiaurės į pietus (I), tai vandens dalelių, judančių nuo ištakos žiočių link, nešamasis greitis v1, v2, v3….bus skirtingas ir vis didės (pav…). Atsirandantis dalelės nešamojo judėjimo pagreitis turi vakarų-rytų kryptį. Jam priešinga dalelių inercijos jėga nukreipia dalelę (srautą) rytų-vakarų, t.y. dešiniojo kranto link. Srautui tekant iš pietų į šiaurę/II/, vandens dalelė pereis iš didesnio nešamojo greičio sričių į mažesnes, todėl jos nešamasis judėjimas turi neigiamą pagreitį, nukreiptą prieš sukimosi greitį (pagal stojančio traukinio pagreitį, esantį priešinga judėjimo krypčiai). Vadinasi, dalelę veikiančios inercijos jėgos kryptis sutaps su Žemės sukimosi kryptimi, t.y. ji stums dalelę į rytus, o taip pat link dešiniojo kranto. Srautui tekant platumine kryptimi (iš V į R ar atvikščiai), jo dalelių nešamasis greitis bus pastovus, tačiau skirsis nešamojo judėjimo kryptis ir dėl to atsiras inercijos jėga. Tai aiškiai matome iš pav.14, kuriame pavaizduota upės tos pačios atkarpos padėtis dviem nuosekliais laiko momentais. Dėl nagrinėjamos vagos atkarpos poslinkio į vakarus srauto judėjimo kryptis (parodyta strėlėmis) tarp 1 ir 2 momentų pakito tam tikru kampu – iš kairės į dešinę pagal tėkmės kryptį. Šiam pokyčiui priešinasi inercijos jėga, nukreipdama tėkmę priešinga – kairiojo kranto (k.k.) linkme. Srautas, tekantis iš vakarų į rytus (III), sukdamasis su Žeme, tarp 1 ir 2 momentų pasislinks priešinga kryptimi, pasisukdamas tam tikru kampu iš dešinės į kairę pagal tėkmę, todėl inercijos jėga bus nukreipta dešiniojo kranto (d.k.) link. Vadinasi, inercijos jėgos, kylančios dienovidinės krypties srautuose, priklauso nuo nešamojo greičio dydžio pokyčių, o platuminiuose – nuo srauto krypties pokyčių. Srautus, tekančius įvairiomis kryptimis, veikia abu veiksniai. Nepriklausomai nuo krypties, Žemės sukimosi kreipiančioji jėga judančią vandens masę stumia Š. pusrutulyje – į kairę,P.pusrutulyje-i kaire. Jėga, veikianti į analoginius krantus, kranto masės vienetui bus lygi: P2=2vmwsin γ Ši jėga veikia pastoviai, nepriklausomai nuo srauto kreivumo ir gali būti cirkuliacijos tiesioje upės atkarpoje priežastimi. Cirkuliacijos mastus sąlygoja srauto dydis. Atkarpose su įlinkusiu dešiniuoju krantu prie jėgos P2 prisideda išcentrinė jėga, veikianti įlinkyje. Ji bus lygi: P1=v2/R Vadinasi, vandens dalelę dešiniojo kranto link veiks jėga, tenkanti tekančios masės vienetui (Pd): Pd=P1+P2=v(v/R+2wsin γ). Įlinkusiam esant kairiajam krantui, jo link veiks jėga (Pk }, lygi Pk=P1-P2=v(v/R+2wsin γ). Taigi, srauto vingiuose Žemės kreipiančioji jėga algebriškai sumuojasi su išcentrine jėga, sustiprindama arba susilpnindama išcentrinės jėgos sukeltą cirkuliaciją, kuri aptarta anksčiau (pav.14). 5.6. Upės nuotėkio režimas. Upių vanduo formuojasi iš iškritusių ant žemės paviršiaus kritulių, dalyvaujančių Žemės vandens apytakoje. Vanduo, maitinantis upes, skirstomas į sniego, lietaus, požeminį ir ledynų. Nesant galimybių tiksliai nustatyti įvairių šaltinių vaidmenį visos upės nuotėkio formavimuisi, sakoma „upė yra mišrios mitybos“. Mūsų platumose ~ 60% upių maitina sezoninio tirpsmo vanduo. Pietinėse kontinento dalyse, gruntiniam vandeniui esant giliai ir upėms jo nedrenuojant bei vasaros lietums nesudarant paviršinio nuotėkio, vieninteliu mitybos šaltiniu yra pavasarinio sniego tirpsmo vanduo. Einant į šiaurę, didėja gruntinio ir lietaus maitinimo dalis. Gruntinės mitybos dalis didėja, didėjant baseinui. Išilgai upių esant skirtingoms fizinėms-geografinėms sąlygoms, mityba gali gerokai kisti. Amžinojo įšalo srityse, upių mitybos šaltiniais yra sezoninis lietaus ir sniego vanduo. Upių, kurių mityboje vyrauja lietus (Kolchidos žemuma, T. Rytų upės, tekančios musoninio klimato srityse), yra daug mažiau nei sniego mitybos upių. Kalnuose upių mityba itin įvairi, priklausanti nuo aukščio ir klimato sąlygų – aukštėjant, didėja sniego mityba. Kur paplitę ledynai, didėja jų vandens mityba. Mitybos sąlygų pokyčiai įgalina išskirti keletą upių nuotėkio režimo fazių: 1) potvynis, 2) poplūdis ir, 3) nuosėkis. Potvynis būna pavasario, vasaros ar pavasario laikotarpiais, priklausomai nuo jo formavimosi sąlygų įvairiose geografinėse aplinkose. Jo metu būna didžiausias upės vandeningumas metuose, aukštas vandens lygis, kylantis ilgai, vyksta vandens išsiliejimas iš vagos į salpą. Vienos klimatinės zonos upėse potvynis vyksta tuo paties sezono metu, nors jo intensyvumas ir trukmė gali būti įvairūs. Potvynį formuoja pagrindinis mitybos šaltinis. Poplūdis – tai greitas ir neilgalaikis vandens lygio pakilimas upėje. Nuo potvynio jis skiriasi formavimosi nereguliarumu. Maksimalus jo lygis ir debitas gali būti didesni net už atitinkamus potvynio elementus. Poplūdis susidaro iškritus gausiam lietui, liūtims ar atlydžio metu ištirpus sniegui. Poplūdžiams priskirtinas ir kasmetinis vandeningumo padidėjimas rudenį dėl lietaus ir sumažėjus garavimui. Šie reiškiniai kartojasi kasmet, bet nėra tokie reguliarūs ir tokie galingi kaip potvynis. Nuosėkis – upės vandens režimo fazė, kuriai būdingas žemiausias vandens lygis ir debitas, sumažėjęs ar visai nutrūkęs paviršinis prietėkis. Ši fazė išlieka pastoviai ilgai – ištisą sezoną. Upių mityba tuo metu vyksta gruntiniu vandeniu. Jo pradžia bei trukmė priklauso nuo upės vandens režimo veiksnių. Pasaulyje dažniausiai būna du – vasaros ir žiemos nuosėkio periodai. Vandens režimo fazių kaitos vaizdas ryškėja iš tipinių vandens debito svyravimo grafikų. Tipinė arba normali bus hidrograma, rodanti bendrus daugelio metų debito kaitos bruožus, nesant pavienių, atsitiktinių ypatybių. Norint gauti tokią hidrogramą, reikia nustatyti vidutinius daugiamečius būdingų pavienių taškų (potvynių pradžia, jo maksimumas, pabaiga ir kt.) ordinačių (debito) ir abscisių (laiko) dydžius. Per šiuos atraminius taškus brėžiamas grafikas taip, kad metų nuotėkio tūris pagal tipinę hidrogramą atitiktų vidutinį jo daugiametį dydį. Būdingiems hidrogramos lūžio taškams nevisuomet esant ryškiems, hidrograma sudaroma ne itin objektyviai. Dažnai tipinėje hidrogramoje nurodomas būdingų taškų pokyčių ribos (dydis ir laikas, žr. pav. 15). Požeminio nuotėkio vaidmenį upių mityboje atspindi pav.16. Čia nuosėkio laikotarpio požeminis nuotėkis atskirtas nuo potvynio vertikaliomis tiesėmis AB ir DE. Prasidėjus potvyniui, požeminė mityba nutrūksta, bet gruntinis vanduo į vagą patekęs potvynio pradžioje, dar teka upe iš aukštupio kartu su potvynio banga. Esant atitinkamam tėkmės greičiui ir atstumui, gruntinis vanduo iš tolimiausių baseino dalių galinį pjūvį pasieks taške F. Suprantama, jo debitas mažės proporcingai laikui (linija BF). Pasibaigus potvyniui aukštupyje, vėl prasidės požeminė mityba, kurios vanduo galinį pjūvį pasieks taške G, t.y. n dienų anksčiau nei baigėsi potvynis. Šiuo laiku didės gruntinio vandens debitas (linijaGD) ir toliau jis išliks santykinai pastoviu iki sekančio potvynio. Priimant požeminio nuotėkio didėjimą pagal tiesę, tuo pačiu nubrėžiame liniją BCD skiriančią paviršinį ir gruntinį nuotėkį. Detalūs tipinių upės nuotėkio hidrogramų skaidymo atvejai pateikiami pav.17. Jie pagrįsti hidrogeologinėmis sąlygomis ir požeminio nuotėkio į upes režimu. Kalnų upių, kurių maitinimas yra sudėtingas sniego, lietaus, gruntinio ir ledynų nuotėkio derinys, hidrogramų išskaidymas pagal mitybos šaltinius itin sudėtingas. Tai įmanoma padaryti išsamios fizinių-geografinių baseino sąlygų analizės dėka nustatytų mitybos šaltinių ir laiko, per kurį vanduo iš jų patenka į upyną, parametrus. Būtina, be to, palyginti nuotėkio metinę eigą su kritulių ir oro temperatūros pasiskirstymu metų laikotarpyje. Potvynių ir poplūdžių formavimąsi sąlygoja hidrometeorologinės (vandens patekimas į baseiną ir nuotėkio netektis) ir hidromechaninės (vandens tekėjimo iki galinio pjūvio mechanizmas) sąlygos. Hidrometeo veiksniai pavasario potvynio metu yra: 1) vandens atsargos sniege prieš pradedant tirpti ir jų pasiskirstymo baseine pobūdis, 2) lietaus vanduo, patenkantis potvynio metu į baseiną, 3) meteosąlygos, nuo kurių priklauso sniego tirpsmo intensyvumas, 4) baseino dirvožemio bei grunto drėgmė, įšalo gylis, nuo kurių priklauso nuotėkio netektis. Jų poveikis potvyniui priklauso nuo baseino reljefo, miškingumo, ežerų-pelkių paplitimo. Tai veikia tėkmę iki galinio pjūvio ir nuotėkio netektį. Susikaupusi sniego masė dėl šilumos apykaitos su aplinka ištirpsta pakankamai greitai, susidarant paviršiuje dideliam vandens kiekiui. Tirpimas vyksta dideliame plote. Taip, R. Europos lygumoje tai vyksta daugiau nei 1 mln.km2, kartais net 2,5 mln.km2 , plote. Vienu metu tirpstant sniegui, potvynio metu nuteka didžiulis vandens tūris, todėl, net esant vidutinio tirpsmo intensyvumui (1-3 mm/val), stambiuose baseinuose formuojasi didžiausi per metus vandens debitai. Atvirkščiai mažiems baseinams, apimamiems liūčių, maksimalūs debitai formuojasi per lietaus poplūdžius, nes liūties intensyvumas keliasdešimt kartų didesnis už sniego tirpsmą. Lietus mažame baseine gali būti didelio potvynio priežastimi, gi dideliame – jo gali ir nebūti, nes lietus paprastai drėkina tik dalį baseino ploto. Musoninio klimato srityse, kur sniego vandens atsargos tirpsmo pradžioje yra mažos (si. Taigi, plotas, iš kurio priteka vanduo, turi priklausyti nuo vandens kiekio, patenkančio į baseiną. Upės baseine (plotas F), esančios elementarios nenuotakios įdubos baseino plotą pažymėkime φ. Tada maksimalus vandens kiekis, sulaikomas įdubos, yra S. Išreiškime jį vandens sluoksniu plote F. Į plotą φ patenkant vandens kiekiui >S, įduba darosi nuotaki, o plotas φ, buvęs nenuotakus, atitekantį baseino paviršiumi vandenį pradeda atiduoti upei. Žinoma, kad kiekviename baseine yra tam tikras nenuotakių įdubų pasiskirstymas, priklausantis nuo jų gylio, ir sąlygojantis vandens susilaikymą baseine, t.y. Σφs/F=φ(s), kur: Σφs – nenuotakių įdubų, kurių gylis S, baseinų plotų suma. Pažymint patekusio baseinan vandens kiekį x, gauname: Σφs/F=y(x). Ši funkcija priklauso nuo baseino reljefo tipo, gali būti įvairi. Suskaidytame reljefe nedaug tėra uždarų, labai gilių įdubų, tad tokio reljefo baseinams funkcija Σφs/F=y(x) sparčiai mažėja, didėjant x. Dauguma tokių įdubų yra seklios ir prisipildo vandens, esant mažam x vandens kiekiui. Plokščio reljefo su daug pelkių baseine bus daug uždarų įdubų, kurioms būdingas didelis gylis S. Tokios įdubos surenka vandenį iš didelio ploto ir, jei jos yra nepilnos, visame plote nuotėkio gali ir nebūti. Esant baseino gruntams nelaidiems vandeniui, jo susilaikymo paviršiuje suma u priklauso tik nuo patenkančio baseinan vandens kiekio x. Apie priklausomybę u=φ(x) galima pasakyti, jei x=0, tai ir u=0, jei x=dx, du=dx tai ir du/dx=1, t.y. kreivė prasideda koordinačių pradžioje 45º kampu. Vėliau u didėja, didėjant x, t.y. 1>du/dx>0. Galop, jei x yra pakankamai didelis, u artėja prie ribos umax, atitinkančios visų baseino nenuotakių įdubų užpildymą vandeniu. Umax dydis priklauso nuo baseino reljefo. Baseinuose, kur vandens į dirvožemį susigeria mažai, šis dydis lygus į baseiną patenkančio vandens kiekio ir nuotekio, kurį formuoja šis vandens kiekis, skirtumui. 