Составление достоверного прогноза максимального паводка, возможного за расчетный период эксплуатации мостового перехода, осуществляется на основе многолетних наблюдений за уровнями воды на реках. Такие наблюдения производятся на постоянных водомерных постах (рис. 3.1). Данные о полученных водных режимах рек публикуются в Гидрологических ежегодниках, начиная с 1936 г.

В соответствии с современными воззрениями, достоверный прогноз возможен на материалах стационарных наблюдений за водным режимом реки в период не менее 20 лет [ПОСОБИЕ К СНиП 2.05.03-84 ]. Такой срок обусловлен тем, что наблюдения должны включать как маловодные годы, так и многоводные. Только в этом случае может быть установлена фактическая изменчивость высот половодий, характерная для данного водотока.

Обычно, постоянные водомерные посты совмещаются с гидрометеорологическими станциями. Если на реке имеются гидротехнические сооружения, то место для водпоста выбирается вне зоны их влияния.

На участке водпоста, разбивается геодезический створ. Место для створа должно соответствовать следующим требованиям:

русло по возможности должно быть прямолинейным, без резких изменений глубин, без островов и отмелей;

откосы берегов по возможности должны иметь уклоны 1:5 – 1:2;

створ должен быть расположен вне заводей и обратных течений;

пойма по возможности должна иметь наименьшую ширину, без проток и озер, с наименьшим количеством растительности;

русло и поймы в зоне створа не должны быть подвержены размыву;

откосы берегов не должны быть подвержены ударам льдин и бревен.

На местности створ трассируется теодолитом и закрепляется постоянными вехами по две на каждом берегу. По ходу створа на местности закрепляются геодезические марки. Расстояние между ними может быть различным, но превышение одной марки над другой не должно быть более 0.5 м. Самая верхняя марка должна располагаться на 0.5 м выше наиболее высокого паводкового уровня, самая нижняя на 0.5 м ниже самого низкого меженного уровня. Поскольку марки располагаются в зоне воздействия паводков, отметки их постоянно контролируются. Отметка на геодезические марки передается со специального репера расположенного вне зоны подтопления. Замеры уровней воды производятся с точностью до 1 см, установкой геодезической рейки на соответствующую марку. Количество замеров от 2 до 24 замеров в сутки. Условная горизонтальная плоскость сравнения, принимаемая за нуль отсчета при измерении уровней воды, называется нулем графика водомерного поста. Соответствующая ей отметка – отметкой нуля графика водомерного поста.

Закрепление геодезических марок на постоянных водпостах производится при помощи свай, которые забиваются или завинчиваются ниже глубины промерзания. Сваи не должны возвышаться над поверхностью земли более 25 см.

По результатам наблюдений на водомерных постах строятся водомерные графики (рис. 3.2), которые публикуются в Гидрологических ежегодниках.

Расходы при весеннем половодье или паводке, проходящие через створ водпоста, вычисляются по известной формуле:

,

где V – скорость протекания воды;

 – площадь поперечного сечения потока при наивысшем уровне воды.

При этом определяется как общий расход по всей площади створа так и расходы на отдельных участках створа. Разделение на участки может происходить в зависимости от условий протекания воды, например участки с различными коэффициентами шероховатости; участки с большим перепадом глубин и т.п.(рис.3.3). Для приближенных расчетов, во всяком случае, необходимо разделение как минимум на три участка: левая пойма, русло и правая пойма.

Рис.3.3. Пример разделения створа на участки для вычисления расходов

Скорость протекания воды на том или ином участке створа может вычисляться по формуле,

где H – средняя глубина воды на участке;

i – продольный уклон свободной поверхности воды при РУВВ;

a – угол между направлением течения и перпендикуляром

к оси морфоствора;

m – коэффициент шероховатости;

b * – параметр формы живого сечения.

