Предмет гидрологии. Свойство и

Конспект лекций

по курсу «Гидрология»

(Специальности: «Мосты и транспортные тоннели»

«Водоснабжение и водоотведение», «Защита

окружающей среды»)

 

Санкт- Петербург

 

 

Конспект лекций составлен Ш.Т. Даишевым и Ю.А. Канцибером на основании результатов обобщения и анализа материалов учебных пособий, а также опыта чтения лекций студентам ПГПУПС, изучающим специальности «Мосты и тоннели», «Водоснабжение и водоотведение», а также «Защита окружающей среды».

В результате освоения дисциплины обучающийся должен обладать следующими конкретными профессиональными компетенциями:

- способностью выбрать водные объекты в качестве источников водоснабжения и выпуска сбросных вод, а также местоположение на них мостовых переходов, водозаборных и устьевых сооружений с учетом гидрологического режима, динамики водного потока, русловых процессов, ледовых явлений и др.;

- готовностью определить расчетные гидрологические характеристики водных объектов, необходимые для проектирования мостовых переходов, систем водоснабжения и водоотведения;

- способностью разработать Техническое задание на гидрометеорологические изыскания, оценить полноту и качество материалов этих изысканий;

- способностью решать задачи по оптимальному регулированию речного стока с учетом различных требований водопользователей и водопотребителей;

- способностью провести корректировку эксплуатационного режима водозабора и сброса сточных вод при существенных изменениях гидрологической обстановки.

 

 

Тема № 1

Предмет гидрологии. Свойство и

Происхождение воды. Распределение и

Круговорот воды на Земле. Водный баланс.

Водные ресурсы и водообеспеченность.

Предмет гидрологии

Гидрология – наука, изучающая гидросферу, её свойства, процессы и явления, связанные с поверхностными водами. протекающие в ней во взаимосвязи с атмосферой, литосферой и биосферой.

Гидрология суши (ГС) – раздел гидрологии, рассматривающий поверхностные воды суши.

Предметом изучения ГС являются водные объекты, к которым относят: реки, озера, водохранилища, болота, ледники, скопления снега, а также подземные воды, связанные с поверхностными водами.

ГС подразделяется на 15…20 и более научных дисциплин: общая (планетарная гидрология), гидрография, гидроморфология, гидрометрия, гидрология рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, динамика вод суши, русловые процессы, гидрофизика, гидрохимия, инженерная гидрология и пр.

Инженерная гидрология – это комплексная прикладная дисциплина, связанная с проектированием и эксплуатацией гидротехнических сооружений и мостовых переходов на водных объектах. Их конструкции и параметры должны обязательно иметь гидрологическое обоснование, под которым понимают прежде всего гидрологические расчеты характеристик стока и уровней воды, наносов, русловых деформаций, гидрохимические расчеты для целей водоснабжения и водоотведения и т.д.

 

 

Водный баланс

Для оценки круговоротов воды используется метод водного баланса, который является частным случаем закона сохранения вещества в природе. Он основан на очевидном свойстве: разность между приходом и расходом воды на какую-либо территорию, равна изменению количества воды на этой территории. Уравнение водного баланса – это количественное выражение этого свойства.

В зависимости от задач расчетов в гидрологии рассматриваются водные балансы различных водных объектов, водосборов, отдельных территорий, районов и т.п. за различные промежутки времени.

Так, для Океанов уравнение водного баланса имеет вид:

Хо + У - Ео = ± ∆ Wо,

где Хо – осадки на поверхность океанов,

У – сток в океан,

Ео – испарение с поверхности океанов,

∆ Wо - изменение запаса воды в океанах.

Для континента, а также для отдельных участков суши, в т.ч. речных водосборов:

Хс - Ес - У = ± ∆ Wс,

где Хс – осадки на поверхность континента,

У – сток с континента,

Ес – испарение с поверхности суши,

∆ Wc – изменение запаса воды на континенте (в почвах, грунтах, подземных водах, в бессточных понижениях).

Тема № 2

Фазы водного режима

Гидрографическая сеть суши

Вода, поступающая на поверхность земли в виде осадков, талой воды или выходящая из подземных источников, собирается в понижениях рельефа и стекает под действием силы тяжести, образуя отдельные струйки, ручейки и ручьи. Соединяясь, ручьи образуют реки.

Система, включающая постоянные и временные водотоки, озера, болота, водохранилища, представляет собой гидрографическую сеть суши.