5.7.2. Dirvožemio ir geologinės sąlygos. Šios sąlygos lemia vandens nusėdimą dirvožemyje ir grunte didesnio vandeningumo laikotarpiu ir vėlesnę sukaupto vandens netektį per sausmečius. Kuo laidesnės uolienos ir jų sluoksniai storesni bei kuo didesnė teritorija, tuo didesnė požeminė talpa ir jos reguliuojanti galia. Giliuose vandeninguose sluoksniuose vanduo susilaiko ilgiau, todėl giliąją požeminę mitybą reguliuojantis poveikis paviršinėms tėkmėms yra didesnis negu mitybos iš viršutinių vandeningų horizontų. Paviršinį nuotėkį itin reguliuoja didelės smėlio storymės, plyšiuotos uolienos bei karstinių rajonų dirvožemis ir gruntas. 5.7.3. Ežeringumas ir vaginis reguliavimas. Ežerų poveikis paviršinio nuotėkio režimui įvairus. Upių, tekančių per ežerus, metinis nuotėkis mažėja, nas vandens garavimas yra didesnis nei sausumoje. Pietinių ežeringų upių nuotėkis dėl itin didelio vandens garavimo (≥1000 mm), daug kartų viršijančio sausumos garavimą, yra daug mažesnis nei baseinuose upių be ežerų. Šiaurės rajonų upėms ežerų poveikis mažesnis. Visumoje, įvairiose geografinėse platumose dėl ežerų poveikio sumažėja nuotėkio norma (vandeningumas). Vandeningu laikmečiu ežerai kaupia vandenį, atiduodami jį sausmečiu, todėl ištekančių iš ežerų upių nuotėkio eiga yra tolygesnė. Žiemos metu ežeringų upių nuotėkis didesnis nei upių, ežerais nemaitinamų. Žiemą iš ežerų nuteka vanduo, sukauptas vandeningu laikmečiu. Be to, tuo metu nuotėkį iš ežerų kiek padidina sniegas, iškritęs ant ežero paviršiaus, slėgdamas leda ir išspausdamas iš ežero tam tikrą vandens kiekį. Metinė ežero vandens lygio svyravimo amplitudė priklauso nuo jo prietakos ežeran ir vandens paviršiaus ploto santykio. Esant mažai metinei prietakai ir dideliam ežero plotui, lygio amplitudė nedidelė. Atvirkščiai, esant didelei metinei prietakai ir mažam ežero paviršiaus plotui, amplitudė stipriai padidėja, priartėdama prie būdingų neežeringų upių vandens lygių pokyčių dydžių. Tad, ežerų poveikis nuotėkio tolygumui metų begyje sąlygojamas ežero geografine padėtimi. Upės aukštupyje esančių ežerų poveikis nėra žymus. Vandeningu laikmečiu išsivysčiusios upės užtvindo plačius slėnius ir vanduo, didindamas upės nuotėkį ilgesniu laikmečiu, palyginus su nelabai išvystytų slėnių upėmis. Tik didelių upių vagų talpa gali labiau reguliuoti nuotėkį. Metinis nuotėkio tolygumas priklauso nuo potvynio metu užliejamos salpos talpos. 5.7.4. Augalija ir pelkėtumas. Augalija sąlygoja sniego tirpsmo intensyvumą ir vandens tėkmės paviršiumi greitį, vadinasi, veikia ir vandens režimą. Nuotėkio režimą miškas veikia dvejopai: 1) vėlesnis sniego tirpsmas miškuose užtęsia pavasarinį potvynį ir, 2) didelė jo dirvožemio ir paklotės infiltracinė geba perveda didelę paviršinio nuotėkio dalį į dirvožemį. Tad, nuotėkis iš miškingų plotų yra tolygesnis nei iš bemiškių.Miško augalija nuotėkio eigą išlygina efektyviau, esant miškingų ir bemiškių plotų. Nedidelėse ir vidutinėse upėse, maitinamose pelkių masyvų, pavasario potvynių maksimumas mažesnis ir jo trukmė ilgesnė, mažesni vasaros lietaus poplūdžiai palyginus su bepelkinių baseinų upėmis. Pelkės paplitusios plokščio reljefo vietose, tad potvynio viršūnė yra žemesnė dėl tokio reljefo poveikio. Kitaip sakant, potvynio maksimumas pelkėtuose baseinuose mažėja ne dėl vandens susilaikymo pelkių masyvuose potvynio metu ir dėl vėlesnės sukauptų atsargų netekties per nuosėkį, bet daugiausiai dėl lėto nuotėkio ir upių išsiliejimo į plokščius slėnius. Priešingai, vasaros poplūdžiai sumažėja dėl vandens susigėrimo į durpes, kur vasarą vandens yra daug mažiau nei pavasarį. Šio poplūdžio nuotėkio tūris mažas, palyginus su pelkių masyvų akumuliacijos galimybėmis. Taip, Leningrado srityje iš upių baseinų su 30-60% ploto vieneto pelkėtumu, rugpjūtyje nuteka 30-40% mažiau vandens nei baseinuose be pelkių. 5.7.5. Ūkinės veiklos poveikis vandens režimui ir kokybei. Ūkinė veikla neretai aktyviai veikia vandens režimą. Šio poveikio priežastys yra šios: 1) tvenkinių – nuotėkį reguliuojančių užtvankų statyba, 2) melioracijos (drėkinimo) priemonių platesnė panauda, 3) nuotėkio perskirstymas baseino viduje ir tarp jų, 4) agro- ir miško-techninių priemonių panaudojimas baseine, 5) vandens tiekimas pramonės įmonėms bei gyvenvietėms bei panaudoto vandens išleidimas į upes. Nuotėkio reguliavimas ruošiant tvenkinius yra efektyviausias suderinti netolygų nuotėkio pasiskirstymą metų laikotarpiu su ūkio poreikiais, kurių tenkinimui reikia tolygaus nuotėkio. Tvenkinio įtaka upės vandens režimui puikiai iliustruoja pav.18, kuriame pateiktas Volgos ties Jaroslavliu natūralus ir pakitęs vandeningumas, pastačius Rybinsko tvenkinį. Akivaizdžius pokyčius mes matome ir Nemune, pastačius Kauno hidroelektrinę 1959m. Iki to laiko būdavo pastovūs pavasario potvyniai Nemuno ir Neries santakoje ir žemiau bei Neryje aukščiau iki pat Vilniaus. Ledų sangrūdos pakeldavo vandens lygį, užtvindydamos Kauno senamiestį, Panemunės gyvenvietes ir netgi Vilniaus Neries pakrantes bei senamiesčio dalį. Po užtvankos pastatymo katastrofinių potvynių nėra. Hidrotechninės priemonės (ypač tvenkiniai) keičia ne tik vandens režimą, bet ir vaginius procesus, ledo ir termines sąlygas. To pasekoje kinta nešmenų judėjimo sąlygos, jie kaupiasi užtvankoje (tvenkinyje), nors žemiau vyksta jų išnešimas iš dugno ir krantų, nors ir žymiai mažesniu mastu nei iki tvenkinio įrangos. Užtvankos suspaudžia srautą, todėl, atsiradusios vietinės deformcijos ir pakitęs reguliuojamas nuotėkis, keičia vaginius procesus ilgame upės ruože žemiau įtvarų. Intensyvėja tvenkinio krantų ardymas (pavyzdžiui, Kauno mariose). Kuo didesnė tvenkinio lygio pokyčių amplitudė per metus ir daugiametį laikotarpį, tuo procesai intensyvesni ir sunkėja pakrantės zonos sutvarkymas. Dėl vandens masės šiluminės inercijos tvenkiniuose vėluoja ir trumpėja rudeninis ledonešis, tvenkiniai užšąla greičiau nei upės. Jie anksčiau nei upės nuledėja. Intensyviai kinta paviršinio vandens režimas intensyvaus drėkinimo rajonuose (V. Azija, Ukraina, Pavolgis, Š. Kaukazas ir kt.). Platus Amu- ir Syr-Darjos upių panaudojimas drėkinimui veda prie Aralo ežero, į kuri įteka šios upės, seklėjimo, kuris jau paseklėjo 5 (vietomis net 10) m. Vandens balanso ir hidrografinio tinklo pokyčiai, susiję su melioracija ir drėkinimu, gali teigiamai ar neigiamai veikti vandens išteklius. Agro- ir miško-techninės priemonės (teritorijos išarimas, apsauginių miško juostų kūrimas, sniego sulaikymas laukuose)vandens balansą veikia teigiamai, ypač sauso klimato atveju. Jos sulaiko paviršinį nuotėkį laukuose, o sukauptos drėgmės dalis papildo gruntinio vandens atsargas, tuo tarpu kitą jos dalį augalai suvartoja transpiracijai. Upių metinio nuotėkio norma, išarus jų baseinus 100%, pakinta įvairiai, priklausomai nuo grunto sudėties: jei baseinus dengia molis, išarimas nuotėkį veikia ~2 kartus mažiau, jei smėlis ar priesmėlis – daugiau. Didėjant vidutiniam baseino nuolydžiui, arimo įtaka nuotėkiui mažėja, nuolydžiui mažėjant – gali gerokai padidėti. Nuotėkis priklauso ir nuo arimo krypties (skersai ar išilgai izobačių) bei gylio. Melioracijos priemonės mažiau pakeičia nuotėkio dydį, jei upės drenuoja gruntinį vandenį. Šios priemonės vandens išteklius keičia kiekybiškai. Gėlo vandens mažėjimas dėl taršos riboja pramonės ir žemės ūkio vystymasi, blogėja darbo ir poilsio sąlygos. Manoma, kad 37% į telkinius išleidžiamo panaudoto vandens yra užteršta. Jis praskiedžiamas švariu vandeniu 1:5 ar net 1:20. Svarbios yra inžinerinės natūralaus vandens apsaugos nuo teršimo priemonės. Tai pakartotinis ir apytakinis aprūpinimas ir ciklai, valymo įrenginiai, gamybos technologijos pokyčiai. Jų taikymas priklauso nuo hidrologinio režimo rodiklių ypatumų. 5.8. Vandens lygio režimas. Vandens lygis kinta dėl sutekančio į upę vandens kiekio pokyčio, t.y. kinta vandens paviršiaus aukštis virš tam tikros sąlyginės plokštumos. Jis žemėja arba didėja. Tad, šį lygio kitimą sąlygoja vandens tūrio, pratekančio pro tam tikrą vagos pjūvį, t.y. vandens debito, pokyčiai. Didėjant debitui, upės lygis kyla, mažėjant – lygis krinta. Esama šių pokyčių atvejų dėl kitų priežasčių: 1) vagos dugno kilimo arba žemėjimo, nusėdant nešmenims ar juos ir grunta išplaunant, 2) įvairių dirbtinių įtvarų (užtvankos) upėje, atsirandant kintančiai patvankai ir kartu kintant natūraliam įprastam vandens lygio režimui, 3) vagos užaugimo hidrofitais, esančiais papildomo pasipriešinimo tėkmei priežastimi; jo įveikimui vandens lygis paaukštėja, ledo susidarymo ir jo buvimo vandens paviršiuje ir tėkmės skerspjūvyje, vėjo sanpūtos ir nuoputos - daž\nų upių žiotyse bei potvynių-- atoslūgių reiškinio. Vienalaikis daugelio minėtų veiksnių poveikis žymiai veikia vandens lygį, formuodamas sudėtingą jo režimą. Toks reiškinys būna ir Klaipėdoje, kai polaidžių ir liūčių metu ilgai trunkantys vakarų-šiaurės vėjai patvenkia Kuršių marių vandenį jūriniais vandenimis ir vandens lygis Klaipėdos sąsiauryje pakyla 1-1,5 m. Vandens lygio svyravimai įgalina nustatyti atskirų upės slėnio ruožų užtvindymo zonas ir trukmę, potvynio bangos judėjimo upe greitį ir bendrą upės vandeningumo pobūdį pokyčių metų eigoje ir per daugiametį laikotarpį , maksimalius potvynius ir kt. Ordinačių ašyje atidedant stebėtą vandens lygį, abscisių – laiką, nubrėžiamas vandens lygio svyravimo per dominantį laikotarpį grafikas. Jei viename lape nubrėžiamas vandens lygio pokytis tais pačiais metais, bet skirtinguose stebėjimo postuose, gauname potvynių ir poplūdžių formavimosi dėsningumus. Būdingiausius vandens lygio chronologinės eigos bruožus per metus ar kitokį laikotarpį (potvynį, nuosėkį) rodo tipinis vandens lygio grafikas. Jo sudarymui reikia nustatyti būdingų jo taškų (pavasario vandens kilimo pradžia, potvynio viršūnė, potvynio pabaiga, žemiausias nuosėkis ir kt.) aukštį ir datas. Iš šių būdingų vandens lygių svarbiausiais yra: 1) aukščiausias lygis per metus , 2) pavasario ledonešis, 3) rudens ledonešis, 4) vasaros ir rudens poplūdžiai, 5) vasaros ir žiemos žemiausias nuosėkis. Nežiūrint gausių, aukščiau pateiktų vandens lygio pokyčio eigos ypatybių, būdingiausiais atvejais pagal jų priežastis skiriame pagrindinius vandens lygio režimo tipus: 1) jo svyravimas dėl srauto vandeningumo (nuotėkio normos) pokyčių, 2) svyravimai dėl vagos pasipriešinimo tekėjimui pokyčių, 3) svyravimai dėl vėjinės nuopūtos ir sampūtos bei dėl potvynio ir atoslūgio, 4) svyravimas dėl natūralios ar dirbtinės