Определение расчетных гидрологических характеристик должно основываться на данных гидрометеорологических наблюдений, опубликованных в официальных документах Государственного комитета по гидрометеорологии и контролю природной среды в области гидрологии, а при необходимости на дополнительном учете данных инженерно-гидрометеорологических изысканий.
При определении расчетных гидрологических характеристик необходимо применять следующие приемы расчетов:
а) при наличии данных гидрометрических наблюдений – непосредственно по этим данным;
б) при недостаточности данных гидрометрических наблюдений – приведением к многолетнему периоду по данным рек-аналогов с более длительными рядами наблюдений;
в) при отсутствии данных гидрометрических наблюдений – по формулам с применением данных о реках-аналогах и картам, основанным на совокупности данных наблюдений всей сети гидрометрических станций и постов данного района или более обширной территории, включая материалы инженерно-гидрометеорологических изысканий.
В качестве критерия при определении величины расчетной гидрологической характеристики для каждого вида строительства принимается ежегодная вероятность превышения (обеспеченность) этой величины, устанавливаемая нормативными документами.
Данные гидрометрических наблюдений следует подвергать проверке, включающей анализ:
– полноты и надежности наблюдений за уровнями и расходами воды, наличия данных о наивысших (мгновенных и среднесуточных) и наинизших уровнях воды за время наблюдений при свободном от льда русле, ледяном покрове, ледоколе, заторе льда, заросшем водной растительностью русле, подпоре от нижерасположенной плотины, гидрометрического створа и др.;
увязки высотных отметок водомерных постов и уровней за весь период наблюдений;
увязки годового и сезонного стока воды, максимальных и минимальных расходов и уровней воды в пунктах наблюдения по длине реки;
полноты учета стока на поймах и протоках;
обоснованности способов подсчета стока воды по осредненным или ежегодным кривым расходов воды или же другими методами;
обоснованности экстраполяции кривых расходов воды до наивысших и наинизших уровней, а так же точности расчета стока воды по кривым расходов за год, сезон, месяц, сутки;
необходимости восстановления наблюдений, пропущенных за отдельные годы, месяцы, дни;
точности расчетов стока воды за зимний и переходный периоды, обоснованности принятых при расчете стока воды коэффициентов, учитывающих зарастание русла водной растительностью, правильности учета деформации русла и переменного подпора;
влияния хозяйственной деятельности на речной сток.
Данные гидрометеорологических наблюдений низкого качества при невозможности их уточнения исключаются из расчетного ряда наблюдений. В необходимых случаях должен выполняться пересчет стока воды за отдельные дни, месяцы. годы.
Определение расчетных гидрологических характеристик следует производить по однородным гидрологическим рядам. Для рек, в бассейнах которых интенсивно развивается хозяйственная деятельность, необходимо приведение гидрологических рядов к однородным условиям.
Приведение стока к однородным условиям производится:
– регрессивными методами с использованием парной и множественной корреляции;
– водно-балансовыми методами с учетом изменения всех элементов водного баланса.
Выбор методов определяется наличием и качеством необходимой гидрометеорологической информации. При комплексном учете влияния видов хозяйственной деятельности применяются регрессивные методы, а при дифференцированном – водно-балансовые. Оценка надежности восстановленного речного стока определяется статическими методами. Приведение стока к однородным условиям не производится, если суммарная величина его изменения не выходит за пределы случайной средней квадратической ошибки исходных данных наблюдений.
При выборе рек-аналогов необходимо учитывать следующие условия:
– возможную географическую близость расположения водосборов;
– сходство климатических условий;
– однородность условий формирования стока;
– однотипность почв (грунтов) и гидрогеологических условий, по возможности близкую степень озерности, залесенности, заболоченности и распаханности;
– площади водосборов должны отличаться не более, чем в 10 раз, а их средние высоты (для горных рек) – не более чем на 300 м;
– отсутствие факторов, существенно искажающих величину естественного речного стока (регулирование на орошение и другие нужды).
Величины расчетных гидрологических характеристик должны устанавливаться на основе современного и перспективного уровня комплексного использования водных ресурсов.
Основные гидрологические характеристики: расход воды Q, м
/с; объем стока воды W, м
; модуль стока воды q, м
ГИДРОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ, приборы для измерения горизонтов, глубин, скоростей течения и расходов воды и для взятия проб воды. Для автоматической записи горизонтов воды применяются . Они бывают двух типов. В первом особый поплавок, подвешенный на тонкой проволоке к шкиву, передает колебания горизонтов воды перу, чертящему водомерный график на вращающемся барабане; второй основан на изменении гидростатического давления с глубиной погружения. К этому типу относится лимниграф Ришара, который состоит из каучукового резервуара, заключенного в металлическую цилиндрическую оправу с отверстиями для пропуска воды и соединенного очень гибкой медной проволокой с манометром или самопишущим прибором. Давление воды на каучуковый резервуар изменяется пропорционально глубине погружения последнего, а при прикреплении его к определенной точке – пропорционально высоте стояния над ним воды. Этот прибор особенно удобен для замерзающих рек, подмываемых берегов или при очень значительной амплитуде колебаний горизонтов, когда установить поплавковые лимниграфы затруднительно. Из поплавковых лимниграфов наиболее употребительны системы Отта (фиг. 1), Альбрехта, Ганзера, Гаслера, Зейбта-Фюсса, Рорданца. Все они состоят из поплавка, передаточного и пишущего приспособлений, барабана и часового механизма с заводом от 1 суток до 1 месяца. Поплавок обычно устраивают около 15—20 см в диаметре.
