Морфометрические характеристики рек и водоемов.

Дождевые и талые воды, стекая по углублениям земной поверх­ности в направлении

уклона, образуют водотоки. В зависимости от продолжитель­ности движения воды в них различают постоян­ные и временные водотоки. Постоянным называют водоток, движе­ние воды в котором происходит в те­чение всего года или большей его части. В зависимости от размеров водо­токов различают ручьи и реки.

К малым водотокам относятся ручьи. Реки подразде­ляются на большие, средние и ма­лые в зависимости от размеров водосборов (речных бассейнов) и протяженности основного русла.

Большая река - река, бассейн которой располагается в не­скольких гео­графических зонах и гидрологический режим которой несвойствен гидроло­гическому режиму рек каждой географиче­ской зоны в отдельности. К кате­гории больших относятся равнин­ные реки, имеющие бассейны площадью более 50 000 км² и протяженностью более 500 км.

 

 

Средняя река - река, бассейн которой располагается в одной геогра­фической зоне и гидрологический режим которой свойствен гидрологиче­скому режиму рек этой зоны. К категории средних рек относятся равнинные реки, имеющие бассейн площадью от 2000 до 50 000 км² и протяженность примерно от 100 до 500 км.

Малая река - река, бассейн которой располагается в одной географи­ческой зоне и гидрологический режим которой под влия­нием

Рис. 4.2. Водосборный бассейн с речной системой.

 

 

местных фак­торов может быть несвойствен гидрологическому режиму рек этой зоны. К категории малых рек относятся реки, имеющие бассейн площадью менее 2000 км². Их длина, как правило, меньше 100 км.

Место, с которого появляется постоянное течение воды в русле, называется истоком, а место, где река впадает в море, озеро или другую реку, называется устьем.

Ручьи и реки образуют речную систему, под которой понимают главную реку и сеть притоков. Площадь, с которой стекает вода в речную систему, называется водосборной площадью или водосборным бассейном. Совокуп­ность водотоков на определенной территории, включающей разные водосборные бассейны, называется речной сетью.

Основными физико-географическими характеристиками водосбора являются его географическое положение, геологическое строение и рельеф местности, рас­тительный покров, почвенный покров и климатические условия. Наибольшее влияние на процесс формирования и режим водного стока оказывают атмо­сферные осадки и испарение с поверхности водосбора.

К морфометрическим характеристикам водосборного бассейна реки относятся:

· площадь водосбора F и длина водосбора L (рис. 4.2.), которую обычно опре­деляют по картам;

· средняя ширина водосбора В_ср – определяют делением площади водо­сбора F на его длину L:

· средняя высота водосбора Н_ср - определяют по гипсографической карте.

К морфометрическим характеристикам рек относятся:

4 Длина реки. Расстояние по реке от истока до устья. Определя­ется как произведение длины водосбора на коэффициент извилистости реки (К_и), т.е.

L_р = L * k_и. (7)

4 Густота речной сети (D) представляет количество длины водотоков, при­ходящееся на единицу площади речного бассейна или какой-либо террито­рии.

4 Уклон поверхности воды в реке (I) равен отношению разности высот по­верхности воды в двух пунктах (h₁ – h₂ ) к расстоянию между ними L.

Часть дна речной долины, занятая водами реки, называется руслом. Обычно реки имеют большие амплитуды колебания уровней и расходов воды в различные периоды года. Часть русла, в пределах которого проходит сток в период низких (межень) вод, носит название коренного или межен­ного русла. Во время весенних половодий или дождевых паводков речные воды затапливают пойму. Эта часть дна речной долины носит название па­водочного русла. В долинах рек, периодически или эпизодически пересы­хающих, возникают сухие русла.

Морфометрические характеристики водоемов (озер и водохранилищ) определяются по плану или карте водоема и относятся к определенному уровню воды. К основным из них относятся:

Длина L — кратчайшее расстояние между двумя наибо­лее удаленными друг от друга точками береговой линии водоема, проведенное на его поверхности по средней линии, равноудаленной от берегов.

Ширина В - в_макс — наиболь­шее расстояние между берегами, перпендикулярное к длине.

Длина береговой линии l - по урезу воды (нулевой изо­бате); для равнинных водохранилищ определяется по правому и левому берегам и суммарная.

Извилистость (изрезанность, развитие) береговой линии К_и — отношение длины береговой линии к длине окружности круга, имеющего площадь, равную площади озера.