В строении гидрографической сети наряду с ручейками и ручьями, образующимися на склонах, выделяют ложбины, лощины, суходолы и долины.

Ложбина – слабо выраженная вытянутая впадина водно-эрозионного происхождения с пологими обычно задернованными склонами. Площадь водосбора ложбин – в среднем от 10 до 50 га.

Лощина – следующее после ложбины звено гидрографической сети с большой крутизной и высотой склонов, появлением форм донного и берегового размывов. Площадь водосбора – до 3-5 км².

Суходол –нижнее звено гидрографической сети без постоянного водотока, характеризуется ассиметрией склонов, наличием извилистого русла временного водотока. Площадь водосбора - до 10-15 км².

Отметим, что при пересечении дорогой ложбины или лощины, как правило, устраиваются малые водопропускные сооружения. Сток из ложбин отводится в придорожный кювет.

Речная долина – относительно узкая, вытянутая в длину пониженная форма рельефа, которая характеризуется общим наклоном своего ложа к устью. Это наиболее полно разработанная водой звено гидрографической сети. Долины, встречаясь между собой, никогда не пересекаются, а соединяются вместе в одно целое понижение. По форме их поперечного профиля различают: каньоны, ущелья, трапецевидные и корытообразные долины. В зависимости от происхождения - тектонические, вулканические, ледниковые и эрозионные долины.

В составе долины выделяют следующие элементы (рис. 3):

1. Дно или ложе – самая низкая часть долины. Часть ложа, постоянно занятое водой реки, называется руслом.

2. Склоны – повышенные участки долины, ограничивающие с боков ложе.

3. Пойма – затапливаемая в период паводков и половодий часть ложа.

4. Терраса – относительно горизонтальный участок склона.

Рис. 3. Элементы речной долины

Линия сопряжения дна долины со склоном называется подошвой склона, характеризуется более или менее заметным изломом в поперечном профиле долины. Линия сопряжения склонов долины с прилегающей местностью называется бровкой. Линия сопряжения поверхности воды с берегом является урезом воды.

Тема № 3

Гидрограф стока

Общее представление о гидрологическом режиме реки даёт гидрограф стока – хронологический график изменения расхода воды в течение года или сезона в данном конкретном створе водотока. Установление закономерностей в распределении стока внутри года имеет важное практическое значение для различных водохозяйственных целей, например, для определения основных параметров водохранилищ и гидротехнических сооружений.

При гидрологических расчетах обычно оперируют типовым гидрографом стока, т.е. с гидрографом, отражающим общие черты гидрографов за ряд многоводных, маловодных или средних по водности лет. При построении типового гидрографа по оси ординат проводят осреднение модульных коэффициентов расходов, а по оси абсцисс - время наступления характерных точек гидрографов (начало, максимум, конец) также в относительных единицах времени.

Типовой гидрограф уровней воды, идентичный гидрографу стока для равнинных рек РФ, приведен на рис. 6.

 

 

Рис. 6. Гидрограф уровней воды в реках

 

На нем можно выделить и оценить объемы стока, сформированные из различных источников водного питания. При этом учитывается характер гидравлической связи подземных и поверхностных вод. Наиболее простой способ расчленения гидрографа стока по типам водного питания это соединение ординат, соответствующих последнему дню зимней межени и первому дню летней межени по прямой (при отсутствии гидравлической связи между подземными и речными водами) или плавной кривой. Аналогичным образом выделяется дождевое питание путем соединения ветвей подъема и спада паводков.

Ледовый режим рек

Значительное влияние на работу ГТС на территории России оказывает ледовый режим водного объекта. Поэтому его необходимо учитывать при их проектировании и эксплуатации.

Весь зимний период разделяют 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. корка тонкого льда в тихих заводях и на участках со слабым течением воды.

Переохлаждение воды создает также благоприятные условия для образования внутри потока кри­сталлов льда, которые затем объединяются в глыбы губчатой структуры. Эти образования носят название внутриводного льда. Наиболее благоприятные условия для образования внутриводного льда представляют участки с быстрым течением и каменистым дном. Внутриводный лед в реках причиняет большой вред ГТС: 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 этих сооружений.

По мере развития процесса льдообразования массы рыхлого губчатого льда, образовавшегося внутри потока, всплывают на поверхность. Всплывший внутриводный лед, снежура, сало об­разуют большие скопления льда, называемые шугой. При дви­жении шуги по поверхности водного потока (шугоходе) скопле­ния ее, соприкасаясь с холодным воздухом, смерзаются в льди­ны или ледяные поля, и шугоход переходит в осенний ледоход.