patvankos. Vandeningumas sąlygoja sezoninį vandens lygio svyravimo pobūdį. Didelių upių žemupiuose vandens lygio eiga sklandi, jis ne taip staigiai kyla ir lėčiau slūgsta per nuotėkį. Svyravimo amplitudės jose yra 6-12 m ribose (Nemune 1-3m) ir didėja nuo ištakos iki priežiočio ir vėl mažėja žiočių ruože. Mažesnių upių vandens lygio amplitudės yra mažesnės nei didelių, jų dydis sąlygojamas nuo upės slėnio profilio bruožų: vienodai kintant vandeningumui, siaurose slėnio vietose lygio svyravimas bus didesnis nei platesnėse. Upėse, ištekančiose iš ežerų ir kurių baseine yra daug pelkių, turi palyginti tolygią lygio eigą ir mažesnes jo amplitudes nei upėse be ežerų ir pelkių. Vandens pasipriešinimo tėkmei pokyčiai sąlygoja vietinius, nesusijusius su vandeningumu vandens lygio svyravimus. Būdingiausi pokyčio atvejai susiję su vandens augalų vystymusi ir ledo dangos, ir vidinio ledo susidarymu. Augalai veikia mažesnių upių lygį – jis pradeda kilti, nors debitas ir nedidėja. Toks lygis išsilaiko iki žūva augalai. Kuo labiau užauga vaga, tuo aukštesnis bus vandens lygis. Ledas irgi didina vandens lygį. Pradiniu jo susidarymo metu ir rudens ledonešyje vandens lygis pakyla nedaug ir aukštėja, ledo masei sraute didėjant. Sustojusi (užsąlant) ledo masė gerokai didina pasipriešinimą tėkmei ir vandens lygis staigiai pakyla – net 1-2 m didelėse upėse. Vėliau, kai po ledu susikaupęs ižas išplaunamas ir sumažėja apatinio ledo dangos paviršiaus šiurkštumas, vandens lygis kiek žemėja. Tačiau pakilęs lygis išlieka per visą žiemą. Nuopūtos-sanpūtos ir potvynio-atoslūgio vandens lygio svyravimai būdingi lygumų upių žiotims. Pastarieji gali būti tik jūrose su potvynių-atoslūgių reiškiniais. Pirmieji atsiranda dėl vėjo poveikio į upės vandens paviršių ir priklauso nuo vėjo poveikio trukmės, greičio ir upės nuolydžio: sampūtos metu vanduo pakyla iki 2 m, nuoputos metu – pažemėja 2,5m. Šios amplitudės mažėja aukštyn pagal tėkmę. Vandens lygis svyruoja ir dėl natūralios bei dirbtinės patvankos – vandens režimas aukštutiniame ir apatiniame lygiuose žymiai pakinta. Natūralios patvankos pavyzdys – ledo sangrūdos bei ledokamša. Daugiausia ledas užkiša tėkmės skerspjūvį ir susidaro ledo užtvanka – sangrūda, aukščiau kurios vanduo staigiai pakyla 1-3m (ir daugiau), žemiau gi jos vandens lygis kinta. Vandeniui aukščiau sangrūdos suardžius ledo užtvanką, vandens lygis aukščiau jos staigiai krinta, o žemiau pakyla dėl potvynio bangos. Sangrūdos vystosi kelias valandas, rečiau ilgiau paros, jos sudaro sunkumų ūkinei veiklai. Ledo kamščiai susidaro dėl tėkmės skerspjūvio užsikimšimo ižu. Jie irgi gali būti didelio vandens lygio pakilimo priežastimi. Jie, vienok, yra pastovesni, kartais užsilaiko daug dienų. 5.9. Terminis upių režimas. Upių, o ir ežerų, vanduo sušyla ir atvėsta dėl šilumos apykaitos tarp vandens masės ir aplinkos. Šią apykaitą išreiškia upės ruožo šilumos balansas (žr. skyrių II.2.). tarp vandens ir aplinkos ji vyksta vandens riboje su atmosfera ir gruntu. Nuo šios ribos į vandenį šiluma plinta dėl turbulentinio maišymosi, o nejudriose upių vietose ir tiesioginio Saulės energijos skverbimosi dėka. Taigi, esant įvairiam vandens drumstumui ir spalvai, į 1m gylį prasiskverbia nuo 1 iki 30%, o į 5m – 0-5% spindulių energijos, pasiekiančios vandens paviršių. Šilumos apykaita gerokai kinta paros ir metų laikotarpiu, kintant meteosąlygoms ir Saulės aukščiui. Vandens temperatūros svyravimas – periodinis, atitinkąs šilumos srauto kaitą. Dieną, pavasarį ir vasarą vyrauja temperatūros kilimas, o naktį, rudenį ir žiemą – mažėjimas. Šilumos apykaita žymiai pakinta ledo ir sniego dangai susidarius: su atmosfera staigiai sumažėja, nes nutrūksta turbulentinė šilumos ir drėgmės apykaita ir į vandenį neprasiskverbia spindulių energija. Tiesioginė šilumos apykaita tarp vandens ir atmosferos vyksta tik šilumos laidumo būdu per ledą ir per sniegą. Kadangi upės tėkmė turbulentinė ir vanduo maišosi, todėl upės tėkmės skerspjūvyje temperatūra išsilygina. Upei užšąlus, minimali temperatūra yra vandens paviršiuje. Ant ledo susikaupus 20-30 cm storio sniegui, spindulių energija vandeniui nutrūksta ir priešpriešis vandens spinduliavimas. Šiuo metu vandens šilumos režimas priklauso tik nuo jos prietakos iš dugno ir krantų. Šiuo atžvilgiu formuojasi šilumos srautas nuo priedugnio sluoksnio į paviršių. Įvairiose tėkmės skerspjūvio vietose temperatūros skirtumai labai maži. Esant sudėtingam vagos kontūrui (užtakiai, mažo tėkmės greičio zonos ir kt.) šie skirtumai gali būti įvairesni. Vandens temperatūra kinta dėl šilumos srauto intensyvumo ir dėl grunto šilumos netekties per parą ir metus. Paros svyravimų amplitudė ryškiausia šaltuoju laiku. Pagrindinis temperatūrą lemiantis veiksnys – upės vandeningumas: kuo jis didesnis, tuo amplitudė mažesnė. Kitas veiksnys – matuojamas vietos platuma – šiaurinėse upėse amplitudė mažesnė (trumpa naktis) nei pietinėse. Jei oras giedras temperatūros pokyčių amplitudė didesnė nei kai apsiniaukęs. Analoginiai temperatūros pokyčiai būdingi ir metinei jų eigai, tik čia paros lygmenį (diena ir naktis) atlieka makroveiksniai – žiema-vasara ir pavasaris-ruduo. Upių vandens temperatūra kinta ir išilgai tėkmės, atitinkamai klimato sąlygoms ir vandens mitybosa pobūdžiui. Ryškūs skirtumai stebimi kalnų ir lygumų upėse, taip pat upėse, tekančiose į šiaurę ar pietus. Vanduo, toldamas nuo ištakos, sušyla. Įšilusio vandens temperatūra pasroviui toliau tam tikrame ruože beveik nekinta. Bet upėse, tekančiose į pietus, temperatūra kyla iki pat žiočių. Tekančių platumine kryptimi upių vandens temperatūra kinta mažai, išskyrus aukštupius tų upių, kuriuose nuo ištakos ji kyla. Kintant upės krypčiai, vandens temperatūra išilgai upės kyla ar krinta, priklausomai į kurią pusę (šiaurę ar pietus) nukrypo tėkmė. Ežeringų upių temperatūra sąlygojama ežerų, iš kurių jos išteka, vandens temperatūra. Dideli ir gilūs ežerai (pvz.: Baikalas) turi įtakos temperatūros pasiskirstymui gana ilguose upių ruožuose. Toliau nuo ištakų, temperatūra išilgai tėkmės kinta. 5.10. Upių ledo režimas. Vandens temperatūrai nukritus iki 0ºC ir vandens paviršiui toliau atiduodant šilumą, upėje atsiranda ledo dariniai ir ji pereina į žiemos režimą. Žiemos pabaiga – upės išsivadavimas iš ledo momentas arba gausaus pavasarinio vandens tekėjimo pradžia. Skiriami trys upės žiemos periodo periodai: užšalimas (t.t. ir rudens ledonešis), užšalusi upė ir nuledėjimas (t.t. ir pavasario ledonešis). Pradinėje ledo stadijoje pasirodo ledėsiai – plona ledo plėvelė, sudaryta iš skaidriųjų, smulkių dalelių formos ledo kristalų, plaukiančių tarsi blankiai pilkos išpiltos alyvos dėmės. Prie krantų susidaro ledo dariniai – priekrantės nejudrus ledas, kuris siaura juosta nutįsta išilgai upės krantų. Tekančio vandens srautas nuolat maišosi, todėl vandens temperatūra tėkmės skerspjūvyje išsilygina ir prasidėjęs vandens atšalimas visame sraute vyksta vienu metu. Tokiame vandenyje būna palankios sąlygos ledo kristalams augti apie nešmenų daleles suspenduotas sraute ir upės vagos dugne. Šio proceso metu susidaro vidinis ledas – neskaidri masė iš netvarkingai išaugusių kristaliukų. Šio ledo atmainos yra dugninis ledas ir ižas, suspenduotas vandenyje. Vėliau pastarojo ledo masės iškyla į paviršių, tampančios paviršiniu ižu. Vienu metu su pastaruoju pasirodo sniegainė – sniegas vandenyje, susidarantis į ~0ºC vandenį iškritus gausiam, bet lėtai tirpstančiam sniegui. Ji plaukia vandenyje tarsi vatos gniutulas. Ledo masės šaltame vandenyje labiau sušąla ir iš akytų tampa tankiomis ir kristalinėmis. Sušalus vandeniui tarp ledo gabalų,pastarieji greitai padidėja. Paviršiuje plaukiančios lytys ir ledo laukai didina savo plotus upės tėkmėje – prasideda rudens ledonešis. Ledas susidaro ir srauto viduje, šios masės upės vingiuose, sėkliuose, prie salų, gali netgi sudaryti ledo kamščius. Šie pastoja kelią atitekančiam vandeniui. Pakyla pastarojo lygis ir vanduo gali apsempti vietovę. Ant jos netvarkingai suverčiami ledo gabalai – ledo sąvartos. Padaugėjus ir padidėjus ledo lytims, sumažėja ledo laukų judėjimo greitis. Susiaurėjimuose, seklumose, prie salų jie susilaiko ir neigiamoje oro temperatūroje greitai sušąla tarpusavyje. Tada susidaro ištisinė ledo danga ir upė užšąla. Tam tikri ruožai gali likti atviri visą žiemą. Jie susidaro dėl didelio greičio, ardančio besiformuojančią ledo dangą greitvietėse, žemutiniuose HE barjeruose, rėvose. Kita priežastis – į vagą išsiliejant palyginti šiltam požeminiam vandeniui ar išleidžiant į upę šiltesnį pramonės įmonių vandenį. Paplitus tokioms properšoms, yra geros sąlygos vidiniam ledui ir ledo kamščiams susidaryti. Užšąlus vandeniui, neretai ant ledo dangos išsilieja vanduo, sudarydamas ledo sluoksnį, kuris vadinasi upinis ampalas. To priežastis – upės tėkmės skerspjūvio sumažėjimas dėl užsikimšimo ižu ar dėl didelio įšalimo. Kai oro temperatūra smarkiai nukrinta, upės skerspjūvis, storėjant ledui, mažėja sparčiau nei vandens debitas. Spartėjant tėkmės siaurėjimui, srautas skerspjūvyje jau nebetelpa ir, slegiamas iš aukštupio atitekančio vandens, išsiveržia pro plyšius į ledo paviršių. Šiam procesui žiemą kartojantis kelis kartus, ampalų vietose ledo storis gali būti gana didelis. Keliauti tokiu išsiliejusiu ledu gana pavojinga. Ampalų itin daug gigantiškose Sibiro upėse( Jenisiejus, Lena, Kolyma ir kt). Kai kuriose poliarinėse upėse plačiai paplitęs įšalimo iki dugno reiškinys. Tokiu atveju upės vanduo filtruojasi aliuvio nuosėdų storymėje. Upei tekant amžino įšalo paplitimo zonoje, nuotėkis gali nutrūkti iš viso. Laikotarpyje, kai oro temperatūra teigiama, ledas pradeda tirpti, į upę suteka paviršinis vanduo. Intensyviausiai ledas tirpsta išilgai krantų, kuriuose esantis dirvožemis greičiau įšyla. Pakilus vandens lygiui, ledas nežymiai išsigaubia. Išilgai krantų formuojasi pažemėjimas, kuriuo teke vanduo ir plauna ledą. Susidaro atotirpos – atviros vandens juostos. Kylant vandens lygiui, pagrindinė ledo dalis atitrūksta nuo priekrantinės ir ledas vandenyje tarsi dar guli ant vandens, neprisitvirtinęs prie krantų. Atotirpos platėja ir gilėja. Greičiausiai ledo danga suyra sėkliuose, kur jis plonesnis nei sietuvose. Suirus čia ledui, sietuvų ledo laukai pradeda judėti žemyn – prasideda ledo poslinkis, kurių kiekis upėje gali siekti keletos. Didėjant vandens debitui ir mažėjant ledo atsparumui dėl saulės, šilto oro ir lietaus, ledas pradeda irti. Lytys, pagautos srovės, ima judėti. Prasideda pavasario ledonešis, kada ledas nėra toks atsparus kaip kad rudens ledonešio metu. Pavasarį, plaukiant didesnėms ledo masėms ir dideliu greičiu, vaga ir įrenginiai prie kranto veikiami daugiau nei rudenį. Pavasario ledonešio metu dažnai susidaro ledo sangrūdos – susikimšusios upės skerspjūvyje kristalinio ledo pavienės lytys ir net nedideli laukai, sudarantys laikinas ledo užtvankas. Aukščiau sangrūdos vanduo staigiai ir daug pakyla, žemiau – staigiai nuslūgsta. Ledonešio intensyvumas įvairus, priklauso nuo santykio tarp plaukiančių upės ruožu lyčių bendro ploto su ruožo plotu. Žiemos trukmė priklauso nuo rajono, kuriame teka upė, klimato. 