Движется он в особой трубе или в шахте (см. Водомерные наблюдения), и его движения передаются постоянно натянутой противовесом проволокой шкиву и от него – через ряд передач перу. Высота барабана колеблется от 14 см (лимниграф Ганзера) до 35—40 см (лимниграф Отта). В зависимости от возможной амплитуды колебаний горизонтов, передаточное отношение устраивают от 1:20 до 1:2. Лимниграфы устанавливают в особой будке.
Для водомерных наблюдений в течение непродолжительного времени и при небольших, сравнительно, колебаниях воды употребляются переносные лимниграфы. Малый переносный лимниграф системы Отта (см. фиг. 2) состоит из вращающегося при помощи часового механизма барабана, высотой 30 см, устанавливаемого на конце стальной трубы, диаметром 20 мм и длиной 1,5 м, заостренный конец которой вгоняется в дно реки у места наблюдений.
Поплавок цилиндрической формы, диаметром 18 см и высотой 12 см, движется по трубе на двух роликах. К поплавку прикреплена регистрирующая штанга с карандашом. Для защиты от непогоды на барабан надевают парусиновый чехол. Переносной лимниграф Альбрехта позволяет регистрировать колебания горизонтов до 1 м. Барабан с часовым механизмом прикрепляют на консоли к верхнему концу трубы, устанавливаемой у места наблюдения при помощи якорей. Трубу делают, для облегчения ее перевозки, сборной, и вода поступает в нее через боковые отверстия диаметром 1 см.
Для производства промеров употребляют лоты или особые плавучие штанги системы Келлера, изготовляемые фирмой Отта. Последние устроены так, что легко опускаются на дно, оставаясь все время в вертикальном положении. Кроме того, имеется самопишущий прибор – профилограф Гаеша. Действие прибора основано на увеличении гидростатического давления на предмет с глубиной его погружения. В особом решетчатом цилиндре, диаметром 0,5 м, помещен манометр, состоящий из цилиндра, пустотелого поршня и спиральной пружины, стремящейся выдвинуть поршень из цилиндра. К верху цилиндра крепко привязана мембрана из бычьего пузыря; в крышке цилиндра имеются отверстия для доступа воды. Последняя, давя на мембрану с разной, в зависимости от глубины, силой, передвигает поршень с карандашом, который и записывает профиль дна на бумаге, натянутой на находящемся рядом с манометром барабане. Барабан получает движение, пропорциональное длине периметра промеряемого профиля, при посредстве шестерни, сцепляемой с бесконечным винтом, находящимся на оси решетчатого цилиндра. Профилограф чертит профили в масштабе для длины 1:2000 и для глубины 1:200, что при ширине его ленты в 6,5 см позволяет зачерчивать живые сечения глубиной до 13 м.
Для определения скоростей течения воды в настоящее время употребляют почти исключительно . Они состоят из легко вращающихся на оси лопастей, число оборотов которых зависит от скорости течения воды. Зависимость между скоростью течения v и числом оборотов в единицу времени n, выражаемая обычно в виде уравнения v = a+tn+cn2, д. б. определена заранее на особых тарировочных станциях. Для определения скорости течения в определенной точке устанавливают вертушку, поставив лопасти против течения, нормально к нему, и отмечают продолжительность наблюдения t и число оборотов вертушки N. Частное N/t = n, подставленное в уравнение скорости, дает искомую скорость течения в данной точке. Вертушки делают с горизонтальной или вертикальной осью вращения лопастей; они обычно состоят из воспринимаемой части (лопасти), передаточного механизма (ось вертушки, регистрация оборотов) и установочного приспособления. Ось вертушки устраивают или на шариковом подшипнике и цилиндрическом агатовом подпятнике или на двух конических подпятниках. При чистой воде годятся оба способа укрепления оси, – в мутной же воде шариковые подшипники засоряются скорее, чем конические подпятники; зато последние менее пригодны в тех водах, где проносятся листья, трава и прочее. Лопасти бывают плоские, винтовые, буравчатые или турбинные. Плоские и винтовые лопасти имеют тот недостаток, что удар воды о них происходит слишком резко и к ним пристают листья и мусор. При турбинных лопастях струя воды отклоняется от лопасти постепенно, и весь мусор скользит вдоль лопастей, не приставая к ним. Число крыльев в вертушке колеблется от 2 до 4, величина шага 10—50 см и выбирается с таким расчетом, чтобы при обычных скоростях течения не получалось слишком незначительного числа оборотов. Регистрация оборотов вертушки производится путем замыкания электрического тока через определенное число оборотов вертушки. Слабая электропроводность чистой воды позволяет применять свободное для доступа воды контактное приспособление (фиг. 3), но наличие в воде солей или кислот требует закрытой контактной камеры, т. к. в противном случае замыкание тока может происходить через воду.
Вращение лопасти А передается червяком Б зубчатому колесу В с 4 выступающими штифтами (а), срезанными с одной стороны. В зависимости от того, какой стороной проходит штифтик (а) мимо рычажка (б), происходит замыкание или размыкание тока. Переставлением штифтиков (а) можно получить замыкание тока через каждые 25, 50 или 100 оборотов. Рычажок (б) насажен на ось (о), входящую в закрытую масляную камеру. На втором конце оси насажен рычажок (в), повторяющий все движения рычажка (б). Этот рычажок может соприкасаться у точки (е) с зажимом (г), изолированным от корпуса вертушки резиновой кольцевой прокладкой (ж), и таким образом замыкать ток. Другой зажим соединен с корпусом вертушки. При открытых контактах рычажок соприкасается непосредственно с зажимом (г). Магнитное контактное устройство системы Мензинга-Отта заключено в герметически запирающуюся коробку. К заднему концу оси наглухо прикреплен подковообразный магнит. В коробке, под влиянием магнитной индукции, вращается вместе с магнитом якорь с выступом на валу, замыкающий ток при каждом обороте вертушки. Кроме того, при помощи червяка и зубчатки получаются контакты через каждые 20—25 оборотов. Лабораторией гидравлических установок Научно-технического управления ВСНХ СССР изготовляются вертушки с контактным приспособлением инженера Грицука.