Параметр формы живого сечения естественных русел, принимаеется в зависимости от коэффициента формы сечения русла

,

где H – средняя глубина на участке;

h max – максимальная глубина на участке.

a ф
b *

28.07.2015

Колебания речного стока и критерии его оценки. Речным стоком называют перемещение воды в процессе ее кругооборота в природе, когда она стекает по речному руслу. Речной сток определяется количеством воды, протекающим по речному руслу за определенный промежуток времени.
На режим стока оказывают влияние многочисленные факторы: климатические - осадки, испарение, влажность и температура воздуха; топографические - рельеф местности, форма и размеры речных бассейнов и почвенно-геологические, включая растительный покров.
Для любых бассейнов, чем больше осадков и меньше испарение, тем больше сток реки.
Установлено, что с возрастанием площади водосбора продолжительность весеннего половодья также увеличивается, гидрограф же имеет более вытянутую и «спокойную» форму. В легко проницаемых грунтах больше фильтрация и меньше сток.
При выполнении различных гидрологических расчетов, связанных с проектированием гидротехнических сооружений, мелиоративных систем, систем водоснабжения, мероприятий по борьбе с наводнениями, дорог и т. д., определяют следующие основные характеристики речного стока.
1. Расход воды - это объем воды, протекающий через рассматриваемый створ в единицу времени. Средний расход воды Qcp рассчитывают как среднее арифметическое из расходов за данный промежуток времени Т:

2. Объем стока V - это объем воды, который протекает через заданный створ за рассматриваемый промежуток времени T

3. Модуль стока M - это расход воды, приходящийся на 1 км2 площади водосбора F (или стекающей с единицы площади водосбора):

В отличие от расхода воды модуль стока не связан с конкретным створом реки и характеризует сток в целом с бассейна. Средний многолетний модуль стока M0 не зависит от водности отдельных лет, а определяется только географическим положением бассейна реки. Это позволило районировать нашу страну в гидрологическом отношении и построить карту изолиний среднемноголетних модулей стока. Эти карты приводятся в соответствующей нормативной литературе. Зная площадь водосбора какой-либо реки и определив для нее по карте изолиний величину M0, можно установить средний многолетний расход воды Q0 этой реки по формуле

Для близко расположенных створов реки модули стока можно принять постоянными, то есть

Отсюда по известному расходу воды в одном створе Q1 и известным площадям водосборов в этих створах F1 и F2, расход воды в другом створе Q2 может быть установлен по соотношению

4. Слой стока h - это высота слоя воды, которая бы получилась при равномерном распределении по всей площади бассейна F объема стока V за определенный промежуток времени:

Для среднего многолетнего слоя стока h0 весеннего половодья составлены карты изолиний.
5. Модульный коэффициент стока К - это отношение любой из выше приведенных характеристик стока к ее среднеарифметическому значению:

Эти коэффициенты могут быть установлены для любых гидрологических характеристик (расходов, уровней, осадков, испарения и т.д.) и для любых периодов стока.
6. Коэффициент стока η - это отношение слоя стока к слою выпавших на водосборную площадь осадков х:

Этот коэффициент может быть выражен также через отношение объема стока к объему осадков за один и тот же промежуток времени.
7. Норма стока - наиболее вероятная средняя многолетняя величина стока, выраженная любой из вышеприведенных характеристик стока за многолетний период. Для установления нормы стока ряд наблюдений должен быть не менее 40...60 лет.
Норма годового стока Q0 определяется по формуле

Так как на большинстве водомерных постов число лет наблюдений обычно менее 40, то необходимо проверить, достаточно ли этого числа лет для получения достоверных значений нормы стока Q0. Для этого вычисляют среднеквадратическую ошибку нормы стока по зависимости

Продолжительность периода наблюдений достаточна, если величина среднеквадратической ошибки σQ не превышает 5 %.
На изменение годового стока преимущественное влияние оказывают климатические факторы: осадки, испарение, температура воздуха и т. д. Все они взаимосвязаны и, в свою очередь, зависят от ряда причин, которые имеют случайный характер. Поэтому гидрологические параметры, характеризующие сток, определяются совокупностью случайных величин. При проектировании мероприятий по лесосплаву необходимо знать значения этих параметров с необходимой вероятностью их превышения. Например, при гидравлическом расчете лесосплавных плотин необходимо установить максимальный расход весеннего паводка, который может быть превышен пять раз за сто лет. Эту задачу решают, используя методы математической статистики и теории вероятности. Для характеристики величин гидрологических параметров - расходов, уровней и т. д. используют понятия: частота (повторяемость) и обеспеченность (продолжительность).
Частота показывает, во скольких случаях за рассматриваемый период времени величина гидрологического параметра находилась в определенном интервале. Например, если среднегодовой расход воды в заданном створе реки изменялся за ряд лет наблюдений от 150 до 350 м3/с, то можно установить, сколько раз значения этой величины находились в интервалах 150...200, 200...250, 250...300 м3/с и т. д.
Обеспеченность показывает, во скольких случаях величина гидрологического элемента имела значения, равные и большие определенной величины. В широком понимании обеспеченность - это вероятность превышения данной величины. Обеспеченность какого-либо гидрологического элемента равна сумме частот вышерасположенных интервалов.
Частота и обеспеченность могут выражаться числом случаев, но в гидрологических расчетах их чаще всего определяют в процентах от общего числа членов гидрологического ряда. Например, в гидрологическом ряду двадцать значений среднегодовых расходов воды, шесть из них имели величину, равную или большую 200 м3/с, это значит, что этот расход обеспечен на 30 %. Графически изменения частоты и обеспеченности изображаются кривыми частоты (рис. 8а) и обеспеченности (рис. 8б).