Осенний ледоход иногда сопровождается зажорам и — 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 поворота реки, у островов или искусствен­ных сооружений скорость плывущих льдин замедляется. Это приводит к быстрому смерзанию ледяных полей и образованию сплошного ледяно­го покрова, или ледостава. Замерзание реки по ее длине проис­ходит в основном неодновременно. Некоторые участки реки не замерзают в течение всей зи­мы. Такие незамерзшие участки называются по­лыньями. Причины их образования — большие скорости тече­ния, например на порогах, выход в русло относительно теплых подземных вод, сброс в реку промышленных 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 ледяного покро­ва происходит увеличение его толщины. Толщина льда зависит от температуры воздуха и достигает в северных районах РФ 1…2 м.

Вскрытие реки. С наступлением положительных температур воздуха начинается таяние снега, льда и поступление талых вод в реки. Возле берегов, образуются полосы воды. вдоль берегов — закраины.

Увеличение расхода и повышение уровней воды реки приво­дит в движение ледяные массы - происходит подвижка льда.

Весенний ледоход 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, так как вскрытие реки в северной части происходит позднее, чем в южной. Заторы весьма опасны для расположенных вблизи ГТС.

К основным характеристикам ледового режима рек относят:

- толщину льда,

- уровни воды во время ледостав и ледоходов,

- размеры льдин при ледоходах,

- места образования полыней, заторов, зажоров, наледей.

Тема 4

Тема 5

Минимальный сток

Минимальным стоком называется сток, который проходит в реках в летне-осеннюю и зимнюю межень, когда река переходит на грунтовое питание, а поверхностный сток прекращается.

В тундровой и лесной зонах минимальный сток обычно наблюдается зимой, в южных районах – летом, в западных и центральных – как летом, так и зимой.

Грунтовое питание, определяющее минимальный сток полностью зависит от почвенно-геологических и гидрогеологических условий водосбора. При глубоком залегании грунтовых вод и слабой степени дренирования территории (в том числе глубины вреза водотока) минимальный сток бывает очень небольшим. В этих условиях он часто прекращается. Река пересыхает и ли промерзает.

Минимальный сток увеличивается в залесенных водосборах, при большой заболоченности и озерности, при неглубоком залегании грунтовых вод, а также в артезианских бассейнах при разгрузке грунтово-напорных вод.

Объем минимального стока, необходимый для расчетов водохранилищ или оросительных систем определяется методами внутригодового распределения стока.

Основной расчетной характеристикой минимального стока является среднемесячный расход воды за календарный месяц или за 30 дней расчетной обеспеченности, который наблюдается в летне-осенний или зимний период.

Для хозяйственно-питьевого водоснабжения расчетная обеспеченность принимается равной 95%, для орошения – 85%, для оценки предельно-допустимых сбросов сточных вод в реки – 90-95% обеспеченности.

При наличии данных наблюдений расчетный минимальный расход находится 1-ым способом. При этом статистические ряды формируются по выборкам из таблиц ежедневных расходов воды, опубликованных в Гидрологических ежегодниках.

При недостаточности или отсутствии данных используются данные по рекам-аналогам, картограммы минимального стока, эмпирические региональные формулы.

Например, «Пособием по определению РГХ» (приложение к СП) для определения минимального среднемесячного расхода воды в малых реках с площадью водосбора от 20 до 2000…3000 км2 рекомендована эмпирическая формула ГГИ:

Q_80% = 0,001 а (А + Ао), м3/с

где а, Ао, п - параметры, определяемые в зависимости от географического района РФ,

А - площадь водосбора реки, км2.

Для пересчета минимального расхода 80% обеспеченности на расчетную обеспеченность вводится переходной коэффициент, который изменяется в среднем в пределах 0,65…0,8 (при Р = 95 %).

Воды в реках.

1. Закономерности движения воды в реках изучаются гидравликой и гидромеханикой.

Вода двигается под действие силы тяжести. Скорость течения зависит от величины составляющей силы тяжести, сил сопротивления - внутреннего трения о дно и берега.

Различают несколько видов движения воды в реках и каналах.

Установившееся – это такое движение воды, при котором в любом створе участка гидравлические параметры потока (площадь живого сечения, скорость и уклон) не изменяются во времени. Характерно для меженного периода.