Оно состоит (фиг. 5) из особого эбонитового диска (а), соединенного посредством зубчатого колеса о 25 зубцах с червячным винтом на оси вертушки. В теле диска имеется герметически закрытая полость (б), расположенная эксцентрически, а в ней – небольшое количество ртути. При 25 оборотах вертушки эбонитовый диск делает один оборот вокруг своей оси; тогда ртуть соединяет концы железных винтов, входящих внутрь полости контактной камеры и соединенных с полюсами электрического звонка, и производит замыкание тока. Вторая контактная камера (в), расположенная на оси вблизи головки вертушки, замыкает ток при каждом обороте вертушки.
Помимо числа оборотов вертушки, приходится еще в отдельных случаях отмечать обратное течение, достижение вертушкой дна и, наконец, направление струи (отклонение от нормалей к сечению). Для регистрации обратного течения на руле вертушки устанавливают особый маятник, соприкасающийся при обратном течении с контактом и замыкающий ток. Донный контакт получается при помощи особого диска со стержнем, свободно движущимся в изолированном цилиндрическом отверстии корпуса вертушки или подвешиваемого к ней груза. При достижении диском дна он выдвигает стержень вверх и замыкает ток. Для определения направления струй служит компас, помещаемый в корпусе вертушки, показания которого передаются при помощи очень сложного электромагнитного приспособления.
Вертушки на вертикальной оси (шведская Арвидсона и американская Прайса) вместо лопастей имеют полукруглые или конические чашечки. В акустическом измерителе скоростей Прайса, весящем всего 400 г и потому очень портативном, на вертикальную ось надето крепкое колесико о шести спицах с насаженными на них коническими чашечками, отверстия которых обращены в одну сторону. Верхняя часть оси снабжена червяком, приводящим в движение зубчатое колесо. К зубьям прикреплены иголки, задевающие за молоточек, ударяющий по корпусу воздушной камеры, в которой помещена зубчатка. Звук от ударов передается через гуттаперчевую трубку наблюдателю. Отсчитывая по секундомеру время между ударами, соответствующими (в зависимости от числа зубцов, снабженных иголками) каждому или определенному числу оборотов вертушки, можно определить скорость течения.
Все регистрируемые явления (обороты вертушки, достижение дна, обратное течение, глубина опускания вертушки) передаются электрическим током сигнальным приспособлениям – обычно электрическому звонку. При сложных и точных гидрометрических работах все сигнальные приборы монтируются на особой доске.
В Германии, например, принято следующее сигнальное устройство (фиг. 6); А – часы с автоматическим выключением электрического тока через 100 и 200 сек.; Б – счетчик оборотов вертушки; В – счетчик глубины погружения вертушки; Г – секундомер; Д – звонок для сигнализации каждых 25 оборотов вертушки; Е – звонок для донного контакта; Ж звонок, отмечающий прекращение тока часами А; 3 – гальваноскоп для проверки электрической проводки; К – переключатель тока. Иногда включают в сеть самопишущий ленточный хронограф, отмечающий время, число оборотов и глубину погружения вертушки.
При гидрометрических работах вертушки устанавливают: 1) на стоячей штанге, опирающейся на дно реки (фиг. 7),
2) на подвесной штанге, удерживаемой особым штангодержателем (фиг. 8),
и 3) на тросе, опускаемом особой лебедкой (фиг. 9). При определении только одних поверхностных скоростей вертушку подвешивают к особому поплавку или же употребляют электрический лаг. Вертушки новейших систем устраивают таким образом, что они м. б. или прикреплены к штанге или подвешены к тросу.
Вертушка со всем необходимым оборудованием и штангой, длиной 3 м, весит 27 кг и стоит 1240 германских марок. Ею можно измерять скорости от 0,03 до 6 м/сек. Все другие приборы, раньше употреблявшиеся для измерения скорости и основанные на измерении высоты подъема воды в коленчатом сосуде, направленном против течения (h = mv2/2g), т. н. трубки Пито, Дорси и др., в настоящее время совершенно вытеснены вертушками. Из новейших попыток конструирования приборов для определения скоростей, основанных на совершенно новых принципах, заслуживает упоминания складной батометр-тахиметр Глушкова. Прибор состоит из гибкого резинового складывающегося баллона емкостью в 900 см3 с трубкой-носком для втекания жидкостей, диаметром 6 мм и длиной 20 см, с небольшой перекладиной для привязывания к штанге. Количество воды, натекающей в прибор, прямо пропорционально времени; количество, натекающее в 1 секунду, зависит от скорости течения. Зная продолжительность наполнения прибора t и количество натекшей за это время воды А, определяют секундный приток q = A/t и из него, по тарировочному уравнению прибора, – скорость v. Прибор прикрепляют к штанге, которую опускают в воду так, чтобы носок прибора составлял с направлением течения угол в 30—60°, затем быстро поворачивают носок против течения и нажимают секундомер. Продержав определенное время (при скорости 1 м/сек – около 50 сек.), поворачивают штангу на 120° и останавливают секундомер. Приборы для взятия проб воды см. Батометр, приборы для непосредственного измерения расходов воды – см. Гидрометрия.