5.11. Upių nešmenų formavimasis Upių panaudojimui būtina žinoti ne tik vandens, bet ir nešmenų režimą. Nežinant nešmenų išplovimo ar nusėdimo sėkliuose ir sietuvose, laivininkystei tekančių vandenų naudoti negalima. Laivybai reguliuoti atliekamas vagos gilinimas, statomos prieplaukos, uostai ir t.t. Sausinant ar drėkinant žemę, būtina tiksliai žinoti leistiną srovės greitį, apribojantį kanalų uždumblėjimą ar išplovimą. Nešmenų režimo dėsningumų žinojimas itin svarbus ruošiantis sraute statyti hidrotechninius įrenginius, pakeičiančius natūralias srauto sąlygas, sukuriančius naujas, pakeičiant nešmenų nusodinimą ar išplovimą. Taip, pastačius HES užtvanką, aukštutiniame jos bjefe staigiai padidėja nešmenų nusėdimas. Tuo tarpu žemiau užtvankos nešmenų netekęs srautas energingai plaus vagą ilgame upės (srauto) ruože. Srautas transportuoja nešmenis, sudarytus iš smulkiausių uolienų nuolaužų ar grunto bei dirvožemio dalelių. Pagal dalelių dydį (mm) nešmenys skirstomi: molis - 100 smėlis – 0,1-1(2) Veikiamas sunkio ir tekėdamos paviršiumi, vanduo visą laiką atlieka darbą, priklausantį nuo jo masės ir kritimo (nuolydžio) tiriamoje atkarpoje. Esant vandens debitui ruože Qm3/s ir kritimui H m, vandens tūrio vienetui sveriant γ=1000kg/m3, vandens darbas per laiko vienetą (galiaV) bus lygus: γQH=1000QH kg · m/s. Kadangi 1 kW=102 kg · m/s, srauto galia N bus lygi 9,8 QH kW. Upės vandens įsiliejimo vietos altitudė sąlygoja bendrąją srauto energiją ir ribinį upės žemupio nuolydžio dydį. Šios altitudės plokštuma – upės erozijos bazė. Kintant jos altitudei, kinta ir plaunamoji srauto energija: jai žemėjant – plovimas stiprėja, o kylant – klostosi daugiau nešmenų. Didesnė srauto energijos dalis eikvojama nugalėti vidinį pasipriešinimą, atsirandantį tekančiame vandenyje dėl skysčio dalelių tarpusavio trinties. Mažesnė, bet itin svarbi jo dalis eikvojama kietų uolienų išplovimui ir išplautų dalelių transportavimui pagal tėkmę. Ši energija lemia visus denudacijos (išplovimo) procesus. Tai: 1) grunto dalelių nuoplova nuo paviršiaus (erozija), 2) dalelių transportas pasroviui, 3) jų nusėdimas (akumuliacija). Išplauti nešmenys sraute būna suspensijų ar velkamų dugnu (dugninių) pavidalu priklausomai nuo jų svorio (dydžio) ir upės tėkmės greičio. Be to, jei vanduo ištirpdo išplautas daleles, jos juda joninėje (tirpioje) formoje. Pirmieji du nešmenų tipai sudaro kietąjį upių nuotėkį, trečiasis – joninį. Nuo skirtingų suspenduotų dalelių kiekio sraute yra skirtingas vandens drumstumas – kietų dalelių kiekis gramais (mg) 1 m3 (l) vandens, t.y. g/m3 (mg/l). Suspenduotų nešmenų kiekis (kg) srauto pernešamas per skerspjūvį per sekundę – nešmenų debitas (kg/s). Bendras jų kiekis, upės pernešamas per tam tikrą laikotarpį (mėnesį, metus ir pan.) – nešmenų nuotėkis, matuojamas tonomis. Nešmenų nuotėkio dydį sąlygoja ne tik upės energija, bet ir fizinės-geografinės tėkmės sąlygos. Vanduo plauna srauto vagą, slėnį ir baseino paviršiaus daleles. Dėl to šių dalelių kiekis (drumstumas) sąlygojamas pastarojo būkle – augalų dangos, dirvožemio sluoksnio storio, atsparumo išplovimui ir pan. Be minėtų baseino rodiklių nešmenų kiekį apibūdina ir vandens patekimo į baseiną (lietaus ar sniego tirpsmo) intensyvumas, t.y. upės mitybos netolygumas per metus. Reljefo pobūdis sąlygoja didesnį ar mažesnį tekančio vandens greitį, o tuo pačiu ir dalelių išplovimą. Šiuo atveju svarbus ir šlaito nuolydis – elementas, sąlygojantis paviršinio vandens tekėjimo greitį ir jo poveikio intensyvumą. Dirvožemis yra ir erozijos objektas (išplauta medžiaga patenka į upių tinklą), ir veiksnys, sąlygojantis tėkmės intensyvumą. Priklausomai nuo fizinių savybių dirvožemis dėl infiltracijos skirtingai mažina tekančio paviršiumi vandens kiekį, o tuo pačiu ir stabdo tėkmę. Augalai saugo dirvožemį nuo ardymo. Sunaikinant natūralią jų dangą išarus paviršių, padidėja upių drumstumas, nuplaunamas derlingas dirvožemio sluoksnis. Nešmenų kiekį dalinai sąlygoja ir meteoveiksniai – krituliai, oro temperatūra, drėgmė, vėjas ir kt. Nuo šių veiksnių kinta tekančio vandens kiekis ir dirvožemio atsparumas erozijai. Vėjas irgi perneša tiek smulkias, tiek stambesnes daleles, priklausomai nuo jo stiprumo ir dalelių būvio (pvz.: Sacharoje, Kara-Kumuose ir kt. dykumose). Vagos išplovimo procesui didelę įtaką turi turbulentinis vandens tekėjimas ir kylančios dėl to skersinės tėkmės, verpetai ir pan., bei ledai pavasario ar rudens ledonešio metu. 5.12. Suspensijos Suspenduotų dalelių su viršijančiu vandens specifinį svorį buvimas sraute aiškintinas buvimu jėgų, galinčių atplėšti dalelę nuo grunto (dugno) ir upės krantų, ją pakelti vandens sraute ir ilgą laiką neleisti jai nusėsti. Pagrindinis veiksnys čia yra keliamoji jėga, veikianti nejudrią dalelę, ir atsirandanti dėl dugne esančios dalelės nesimetrinio aptekėjimo vandeniu. Nesimetriškumas atsiranda dėl didelio greičio gradiento priedugnyje t.y. virš viršutinio kietos dalelės paviršiaus greitis yra didelis, tuo tarpu jos apačioje – labai mažas. Dėl tokio greičio skirtumo viršutinėje zonoje atsiranda sumažėjusio slėgio sritis, o mažoje greičio zonoje slėgis pakyla. Grunto dalelės šoną, atkeiptą prieš srovę, veikia ir frontalinė jėga, o priešingoje dalelės pusėje (čiurkšlių atitrūkimo zona) vėlgi atsiranda žemesnio slėgio sritis. Sūkuriai, susidarantys srautui aptekant įvairias kliūtis, dugno, krantų nelygumus ir kurių sukimosi ašyje yra žemesnio slėgio sritis, įtraukia atplėštas nuo dugno (kranto) daleles į srauto vidų. Šie sūkuriai yra dalelių keliamosios jėgos, jų pernešimo priemonė, o to pačiu ir dalelių atplėšimo veiksnys. Dalelė, įtraukta į srautą, juda pasroviui veikiama kintamo dydžio ir krypties pulsacinio greičio, nuolat keičia vertikalią padėtį (kyla ir leidžiasi). Judėjimą žemyn palaiko sunkis. Todėl suspensijų judėjimas yra netaisyklingas. Dalelė, judėdama vertikaliai, gali nusileisti ant dugno ir likti ant jo iki tol, kol keliamoji jėga vėl ją pakels. Suspendavimo sąlygos priklauso nuo hidraulinio režimo, lemiančio srauto poveikį dugnui ir dugno nuogulų (grunto) sudėties (dalelių dydis, forma, specifinis svoris, būvis). Priedugnyje keliamosios jėgos dydis, proporcingas srauto greičio kvadratui, dėl greičio pulsacijos nuolat kinta kiekviename taške. Dalelės, gulinčios dugne, yra skirtingų dydžių, tad jų atplėšimui nuo dugno, reikia nevienodos keliamosios jėgos. Vadinasi, galimybė dalelės atplėšimui nuo dugno priklauso nuo keliamosios jėgos dydžio, t.y. ji turi būti didesnė už dalelės svorį. Keliamoji jėga sudaro apie 1/3 frontalinės jėgos. Hidraulinis slėgis prie turbulentinio aptekėjimo proporcingas greičio kvadratui, todėl frontalinė ir keliamoji jėgos pulsuoja labiau nei srovės greitis. Dėl to dalelė atitrūksta nuo dugno paviršiaus pulsacinio jėgos maksimumo metu, esant vidutiniam tėkmės greičiui , per mažam tam atitrūkimui atlikti. Nešmenų kiekis srauto gylyje išlyginamas turbulentinio maišymosi dėka. Šis maišymasis vienas vandens mases kelia, kitas – nuleidžia. Šiam išlyginimui priešinasi dalelių sunkis, traukdamos jas į žemesnius srauto sluoksnius. Dėl to tam tikrame gylyje srauto prisotinimo nešmenimis pusiausvyros būklė bus tik tada, kai jų dalelės pagal gylį pasiskirstys netolygiai. Jų kiekis palaipsniui didės priedugnio link. Suspenduotų dalelių kiekio pusiausvyros būklė nustatoma tik pagal vidutinius per tam tikrą laiką duomenis, nes kiekvienu momentu šis kiekis skiriasi, t.y. jis yra nepastovus, kaip ir jų pernešimo procesas. Tai įgalina tvirtinti, kad esant pastoviam kietų dalelių judėjimo režimui pradiniame srauto skerspjūvyje, tokiu jis išliks ir tolesnėse srauto atkarpose. Jei tėkmės režimas yra tolygus ir nepastovus, tai srauto vaga nebus plaunama ir dalelės neišnešamos. Jei šis režimas yra tolygus – vaga bus plaunama ar užnešama priklausomai nuo tėkmės greičio kitimo išilgai srauto. Jam mažėjant, t.y. dv/dx0, vaga bus plaunama, nes minėta geba ankstesniuose pjūviuose buvo mažesnė nei tolimesniuose. Tos dalelės, kurių kritimo greitis vandenyje dėl sunkio yra didesnis už vertikalias masių turbulentinio maišymosi greičio dedamąsias, nebus suspenduotos sraute. Esant palankioms sąlygoms (žr. skyrių 5.13), jos bus ritinamos (velkamos) dugnu. Srauto geba transportuoti nešmenis, drumstumo pasiskirstymas turbulentinio srauto vertikalėje aiškinama difuzine ir gravitacine judėjimo teorijomis. Pirmoji analogiška molekulinei difuzijai, kurios dėka laminariniame sraute persiduoda greitis, šiluma ir kt. Gravitacinė teorija nagrinėja darbą, srauto atliekamą sunkiui įveikti ir išlaikyti suspenduotas daleles su didesniu už vandens specifiniu svoriu (tankiu). Ji grindžiama turbulentinės skysčio ir suspensijų difuzijos analogija. Šiuo atveju, suspensijos (nešmenys) – tam tikra visame sraute pasiskirsčiusi substancija, kurios specifinis svoris >1. Suspensijų pulsacijos sutapatinamos su skysčio pulsacija, vadinasi, tada skysčio ir nešmenų turbulentinės apykaitos koeficientai lygūs. Su turbulentine pernaša, priklausančia nuo skysčio tėkmės greičio pulsacijos, sumuojasi dalelių kritimas hidrauliniu greičiu W. Pagal difuzinę teoriją nešmenų dalelės turbulentiniame sraute pernešamos chaotiškų ir gausių, bet mažų greičių pulsacijų. Tai, vienok, nevisai derinasi su šiuolaikinės srauto struktūros samprata. Dabar žinoma, kad greičio pulsaciją turbulentiniame sraute sudaro nenutrūkstamas spektras, pradedant mažais, bet dažnais greičio nukrypimais (aukšto dažnio pulsacijos) ir baigiant stambiamasteliniais, per visą srauto gylį turbulentiniais dariniais (žemo dažnio pulsacijos). Tad, difuzinė teorija, aiškinanti smulkių aukšto dažnio pulsacijų įtaką nešmenų judėjimui, apibūdina tik dėsningumus, pagal kuriuos sraute pasiskirsto smulkios dalelės. Šios teorijos išvados teisingos tik esant dalelių skersmeniui mažesniam uz 0,2 mm. Stambesnių nešmenų pasiskirstymo sraute dėsningumų difuzinė teorija nepaaiškina, nes šias daleles skersine kryptimi (statmena pagrindinei tėkmei) perneša jau žemo dažnio pulsacijos. Stambesnės dalelės turi didesnę inerciją nei skystis ir atsiliks nuo jo didėjant greičiui arba pralenks jį greičiui mažėjant. Tad, prielaida apie lygius skysčio ir kietų dalelių apykaitos koeficientus bus teisinga tik esant labai smulkioms dalelėms, mažam jų hidrauliniam stambumui palyginus su išilginiu greičiu ir maždaug vienodo masto kaip ir aukšto dažnio pulsacijos. Gravitacinė suspendavimo teorija teigia, kad tolygiai judančiame vienarūšiame skystyje visa teigiama sunkio energija suvartojama pasipriešinimo jėgoms nugalėti. Sraute, nešančiame suspensijas, tam tikra šios energijos dalis eikvojama kietoms dalelėms suspenduoti. Upių transportavimo gebos ir suspensijų pasiskirstymo vertikalėje dėsningumai aiškinami pagal nešančio srauto su nepastoviu nešmenų koncentracija energijos balanso lygtį. Pastaroji įvertina potencinės energijos kiekį, atsipalaiduojantį srauto masei pereinant iš aukštesnių upės lygių į žemesnius bei skystos fazės pasipriešinimo jėgų darbą ir suspendavimo darbą. 