Равномерное – это такое установившееся движение потока, при котором его гидравлические параметры сохраняют постоянное значение в пределах участка (ограниченный участок русла в период межени, прямолинейный), например, участок гидрометрического створа.

Неравномерное установившееся – параметры потока неизменны во времени, но изменяются от створа к створу (русла переменной формы, участки в подпоре).

Неравномерное неустановившееся – параметры потока изменяются во времени и ои створа к створу (период половодья, паводков, движение паводочной волны). Все виды движения в настоящее время достаточно хорошо описаны. Разработаны различные способы расчета параметров потока, создано программное обеспечение этих расчетов, которое используется в практике при проектировании ГТС в целях энергетики, судоходства и т.д., а также для составления гидрологических прогнозов на крупных и средних реках.

Уклон водной поверхности водотока (I) может характеризовать его энергию. В общем виде:

I = I₀ – = + ,

где I₀ – уклон дна;

V – скорость потока;

h – глубина;

t – время

 

При движении потока изменяется его кинетическая энергия, т.к. изменяется скорость и площадь живого сечения. В случае равномерного движения мы будем иметь:

I = или V = C

Движение паводочной волны

Установившейся режим движения воды в реках нарушается при резком увеличении притока воды, например, в период половодья, паводков и попусков из водохранилищ. В этих случаях происходит формирование паводочной волны с продвижением ее вниз по течению.

Представим график изменения уровня воды в реке от створа к створу на продольном профиле (рис. 14).

 

Рис. 14. Схема перемещения волны паводка по течению реки.

(1- дно, 2 – поверхность воды до паводка, 3 – волны паводка.)

 

В момент Т₁ паводочная волна, например, займет положение 1. Волна будет распластываться. Уменьшаться ее высота, увеличивается ее длина. Причина – разность уклонов, а следовательно и скоростей в лобовой и тыловой частях волны.

Другой особенностью движения паводочной волны является то, что скорость ее продвижения примерно в 1.5 раза больше средней скорости потока, т.е.

Vп = S/(t2 – t1) = 1.5 Vc

На кривых связи Q – f(H) явление паводочной волны прослеживается в виде петель, т.н. паводочных петель.

 

Тема 7

Регулирование стока воды

 

Основные положения

Сток воды в большинстве рек РФ внутри года и в многолетнем разрезе распределяется неравномерно. Свыше 70…80% стока приходится на многоводный период прохождения половодья и паводков, продолжительность которых в среднем не превышает 2…3 месяцев. Поэтому во многих случаях имеет место несоответствие водопользования и водопотребления режиму естественного стока рек.

Водопользователи (без изъятия воды): энергетика, транспорт, санитарные попуски и др.

Водопотребители (с изъятием воды): водоснабжение на коммунальные и промышленные нужды, орошение сельскохозяйственных земель и др.

Для обеспечения требований на воду со стороны водопользователей и водопотребителей, которые не совпадают между собой и с режимом естественного стока в водотоках проводят регулирование стока.

Под регулированием речного стока понимается перераспределение во времени объема стока в соответствии с требованиями водопользователей и водопотребителей.

Регулирование стока осуществляется с помощью водохранилищ.

В зависимости от назначения их подразделяют на:

- запасные,

- задерживающие (противопаводковые),

- комплексные.

Запасные – наиболее распространенный тип водохранилищ. Их задача – повысить расход воды в маловодные периоды путем использования запасов воды, созданных в многоводные периоды.

Задерживающие – предназначены для снижения (трансформации) максимальных расходов воды с целью борьбы с наводнениями и подтоплением территорий.

Комплексные – совмещают функции запасных и задерживающих водохранилищ.

По продолжительности регулирования различают:

Суточное, недельное, сезонное и многолетнее регулирование стока.

Суточное регулирование заключается в перераспределение стока внутри суток в соответствии с требованиями потребителей, чаще всего для целей водоснабжения и гидроэнергетики. Объем водохранилища суточного регулирования определяется по суточному графику расходов воды в зависимости от среднесуточного водопотребления.

Недельное регулирование заключается в перераспределении стока внутри недели. В выходные дни создается запас воды для покрытия пиков потребления в рабочие дни.

Сезонное регулирование состоит в увеличении стока в межень путем сработки запасов воды, накопленных в многоводный период. Является наиболее распространенным видом регулирования стока.