Одним из основных гидравлических элементов потока является расход воды. Для рек расход воды – важнейшая характеристика, определяющая другие ее параметры: уровень воды, скорость течения, уклон водной поверхности и др. На основании систематических определений расходов воды вычисляют величины средних: суточных расходов, максимальные и минимальные расходы, а также объемы стока реки за тот или иной интервал времени.
Расход воды (Q), м3/с – количество воды, проходящее через поперечное сечение реки за 1 секунду. Расход воды равен произведению площади водного сечения реки на среднюю для этого сечения скорость течения.
Объем стока (V), м3 или км3 – количество воды, проносимое рекой через ее поперечное сечение за больший промежуток времени (сутки, месяц, год).
V = Q ср · t, (14)
где Q ср – средний расход воды за рассматриваемый промежуток времени, м3/с;
t – количество секунд в этом промежутке (для года t = 31,54·10
Для сравнения величины речного стока с атмосферными осадками или испарением, сток характеризуют высотой слоя воды.
Слой стока (у), мм – количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо интервал времени, равное толщине слоя, равномерно распределенного по площади этого водосбора, определяется по формуле
у = 10-6 M · t, (15)
где M – модуль стока, л/(с · км2).
Модуль стока (М), л/(с · км2) – количество воды, стекающей с единицы площади водосбора в единицу времени, определяется по формуле
M = 103 Q / F, (16)
где F – площадь водосбора, км2.
Отношение слоя стока к слою выпавших на площадь бассейна осадков, обуславливающих возникновение данной величины стока, называется коэффициентом стока (a). Он показывает, какая часть осадков расходуется на образование стока:
a = у / x, (17)
где х – слой выпавших на площадь бассейна осадков, мм.
Коэффициент стока изменяется от 0 до 1.
Указанные характеристики нередко определяют понятие сток воды. Сток – это процесс стекания воды с водосборов вместе с содержащимися в ней веществами и теплом. Речной сток – важный элемент материкового звена глобального круговорота воды и веществ, а также главнейший фактор, определяющий взаимосвязь между объектами суши и гидросферы. Сток воды это одновременно и процесс стекания воды в речных системах и характеристика количества стекающей воды.
Таблица 2. Соотношения между основными характеристиками стока
Годовой сток подсчитывается в умеренном климате не за календарный год, а за гидрологический, начинающийся осенью (1 октября или 1 ноября), когда запасы влаги в речных бассейнах, переходящие из одного года в другой, малы. При подсчете за календарный год сток и осадки не могут соответствовать друг другу, так как осадки, выпавшие в конце одного года, стекают весной следующего года.
2.1 Река и речная система. Характеристики реки и ее бассейна.
Река – это водоток, имеющий течение в продолжении большей части года, получающий питание со своего водосбора и имеющий четко выраженное русло, сформированное самим водотоком. Родник, дающий начало реки, или выход речного потока из озера, болота, ледника – исток реки. Место (створ) впадения реки в другую реку или приемный водоем (море, озеро) – устье реки. На крупных реках выделяют верхнее, среднее и нижнее течение.
Основные морфометрические характеристики (параметры формы) реки в целом – ее длина и площадь водосбора (бассейна).
Водосбор реки – часть земной поверхности и толщи почв и грунтов, откуда данная река получает свое питание. Бассейн реки – это часть суши, по которой протекает данная река со всеми ее притоками, включая временные водотоки, и ограниченная водоразделом. Бессточные территории внутри бассейна в водосбор не входят. В районах достаточного увлажнения водосбор и бассейн, как правило, совпадают.
Совокупность последовательно сливающихся ручьев, речек и рек, образующих все более крупные водотоки, называют речной системой (речной сетью). В речной системе можно выделить главную реку, впадающую в море или бессточное озеро, и последовательность притоков различного порядка.
Густота речной сети
определяется как отношение длины рек l на площади к этой площади (площади бассейна) F:
По площади бассейна реки подразделяют:
средние – F =2000-50000 км
малые – F <2000 км
Большая река обычно пересекает две и более природных зоны, гидрологический режим средней реки отражает условия одной зоны или подзоны, режим малых рек в значительной мере определяется местными условиями.
По длине (L) к малым рекам относят обычно реки длиной от 10 до
100 км (иногда до 200), реки длиной до 10 км часто называют ручьями.
Различают физико-географические и морфометрические характеристики бассейнов. К первым относятся:
– географическое положение (географические координаты, близость к морям, пустыням, горным хребтам);
– климатические условия (атмосферные осадки, температура, дефицит влажности воздуха);
– геологическое строение и почвенный покров (трещиноватость горных пород, карстовые явления, механический состав грунтов, водопроницаемость почв и др.);
– рельеф водосбора (уклоны поверхности земли, влияющие на скорость стекания воды);
– растительный покров (виды растительности);
– промерзание почвогрунтов (географическое распространение мерзлоты, слой сезонного промерзания, толщина вечной мерзлоты);
– степень залесенности, выражаемая коэффициентом залесенности – отношением площади лесов к площади бассейнов
– озерность бассейна, выражаемая коэффициентом озерности –
– заболоченность бассейна, выражаемая коэффициентом заболоченности –
К морфометрическим характеристикам бассейнов относятся параметры формы речного водосбора (бассейна): площадь, длина, наибольшая и средняя ширина, средняя высота. средний уклон поверхности, коэффициент асимметрии.