5.13. Velkamieji nešmenys. Dugne esančios grunto dalelės pradeda judėti dėl hidrodinaminio slėgio, susidarančio aptekant jas srautui. Šis slėgis gali būti suskaidytas į stumiančiosios (lygiagrečios dugnui ir nukreiptos pasroviui) ir keliamosios (nukreiptos viršun) jėgų dedamąsias. Pastarajai esant mažesnei už dalelės masę, ši, veikiama stumiančiosios jėgos, gali slinkti dugnu ir vartytis. Toks nešmenų pernešimas vadinamas vilkimu dugnu. Nešmenų skirstymas į suspenduotus ir velkamuosius – gana sąlyginis, nes tos pačios dalelės įvairių upės režimo fazių metu ir įvairiuose ruožuose gali būti ir vienos, ir kitos. Slinkimas dugnu yra sudėtingas procesas dėl judančių dalelių ir pačios vagos netaisyklingos formos bei nelygaus paviršiaus, keičiantiems dalelių trintį į dugną. Tuo pačiu, nepastoviais yra srovės greitis bei vertikalios ir horizontalios jo dedamosios. Tai verčia dalelę judėti nepastoviai – tai vartytis, tai sustoti, tai šoktelti ir pan. Atlikti apskaičiavimai parodė, kad velkamųjų dalelių sunkis yra proporcingas vandens greičiui šeštu laipsniu (d3=Av6). Tai vadinamasis Erio dėsnis. Nagrinėjant dviejų velkamų dalelių santykį, gauname d13/d23=v16/v26, t.y. velkamųjų dalelių masės santykiauja kaip greičiai šeštame laipsnyje. Erio dėsnis gerai paaiškina eilę nešmenų plovimo ir pernešimo reiškinių. Taip, esant lygumų ir kalnų srautų greičių santykiui 1:4, judančių dalelių masės santykis bus 1:46 arba 1:4096.Iš šių skaičių matome, kad lygumų upės gali nešti tik smėlį, o kalnų – gana didelius riedulius. Erio dėsnis yra teisingas esant didelei dalelei, palyginus su storiu priedugnio sluoksnio, kuriame greitis nuo dugno aukštyn didėja sparčiai. Dalelei esant mažai, palyginus su priedugnio sluoksnio storiu, t.y. jai esant zonoje, kur greitis kylant aukštyn staigiai didėja, dalelę veikia labai skirtingi greičiai. Kylant aukštyn ir greičiui gerokai skiriantis, dalelės apvertimo momentas didėja. Dalelių (labai mažų) pasipriešinimas proporcingas jau ne greičio kvadratui, o kitokiam jo laipsniui. Pritaikant Erio dėsnį ryšiui tarp srauto greičio v ir dalelės skersmens, kuriam esant ji ima judėti, nustatyta, kad net smulkiausios dalelės nejudės, kai v≤0,24m/s. 5.14. Nešmenų nuotėkio režimas. Diduma kietojo upių nuotėkio nešama potvynių ar poplūdžių metu. Daugumoje lygumų upių tuo metu nešmenų debitas padidėja anksčiau nei vandens debitas, t.y. pirmojo maksimumas yra anksčiau nei potvynio viršūnė (kai vandens debitas yra 2/3 jo maksimumo (Qmax)). Tolimesnėse potvynių-poplūdžių bangose, esant tam pačiam Q, nešmenų debitas bus mažesnis nei pagrindinėje bangoje. Vandens drumstumas intensyvėja, didėjant paviršiniam nuotėkiui ir stiprėjant grunto išplovimui baseino paviršiuje. Tad, potvynių metu jis iš pradžių didėja, po to mažėja. Mažų upių baseinuose Qmax praktiškai atitinka intensyviausio vandens sutekėjimo upėn laiką, t.y. didžiausio baseino grunto išplovimo laiką. Tada nešmenų debito maksimumas sutampa su potvynio viršūne. Šių upių drumstumo viršūnė atsilieka nuo pavasarinio potvynio viršūnės, nes potvynio pradžioje tirpsmo vanduo teka dar įšalusiu ir silpnai plaunamu paviršiumi. Reikia prisiminti tai, kad nešmenų patekimas upėn ir jų pernaša sraute gerokai priklauso nuo nešmenų dydžio: mažose upėse smulkių (d≤0,05mm) ir stambių (d≥0,05mm) nešmenų kiekio maksimumas būna vienu metu, o stambiose – skirtingu. Potvynio viršūnę didelėse upėse formuoja vanduo, atitekąs iš įvairių baseino vietų, tekėjęs įvairiu laiku ir atitinkąs įvairų paviršinio nuotėkio intensyvumą (t.y. ją sudaro nedidžiausio drumstumo vanduo). Dėl to šiose upėse smulkių ir stambių dalelių intensyviausio judėjimo laikas nesutampa: smulkių dalelių daugiausia yra kylant potvyniui, plukdant upei vandenį, atitekėjusį iš artimiausių plotų intensyviausios paviršinės mitybos metu ir todėl labai prisotintą nešmenų. Nešmenys tėkmės skerspjūvyje pasiskirsto netolygiai. Drumstumas didėja link dugno. Ypač netolygūs nešmenys ruožuose su intensyviu dugno plovimu, kur jie sudaro ryškias erdvines sankaupas (linzes). Nešmenų kiekis atskiruose skerspjūvio taškuose smarkiai kinta. Kuo smulkesni nešmenys, tuo tolygiau jie pasiskirsto tėkmės skerspjūvyje. Įvairiagrūdžiai nešmenys pagal gylį pasiskirsto taip, kad vidutinis jų dydis link dugno didėja. Dėl stiprių deformacijų stambios dalelės kai kada kaupiasi ne prie dugno, o arčiau srauto vidurio, itin retai – net arčiau paviršiaus. Pagal upės plotį drumstumas kiek didėja srauto viduryje. Išilgai upės dalelių dydis mažėja link žemupio mažėjant nuolydžiui ir tėkmės greičiui, o tuo pačiu dūlant judančioms dalelėms. Dūlėjimas, savo ruožtu, priklauso nuo judėjimo greičio v, trinties ir dalelės kietumo. Trintis gi sąlygojama dalelės mase P ir trinties koeficientu φ1, priklausančiu nuo dalelės formos ir šiurkštumo. Dalelės kietumą apibūdiname dūlėjimo koeficientu φ2. Taigi, didelės masės sumažėjimas per laiką d bus: dP=vPφ1φ2 dτ Kadangi vd=dτ, t.y. atstumui, kurį dalelė nukeliauja per laiką dτ, tai: dP/dx = -φ1φ2P arba: dP/P = -φ1φ2dx Integruojant, gauname: P=Ce-φ1φ2x Kur C – integravimo pastovioji. Kadangi dalelės masė proporcinga vidutinio skersmens d kubui, tada pastovioji lygtis įgauna išraišką: d=d0e-yx, kur y= φ1φ2/3, o d0 – pradinis dalelės skersmuo. Pastaroji priklausomybė vadinama Štenbergo lygtimi. Srauto nešamų dalelių kiekis palaipsniui didėja nuo ištakos žiocių link, nors kartais šis dėsningumas dėl dalelių nusėdimo kai kuriuose upės ruožuose nepasitvirtina. Nešmenų kiekis (drumstumas) priklauso nuo upių tėkmės fizinių-geografinių sąlygų, todėl yra gana kaitus: mažiausias mūsų platumose jis yra miškų zonos upėse (10-50g/m3), pietų link jis didėja iki 50-150, o aukštumų rajonuose su lengvai plaunamais gruntais drumstumas padideja iki >500 g/m3 ribose, o esant suskaidytam reljefui siekia net 500-1000 g/m3.Labai daug nesmenu nesa kalnu upes{2-3 tukst.g/m3). Palyginimui pasakytina, kad Nemuno drumstumas kinta 18-65 g/m3 ribose. 5.15. Silės. Savitas kalnų srautų režimo bruožas yra silės, kurios skiriasi nuo įprastinių lyguminių potvynių itin įvairiagrūdžių nešmenų kiekiu. Nešmenų kiekis silėse viršija 200-300 kg/m3, o srautas su nešmenimis >1000-2000 kg/m3, vadinamas sliuogu, nes tokio prisotinimo jis priartėja prie viršutinės takumo ribos. Sliuogui patekus į upės vagą, ji yra pertveriama. Tuo būdu, yra sukuriama galimybė nešmenims labai prisotinto potvynio. Šiuo atveju sliuogas (vagos pertvėrimas) tampa jau silės priežastimi. Tam tikrose sąlygose sliuogas transformuojasi į silę. Vienok, patys sliuogai su mažu tekėjimo greičiu šiai kategorijai nepriklauso. Sąlygos silėms susidaryti yra šios: 1) didelės kietų dalelių sankaupos, susidariusios dėl uolienų dūlėjimo baseine, 2) statūs slėnio šlaitai ir didelis slėnio nuolydis, 3) santykinai mažas kritulių kiekis, bet palankios sąlygos intensyvioms liūtims ar sniego tirpsmui susidaryti. Esant šioms sąlygoms baseine, slėnio šlaituose ir vagoje kaupiasi daug kietų uolienų dalelių, kurias vandens srautui nesunku pernešti. Sauso klimato zonoje silės dažnesnės, nes, esant gausiems krituliams, minėtoje aplinkoje vystosi augalai, apsaugantys dirvožemį nuo išplovimo (ardymo), o tuo pačiu lėtina kietų uolienų dalelių išplovimą iš baseino. Silių trukmė (nuo kelių min. iki kelių val.) priklauso nuo liūties trukmės, srauto ilgio ir tėkmės greičio. Atliktais stebėjimais nustatyta, kai daugiau nei 65% silių trukmė ≤3 val. Silės ypatumas – pulsuojanti tėkmė dėl kamščių, susidarančių staigiuose susiaurėjimuose, upės posūkiuose, dėl nuobirų, sąvartų ar uolų luitų vagoje, t.y. silė juda bangomis (volais), praeinančiais kas kelios minutės. Šių bangų aukštis 2-4 m, jų skaičius itin kintantis – nuo 12-14 iki 80.Dėl tokios tėkmės žemiau kamščių maksimalus debitas staigiai padidėja. Minėti kamščiai, pulsacinė tėkmė ir didelis nešmenų bei riedulių kiekis yra pagrindinės silių griaunamosios jėgos priežastys. Silės ypač paplitusios Kaukaze, V. Azijoje, Alpėse, Kordiljeruose, taip pat P. Amerikoje, Japonijoje ir visuose kalnų rajonuose, kur gausu dūlėjančių uolienų ir palankios jų periodinės nuoplovos į kalnų srautų vagas sąlygos. Silės skirstomos į: 1) purvo, 2) purvo ir riedulių ir, 3) vandens ir riedulių siles. Pirmosios dvi vadinamos struktūrinėmis (rišliosiomis), trečioji – turbulentinėmis (nerišliomis) silėmis. Jų masės sudėtis priklauso nuo šlaituose suirusių uolienų dalelių dydžio. Jei ten vyravo stambianuolaužinės dalelės su maža smulkiųjų priemaiša, vagoje formuojasi vandens ir riedulių silė. Jei šlaituose akmenų nebuvo ir vanduo plovė dirvožemį ir priemolį, susidaro purvo srautai. Purvo ir akmenų silės formuojasi patenkant srautan pakankamam stambių ir smulkių dalelių kiekiui. Vadinasi, silių sudėtis priklauso nuo šlaituose gulinčių uolienų. Silių rūšių sąvokos gana sąlyginės, nes kiekvienoje jų gali būti nemažai purvą sudarančių smulkių dalelių. Purvo silės juda lėtai ir jų greitis priklauso nuo nešmenų kiekio.Tuo tarpu kitos dvi jų rūšys juda 2-4 ir net 7-8 m/s greičiu, t.y. gana greitai. Žinant silės judėjimo greitį, nustatome jos debitą, dinaminį poveikį statiniams ir vagai, galime numatyti ir silės išnašų tranzito suklostymo sąlygas įvairiuose slėnio ir vagos ruožuose. Silės išneša didelę masę sudulėjusių uolienų – net iki 10-30 tūkst.m3 iš 1 km2 baseino ploto. Šis kiekis sąlygojamas baseino geologinėmis sąlygomis, nuolydžiu ir augalų paplitimu. Išnešama dūlėjimo medžiaga, besikaupianti baseine daugelį tūkstančių metų. Silės kalnų šalių ekonomikai padaro daug žalos. Taip, vandens-riedulių silės juda labai greitai, ir neša iki kelių tonų svorio uolų luistus, turinčius didelę griaunamąją jėgą. Jos gali sugriauti hidrotechninius įrenginius, pastatus, tiltus, geležinkelius. Purvo silės purvo mase užlieja viską savo kelyje, užneša laukus, kelius, užkemša tunelius ir pastatus. Kova su silėmis nelengva: jų formavimosi baseinuose sodinami miškai, kurie ne visuomet apsaugo nuo nuobirynų slinkties aukščiau miško. Todėl be miško melioracijos priemonių statomos skersinės užtvaros, sumažinančios vagos nuolydį, užtvankos, aukščiau kurių akumuliuojasi silės nešmenys, daromos dambos – nešmenų gaudytuvai. 