Глубина - максимальная Н_макс по данным промеров, средняя Н_ср —частное от деления объема водоема на площадь его зер­кала.

Объем водной массы V - определяется как для всего водоема, так и для отдельных слоев воды по батометрическим картам.

Гидрографическая сеть водосборов, включающая проточные озера, соединенные речными участками, называется озеро – речной системой.

4.3. Основы гидрометрии рек

Гидрометрия – раздел гидрологии, в котором разрабатываются главным образом методики всех наблюдений и измерений, проводимых при изучении гидрологических режимов рек, озер, водохранилищ и болот, а также способы определения параметров режима водных объектов. Для рек основными гидрометрическими параметрами является уровень воды, скорость течения и расход воды.

Все измерения проводятся в пределах живого сечения реки. Живым или водным сечением реки называется площадь, нормально расположенная к направлению течения реки и заполненная текущей водой (рис. 4.3.).

Измерения уровня. Обычно используются реечно-свайные сооружения или, проще говоря, закрепленная на свайном сооружении размеченная рейка. Для каждого гидрологического поста назначается нуль графика, до которого должна быть размече

Рис. 4.3. Определение площади живого сечения реки.

 

на рейка. Горизонтальная плоскость «нуль графика» располагается на 0,5 м ниже возможного низшего уровня реки. Кроме мерной рейки, могут использоваться разнообразные дистанционные водомерные устройства.

Промеры глубин. Промеры глубин осуществляются гидрометрической штангой, если глубины не превышают 4 метров. На более глубоких участках используются груз на канате или промерные эхолоты, основанные на регистрации времени прохождения звука от поверхности воды до дна и обратно.

Определение скорости течения. В живом сеченииреки скорости воды уменьшаются от поверхности ко дну и от середины реки к берегам за счет трения, так как и дно и берега обладают дополнительным сопротивлением трения. Оно характеризуется т.н. коэффициентом шероховатости, который в зависимости от строения русла может изменяться от 0,025 до 0,2. Кроме того, «мгновенные» скорости, в каждой точке измерения, пульсируют вокруг какого-то среднего значения, за счет турбулентности потока. Явления пульсации учитываются методикой измерений.

В гидрометрическом створе размечаются постоянно используемые скоростные вертикали. Скорость измеряется в определенных интервалах глубин (0,2 – 1,0 м), затем усредняется по каждой вертикали. За среднюю скорость реки в створе принимается средняя по всем вертикалям. Расход воды определяется по формуле

Q = ω * v_ср (м³/с). (8)

где ω – живое или водное сечение; v_ср – средняя скорость в створе. Обычно площадь живого потока определяется по результатам промеров.

 

Режим реки

По результатам измерения строят графики ежедневных, ежедекадных и ежемесячных уровней и расходов воды. Годовые графики ежедневных уровней и расходов воды являются показателями водного режима реки. График изменения расходов называется гидрографом. Графики изменения расхода и уровня в течение года позволяют

Рис. 4.4 Гидрографы рек и их расчленение. Гидрограф реки Унти (1946г.)

выделять основные циклы (или фазы) водного режима рек: половодье, паводки, летняя межень и зимняя межень. Помимо этого, изучение графоаналитическим методом гидрографа позволяет устанавливать отдельные элементы баланса водного питания реки (рис. 4.5.).

Пи­тание реки почти всегда носит смешанный характер с преобла­дающим значением того или иного вида питания на отдельных участках реки и в раз­ное время года.

 

 

Рис.4.5. Схема основных видов стока

 

 

равнинные реки европейской территории России в весенний период имеют смешанное питание, включающее снеговое, дождевое и подземное, в межень (летнюю и зимнюю) - в основном подземное питание, в осенний период — дождевое и подземное.

В самом общем виде уравнение годового баланса речного бассейна имеет вид

х = y - E ± Δ u_подз (9)

где: х – осадки, выпавшие на рассматриваемую поверхность; у – ко­личество воды, вытекающее из бассейна в основном водотоке; Е – испарение воды с поверхности бассейна; ± Δ u_подз – изменение запасов грунтовых под­земных вод в речном бассейне.

4.5. Речной сток, норма стока и способы их определения

К основным характеристикам речного стока относятся: расход воды, объем стока, модуль стока, слой стока и коэффициент стока.