Речные долины – это относительно узкие углубления земной поверхности, образованные в результате тектонических деформаций и деятельности ледников, а также последующего формирования под действием непрерывно текущей воды.
Элементы речной долины:
русло – наиболее низкая часть долины, занятая рекой в маловодные периоды года;
пойма – часть долины, заливаемая при самом высоком уровне воды;
надпойменные террасы – относительно плоские участки долины, представляющие собой остатки пойм на предшествующих этапах развития долины;
коренные берега – склоны долины выше самой высокой террасы.
Русло и пойма образуют дно долины, террасы и коренные берега – склоны долины.Высота поймы, террас, коренных берегов – превышение их бровок над уровнем воды в маловодный период года.
Основное различие между руслом реки и поймой в том, что границы русла реки четко определяются берегами и бровками русла. Пойма не имеет таких четких границ на склонах долины, так как высота паводков и половодьев постоянно меняется.
Типы долин по генезису – тектонические, ледниковые, эрозионные; по форме поперечного профиля – каньоны, ущелья, V-образные, корытообразные (троги), трапециевидные, ящикообразные.
Продольный профиль реки – график изменения отметок водной поверхности и дна по длине реки.
Падение реки – разность отметок водной поверхности или дна (
) на каком либо участке реки. Полное падение – разность отметок водной поверхности или дна между истоком и устьем реки. Уклон реки (I) – отношение падения реки на участке к его длине, выражается в долях единицы или промиллях (‰). Для средних по размеру равнинных рек, как правило, I <1‰, для горных – до нескольких десятков ‰.
Типы продольного профиля: вогнутый, прямолинейный, выпуклый, ступенчатый.
Главный базис эрозии реки – уровень приемного водоема или водотока.
Вдоль долины главной реки в каждой речной системе могут быть выделены три характерные зоны (рисунок 2):
I – зона эрозии с наибольшими продольными уклонами (верховья рек) характеризуется систематическим выносом наносов с постепенной врезкой дна русла в коренные породы;
Рисунок 2 – Характерные зоны (I-III) долины главной реки
II – зона транзита в среднем течении рек характеризуется постоянством уклонов и средних высот (отметок) дна русла;
III – зона аккумуляции (устья рек) отличается избыточным поступлением наносов, обеспечивающим систематическое наращивание высот дна.
В зоне эрозии под действием расхода
происходит процесс врезки реки в коренные породы с соответствующим выносом наносов на нижележащие участки. Дно медленно понижается с соответствующим уменьшением уклонов
В зоне транзита уклоны и высоты дна не меняются, идет перемещение наносов. В связи с увеличением площади водосбора растет расход
, а уклон реки оказывается меньше, чем в зоне эрозии:
В зоне аккумуляции речной поток не в состоянии переносить все поступающие сверху наносы, поэтому река, постепенно наращивая высоты дна и уровни воды, стремится создать повышенный уклон
. Расход воды может возрастать
в связи с ростом площади водосбора, но может и уменьшаться
в связи с отсутствием притоков на устьевом участке и распластыванием паводка.
Устья главных рек бывают разных типов (рисунок 3).
Дельта – устья рек, впадающих в бессточные озера, либо моря с незначительными приливно-отливными явлениями, например, р. Волга.
а – дельта; б – губа; в – лиман
Рисунок 3 – Характерные устья главных рек
Губа – устья рек, впадающих в приливно-отливные моря и океаны, например, р. Ока. Губа непрерывно растет вверх по течению вследствие размывов льда, происходящих в связи с резкими отливами. В море (океане) напротив губы обычно формируется остров, сложенный продуктами размыва русла реки при формировании губы.
Лиман – устья рек, образовавшихся в результате геологических катастроф, например, рек Днепр и Буг.
Реки ведут себя по-разному в пределах каждой характерной зоны и формируют долины разного строения, что должно обязательно учитываться при проектировании, например, мостовых переходов (рисунок 4).
В зоне эрозии реки протекают по узким долинам – каньонам. При этом происходит необратимое врезание русла в современный аллювий или коренные породы с соответствующим выносом продуктов размыва на нижележащие участки реки и уменьшением продольных уклонов. Долины рек в зоне эрозии относительно узкие, они характеризуются высоким залеганием коренных пород и небольшой толщиной аллювиальных отложений (руслоформирующих наносов). Темп необратимого понижения дна реки (и соответственно уровней воды)
Тогда общее необратимое понижение
за расчетный срок службы моста
а – в зоне эрозии; б – в зоне транзита; в – в зоне аккумуляции;
1 – коренные породы; 2 – древний аллювий; 3 – наилок поймы;
4 – современный аллювий; 5 – дамбы обвалования
Рисунок 4 – Строение долин рек в разных характерных зонах
В зоне транзита наносы, приносимые с верховий реки, полностью транспортируются потоком на нижележащие участки. При этом уклоны и размеры русел рек остаются неизменными в течение многих десятилетий. Долины рек в зоне транзита характеризуются, как правило, большой шириной, существенной толщиной аллювиальных отложений и сравнительно глубоким залеганием не размываемых коренных пород. Непосредственно выше коренных пород залегает древний аллювий, образовавшийся на ранних этапах (в древний период) формирования реки. Выше залегает толща несвязного современного аллювия, периодически переносимого речным потоком. Еще выше залегают связные грунты наилка поймы.