5.16. Upės vagos deformacijos. Vaginis procesas – vagos formų ir darinių (nusėdusių nešmenų)pokytis per laiko vienetą, veikiant srautui, klimatiniams ir dalinai tektoniniams veiksniams. Šis procesas itin susijęs su teritorijos, kuriuo teka srautas, reljefu, dirvožemiu ir grunto sudėtimi, augalijos pobūdžiu ir jos išsivystymu. Klimatas sąlygoja patenkančio į baseiną vandens kiekį ir jo pasiskirstymą; reljefas – vandens masių tėkmės greitį ir kelią; dirvožemio ir grunto pobūdis apsprendžia nešamos kietos medžiagos kiekį ir srauto vagos formas; augalų šaknų sistema tvirtina dirvožemį ir gruntą. Keičiantis sąlygoms, veikiančioms vaginį procesą, pakinta ir daugelis jo bruožų. Vienok jiems, net ir įvairiose fizinėse-geografinėse sąlygose būdingi tam tikri bendri mechaninių srauto vandens masių ir kietų dalelių judėjimo reiškinių dėsningumai. Visų pirma, tai srauto ir vagos sąveika, nes vaginis procesas yra dviejų terpių – skystos (vagos srautas) ir kietos (upės dugno gruntas ir nešmenys) – sąveika. Kietas paviršius riboja srautą ir nukreipia skysčio dalelių tėkmę. Tuo būdu vaga valdo srautą. Kita vertus, kietos dugno dalelės judančio skysčio poveikyje ima judėti. Judėjimo rezultate jos sudaro tokias ribinio paviršiaus formas, kurios geriausiai atitinka srauto dinaminę struktūrą, t.y. greičio dydį ir pasiskirstymą pagal gylį ir plotį, santykį tarp srauto gylio ir pločio, nuolydžio pasiskirstymą ir kt. Šia prasme srautas valdo vagą. Nagrinėjant vagos deformacijų bruožus, srauto struktūrą apibūdiname pagal šias svarbiausias tėkmes: 1) išilginė (bendroji), sąlygojanti skysčio masės išilginį judėjimą, 2) skersinė (cirkuliacinė įvija) tėkmė, apsprendžianti skersinį skysčio judėjimą, 3) turbulentinis maišymasis – chaotiška skysčio masių apykaita srauto viduje. Kintant vagos formai, kinta ir vagos srauto struktūra, šiems pokyčiams vykstant vienalaikiai. Vagos forma dėl srauto struktūros pokyčių kinta žymiai lėčiau, kuo kietesnis upės gruntas. Vaginio proceso pobūdis priklauso nuo kietos aplinkos judrumo ar pastovumo: kuo dugnas kietesnis, tuo procesas lėtesnis, o susidariusios formos bus ryškios ir stabilesnės. Kuo gruntas judresnis, nestabilus ir tėkmė greita, srautas stipriai veikia vagą, tad čia bus ryški skystos ir kietos aplinkos sąveika, labiau kintamos vagos. Kai srauto vandeningumas didėja (didėja debitas, gylis ir srauto greitis) vagos formų matmenys irgi didėja. Jam mažėjant, ant jau esančių vagos formų paviršiaus susidaro naujos, atitinkančios sumažėjusį vandeningumo srauto hidraulinį režimą, formos. Iš išorės vagos darinių formos lieka panašios į prieš tai buvusias. Upės vagoje erozijos ir akumuliacijos procesai vyksta tuo pat metu visoje upėje. Jų intensyvumas įvairiuose ruožuose skirtingas. Aukštupyje, kur didelis vandens greitis, erozija (išplovimas) viršija akumuliaciją (nešmenų nusėdimas), tad upė rėžiasi gilyn (gilinamoji erozija ryškesnė už šoninį vagos išplovimą). Vidurupyje šie procesai išsilygina, todėl išilginis upės profilis čia yra pusiausvyros būklėje. Tuo tarpu žemupyje akumuliacija yra intensyvesnė nei erozija, tad vagos dugnas pamažu kyla. Srauto energijos, reikalingos pasipriešinimo jėgoms nugalėti, perteklius šiame ruože eikvojamas šoninei erozijai. Sparčiai dugnas kyla Volgos, Kubanės, Chuan-chės upėse (iki1-10 cm per metus). Todėl kasmetinis upių pralaidumas pastoviai mažėja ir didėja tikimybė upės išsiliejimui iš vagos ir didžiulių plotų užtvindymui. Šiuos plotus būtina nuolat aukštinti, nes vaga irgi kyla. Vien aukštinant pylimus, potvynių neišvengiama. Tam tikslui reguliuotinas nuotėkis, įrengiant tvenkinių sistemą. Srauto transportuojamas gebos palyginimas su faktiniu nešmenų kiekiu jame įgalina nustatyti koks procesas – išplovimas ar akumuliacija vyks atskiruose upės ruožuose. Jei nešmenų sraute yra mažiau nei jis gali panešti, dalelės nuo grunto pagriebiamos ir vaga plaunama. Jei nešmenų yra per daug, srautas didumą jų suklosto nei pirma – vyrauja akumuliacija. Jei upės ruože yra nusistovėjęs nešmenų pernešimas, tai dėl vagos išplovimo srauto tėkmės skerspjūvis didėja ir, esant tam pačiam vandens debitui, mažės srovės greitis, o tuo pačiu ir srauto transportuojanti geba. Tai sąlygoja plovimo sumažėjimą ar net visišką jo išnykimą šioje atkarpoje. Nešmenims nusėdant, transportuojanti srauto geba didėja, nes mažėja skerspjūvio tėkmės plotas ir auga srovės greitis, skaidrėja ir pats srautas. Tuo būdu, vagos deformacijos, atsirandančios dėl pusiausvyros sutrikimo tarp srauto transportuojančios gebos ir prisotinimo nešmenimis, susidaro sąlygos išsilaikyti visame upės ilgyje pastovų nešmenų debitą. Kai pastarasis išilginis jų balansas) tampa nepastoviu, srauto hidrauliniai rodikliai kinta įvairaus ilgumo ruožuose. Juose vienur prasideda erozija, kitur akumuliacija. Tai atstato išilginį upės nešmenų debito balansą. Tuo pačiu metu dėl skersinės vandens cirkuliacijos, nukreipiančios paviršines srauto sroves nuo bendros tėkmės link vieno iš krantų, o dugnines – link priešingo, formuojasi skersinė nešmenų pernaša. Plaunamuose ruožuose išnešamos smulkios dugno nuosėdų frakcijos, todėl didesnę dugno dalį čia dengia stambios dalelės. Tai plovimą lėtina ar net gali jį visai nutraukti. Šie erozijos ir akumuliacijos santykiai ryškūs ten, kur gruntai yra vienodai atsparūs erozijai. Dažniausiai upė teka per skirtingas nuogulas ir uolienas. Kaitaliojantis kietoms ir purioms (birioms) uolienoms, upė į pastarąsias įsiręžia sparčiau. Tai veda prie laiptų-krioklių, nuo kurių krinta vanduo, susidarymo. Tipiškas krioklio laiptas yra status, jis visą laiką yra viršuje ir papėdėje. Laiptui gerokai apirus, krioklys virsta slenksčiais, kurie gali susidaryti ir tiesiogiai, ne iš krioklio. Krioklių daugiausiai kalnuotose šalyse, slenksčių būna ir lygumų upėse, joms kertant lėtai plaunamų uolienų išeigas (rėvas). Didžiausi pasaulyje yra Niagaros (Š. Amerika, plotis 914 m, laipto aukštis apie 50 m), Viktorijos (Afrika, plotis 1800 m, aukštis 120 m) kriokliai ir eilė kitų. Kriokliai ir slenksčiai – kliūtis upinei laivininkystei, bet patogūs vietos vandens energijai gauti, neretai ir turizmui vystyti. Dėl srauto poveikio upės vaga kinta. Kitimai būna metiniai ir daugiamečiai. Metinis pokytis sąlygojamas vandeningumo kaita įvairiais metų laikotarpiais, tad vagos persitvarko pagal vandeningumo svyravimo metinį ciklą. Pavasarį, kylant vandens lygiui, sietuvos yra intensyviai plaunamos, o sekliose-- upės sunašauja. Slūgstant vandeniui, vandens greičio santykis sietuvose ir sėkliuose yra kitoks. Suplautuose vandens kilimo metu sėkliuose vandeningumui mažėjant, teka vis plonesnis vandens sluoksnis, susidaro patvanka, plintanti aukštyn link sietuvos. Ši patvanka staigiai mažina tėkmės greitį sietuvoje ir didina – sėkliuose. Taigi, sėkliai, suplauti pavasarį, lygiui krentant yra eroduojami, o išplauti nešmenys užneša sietuvas. Taigi, upės vandens režimas yra pastovi vandens lygio kilimo ir slūgimo kaita, sėklių ir sietuvų erozijos ir akumuliacijos procesas irgi visą laiką kinta, ryškūs sėkliai ir sietuvos nesusidaro. Tai būdinga upėms su dažnais lietaus poplūdžiais. Sėkliai daugiausiai kinta per pavasario potvynį ir jų ketera kyla kartu su vandens lygiu. Retais atvejais šiuo metu sėkliai gali būti eroduojami. Sėklių keterų augimas intensyvesnis yra esant aukštesniam pavasario potvyniui. Vidutinis dugno pakilimas siekia 1/3 vandens lygio kilimo, tad gylio jame padidėja vidutiniškai 2/3 vandens lygio prieaugio. Upėse, kur gruntas greitai eroduojamas, o potvynis aukštas (Donas, Volga, Dniepras) pavasario metu sėkliai pakyla 2-3, kartais net 5-6 m. Daugiamečiai pakitimai atsiranda dėl srauto poveikio vagai ir dėl kitų procesų, vienpusiškai veikiančių vagą per daugelį metų.Jų priežastys gali būti tokios: a) atskirų sausumos plotų kilimas ar grimzdimas, b) vandens telkinio, į kurį įteka upė, lygio kitimas dėl jo ilgalaikio vandeningumo pokyčių, c) sisteminis, ilgalaikis vienpusis srauto poveikis vagai. Žemės plutos judesiai stebimi daugelyje vietų – Kaukaze, Prieuralėje, Vidurio Rusijos aukštumoje, Baltijos pajūryje ir Kuršių Marių rajone. Šis kilimas ar grimzdimas yra labai mažas – 1-10 mm per metus, bet dėl jo ilgaamžiškumo upių nuolydis gali nuolat keistis, vadinasi, atsiras ir vienpusės ilgalaikės vagos deformacijos. Upės nuolydis gali kisti ir dėl daugiamečio vandens baseino, į kurį įtaka upė, vandens lygio svyravimo. Pavyzdžiui, jau keli dešimtmečiai, kai stebimas Kaspijos jūros lygio žemėjimas, todėl į ją įtekančių upių žiotys žemėja ir upė gilinasi. Vykstant atvirkščiam procesui vagoje nusėstų nešmenys. Ryškiausias daugiamečių deformacijų pavyzdys yra bendras upės vagos (vingių) judėjimas pagal tėkmę. Vingiai slenka dėl nuolatinio, ilgalaikio ir vienpusio srauto poveikio vagai. Jų formavimąsi galime aibrėžti taip: 1) didžiausia gylio linija pagal upės tėkmę eina įgaubtojo jos kranto link, o smėlis ir dumblas nusėda, sudarydami paplūdimius ar plačias seklumas priešingame, išgaubtajame krante; 2) giliausia sietuvos dalis ir sekliausia sėkliaus dalis pasislinkusios nuo didžiausio ir mažiausio kreivumo taškų žemyn pagal tėkmę, per atstumą, lygų maždaug ¼ sėkliaus + sietuvos ilgiui; 3) nuosekliai kintant upės kreivumui, analogiškai kinta ir gylis – kiekvieną staigų vingio pakitimą atitinka staigus gylio pokytis; 4) kuo didesnis vingis (kreivumas), tuo didesnė ir sietuva; 5) ilgėjant tam tikro kreivumo vingiui, gylis iš pradžių didėja, po to mažėja. Koks yra hidrotechninių įrenginių upėje ir krantuose poveikis vagos ir srauto sąveikai? Pagal įtakos pobūdį upės srautui hidrotechniniai įrenginiai skirstomi į dvi grupes: 1) tiesinamieji įrenginiai, išdėstyti išilgai kranto srauto švelnių formų sudarymui, o vingiai su tiesiais ruožais, sėkliai su sietuvomis sujungtų be staigių lūžių. Jie statomi upės laivybinėms savybėms gerinti; 2) patvenkiamieji hidrotechniniai įtvarai, išdėstyti skersai srauto tam, kad gauti sutelktą kritimą ir vandens energiją arba dalies debito nutekėjimą kanalu, esančiu aukščiau upės. Pirmieji įrenginiai skirti vagos tiesinimui, jie pakeičia natūralų vagos ir srauto sąveikos procesą. Šių įrenginių išdėstymo zonoje procesas iš pradžių pakinta. Tačiau dėl jo ryšių įvairiose upės dalyse, pokyčiai, atsiradę, dirbtinai pakeitus srauto ribas, veikia upės ruožus, kurių ilgis daug didesnis už tiesinančių įrenginių matmenis. Įrenginiai dirbtinai pertvarko ir sustiprina vidinę srauto cirkuliaciją. Ilgainiui srautas išlygina staigius vagos lūžius, sukurdamas pastoviausią jos formą. Antrieji įrenginiai vaginius procesus veikia daug daugiau, jie dabar ypač paplitę inžinerinio poveikio upės srautui forma. Dėl jų srovės greitis patvankos zonoje staigiai sumažėja ir nešmenys intensyviai akumuliuojasi, užnešdami ir uždumblindami tvenkinį. Tuo tarpu sėkliai aukščiau patvankos veikimo didėja. Žemiau įtvaro srauto erozinė galia stiprėja. Šių procesų dėsningumai yra šie: 1. Pastačius upėje įtvarą, sudarantį patvanką, aukštutiniame bjefe prasideda akumuliacija. Nešmenys palaipsniui nusėda žemyn nuo patvankos pabaigos zonos užtvankos link. Patvankos pabaigoje dėl akumuliacijos ir pakitusio tėkmės režimo sėkliai didėja, tad blogėja laivybos sąlygos. Tos sąlygos susidaro dėl mažos potvynio patvankos, tad jos metu sėkliai pakyla vienodai, kaip ir iki užtvankos statybos. Nuosėkio metu sėkliai plaunami ir gilėja, o patvankos metu šis atbulinis procesas susilpnėja ar net nutrūksta. Todėl gyliai patvankos pabaigos zonoje darosi mažesni nei natūralaus srauto metu. Valant dugną, žemsemėms čia darbo apstu. 