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.
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 * |