К количественной характеристике речной сети относится ее густота
. Густотой речной сети называется длина речной сети, приходящаяся на единицу площади какой-либо территории. Можно подсчитать густоту речной сети в пределах бассейна реки. Тогда получим густоту речной сети для данной речной системы:
– длина всех водотоков (км) на рассматриваемой площади F (км
Густота речной сети увеличивается с ростом атмосферных осадков и убывает с увеличением водопроницаемости почвы, заболоченности и залесенности территории. Корневая система растений способствует водопроницаемости почвы.
Влияние заболоченности на густоту речной сети выражается зависимостью Н.Н. Захаровской:
– коэффициент заболоченности;
е – основание натуральных логарифмов;
А, В, К – параметры уравнения.
В равнинных условиях русла практически всех рек (кроме отдельных крупных) в плане извилистые. Степень извилистости русла характеризуется коэффициентом извилистости русла:
где L – длина реки на рассматриваемом участке;
– длина прямой от начала до конца участка.
Длина реки обычно отсчитывается от истока вниз по течению по линии наибольших глубин. Положение этой линии определяет фарватер, по которому осуществляется судоходство.
Фарватер, проходящий по главным рукавам реки, называют главным фарватером. Линию с наиболее низкими отметками дна русла реки называют тальвегом реки.
Участок извилистого речного русла между двумя смежными точками перегиба его осевой линии называется излучиной реки.
Характерная для равнинных рек форма донного рельефа, сложенная наносами и обычно в виде широкой гряды пересекающая русло под углом к общему направлению течения, вызывающая отклонение его от одного берега к другому, называется перекатом.
Глубоководный участок реки, находящийся между перекатами, называется плесом.
2.2 Основные гидрологические характеристики реки
Объем стока V, м
– это количество воды, проносимое рекой через ее поперечное сечение за больший промежуток времени (сутки, месяц, год).
где Q – средний расход воды за рассматриваемый промежуток времени;
t – количество секунд в этом промежутке (для года t =31,54·10
Для сравнения величины речного стока с атмосферными осадками или испарением, сток характеризуют высотой слоя воды. Слой стока, мм – это такой слой, который получается, если объем стока распределить равномерно по всей площади речного бассейна:
2.3 Питание, водный режим рек, водный баланс речного бассейна
Для рек необходимо различать: процесс питания, режим водного стока и процесс формирования русла и долины.
Источники питания рек – дождевые, снеговые, ледниковые и подземные воды.
Дождевое питание преобладает в теплом поясе и в районах умеренного пояса с муссонным климатом. Доля стекающих дождевых осадков увеличивается при выпадении на увлажненную почву.
Снеговое питание преобладает в холодном и умеренном поясах. Стеканию снеговых вод способствуют повышенная интенсивность снеготаяния, зимнее промерзание грунта и особенно наличие ледяной корки на почве.
Ледниковое питание происходит в результате таяния ледников. Основные факторы – площадь водосбора, занятая ледниками, и температура воздуха.
Подземное питание – поступление в реку грунтовых и межпластовых вод (сток в реки почвенных вод и верховодки условно относится к поверхностному питанию). Зависит от геологического строения и распространения в бассейне водопроницаемых почв, трещиноватых пород, от лесистости.
Поверхностный сток, весьма неравномерный во времени, обычно существенно преобладает над медленным подземным стоком. Периоды максимального поверхностного стока всегда приурочены к определенному времени года. Быстрое поступление в реку огромных масс воды в периоды максимального поверхностного стока вызывает в ней резкое увеличение расходов и соответствующее повышение уровней воды.
Для большинства равнинных рек РФ сток весеннего половодья составляет более 50 % суммарного годового стока.
Питание рек подземными водами наиболее устойчиво и равномерно в течение круглого года. Подземное питание в той или иной мере имеют почти все реки, например у Волги оно составляет около 30 %. На некоторых малых реках подземное питание достигает 60 %.
В зависимости от условий питания в режиме рек выделяют: половодье, паводки и межень.
Половодье – фаза водного режима реки, ежегодно повторяющаяся в данных климатических условиях в один и тот же сезон, характеризующаяся наибольшей водностью, высоким и длительным подъемом уровня воды. Половодье вызывается на равнинных реках – снеготаянием (весеннее половодье), на высокогорных – таянием снега и ледников (летнее половодье), в муссонных и тропических зонах – выпадением летних, затяжных дождей.
Паводок – фаза водного режима реки, которая может многократно повторяться в различные сезоны года, характеризуется интенсивным, обычно кратковременным, увеличением расходов и уровней воды и вызывается дождями или снеготаянием во время оттепелей. Выдающийся по величине и редкий по повторяемости паводок (половодье), могущий вызвать жертвы и разрушения, называют катастрофически паводком.
В инженерной практике термин половодье часто заменяют словом паводок.
Межень – фаза водного режима реки, ежегодно повторяющаяся в одни и те же сезоны, характеризующаяся малой водностью, длительным стоянием низкого уровня и возникающая вследствие уменьшения питания рек. К летней (летне-осенней) межени относят период от конца половодья до осенних паводков, а при их отсутствии – до начала зимнего периода, то есть до возникновения на реке ледовых явлений. Летняя межень может быть устойчивой, продолжительной, а также прерывистой, неустойчивой (периодически нарушаемой дождями).
Зимняя межень совпадает обычно с периодом ледостава. Расходы воды от начала замерзания рек постепенно снижаются, достигая минимума перед вскрытием; это связано с истощением запасов подземных (грунтовых) вод.
Чередование на реках маловодных и многоводных периодов стока является объективным и объяснимым свойством рек, в конечном счете, оказывающем существенное влияние на работу дорожных водопропускных сооружений и мостовых переходов.