2. Nešmenys nusėda tvenkinyje, tad vanduo į žemutinį bjefą patenka skaidresnis, neapkrautas nešmenų ir turintis didesnę transportuojamąją gebą. Srautas be nešmenų žemutiniame bjefe ima plauti vagą, stengdamasis prisisotinti nešmenimis, kurių kiekis atitiktų naują transportuojamąją gebą. Gruntui esant itin neatspariam, plovimas vyksta gan ilgame upės ruože. Pasiekęs tam tikrą gylį, upės srauto greitis šiame ruože sumažėja iki tiek, kad jis nebeatplėšia nešmenų nuo dugno ir negali nešti tam tikro dydžio nešmenų, tarsi „išgrindžiančių“ vagą, neleisdami jai gilėti. Dėl to nepilno prisotinimo nešmenimis, srauto ribinio plovimo gylio riba slinks ir pasroviui, o srautą nešmenimis sotins vis nauji, esantys žemiau upės ruožai. 3. Už užtvankos vyksta ir vietinis plovimas, paplitęs atkarpoje, kur krintančio žemyn srauto greitis artimas smūginiam. Tad ten išmušamos duobės, siekiančios 10-12 m, mažinančios įtvaro patvarumą. Vaga plaunama tol, kol nešmenys nusėda viršutiniame tvenkinyje. Uždumblėjant baseinui, į žemutinį bjefą išnešama vis daugiau nešmenų, todėl vagos plovimo procesas silpnės, iš išplauto grunto kiekis ir išilginis profilis ilgainiui atsistatys. 4. Vandens kaupimasis tvenkinyje gerokai mažina potvynius ir poplūdžius žemiau užtvankos palyginus su buvusia natūralia būkle. Intakų žemiau užtvankos erozijos bazė žemėja, jie intensyviau plaunami. Iš jų išnešamas didėjantis nešmenų kiekis ilgainiui aukština sėklius. Žemutinio bjefo plovimas neigiamai veikia hidroelektrinių darbą, nes gali apnuoginti turbinų vamzdžius. Dėl srauto veiklos pažemėjus vandens lygiui, sunkėja vandens ėmimo įrenginių eksploatacija žemiau užtvankos. Vaginiai procesai kinta ir dirbtinio vandens ėmimo iš upės metu, nukreipiant vandenį į drėkinimo kanalus. 5.17. Druskų nuotėkis upėse. Gruntinis vanduo chemiškai nėra švarus, jame visada yra tam tikras kiekis ištirpusių medžiagų, patekusių vandens apytakos metu. Kaip vyksta druskų išnešimo upėmis procesas? Upės vandens mineralizacija dažniausiai ne didelė dėl to, kad: 1) vanduo, patenkantis upėn iš baseino buvo kontakte su gerai praplautais dirvožemiais ir gruntais; 2) upėje vanduo nuolat keičiasi. Sausų rajonų mineralizacija nuosėkio metu padidėja, drėgmės pertekliaus srityse, kur yra daug kritulių, bet menkas garavimas, mineralizacija daug mažesnė. Kokybinė vandens sudėtis gana vienoda. Joje vyrauja pagrindiniai jonai: HCO3-, SO42-, Cl-, CO32- (anionai), Ca2+, Mg2+, Na+, K+ (kationai). Šių jonų tarpusavio santykis upėse labai įvairus, nors dažniausiai vyrauja HCO3- ir Ca2+, kadangi šis vanduo kontaktuoja su grunto ir uolienų paviršiaus sluoksniais, gerai praplautais ir jau neturinčiais tirpių chloridų ir sulfatų, bet turinčiais mažiau tirpių karbonatų (klinčių). Paprastai jonų santykis yra toks: HCO-3>SO42->Cl- ir Ca2+>Mg2+>Na+, būdingas nelabai mineralizuotam vandeniui. Cheminė sudėtis mineralizacijos atžvilgiu kinta nuo vyraujančios mitybos ir pritekančio vandens kiekio. Išskiriamos hidrokarbonatinė, sulfatinė ir chloridinė hidrocheminės vandens klasės. Hidrocheminis vandens režimas sausumoje, einant iš tundros dykumų zonų link, turi tokį dėsningumą: 1)didėja mineralizacija, 2) vanduo iš hidrokarbonatinio pereina į sulfatinį ir chloridinį. Be to, iš šiaurės į pietus didėja vandens kietumas ir mažėja organinių priemaišų kiekis jame. Yra: mažos mineralizacijos (iki 200 mg/l), vidutinės (200-500), padidintos (500-1000) ir aukštos mineralizacijos (>1000 mg/l) upės. Apie 85% vidutinių (t.t. Lietuva) platumų upių drenuoja silpnai mineralizuota hidrokarbonatiniai- kalcini vandeni. Sulfatinės klasės padidintos mineralizacijos upių vanduo (~3%) paplitęs pusdykumių ir dykumų zonoje. Chloridinis upių vanduo (6%) sutinkamas irgi pusdykumių laikinose ir sezoninėse upėse, jis pasižymi aukšta mineralizacija. Jei upę maitina ledynai ar kalnų sniegas, tai jos mineralizacija nėra didelė. Nedidelės mineralizacijos yra pelkinio vandens upėse, bet jame gausu Fe ir organinių medžiagų (humuso), hidrokarbonatų – mažai ar nėra. Bet vanduo, tekantis dirvožemio paviršiumi, turi jonų daugiau nei ledynų ar pelkių vanduo, ypač sausame klimate. Požeminės upių mitybos vanduo labiau mineralizuotas nei paviršinės mitybos ar šlaitinio nuotėkio vanduo. Cheminės sudėties sezoniškumas ar jos pokyčiai yra sąlygojami metiniais mitybos šaltinių dalies pokyčiais upės nuotėkyje. Paviršiaus nuotėkiui didėjant, mineralizacija mažėja, jam mažėjant, bet didėjant gruntinei mitybai – mineralizacija didėja. Taigi potvynių metu mineralizacija mažiausia, o nuosėkio metu – didžiausia. Tai nereiškia, kad jos minimumo metu mazeja absoliutus upės druskų nuotėkio dydis. Jis didėja kartu su vandeningumu. Norint apskaičiuoti, kokį ir kokių jonų kiekį išneša upė per sekundę (kg/s), reikia upės nuotėkį (m3/s) padauginti iš jonų kiekio (g/l). Ištirpusių druskų kiekis, kurį išneša iš jūros įvairios upės, labai skiriasi. Duomenys apie mineralizaciją ir jos pokyčius per metus būtini racionaliai paviršinio vandens panaudai pramonėje, buityje, drėkinimui, apvandeninimui ar atvirkščiai, nusausinimui. 6. Ežerų ir vandens talpyklų vanduo. Ežerai tai užlieti vandeniu sausumos paviršiaus įdubimai (duburiai), neturintys tiesioginio ryšio su jūra. Ežeras susidaro, kai vandens prietaka viršija vandens netektį, susietą su filtracija ir garavimu. Dirbtiniai ežerai – vandens talpyklos. Mažo dydžio talpykla – tvenkinys. Plačiau apie ežerus, jų tipus ir duburių kilmę, geologinę veiklą ir praktinę reikšmę žr. papildomame skyriuje 4.7 „Ežerų ir pelkių geologinė veikla“. 6.1. Ežero dubens ir priekrantės elementai bei meteorologinių sąlygų ir sedimentacijos įtaka dubens formavimuisi. Ežero duburio reljefo elementai išsidėstę tam tikra tvarka. Veikiant paviršinei nuoplovai ir bangavimui, pirminė duburio forma kinta – lėkštėja krantai, stabilų profilį įgauna krantų šlaitai, nuosėdos lygina dugno reljefą. Nuo aplinkos ežero duburį skiria pirminis krantas, sudarantis šlaitą. Apačioje jis baigiasi bangų veikiama sausumos dalimi. Ežero duburio dalis, kurioje telkšo vanduo vadinama dubeniu arba guoliu. Jame pirmiausia išskiriamos kranto ir gelmių sritys. Kranto srityje skiriamos 3 zonos: 1) Šlaitas – bangų mūšos neveikiama ežero šlaito dalis, supanti ežerą iš visų pusių. 2) Pakrantė, turinti tris dalis: sausąją, veikiamą vandens tik per stiprų bangavimą, ypač aukšto vandens lygio metu, užliejamąją periodiškai pakilus vandens lygiui, ir povandeninę, esančiu po vandeniu, bet veikiamą bangavimo. 3) Atabradas, pasibaigiąs atšlaja, skiriančia ežero dubens šlaitą nuo dugno, viršutinė jo dalis sutampa su pakrantės povandenine dalimi. Tuo būdu, ežero dubuo yra antrinis darinys, kuris ilgainiui labiau tolsta nuo pirminės ežero duburio formos. Ežero dubuo ir esanti jame vandens masė sudaro darnią visumą. Dubens forma veikia srovių režimą, nuosėdų pasiskirstymą, šilumos režimą ir t°C pasiskirstymą vandens storymėje. Temperatūros svyravimas veikia žuvų migraciją. Nuo dubens formos priklauso vandens tūris, ežero užšalimo ir nuledėjimo laikas. Gauti tyrimų duomenys įgalina spręsti uždavinius susijusius su ežero eksploatacija (transportas, ištekančių upių nuotėkis ir kt.). Ežero kranto sritį nuolat veikia bangos, kurių aukštį ir jėgą lemia vėjo stiprumas, ežero gylis ir plotas. Bangos ardo pirmines kranto uolienas, o išplautas daleles perneša šlaitu žemyn į ežero dugną. Bangos plečia pakrantės ir ardomo atabrado zonas, didindamos ir akumuliacinę pastarojo dalį. Bangavimo pasėkoje ežeras seklėja. Šio proceso intensyvumas priklauso nuo ežero krantų geologinės sandaros. Be bangavimo, ežero duburį keičia intakų atnešamas aliuvis. Net ir pratakiame ežere upės atneštų sąnašų didžioji dalis nusėda dubenyje, nes žiotyse smarkiai sumažėja vandens greitis. Stambiausios sąnašos formuoja deltą, smulkesnės (dumblas) patenka į gilesnes ežero dalis. Jei ežeras neilgas, suspenduotos dalelės išnešamos iš ežero. Ežere klostosi ir organinės nuosėdos (dumblas), susidarančios iš ežere mirusių mikroskopinių gyvių ar augalų (planktono) bei iš pakrantės augalijos puvimo procese,likucius nusruvenant i ezero viduri. Klostymasis – sluoksniuotas, dėl vegetacijos vyksmo. Tai veda prie dvisezoninio sluoksniavimosi, kuris įgalina nustatyti ežero amžių. 6.2. Ežerų užžėlimas (entrofikacija). Terigeninės (mineralinės) nuosėdos ir organinės dalelės (dumblas) kaupiasi kasmet, tad ežero dugnas kyla (seklėja ežeras). Einant nuo pakrantės link gelmės išskiriame eilę augalijos juostų (pav.19). Iki 1 m gylio auga viksvos, papliauškos, dumblialaiškiai ir kt. augalai). Iki 2-3 m gylio auga nendrės ir meldai, formuodami atitinkamas juostas. Dar giliau auga vandens lelijos ir lūgnės, t.y. augalai su lapais, plūduriuojančiais paviršiuje. Nuo 4-5 m į augaliją įsiterpia jau visai panirę augalai, virš vandens iškyla tik jų žiedai. Gilesnėje juostoje be panirusių augalų (siauralapės plūdės, nertys) pasitaiko ir sporiniai (samanos, maurabragiai). Giliausioje zonoje auga tik sporiniai augalai (žalieji ir melsvieji dumbliai), augantys gilesnėse ežero dalyse su mažu šviesos kiekiu. Ežerui senkant, augalijos juostos keičia viena kitą, pasislinkdamos iš seklesnių vietų link gilesnių. Jos apjuosia ežero paviršių vis aukštesniu žiedu. Palaipsniui ežero vietoje susidaro pelkė su jai būdingu augalų kompleksu. Tuo būdu, matome kompleksinį ekosistemų pokytį, nepriklausomai nuo žmogaus. Jo įtaka (žemės ūkio naudmenų perdėtas ar neracionalus tręšimas), jei ir yra, tai itin nežymi, tad kai kurių tyrėjų pastangos užžėlimą priskirti antropogeninei veiklai yra nepaaiškintinos. Kartais senkančiuose ežeruose susidaro plovos – plūduriuojančios ežere augalų salelės. Jų plotas pradžioje būna mažas, bet seklėjimui vystantis, salelės jungiasi ir ežerą padengia ištisiniu pelkinės augalijos (žolių ir samanų) kilimu. Taip formuojasi liūnas, kurio 0,5-1 m storis jau išlaiko žmogų( pav.20). 