Многолетнее регулирование заключается в выравнивании стока за многолетний период: накопления в многоводные годы и покрытие дефицита в маловодные.

По степени использования различают полное и не полное регулирование стока. При полном – весь сток остается в водохранилище, сбросов нет (за исключение санитарных). При неполном - используется только часть стока. Остальной сток сбрасывается из водохранилища.

Для более эффективного использования водных ресурсов определенной территории применяется каскадное и компенсирующее регулирование стока, т.е. перераспределение стока внутри речного бассейна или по длине реки.

Водохозяйственные балансы

Задачи эффективного использования водных ресурсов и регулирования стока должны решаться только на основе составления водохозяйственных балансов (ВХБ) по бассейнам рек, районам и регионам РФ.

ВХБ – это количественное соотношение наличных и пригодных к использованию водных ресурсов с потреблением и потребностью в воде за определенный период времени в пределах рассматриваемой территории.

ВХБ составляют, как правило, для маловодных и средних по водности лет расчетной обеспеченности (95, 75 и 50%%).

ВХБ состоит из приходной, расходной и результирующей частей.

Уравнение ВДХ можно представить в следующем виде:

П – Р = ΔW = Ут + Ус +Уп – Qc – Qi = V + W

где Ут - поверхностный и подземный объемы стока, сформированные на рассматриваемой территории,

Ус - приток воды с соседних водосборов, а также возвратных вод,

Уп - переброска стока из других бассейнов,

- подача воды потребителям,

Qc - расход воды на санитарно-технические цели, обеспечения судоходства, лесосплава, отдыха и др.,

Qi - потери воды на испарение и фильтрацию,

V - изменение объема воды в водохранилищах и озерах,

W - избыток или дефицит водных ресурсов.

Различают оперативные, перспективные и отчетные ВХБ.

Оперативные - составляют на ближайший год, сезон, квартал, месяц.

Перспективные -составляют на 15…20 лет с учетом развития социально-экономических условий территории.

Отчетные ВХБ составляют за прошедший период.

 

Основы расчета водохранилищ

Основными характеристиками водохранилищ являются (рис. 19):

По уровню воды – НПУ, ФПУ, УМО.

По объему воды: полный объем – V (НПУ – дно), полезный объем – Vп (НПУ – УМО), мертвый объем – Vм (УМО – дно), призма форсирования – Vф (ФПУ – НПУ). Подробная информация по этим характеристикам представляется на практических занятиях.

 

Рис. 19. Поперечный профиль и план водохранилища

 

Величины полезного объема и НПУ водохранилищ устанавливают в результате водохозяйственных расчетов путем сопоставления и анализа речного стока, поступающего в проектируемое водохранилище и плановой отдачи из него.

Применяемые методы расчетов водохранилищ подразделяют на две группы:

- группа методов, основанная на использовании календарных рядов стока,

- группа методов, использующих обобщенные статистические параметры, обоснованные исходя из теории вероятности и математического моделирования рядов стока.

При расчетах по календарным рядам стока прежде всего выбирают расчетный водохозяйственный год. Это, как правило, маловодный год, в котором объем стока за год и за лимитирующий сезон (например, зимнюю или летнюю межень) близки к объемам стока расчетной обеспеченности (90…95% для систем водоснабжения или бесперебойная водоподача в течении 90…95 лет из 100).

Объемы стока за год и межень расчетной обеспеченности определяют известными в гидрологии способами в зависимости от продолжительности наблюдений за стоком (СП 33-101-2003).

Так, при длительных наблюдениях (более 20 лет) расчетный год выбирается из реальных лет. Распределение стока внутри расчетного года принимают таким же, как и в выбранном реальном году.

При недостаточности данных по стоку расчетный год и внутригодовое распределение стока определяются методом «компоновки».

Наконец, при отсутствии данных используют реки-аналоги или имеющиеся районные схемы внутригодового распределения стока.

Для выбранного расчетного года последовательно за каждый расчетный интервал времени (декада, месяц) проводят балансовые расчеты и определяют возможность сезонного регулирования стока, полезный и полный объемы водохранилища, объемы сбросов и отметку НПУ.

Многолетнее регулирование стока, как уже отмечалось, применяется тогда, когда стока воды в водохранилище в расчетный маловодный год будет не хватает водопотребителям.