Общие закономерности изменения стока по территории можно проследить на примере распределения стока на европейской части бывшего СССР. На широтах 60-65
наблюдается «климатический гребень стока» со значением 350-400 мм. Отсюда понижение стока к северу до 300-350 мм из-за уменьшения осадков при более медленном уменьшении испарения. На севере Кольского полуострова повышение стока под влиянием относительно теплого Баренцева моря. Понижение стока к югу до 50-100 мм в степной зоне, до 20 мм на побережье Азовского моря и 5 мм в Прикаспийской низменности, связанное с уменьшением осадков и увеличением испаряемости. Некоторое увеличение стока на возвышенностях (Валдайская, Донецкий кряжи и др.) и существенное в горах – В Крыму с 20 до 150 мм, на Кавказе до 2000-3000 мм.
Классификация рек по водному режиму.
Реки с весенним половодьем, типы:
– Казахстанский – характеризуется очень высокой волной половодья и низким (до полного пересыхания) стоком в остальную часть года. Сток дают почти исключительно зимние осадки, быстрое таяние которых вызывает высокое, но не продолжительно е половодье;
– Восточноевропейский – характеризуется высоким весенним половодьем, летней меженью, прерываемой эпизодически ливнями, низкой зимней меженью и повышенным осенним стоком. Некоторые реки этого типа имеют два максимума: весной и осенью;
– Западносибирский – имеет небольшое, растянутое половодье, повышенный летне-осенний сток и низкую зимнюю межень. Наличие в бассейнах рек этого типа болт, озер, обширных, заливаемых пойм оказывает регулирующее влияние на сток. Длительная зима предопределяет низкий зимний сток;
– Восточносибирский – характеризуется высоким половодьем, систематическими летне-осенними паводками и очень низким зимним стоком. Этот тип рек связан с обильными дождями летом и осенью и ограниченностью подземного питания;
– Алтайский – отличается невысоким, растянутым, гребенчатовидным половодьем, повышенным летне-осенним и низким зимним стоком. Характер половодья рек этого типа обуславливается особенностями таяния снега в горах. На снеговое половодье накладываются дождевые паводки. Устойчивый зимний сток обусловлен запасом подземных вод.
Р еки с половодьем в теплую часть года, типы: дальневосточный, тяньшанский.
Р еки с паводочным режимом, типы: причерноморский, крымский, северокавказский.
Естественный водный баланс речного бассейна:
где x – осадки на поверхность бассейна;
z – суммарное испарение с его поверхности;
y – речной сток;
В среднем за многолетний период в целом за год
имеют значение, как правило, лишь для части малых рек, поэтому уравнение водного баланса можно записать в простом виде:
2.4 Водомерные графики и гидрографы паводков
Изменение водности рек в ходе годового цикла наглядно характеризуется водомерными графиками и гидрографами паводков.
Водомерным графиком паводка называют график хода уровня воды во времени для данного створа реки (рисунок 5 а). Однако такие графики, являющиеся одними из важнейших характеристик реки в данном сечении, не всегда в полной мере отражают ее водность. Высокие уровни в реках могут формироваться в результате ледяных заторов, зажоров шуги, подпорами от материнской реки, ветровыми нагонами и т.д. В таких случаях при проектировании обязательно используют и гидрографы паводков.
называют график хода расхода воды во времени для данного створа реки (рисунок 5 б). Площадь фигуры, образованной линией гидрографа и осью абсцисс, представляет собой годовой объемстокаW, а площадь части этой фигуры, ограниченной двумя любыми абсциссами, определяет часть объема стока
а – водомерный график паводка; б – гидрограф паводка
Рисунок 5 – Графики, характеризующие водность реки
Реки по типу питания принято подразделять на четыре группы:
– реки с дождевыми паводками, питающимися в течение теплого периода года преимущественно за счет ливневого стока (например, р. Амур). На реках с дождевым питанием в течение теплого периода обычно наблюдается несколько пиков, поэтому водомерный график стока таких рек, как правило, многомодален (рисунок 6);
– реки с паводками от талых вод (р. Ока). Поскольку снеготаяние обычно приурочено к весеннему периоду года, то водомерный график рек со стоком от талых вод обычно одномодален;
– реки с паводками от таяния ледников (р. Аму-Дарья) имеют растянутый в течение теплого периода времени года пилообразный водомерный график;
– реки с комбинированным питанием (р. Кубань). Здесь на ход преимущественного питания (например, от таяния ледников или снеготаяния) накладываются отдельные ливневые пики.
Характерные очертания водомерных графиков и гидрографов паводков для каждого конкретного створа той или иной реки обычно сохраняются год от года, отображая закономерную смену времен года и особенности ее питания.
Для каждого створа реки наблюдается обязательная закономерная последовательность наступления соответствующих максимальных значений гидрометрических характеристик паводка:
а – дождевой сток; б – сток талых вод; в – сток от таяния ледников;
г – сток при комбинированном питании
Рисунок 6 – Характерные водомерные графики рек с различными типами
2.5 Ледовый режим рек
Началом ледового режима принято считать момент устойчивого понижения температуры воздуха ниже нуля; концом – момент очищения реки ото льда. Весь зимний период делится на три части: замерзание реки, ледостав и вскрытие.
Замерзание реки. При появлении отрицательных температур воздуха начинается процесс охлаждения поверхностных слоев воды, на ее поверхности появляется так называемое сало – тонкая пленка, имеющая вид разлитой масляной жидкости. Одновременно возникают ледовые образования у берегов – забереги, т.е. появляется корка тонкого льда в тихих заводях и на участках со слабым течением или почти стоячей водой.