В гидрологических расчетах чаще используют кривую обеспеченности. Из этой кривой видно, что чем больше величина гидрологического параметра, тем меньше процент обеспеченности, и наоборот. Поэтому принято считать, что годы, для которых обеспеченность стока, то есть среднегодовой расход воды Qг, меньше 50 % являются многоводными, а годы с обеспеченностью Qг больше 50 % - маловодными. Год с обеспеченностью стока 50 % считают годом средней водности.
Обеспеченность водности года иногда характеризуют ее средней повторяемостью. Для многоводных лет повторяемость показывает, как часто встречаются в среднем годы данной или большей водности, для маловодных - данной или меньшей водности. Например, среднегодовой расход многоводного года 10%-ной обеспеченности имеет среднюю повторяемость 10 раз в 100 лет или 1 раз в 10 лет; средняя повторяемость маловодного года 90%-ной обеспеченности также имеет повторяемость 10 раз в 100 лет, так как в 10 % случаев среднегодовые расходы будут иметь меньшие значения.
Годы определенной водности имеют соответствующее наименование. В табл. 1 для них приведены обеспеченность и повторяемость.

Связь между повторяемостью у и обеспеченностью р может быть записана в таком виде:
для многоводных лет

для маловодных лет

Все гидротехнические сооружения для регулирования русла или стока рек рассчитываются по водности года определенной обеспеченности, гарантирующей надежность и безаварийность работы сооружений.
Расчетный процент обеспеченности гидрологических показателей регламентируется «Инструкцией по проектированию лесосплавных предприятий».
Кривые обеспеченности и способы их расчета. В практике гидрологических расчетов применяются два способа построения кривых обеспеченности: эмпирический и теоретический.
Обоснованный расчет эмпирической кривой обеспеченности можно выполнить только при числе наблюдений за стоком реки более 30...40 лет.
При расчете обеспеченности членов гидрологического ряда для годового, сезонного и минимального стоков можно использовать формулу Н.Н. Чегодаева:

Для определения обеспеченности максимальных расходов воды применяют зависимость С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля:

Порядок построения эмпирической кривой обеспеченности:
1) все члены гидрологического ряда записываются в убывающем по абсолютной величине порядке;
2) каждому члену ряда присваивается порядковый номер, начиная с единицы;
3) определяется обеспеченность каждого члена убывающего ряда по формулам (23) или (24).
По результатам расчета строят кривую обеспеченности, подобную той, которая представлена на рис. 8б.
Ho эмпирические кривые обеспеченности обладают рядом недостатков. Даже при достаточно длительном периоде наблюдений нельзя гарантировать, что этот интервал охватывает все возможные максимальные и минимальные значения стока реки. Расчетные значения обеспеченности стока 1...2 % не надежны, так как достаточно обоснованные результаты можно получить только при числе наблюдений за 50...80 лет. В связи с этим, при ограниченном периоде наблюдений за гидрологическим режимом реки, когда число лет менее тридцати, или при полном их отсутствии, строят теоретические кривые обеспеченности.
Исследования показали, что распределение случайных гидрологических величин наиболее хорошо подчиняется уравнению кривой Пирсона III типа, интегральное выражение которой является кривой обеспеченности. Пирсоном получены таблицы для построения этой кривой. Кривая обеспеченности может быть построена с достаточной для практики точностью по трем параметрам: среднеарифметическому значению членов ряда, коэффициентам вариации и асимметрии.
Среднеарифметическое значение членов ряда вычисляется по формуле (19).
Если число лет наблюдений менее десяти или наблюдения вообще не проводились, то среднегодовой расход воды Qгcp принимают равным среднему многолетнему Q0, то есть Qгcp = Q0. Величина Q0 может быть установлена при помощи модульного коэффициента K0 или модуля стока M0, определенного по картам изолиний, так как Q0 = M0*F.
Коэффициент вариации Cv характеризует изменчивость стока или степень колебания его относительно среднего значения в данном ряду, он численно равен отношению среднеквадратической ошибки к среднеарифметическому значению членов ряда. На величину коэффициента Cv оказывают существенное влияние климатические условия, тип питания реки и гидрографические особенности ее бассейна.
При наличии данных наблюдений не менее чем за десять лет коэффициент вариации годового стока вычисляют по формуле