При многолетнем регулировании потребность в воде в эти маловодные годы должна обеспечиваться как стоком воды в эти годы, так и сработкой запасов в водохранилище, сформированных в многоводные годы. Таким образом, полезный объем водохранилища с многолетним регулированием стока состоит из сезонной и многолетней составляющих объема: Vп = Vс + Vмн. Для определения этих составляющих полезного объема используется, также как и для сезонных водохранилищ, балансовый метод (по календарным рядам стока) и метод обобщенных статистических параметров стока.

При расчетах многолетних водохранилищ балансовым методом расчетный интервал времени принимается равным 1 году. Алгоритм этих расчетов принципиально не отличается от расчетов полезного объема сезонного водохранилища.

Для окончательного выбора параметров ВДХ производятся технико-экономическое сравнение различных вариантов отдачи, НПУ и УМО.

В последние годы вариантное проектирование ГТС получило широкое распространение. Применительно к задаче водохозяйственных расчетов оно заключается в переборе различных вариантов местоположения ВДХ и величин его характеристик. Так, например, мы можем задаться 5 и более вариантов отдачи из ВДХ и для каждого из них определить Vп, Vпол и НПУ.

Для различных отметок НПУ вычисляются приведенные затраты на строительство ВДХ в расчете на 1 млн. м3 или 1 млн. квт часов (ЗТ). Для каждого варианта НПУ оценивается негативное влияние ВДХ (затопление, подтопление и т.д.) и потери в стоимостном выражении (Пт). На рис. 21 приведены функции затрат и потерь в зависимости от отметки НПУ.

Рис. 21

Сумма (ЗТ + Пт) будет иметь минимум при определенной отметке НПУ. В качестве критериев оптимальности могут выступать также максимальная прибыль и минимальный срок окупаемости капиталовложений в строительство ВДХ. Крупные проектные водохозяйственные организации (например, Гидропроект, ВНИИГ) разработали и используют программное обеспечение по водохозяйственным и технико-экономическим расчетам водохранилищ для объектов гидроэнергетики, водоснабжения и т.д.

Следует отметить, что в состав водохозяйственных расчетов, кроме расчетов характеристик ВДХ, входят также расчеты:

- продолжительности заполнения многолетних ВДХ,

- сроков и объема заиления ВДХ,

- переформирования берегов,

- диспетчерского графика ВДХ.

Продолжительность заполнения ВДХ определяется также воднобалансовым методом по календарным или смоделированным рядам стока и принятой отдачи.

Продолжительность заиления до отметок УМО и НПУ можно установить по формулам: t нпу = Vнпу/Vн и t умо = Vумо/Vн, где Vн - среднемноголетний объем взвешенных и донных наносов, остающихся в ВДХ (разница между поступающими и сбрасываемыми наносами, см. тему 8).

4. Диспетчерский график водохранилища

В период эксплуатации ни одно из ВДХ не работает в режиме постоянной отдачи. В многоводные периоды и годы образуются излишки воды, которые сбрасываются из ВДХ. В маловодные годы и периоды неизбежно уменьшение отдачи, т.е. имеет место ограничение водопотребления из ВДХ.

Поэтому, в целях рационального использования водных ресурсов при эксплуатации ВДХ обычно переходят на переменную отдачу воды. Это позволяет повысить экономическую эффективность регулирования стока.

Для управления работой ВДХ разрабатывается диспетчерский график - хронологический график изменения уровней или объемов воды в ВДХ с выделенными зонами отдачи (рис.22). По оси ординат откладываются уровни или объемы воды в ВДХ, абсцисс – время (месяцы). Поле графика разделено на несколько зон:

1 – зона гарантированной отдачи,

2 – зона ограниченной отдачи,

3 – зона избытков воды.

Эти зоны ограничены линиями: противосбросной, противоперебойной и ограниченной отдачи.

Линий противоперебойной и ограниченной отдачи обычно 2…3, рассчитанных на разную обеспеченность отдачи (или бесперебойность).

Диспетчерский график строят на основании результатов балансовых расчетов по календарным рядам стока или обобщенным статистическим параметрам.

Рис. 22. Диспетчерский график сезонного водохранилища

 

Диспетчер, имея отметки уровня или объемов воды в ВДХ, руководствуясь этим графиком, принимает то или иное решение о подаче воды потребителям, сбросах из ВДХ и т.д.

Тема 8

 

Структура речного русла

Русло в плане имеет, как правило, извилистую форму. По генезису различают два вида речных извилин:

Орографические. Обусловлены наличием в русле каких либо местных сопротивлений, например, в виде трудно размываемых участков дна.