Расходы воды за год вычисля­ются как среднее арифметиче­ское значение из средних суточных расходов воды, измеряемых в течение года.

Все остальные характеристики речного стока, используемые в гидро­логических исследованиях и расчетах, по сути, являются производными от соответствующих расходов воды. Наиболее часто употребляемые характеристики речного стока:

Объем стока W (м³, км³) - количество воды, стекающей с во­досбора за какой-либо интервал времени (сутки, месяц, год и т. д.), определяется по формуле

W = QT, (10)

где Q— средний расход за расчетный период времени, Т— число се­кунд в том же периоде времени.

Модуль стока М [л/(с-км²)] или q [м³/(с-км²)] - количество воды, сте­кающей с единицы площади водосбора в единицу вре­мени,— определяется по формуле

M = Q * 10³/F или q = Q/F, (11)

где F - площадь водосбора, км²; 10³ - переводной коэффициент из метров кубических в литры.

Слой стока Y (мм) или h (мм) – слой воды в мм, равномерно распределенный по площади F и стекающий с водосбора за некоторый промежуток времени Т:

Y = W/F= QT/F, (12)

где 10³ - коэффициент размерности; Т - число секунд в расчет­ном периоде.

Коэффициент стока а - отношение слоя стока к количеству выпав­ших на площадь водосбора осадков, обусловивших возник­новение стока, - определяется по формуле а = у/х, (13)

где у - слой поверхностного стока, мм; х - атмосферные осадки за тот же промежуток времени, мм.

если годовые значения расхода воды, объема стока и модуля стока имеют значения за много лет, то среднее из них называют нормой и соответ­ственно обозначают Q₀, W₀, M₀, Y₀. Они рассчитываются как среднеарифме­тические значения измерений за n лет.

Если под влиянием изменения климатиче­ских условий или антропогенных факторов (создание водохрани­лищ, вырубка лесов и т. д.) изменятся средние количе­ства осад­ков и испарения для данного географического ландшафта, то из­ме­нится и норма годового стока.

Нормы годового стока широко используются при водохозяйственном проектировании гидроэлектростанций, мостов, объектов водоснабжения, систем орошения, обеспечении судоходства и прогнозировании чрезвычайных ситуаций. Они опре­деляют потенциальные водные ресурсы речного бассейна или района.

На практике при определении вышеназванных величин приходится встречаться с тремя случаями:

ü имеется длинный ряд фактических измерений;

ü имеется ограниченный ряд фактических измерений;

ü отсутствуют наблюдения.

Согласно нормативным документам (СНиПам), определение величин годового стока производится как среднеарифметическое из ряда наблюдений такой продолжительности, при которой средняя квадратичная ошибка не превышает 5 %. Для оценки полноценности рядов или расчета количества необходимых лет наблюдений, используют значения коэффициента вариации и среднеквадратичной ошибки выборки данных за n лет.

Коэффициент вариации

(14)

где k - модульный коэффициент или х_i / х₀; n – количество среднегодовых значений в оцениваемом ряду.

Относительная среднеквадратичная ошибка

(15)

Число n лет наблюдений находится по формуле

(16)

Количество лет наблюдений, при довольно часто используемых в расчетах

δ₀ = 3 и 5 %, приведено в таблице 4.1.

Таблица 4.1.

	V
0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,8
δ0= 5%
δ0= 3%

 

Только при достаточно длинном ряде наблюдений можно получить норму стока со сравнительно небольшими ошибками. При коэффициентах вариации, приближающихся к единице, продолжительность необходимых наблюдений составляет сотни лет. На практике такие ряды наблюдений встречаются крайне редко.

Если наблюдения за стоком отсутствуют, коэффициент вариации находится согласно СНиП 2.01.14-83 "Определение расчетных гидрологических характеристик" по специальной Карте коэффициента вариации годового стока. Однако точность определения коэффициента вариации в этом случае заметно ниже. Если при гидрологических изысканиях имеется непродолжительные ряды данных на конкретной реке (6 – 15 лет), то возможно использование метода аналогий. В этом случае река – аналог должна иметь:

ü длинный ряд наблюдений за стоком;

ü схожие климатические и физико-географические условия;

ü близкие с изучаемой рекой размеры площади и среднюю высоту бассейна;

ü долговременный средний сток реки-аналога и сток изучаемой реки должны иметь линейную связь, отвечающую коэффициенту корреляции 0,7 – 0,8.