6.3. Vandens balansas, lygis ir dinamika. Balansą sudaro vandens prietakos (pajamos) ir netekties (išlaidos) procesai. Pajamas sudaro paviršinė ir požeminė prietakos bei atmosferos krituliai. Retai prietaką papildo vandens garai, kondensuojantys ant vandens paviršiaus. Nežymiai prie to prisideda ir vėjo pustomas sniegas, susikaupiąs pakrantės nendrynuose (tai būdinga stepių ežerams). Vandens netektį sudaro garavimas, paviršinis ir požeminis nuotėkis. Pajamų ir išlaidų per metus palyginimas yra ežero vandens balansas. Algebriškai sudėjus abu elementus (per laiką Δτ), gauname ežero vandens balanso lygtį: hp+h1p+hk+hg+hn+h1n+h=0, kur: hp ir h1p – paviršinė ir požeminė prietaka į ežerą, hk – krituliai, iškrentantys ant vandens paviršiaus, hg – garavimas iš paviršiaus, hn ir h1n – paviršinis ir požeminis nuotėkis, h – ežero vandens lygio pokytis per Δτ laiką. Visi šios lygties nariai išreiškiami vandens paviršiaus sluoksniu (mm, cm), bet jie matuotini ir tūrio vienetais (m3, km3). Svarbiausia ežerų vandens balansui yra paviršinė prietaka, krituliai, garavimas ir vandens lygio (atsargų) pokytis. Pagal balanso formavimąsi ežerai yra nuotakūs ir nenuotakūs. Prietakai viršijant netektį, ežerai bus nuotakūs, t.y. dubuo prisipildo ir vanduo nuteka, susidarius upei. Nuotėkis juose gali būti nuolatinis ar periodinis. Nenuotakus ežeras – jei visas patenkantis į jį vanduo išgaruoja. Tokie ežerai paplitę karštuose pietiniuose kraštuose. Vandens talpyklų balansui svarbūs yra ir nuotėkis per HES įrenginius (šliuzus, užtvankas), vandens paėmimas iš talpyklos, vandens netektis su talpyklų dugno (grunto) prisotinimu, filtracija į žemutinį bjefą ir eilė kitų spec. požymių. Ežerų ir talpyklų vandens balansui įtaką turi ir vandens akumuliacija bei jo netektis dėl garavimo intakų žiotyse, jei jis yra žemiau matuojamų hidrometrinių pjūvių. Skirtingose fizinėse-geografinėse sąlygose ežero vandens balanso elementų santykis gali būti visai priešingas (Baikalas: garavimo dėka netenka 17% vandens prietakos ir net 83% nuteka Angaros upe). Dirbtinių ežerų-talpyklų vandens balansas turi tam tikrų ypatumų, susijusių su vandens panaudojimu ekonominiams-buitiniams ar žemės ūkio tikslams. Nuotakių baseinų balanso elementai – prietaka ir nuotėkis, krituliai ir garavimas visumoje yra menki. Tuo tarpu mažų nenuotakių ežerų vandens balanse kritulių kiekis padidėja iki 30-40%, o balanso išlaidas visiškai nulemia garavimas. Ežero vandens lygį veikia gamtinių sąlygų kompleksas: a) pajamų ir išlaidų santykis, b) ežero dubens ir duburio morfometrija (ryšys tarp vandens lygio ir paviršiaus ploto), c) ežero dydis, forma, krantų raižytumas, vėjo režimas ir bangavimas, patvankos-nuotvankos reiškiniai. Vandens lygio svyravimai ežere yra sezoniniai, metiniai ir trumpalaikiai. Sezoniniai (metiniai) ar daugiamečiai svyravimai vadinami absoliutiniais. Jie rodo ežero pajamų-išlaidų režimą. Trumpalaikiai svyravimai – santykiniai, vykstantys su absoliutiniais, padidina ar sumažina pastarųjų amplitudę. Metinė lygio svyravimo amplitudė įvairiuose ežeruose skirtinga, ji priklauso nuo klimato, ežero mitybos sąlygų, ežero ir jo balanso plotų, geologinės sandaros ir kt. Didėjant santykiui tarp baseino ir ežero paviršiaus plotų, didėja ežero metinė vandens lygio svyravimo amplitudė. Sezoninis ir metinis vandens lygio svyravimas priklauso nuo vandens tūrio pokyčio, o trumpalaikis – nuo vėjo veiklos (bangavimo), patvankos-nuotvankos, seišų. Dėl minėtų priežasčių svyravimo amplitudė kinta nuo keliasdešimties cm iki 2-4 (ir daugiau) m. Ežerai kaupia vandenį, todėl jų lygis palyginus su upėmis per metus kinta tolygiau. Daugiametis svyravimas priklauso nuo kasmetinio ežero vandens pajamų ir išlaidų santykio (vandeningi, ne vandeningi metai). Be minėtų, būdingų visiems ežerams, lygių svyravimų žinomi ir ilgaamžiai svyravimai, sąlygojami geologinių veiksnių (dubens ar jo dalių kilimas ar grimzdimas). Skirtingai nuo ilgalaikių, lėtų, su tolygiais kilimais ir slūgimais absoliutinių svyravimų, santykiniai yra staigūs. Patvankos-nuotvankos reiškiniai sąlygojami vėjo sukeltomis paviršinėmis srovėmis, sutampančiomis su vėjo kryptimi ir giluminėmis (kompensacinėmis) – priešingomis vėjui kryptimis. Sekliose pakrantėse giluminė srovė dėl trinties būna silpnesnė už paviršinę, todėl priešvėjinėje pakrantėje vanduo kaupiasi (lygis kyla), o pavėjinėje – lygis žemėja. Lygių skirtumas (vandens paviršiaus nuolydis) sustiprina kompensacinę srovę. Abiejų srovių pusiausvyrai nusistovėjus, vandens lygis išlieka pastovus. Stačiose gilių ežerų pakrantėse (Baikalas, Viktorija ir kt.) kompensacinės srovės greičiau pasiekia pusiausvyrą su paviršinėmis (dėl mažesnės trinties), todėl svyravimas, sietinas su patvankos-nuotvankos reiškiniu, juose yra kelių dešimčių cm ribose (net ir štorminio vėjo metu). Sekliose Aralo jūros įlankose šiuo atveju patvankos viršija 2 m aukštį. Kokie yra svyravimai susiję su seišomis ir bangavimu? Ežero vandens masių judesiai būna pastovūs ir laikini. Pirmuosius sukelia įtekančios (ištekančios) ežeran upės (srovės). Šių srovių intensyvumą lemia ežero vandens tūrio ir įtekančio (ištekančio) vandens debito santykis. Jei nuotakaus ežero vandens tūris, palyginus su įtekančio vandens kiekiu, mažas, tai ežere ir upėje susidaro pastovi, tik silpnesnė srovė. Didelio tūrio pratakiame ežere vyksta procesai, dažnesni nenuotakiame ežere. Iš laikinų srovių išskiriame dreifines, susidarančias veikiant vėjui, bei netolygiai šylant ar vėstant ežero vandens masei (konvekcinės). Dreifinės srovės veikia fizinius procesus, vykstančius dideliuose sekliuose ežeruose. Kuo didesnė akvatorija, tuo intensyviau vėjas veikia paviršių ir verčia vandenį judėti vėjo kryptimi veikiančia dreifine srove, kuri nuplukdo į priešvėjinę ežero pakrantę daug vandens, formuojančio grįžtamąją kompensacinę srovę. Netolygus vandens masių vėsimas ir įšilimas formuoja vertikalias konvekcines sroves. Atplukdomas intakų šaltesnis vanduo nepasklinda paviršiumi, o grimzta iki tokio pat tankio vandens sluoksnio, formuodamas sroves. Laikinų ežero vandens masių judesių tarpe pažymėtini vėjinis bangavimas ir seišos. Dviem skirtingo tankio terpėms gulint viena ant kitos rimties būvyje, jas skiriantis paviršius plokščias. Joms judant viena kitos atžvilgiu, skiriamasis paviršius tampa banguotas. Bangų dydis sąlygojamas terpių tankio skirtumo, gylio ir judėjimo greičio. Orui judant virš vandens, skiriamajame paviršiuje dėl trinties susidaro nepastovi pusiausvyra, greitai suyranti, paviršiui įgaunant banguotą (stabilią) formą. Bangą apibūdina elementai (pav.21): ketera (aukščiausias taškas A), papėdė-slėnis(žemiausias taškas B), aukštis (skirtumas tarp A ir B aukščių), ilgis (atstumas tarp 2 gretimų bangų viršūnių ar papėdžių), statumas (kampo α, kurį sudaro bangos profilio liestinė ir horizontali linija, tangentas). Skaičiavimuose dažniausiai naudojamasi bangos periodu – laikotarpiu, per kurį banga nubėga atstumą, lygų jos ilgiui, bei bangos sklidimo greičiu – atstumu, kurį bangos taškas (viršūnė) nueina per laiko vienetą. Pagal išorinę bangų formą bangavimas yra taisyklingas ir netaisyklingas. Yra trys vėjinio bangavimo stadijos: 1)pradinis, 2)nusistovėjęs ir, 3) gęstantis. Pirmoje stadijoje bangos atsiranda ir vystosi dėl vėjo energijos. Pradžioje paviršiuje susidaro ruzgos, mažos bangelės su periodu 24,7 g/l (‰) – druskingas. 24,7 g/l (‰) reikšmė skiria druskėtus vandenis nuo druskingų, tokio druskingumo vanduo užšąla, būdamas max. tankio – 1,332ºC temperatūroje. Vanduo su mažesnėmis jo reikšmėmis, pradžioje įgyja max tankio temperatūrą ir tik po užšąla. Jei druskingumo reikšmė >24,7‰, analoginėse sąlygose vanduo užšals ir neįgijęs didžiausio tankio. Vandens mineralizacija ežere įvairi, kinta nuo 0,002iki350 g/kg tirpalo. Nuotakiuose ji kinta 200-300 mg/l ribose, o, pavyzdžiui, Baikale, Ladogoje, Onegoje – tik 30-100 mg/l. Ypač druskų mažai kalnų ežeruose, nes jų dubenys susidarė kristalinėse uolienose, o ežero mitybą atlieka itin silpnai mineralizuotas sniego ir ledynų tirpsmo vanduo. Druskų yra daug dykumų-pusdykumių ežeruose. Pavyzdžiui, Issyk Kulyje jonų suma siekia 5,82 g/l, Kara Bogaz Golo įlankoje – 280 g/l, Eltone – 265 g/l ir t.t. Ištirpusios ežere medžiagos yra mineralinės, organinės ir dujinės. Pirmųjų tarpe išskiriame pagrindinius jonus, biogenines medžiagas ir išsklaidytus (retuosius) elementus. Joninė ežero vandens sudėtis analoginė upėms (žr. skyrių 5.17.). Ežero vandenyje sutinkamas ne didelis kiekis N, Si, P ir Fe junginiu. Jie yra svarbūs biotai (kaip ir daugelis mikroelementų), todėl vadinami biogeninėmis medžiagomis. Biogeniniams N ir P junginiams priklauso jonai: NO-3, NO-2, NH+4 (amonis), H3PO-4, HPO42-. Ežero vandenyje jų nėra daug (47 g/l. Esant intensyviai druskų prietakai, jie gali tapti dvisluoksniais – meromiktiniais. Tokį reiškinį gali įtakoti, be gamtinių veiksnių, ir pramoninio-buitinio (ypač sodos pramonės) panaudotas vanduo. Šių ežerų vandens masė yra dvisluoksnė, kurie dažniausiai nesusimaišo: didesnio tankio sluoksnis atlieka skysto „dugno“ vaidmenį lengvesnio – viršutinio sluoksnio atžvilgiu. Tankio skirtunas susidaro dėl įvairaus mineralinių medžiagų kiekio abiejuose sluoksniuose. Apatinis sluoksnis vadinamas monimolimnionu, viršutinis – miksolimnionu. Didelių tankių gradientų zona tarp jų – chemoklinas (cheminio šuolio sluoksnis). Pagal apatinio sluoksnio formavimosi sąlygas meramiktiniai ežerai skirstomi į ekto-, kreno-, ir biogeninius. Ektogeniniu ežerų didesnio tankio apatinis sluoksnis susidarė iš jūros vandens. Krenogeninių ežerų monolimnioną formuoja didesnės mineralizacijos požeminis vanduo. Biogeninių ežerų apatinio sluoksnio tankis didėja dėl organinių medžiagų irimo produktų kaupimosi priedugnyje. Šis procesas gali progresuoti intensyviai kertant miškus baseine ir upėms sunešant į ežerą daug organinių likučių. Visuose meromiktiniuose ežeruose einant gilyn mažėja O2 kiekis. Chemokline jis gali visai išnykti. H2S kiekis šiuose ežeruose didėja link dugno. Ežero hidrocheminiam režimui ir biologiniams procesams labai svarbios ištirpusios dujos – O2, CO2 ir H2S. Visoms dujoms būdingas savas tirpumas, priklausantis nuo tºC, druskingumo ir nepilno dujų stangrumo virš vandens. Žemėjant vandens tºC, mažėjant druskingumui, kylant slėgiui, dujų tirpumas didėja. Ištirpimas atitinka 100% prisotinimą dujomis. Esant skirtingai tºC, slėgiui ir druskingumui, 100% prisotinimą atitiks skirtingas absoliutinis dujų kiekis. Jei būtų labai greita vandens apykaita su atmosfera, vandenyje visos dujos būtų ištirpusios (100%) – būtų nuolatinė pusiausvyra. Bet šie procesai vyksta skirtingu intensyvumu, tad vandenyje nėra pilno prisotinimo ir dujos ežero vandens masėje pasiskirsto itin netolygiai – vienų dujų kiekis gali daug kartų viršyti normalų prisotinimą jomis, kitų gi – gali visai nebūti. Ištirpusių dujų kiekis išreiškiamas % jų sotinančio kiekio: jei dujų yra mažiau nei galėtų būti (sotinančių) šiose sąlygose, jų kiekis

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!