Величина Cv меняется в широких пределах: от 0,05 до 1,50; для лесосплавных рек Cv = 0,15...0,40.
При коротком периоде наблюдений за стоком реки или при их полном отсутствии коэффициент вариации можно установить по формуле Д.Л. Соколовского:

В гидрологических расчетах для бассейнов с F > 1000 км2 также используют карту изолиний коэффициента Cv, если суммарная площадь озер не более 3 % площади водосбора.
В нормативном документе СНиП 2.01.14-83 для определения коэффициента вариации неизученных рек рекомендуется обобщенная формула К.П. Воскресенского:

Коэффициент асимметрии Cs характеризует несимметричность ряда рассматриваемой случайной величины относительно ее среднего значения. Чем меньшая часть членов ряда превышает величину нормы стока, тем больше величина коэффициента асимметрии.
Коэффициент асимметрии может быть рассчитан по формуле

Однако эта зависимость дает удовлетворительные результаты только при числе лет наблюдений n > 100.
Коэффициент асимметрии неизученных рек устанавливается по соотношению Cs/Cv для рек-аналогов, а при отсутствии достаточно хороших аналогов принимаются средние отношения Cs/Cv по рекам данного района.
Если невозможно установить отношение Cs/Cv по группе рек-аналогов, то значения коэффициента Cs для неизученных рек принимаются по нормативным соображениям: для бассейнов рек с коэффициентом озерности более 40 %

для зон избыточного и переменного увлажнения - арктической, тундровой, лесной, лесостепной, степной

Для построения теоретической кривой обеспеченности по приведенным выше трем ее параметрам - Q0, Cv и Cs - пользуются методом, предложенным Фостером - Рыбкиным.
Из выше приведенного соотношения для модульного коэффициента (17) следует, что средняя многолетняя величина стока заданной обеспеченности - Qp%, Мр%, Vp%, hp% - может быть рассчитана по формуле

Модульный коэффициент стока года заданной обеспеченности определяется по зависимости

Определив ряд любых характеристик стока за многолетний период различной обеспеченности, можно по этим данным построить и кривую обеспеченности. При этом все расчеты целесообразно вести в табличной форме (табл. 3 и 4).

Способы расчета модульных коэффициентов. Для решения многих водохозяйственных задач необходимо знать распределение стока по сезонам или месяцам года. Внутригодовое распределение стока выражают в виде модульных коэффициентов месячного стока, представляющих отношения среднемесячных расходов Qм.ср к среднегодовому Qг.ср:

Внутригодовое распределение стока различно для лет разной водности, поэтому в практических расчетах определяют модульные коэффициенты месячного стока для трех характерных лет: многоводного года 10%-ной обеспеченности, среднего по водности - 50%-ной обеспеченности и маловодного - 90%-ной обеспеченности.
Модульные коэффициенты месячного стока можно установить по фактическим знаниям среднемесячных расходов воды при наличии данных наблюдений не менее чем за 30 лет, по реке-аналогу или по типовым таблицам распределения месячного стока, которые составлены для разных бассейнов рек.
Среднемесячные расходы воды определяют, исходя из формулы

(33): Qм.cp = KмQг.ср

Максимальные расходы воды. При проектировании плотин, мостов, запаней, мероприятий по укреплению берегов необходимо знать максимальные расходы воды. В зависимости от типа питания реки за расчетный максимальный расход может быть принят максимальный расход воды весеннего половодья или осеннего паводка. Расчетная обеспеченность этих расходов определяется классом капитальности гидросооружений и регламентируется соответствующими нормативными документами. Например, лесосплавные плотины Ill класса капитальности рассчитываются на пропуск максимального расхода воды 2%-ной обеспеченности, а IV класса - 5%-ной обеспеченности, берегоукрепительные сооружения не должны разрушаться при скоростях течения, соответствующих максимальному расходу воды 10%-ной обеспеченности.
Способ определения величины Qmax зависит от степени изученности реки и от различия между максимальными расходами весеннего половодья и паводка.
Если имеются данные наблюдений за период более 30...40 лет, то строят эмпирическую кривую обеспеченности Qmax, а при меньшем периоде - теоретическую кривую. В расчетах принимают: для весеннего половодья Cs = 2Сv, а для дождевых паводков Cs = (3...4)CV.
Поскольку наблюдения за режимом рек ведутся на водомерных постах, то обычно кривую обеспеченности строят для этих створов, а максимальные расходы воды в створах расположения сооружений рассчитывают по соотношению