Выпадение в это время обильного снега приводит к образованию на поверхности воды снежуры – комковатого скопления льда со снегом.
Вследствие непрерывного перемешивания воды в реках охлажденные верхние слои охлаждают воду во всем живом сечении потока. Переохлаждение воды создает благоприятные условия для образования внутри потока кристаллов льда, которые затем объединяются в глыбы губчатой структуры – внутриводного льда.
Внутриводный лед в реках причиняет большой вред: закупоривает всасывающие трубы городских водопроводов, забивает турбины гидростанций, водозаборные сооружения на оросительных и осушительных системах. В этих случаях нарушается или полностью прекращается на некоторый период нормальная работа сооружений.
Борьба с внутриводным льдом заключается в уменьшении скорости течения путем устройства запаней на поверхности воды из дерева или хвороста. Уменьшение скорости течения влечет за собой быстрое образование поверхностного льда и прекращение процесса образования внутриводного льда.
Всплывший внутриводный лед, снежура, сало образуют большие скопления льда, называемые шугой. При движении шуги по поверхности водного потока (шугоход) скопления ее, соприкасаясь с холодным воздухом, смерзаются в льдины или ледяные поля, и шугоход переходит в осенний ледоход.
Осенний ледоход иногда сопровождается зажорами – скоплением в живом сечении реки масс внутриводного льда с включением мелкобитого кристаллического льда. Зажоры преграждают путь движущейся воде, вызывая подъем уровня и затопление территории.
Ледостав. С увеличением числа и размеров льдин на поверхности воды скорость движения их уменьшается. В местах сужения или крутого поворота реки, у островов или искусственных сооружений скорость плывущих льдин замедляется. В условиях отрицательных температур воздуха это приводит к быстрому смерзанию ледяных полей и образованию сплошного ледяного покрова, или ледостава.
Некоторые участки реки не замерзают в течение всей зимы или части ее. Такие незамерзающие участки называются полыньями. Причины их образования – большие скорости течения, например на порогах, выход в русло относительно теплых подземных вод. Полыньи способствуют образованию внутриводного льда и зажоров.
В период ледостава на поверхности ледяного покрова иногда возникают наледи – наросты льда в виде напластований, утолщений, бугров.
После установления на реке поверхностного ледяного покрова происходит увеличение его толщины. Основной фактор, влияющий на толщину льда, – температура воздуха. Толщину льда (h) в естественных условиях, т.е. при покрытии его снегом, можно рассчитать по эмпирической формуле:
– сумма среднесуточных отрицательных температур воздуха от начала образования до данного момента;
n – показатель степени (для северных рек n = 0,5);
– коэффициент, колеблющийся в пределах 1,2-2,0.
Вскрытие реки. С наступлением положительных температур воздуха начинается таяние снега, льда и поступление талых вод в реки. Прежде всего стаивает снег на поверхности льда, затем лед оттаивает возле берегов, образуются полосы воды вдоль берегов – закраины. Образование закраин обусловлено поступлением теплых талых вод с бассейна и теплоотдачей берегов.
Увеличение расхода и повышение уровней воды реки приводит в движение ледяные массы, происходит подвижка льда. Лед трогается большими полями, движется медленно, а затем останавливается. Подвижек льда может быть несколько, в зависимости от типа весны. Дальнейшее поступление воды и повышение уровня способствуют поднятию, разламыванию и передвижению льда по течению – начинается весенний ледоход, который значительно превосходит осенний.
Большие массы льда, нагромождаясь в сужениях русла, образуют заторы. Заторы нередко приобретают большую силу, особенно на реках, текущих с юга на север, т.к. вскрытие реки в северной части происходит позднее, чем в южной.
2.6 Движение наносов (см. самостоятельно в МУ по практике).
Морфометрические и морфологические характеристикиПравить
К морфометрическим характеристикам относятся количественные показатели водных объектов и их водосборов.
Морфометрические характеристики могут быть разделены на следующие группы:
- морфометрические характеристики водотоков: длина, средний уклон, координаты продольного профиля, извилистость, координаты поперечного профиля;
- морфометрические характеристики водоемов: площадь водоема, площадь водосбора, уровень воды, нормальный подпорный уровень водохранилища, средняя глубина, макс. глубина, объём озера, объём водохранилища (полный и полезный), длина, максимальная ширина и координаты батиграфических кривых (площадей и объёмов) водоема;
- морфометрические характеристики водосборов, из них основные — площадь, средняя высота, средний уклон склонов, густота речной сети, площадь замкнутых впадин, координаты гипсографической кривой, коэффициент канализованности речной сети.
Морфологические характеристики водосборов — качественно-количественные показатели, характеризующие особенности строения водосбора. К ним относятся озерность, средняя взвешенная озерность, количество и суммарная площадь естественных сточных и бессточных водоемов, заболоченность, распаханность, лесистость, оледененность, урбанизированность, закарстованность, характер почво-грунтов, мерзлотность
Определение гидрографических характеристикПравить
- Руководство по определению гидрографических характеристик картометрическим способом. Ред. Л. А. Чепелкина. — Л., Гидрометеоиздат, 1986, 93 с.
- Методические указания Управлениям Гидрометслужбы № 56. Картометрические работы для получения гидрографических характеристик. — Л., Гидрометеоиздат, 1960, 97 с.
ЛитератураПравить
- Панов Б. П. Количественные характеристики речной сети // Тр. ГГИ. 1948. Вып. 4(58).
- Ржаницын Н. А. Морфологические и гидрологические закономерности строения речной сети. — Л.: Гидрометеоиздат, 1960. −238 с.