Гидрографические. Обусловлены размывающей деятельность потока.

Процесс формирования извилин под действием размывающей деятельности потока называется меандрированием. В ходе этого процесса извилины растут, сползают вниз по течению, происходят прорывы извилин, образование протоков и стариц.

Извилистая форма является наиболее устойчивой для рек, протекающих в легко размываемых грунтах.

Допустим, искусственно созданный прямолинейный участок реки под действием какой-либо причины отклоняется от прямолинейного. Берег, в который ударяется струя, будет размываться с отложением продуктов размыва ниже по течению. Отразившись от размываемого берега, струя ударяется о противоположный берег, и так до тех пор, пока все русло не примет извилистую форму.

Расположение глубин русла тесно связано с его плановым положением.

В результате измерение глубин строится план русла с изобатами, т.е. линиями равных глубин (рис. 24). Распределение изобат в плане показывает, что равнинные реки представляют собой чередование глубоководных участков – плесов и мелководных - перекатов, которые за год могут перемещаться до 200 м и более. Динамическая ось потока (линия наибольших скоростей) смещается к вогнутому берегу. Гребень переката, как правило, пересекает водоток под углом вниз по течению. На выгнутой излучине в сторону переката формируется зона отложений наносов (побочни) (рис. 25).

 

Рис. 25. Схема излучины реки.

1 – верхний плес, 2 – верхний побочень,

3 – нижний плес, 4 – нижний побочень, 5 – гребень переката,

6 – форватор, 7 - поперечный профиль.

 

Твердый сток

Энергия потока расходуется на преодоление сопротивления со стороны дна и берегов, а также на размыв и перенос грунта со склонов водосбора в водоприемник. Уровень воды в водоприемнике представляет для впадающей в него реки базис эрозии, т.е. потенциальная отметка, до которой произойдет размыв водотока. Базис эрозии характеризует энергию потока.

Процесс размыва включает четыре стадии:

- смыв грунта с поверхности водосбора;

- размыв дна и берегов в русле реки и на пойме;

- перенос частиц грунта по течению водотока;

- отложение или аккумуляцию частиц.

Причиной размыва является движение масс воды (в виде ручейков на склонах или же потока в реке), достигающее определенной скорости. Отрыв частиц грунта и их подъем – переход во взвешенное состояние -, кроме скорости воды, зависит от размеров частиц, их формы и плотности, а также от взаимного расположения частиц на дне.

На отдельную частицу, лежащую на дне, действует сила лобового давления и подъемная сила, которая возникает при обтекании частицы, обусловленная разностью скоростей на верхней и нижней её гранях. По закону Бернулли давление на верхнюю грань будет меньше, чем на нижнюю. Кроме того, необходимо учесть вес частицы и Архимедову (выталкивающую) силу.

Еще один механизм отрыва частиц от дна – это наличие вихрей, возникающих при обтекании разного рода препятствий. Эти вихри имеют на своей оси область пониженного давления и захватывают оторвавшиеся частицы, поднимают их в толщу потока.

В тех случаях, когда подъемная сила меньше силы тяжести,, частица может перемещаться по дну путем скольжения и перекатывания. Такое перемещение называется влечением донных наносов. Анализ устойчивости такой частицы показывает, что веса влекомых частиц относятся как шестые степени скоростей (закон Эри). Таким образом, если скорости горного и равнинного потоков относятся как 1: 4, то веса влекомых ими наносов относятся как 1: 4096.

Скорость течения, при которой происходит первоначальное нарушение равновесие частиц донных наносов, формирующих русло, называется неразмывающей скоростью, а при начале массового движения донных частиц – размывающей скоростью. Они зависят от размера частицы, глубины потока и сил сцепления (связные грунты). Размывающая скорость примерно на 30…40% больше неразмывающей. Её используют при определении расхода наносов, а неразмывающую – в расчетах общего и местного размыва русла у ГТС.

Известно, что перенос частиц осуществляется в виде взвешенных и донных наносов.

Донные наносы являются руслоформирующими,т.е. участвующими в образовании, перемещении и разрушении таких русловых форм, как гряды, побочни, осередки и т.д.

В отличие от них, взвешенные наносы, частицы которых находятся в потоке большую часть времени и переносятся на большие расстояния. При уменьшении скорости потока они могут откладываться на дне и переходить в донные наносы. По размеру взвешенные частицы примерно на порядок меньше донных.