Для равнинных рек максимальный расход воды весеннего половодья заданной обеспеченности р% вычисляют по формуле

Значения параметров n и K0 определяются в зависимости от природной зоны и категории рельефа по табл. 5.

I категория - реки, расположенные в пределах холмистых и платообразных возвышенностей - Среднерусская, Струго-Красненская, Судомская возвышенности, Среднесибирское плоскогорье и др.;
II категория - реки, в бассейнах которых холмистые возвышенности чередуются с понижениями между ними;
III категория - реки, большая часть бассейнов которых располагается в пределах плоских низменностей - Молого-Шекснинская, Мещерская, Белорусское полесье, Приднестровская, Васюганская и др.
Значение коэффициента μ устанавливается в зависимости от природной зоны и процента обеспеченности по табл. 6.

Параметр hp% вычисляют по зависимости

Коэффициент δ1 рассчитывают (при h0 > 100 мм) по формуле

Коэффициент δ2 определяют по соотношению

Расчет максимальных расходов воды весеннего половодья ведется в табличной форме (табл. 7).

Уровни высоких вод (УВВ) расчетной обеспеченности устанавливаются по кривым расходов воды для соответствующих значений Qmaxp% и расчетных створов.
При приближенных расчетах максимальный расход воды дождевого паводка может быть установлен по зависимости

В ответственных расчетах определение максимальных расходов воды следует проводить в соответствии с указаниями нормативных документов.

Для количественной оценки сока рек применяются следующие его характеристики.

Объем стока W м 3 или км 3 – количество воды, протекающее в русле реки через данный замыкающий створ за промежуток времени T суток, W = 86400 QT [м 3 ] = 8,64 * 10 -5 QT [км 3 ], где Q – средний расход в м 3 /с за время T суток; 86 400 – число секунд в сутках.

Модуль стока M л/(с*км 2) – количество воды, стекающей с единицы площади в единицу времени, M = 103 Q/F, где F – водосборная площадь в км 2 .

Слой стока Y – слой воды в миллиметрах, равномерно распределенной по площади F и стекающей с водосбора за некоторый промежуток времени T суток, Y = 86,4TQ / F. Слой стока за год в миллиметрах: Y = 31,54M.

Коэффициент стока η – отношение величины слоя стока с данной площади за некоторый промежуток времени к величине слоя атмосферных осадков, выпадающих на эту площадь за тот же промежуток времени, т.е. η = Y / X, 0 ≤ η ≤ 1. Коэффициент стока – величина безразмерная.

Характерной особенностью в распределении среднего многолетнего стока на территории СССР является широтная зональность его, наиболее отчетливо выраженная в равнинных частях страны, и тенденции к уменьшению стока в направлении с запада на восток под влиянием континентальности климата. В равнинных частях нашей страны норма стока уменьшается с севера на юг. Вместе с тем, в пределах Русской равнины располагается широкая полоса повышенного стока (> 300 мм), охватывающая бассейны рек Выга, Кеми, Онеги, Северной Двины, Печоры и др. К югу и северу от этой полосы сток уменьшается. Наименьших значений норма стока достигает в Причерноморской и особенно в Прикаспийской низменности, 20 – 10 мм и менее. На территории Западно-Сибирской равнины максимум стока набл-ся на широте 64–66° и составляет 250 мм (бассейн р. Пур). На побережье Карского моря сток меньше, около 200 мм, к югу уменьшается и в зоне степей равен около 10 мм. Рельеф тоже влияет на распределение стока. Небольшие нарушения равнинного рельефа Русской равнины вызывают увеличение стока (районы Валдайской возвыш., Приволжской, Среднерусской). Уральский хребет – наиболее высокие значения стока на западных склонах по сравнению с восточными. в бассейне р. Шугор максимум нормы стока для европ. части СССР – около 800 мм. также осадки влияют на сток (чем > выпадает осадков, тем > сток). На южных склонах Главного Кавказского хребта сток > чем на северных. Ср. модуль стока для СССР = 6,2 л/(с*км 2), что соотв. слою стока примерно 195 мм.

Факторы, влияющие на речной сток

Климат, почва, геологическое строение речного бассейна, растительность, рельеф, озерность, хоз. деятельность.

Анализ уравнения вод. баланса Y = X – Z за многолетний период позволяет судить о том, чтоклимат значит. влияет на сток. Например: испарение (чем > t, тем интенсивнее исп.), содержание воды в почве (чем > осадков, тем > воды). Для расчета средней годовой величины испарения применяются сетоды М. И. Будыко и А. Р. Константинова. В основе метода Будыко лежит ур-е связи между тепловым и водным балансом территории. В общем виде это ур-е: Z/X = f(R/LX), где L – скрытая теплота испарения, Z/X – коэф. испарения, R – рад. баланс.

Влияние почвы на сток и его подземную и поверхностные составляющие осуществляется через процессы инфильтрации и испарения.

Геологич. строение речного бассейна определяет условия накопления и расходования подземных вод, питающих реки. Велико значение на сток закарстованных горных пород, слагающих речные бассейны. Интенс. этого влияния зависит также от возраста карста. В карстовых районах поверхностный сток обычно отсутствует, осадки поглощаются воронками, польями, просачиваются по трещинам и пополняют запасы подземных вод.

Влияние растительности невелико. Оно заключается в увеличении шероховатости зем. поверхности, вследствие чего замедляется стекание воды по поверхности земли и увеличивается возможность инфильтрации влаги в почву. Влияние леса на отдельные элементы водного баланса велико (просачивание, испарение, отчасти осадки).

Уклоны влияют на речной сток сравнительно невелико, вследствие того, что роль инфильтрационной способности почв перекрывает зависящее от этого фактора увеличение или уменьшение скорости стекания вод по земной поверхности. Бол. влияние рельеф оказывает на отдельные эл-ты вод. баланса: осадки, инфильтрацию влаги в почвогрунты и испарение. Это влияние проявляется в зависимости от крупности форм рельефа.

С изменением озерности изменяются соотношения между площадями, покрытыми водой и занятыми сушей.

Гидрограф - график изменения во времени расходов воды в реке или другом водотоке за год, несколько лет или часть года (сезон, половодье или паводок).

Гидрограф строится на основании данных о ежедневных расходах воды в месте наблюдения за речным стоком. На оси ординат откладывается величина расхода воды, на оси абсцисс - отрезки времени.

Гидрограф отражает характер распределения водного стока в течение года, сезона, половодья (паводка), межени. Гидрограф используется для вычисления эпюры руслоформирующих расходов воды.

Единичный гидрограф - гидрограф, показывающий изменение расходов воды во время единичного паводка.

Типовой гидрограф - гидрограф, отражающий общие черты внутригодового распределения расхода воды в реке.

Многолетний гидрограф паводка - расчётная паводочная волна в определённом створе водотока, характеризуемая определённым многолетним расходом, типовым гидрографом и соответствующим объёмом.

Цель гидрографа – определить сток по сезонам и тип питания реки.

Количественная оценка доли различных видов питания в формировании стока обычно осуществляется с помощью графического Расчленения гидрографа по видам питания. В этом случае доля того или иного вида питания (например, снегового, дождевого, подземного) определяется пропорционально соответствующим площадям на гидрографе.

Наибольшие трудности возникают при выделении подземного питания в период половодья или крупных паводков. В зависимости от характера взаимодействия поверхностных и подземных вод Б. В. Поляковым, Б. И. Куделиным, К. В. Воскресенским, М. И. Львовичем, О. В. Поповым и другими исследователями предложен ряд схем расчленения гидрографа. Наиболее общие закономерности следующие. При отсутствии гидравлической связи речных и грунтовых вод, что обычно характерно для горных рек, подземное питание в период половодья или паводка в общих чертах повторяет ход гидрографа, но в более сглаженном виде и с некоторым запаздыванием максимума подземного питания по сравнению с максимумом расхода воды. При наличии постоянной или временной гидравлической связи речных и грунтовых вод на подъеме половодья в результате подпора рекой грунтовых вод подземное питание уменьшается и достигает минимума при наивысшем уровне воды в реке. При длительном стоянии высоких уровней, что более свойственно крупным рекам, происходит фильтрация речных вод в грунт («отрицательное подземное питание»), а на спаде половодья или в начале межени эти воды возвращаются в реку (береговое регулирование речного стока).



За большими и средними реками в разных пунктах ведутся постоянные наблюдения, так как реки очень изменчивы. Уровень и расход воды в них зависят от : количества дождей и таяния . Для зашиты от паводков и необходимо изучать поведение . В мире для этого создана огромная сеть станций, которые ведут непрерывные наблюдения за изменениями уровня воды, ее расходами, качеством, температурой, ледовыми явлениями. Таких станций сейчас 60 тыс. Кроме того, на водосборах установлено 150 тыс. измерителей осадков и 10 тыс. станций для измерения испарения. Информация со всех станций поступает в центры обработки, где с помощью компьютеров получают данные, характеризующие поведение реки, и публикуют их в специальных «Гидрологических ежегодниках», а уже на этой основе создают «гидрологический кадастр», т. е. полную сводку данных о реках за все время наблюдений.

Существующая огромная сеть гидрологических станций охватывает менее 1% всех рек мира длиной от 10 км. На основе собираемой информации ученые-гидрологи разработали надежные методы для определения поведения неизученных рек. Это позволило определить всех рек мира, который составляет почти 42 тыс. км3 в год. Если к этому добавить еще ежегодный сток льда с ледниковых покровов и (3 тыс. км3) и подземный сток (2,2 тыс. км3) в океан, то всего с суши в океан ежегодно поступает 46 тыс. км3 воды. Но 1 тыс. км3 стока рек не достигает , поскольку уходит в озера и теряется в песках, в так называемых бессточных областях, существующих на всех континентах, примером чему служит бассейн моря, включающий .

Вместе с водой реки несут в океан растворенные вещества, которых в литре содержится в среднем около 90 мг. За год реки выносят 3570 млн. т растворенных веществ. Речная вода содержит также твердые частицы веществ - наносы. Они могут перемешаться в взвешенном в воде состоянии (взвешенные наносы) и перекатываться и «прыгать» вдоль дна (донные, или влекомые, наносы). Их общая масса составляет 17 млрд. т в год. Растворенные вещества и наносы - результат деятельности воды, которая размывает и , из-за чего уровень суши понижается. Этот процесс называют . За 1000 лет вода растворяет и смывает слой толщиной около 5 см. Следовательно, при средней высоте современной суши над уровнем моря 700 м потребовалось бы всего 14 млн. лет, чтобы ее смыть в океан. Но этого не происходит, потому что суша постоянно нарастает. Река переоткладывает наносы в руслах, устьях, озерах и морях в виде донных осадков разнообразной формы. Таким образом, реки оказываются разрушителями и скульпторами, обрабатывающими поверхность суши, рельеф которой формируется при обязательном участии воды.

· Расчет нормы годового стока при неполном наличии данных наблюдений.

Среднее значение годового стока за многолетний период при неизменных физико-географических условиях, включающий не менее двух чётных замкнутых циклов колебаний водности называется нормой годового стока. Норма годового стока имеет очень важное значение при расчётах стока и проведении различного рода водохозяйственных мероприятий на реках, т.к. она характеризует потенциальные водные ресурсы того или иного региона. Большое значение нормы стока как расчётной хар-ки определяется её неизменяемостью, т.к. она определяется соотношением осадков и испарения. Поэтому норма стока, определённая по наблюдениям за прошедший промежуток времени может быть распространена на будущий промежуток времени. При расчётах нормы стока имеют место 3 случая расчётов: 1) имеется длительный период гидрометрических наблюдений; 2) период наблюдений недостаточен для определения хар-к стока; 3) отсутствие данных гидрометрических наблюдений.

При недостаточности. В этом случае основным приёмом расчёта является использование метода гидрологической аналогии, т.е. для определения нормы стока расчётной реки подбирается река-аналог с длительным периодом наблюдений и норма стока определяется следующим образом: 1) с использованием формул приведения, когда норма стока определяется по империческим формулам с учётом некоторых параметров расчётной реки и реки-аналога; 2) норма стока определяется погодично восстановленным годовым расходам расчёта реки, т.е. имеет место удлинение ряда расчёта реки. Используется 2 метода: 1) графический; 2) аналитический. Графический метод. За совместный период наблюдений расчётной реки и реки-аналога строится график связи. С помощью графика по расходам реки-аналога удлиняют ряд расчётной реки. Аналитический метод. По уравнению кривой регрессии подбираются параметры уравнения и по уравнению восстанавливается ряд расчётной реки

· Подбор реки аналога

Под рекой-аналогом понимают реку, обеспеченную данными гидрологических наблюдений и находящуюся в схожих условиях формирования стока с рекой, для которой выполняется расчет.

При выборе реки-аналога производится оценка и сравнение:

· пространственной структуры колебаний рассматриваемой гидрологической характеристики, отражающей характер пространственной связанности рассматриваемой гидрологической характеристики,

· однотипности стока рек аналогов и исследуемой реки;

· географической близости расположения водосборов;

· однородности условий формирования стока, сходства климатических условий, однотипности почв (грунтов) и гидрогеологических условий, степени озерности, залесенности, заболоченности и распаханности водосборов;

· средних высот водосборов, экспозиции склонов и гипсометрии;

· факторов, существенно искажающих естественный речной сток (регулирование речного стока, сбросы воды, изъятие стока на орошение и другие нужды).

24.Поперечный профиль реки. Расход потока. Методы его определения.

· Поперечный профиль реки

В поперечном профиле реки мы различаем две части: поперечный профиль речной долины и поперечный профиль самой реки. Для получения представления о профиле самой реки или, точнее, речного русла необходимо произвести промеры глубин реки.

Промеры производятся или ручным способом или механическим.

Для промеров ручным способом применяют наметку или ручной лот. Наметка представляет собой шест из гибкого и прочного дерева круглого сечения диаметром 4-5 см, длиной от 4 до 7 м.

Нижний конец наметки отделывается железом. Наметка окрашивается в белый цвет и размечается на десятые доли метра. Нулевое деление соответствует нижнему концу наметки. При всей простоте устройства наметка дает точные результаты.

Для вычерчивания профиля реки проводится горизонтальная линия, на которой по масштабу откладываются точки промеров. От каждой течки вниз проводится перпендикулярная линия, на которой также по масштабу откладываются полученные от промеров глубины. Соединяя нижние концы вертикалей, мы получаем профиль. Ввиду того что глубина рек по сравнению с шириной очень небольшая, при вычерчивании профиля вертикальный масштаб берут больше горизонтального. Поэтому профиль является искаженным, но более наглядным.

Ширина реки просто определяется по длине верхней горизонтальной линии, изображающей поверхности реки.

Смоченный периметр - это длина линии дна реки на профиле от одного уреза берега реки до другого. Вычисляется он путем сложения длины всех отрезков линии дна на чертеже живого сечения реки.

Гидравлический радиус - это частное от деления площади живого сечения на длину смоченного периметра (R=F/Р м).

Средняя глубина - это частное от деления площади живого сечения реки на ширину реки (hср =F/Bм).

Для равнинных рек величина гидравлического радиуса обыкновенно очень близка к величине средней глубины (R≈hcp).

Наибольшая глубина восстанавливается по данным промеров.

· Расход потока.

Расход потока жидкости – количество жидкости, протекающей в единицу времени через живое сечение потока.

Различают объёмный, массовый и весовой расходы жидкости.

Объёмный расход жидкости это объём жидкости, протекающей в единицу времени через живое сечение потока. Объёмный расход жидкости измеряется обычно в м3/с, дм3/с или л/с. Он вычисляется по формуле

где Q - объёмный расход жидкости,

W - объём жидкости, протекающий через живое сечение потока,

t – время течения жидкости.

Массовый расход жидкости это масса жидкости, протекающей в единицу времени через живое сечение потока. Массовый расход измеряется обычно в кг/с, г/с или т/с и определяется по формуле

где QM - массовый расход жидкости,

M - масса жидкости, протекающий через живое сечение потока,

t – время течения жидкости.

· Методы его определения

Расход воды в открытых водотоках (Q) обычно находят через живое сечение (W) и среднюю скорость потока (V) по формуле: Q = W·V

Также расход воды определяют с помощью каких-либо веществ, обладающие известными физическими или химическими свойствами. Вещество известной концентрации, пройдя вместе с потоком некоторое расстояние, понизит вследствие перемешивания свою начальную концентрацию. Степень понижения концентрации зависит от расхода воды, поэтому уменьшение концентрации вещества и является критерием расхода водотока.