Поверхностный сток и факторы, его определяющие

Поверхностный сток - это перемещение воды в процес­се ее круговорота в природе в форме стекания по земной по­верхности.

Под стоком обычно понимают количество воды, стекаю­щей с данного участка суши (водосбора) за некоторое время (сутки, месяц, год).

В зависимости от условий и среды прохождения сток подразделяется на поверхностный, проходящий по зем­ной поверхности, склоновый - по склонам, почвенный - в почвенной толще, русловой и речной - по русловой и речной сети. К русловому можно отнести и сток по кана­лам осушительной сети.

Единицы измерения поверхностного стока:

Объем стока - количество воды, прошедшей через оп­ределенный створ за какое-то количество времени (W, м³)

W = QT,

гдеQ - расход, м³ /с; Т - время расчетного периода, с.

Модуль стока - объем воды, стекающий с единицы во­досборной площади в единицу времени (м³/с с 1 гаили 1 км²)

G= Q/F
где: G – модуль стока; Q— расход воды в водотоке, м³ /с;   F— площадь водосбора, га.

Слой стока — количество воды, стекающей с водосбора за определенный промежуток времени, выраженной в виде слоя (h, мм), равномерно распределенного на площади, т. е.

h=W1000/F

где: W – объем стока, м³;   F— площадь водосбора, м².

К безразмерным характеристикам стока относятся мо­дульные коэффициенты стока.

Коэффициент стока - отношение величины (объема или слоя) стока к количеству выпавших на площадь водо­сбора осадков, обусловивших сток.

Средняя многолетняя величина стока называется нор­мой стока.

Факторы стока - это элементы внешней физико-геогра­фической среды, определяющие величину и особенности фор­мирования стока на данном водосборе. Факторы бывают: климатические (осадки, испарение, температура воздуха), геоморфологические (водосбор, рельеф), почвенно-геологи-ческие (почвы, геология и др.), растительность и др. Осо­бенно большое влияние на сток оказывает лес благодаря лес­ной подстилке и насыщенной корнями толще почвы с высо­кой пористостью. Поры почв, свободные от воды, обеспечи­вают аккумулирующую емкость.

Гидрогеология и геоморфология. Значительное влияние на сток оказывают сложение и состав слоев горных пород, глубина залегания водоносных и водоупорных горизон­тов, направление и величина их уклона. В районах с вы­раженным рельефом, наличием холмов со значительными уклонами атмосферные осадки стекают быстрее, чем на ровных участках с малыми уклонами, где вода больше расходуется на испарение.

Величина и форма водосборной площади. При боль­ших водосборных площадях, когда вода движется по длинным склонам, потеря воды на испарение и глубинную внутрипочвенную фильтрацию увеличивается. Это приво­дит к уменьшению стока. На сток влияет и форма водо­сборной площади. Если она вытянута вдоль водотока, сток происходит в более короткий срок и потери стока меньше, чем на вытянутом водосборе, примыкающем к водотоку короткой стороной.

Климатические факторы. К основным из них относят­ся атмосферные осадки, температура и влажность воздуха, а также температура испаряющей поверхности. Влияние осадков проявляется через интенсивность их выпадения. Осадки, выпадающие в виде ливней, в большей степени расходуются на сток, чем осадки слабой интенсивности. Осадки, выпадающие на сухую поверхность почвы в малых количествах, особенно в лесу, вообще не образуют стока. Осадки в виде снега накапливают воду к весне и при интен­сивном снеготаянии с наступлением высоких температур воздуха образуют интенсивный сток. При низких темпера­турах воздуха весной снеготаяние растягивается, сток про­исходит медленно, вследствие чего значительное количе­ство воды расходуется на испарение и фильтрацию.

Температуры воздуха и почвы оказывают постоянное влияние на испарение. Температура, повышаясь, способ­ствует уменьшению стока. Особенно усиливается испаре­ние при высокой температуре воздуха и малой его относи­тельной влажности в ветреную погоду.

Озерность и заболоченность водосборов. Озера воздей­ствуют на сток по двум направлениям: накапливая воду половодий и паводков и отдавая ее в межень, они выпол­няют роль регуляторов стока; имея значительную откры­тую водную поверхность с повышенным расходом влаги на испарение, озера несколько снижают сток.

Болота аккумулируют сток, поскольку моховая рас­тительность является мощным накопителем влаги. Извест­но, что в единице объема сфагнового мха может аккуму­лироваться до 20 объемов воды. Постоянно разрастаясь в высоту и в стороны, болота увеличивают объем аккумули­рованной воды. Сток воды из болот происходит слабо, поэтому по мере роста заболоченности территории сток с нее, особенно летом, уменьшается. При насыщении болот влагой в сырые годы болота увеличивают речной сток, в сухие годы — уменьшают.

 Растительность, особенно лесная, регулирует сток. В лесных сообществах образуется лесная подстилка, обла­дающая большой аккумуляционной емкостью и высокой фильтрационной способностью. Поэтому лес поверхност­ный сток переводит в почвенный. Регулирование стока происходит путем аккумуляции воды в период полово­дий, паводков и ливневых дождей и постепенной отдачи ее почвенным стоком в период с пониженным количе­ством осадков. Поскольку часть выпадающих над лесом осадков задерживается кронами, то средний коэффициент стока на облесенных территориях несколько снижается, однако аккумулированная в почве вода постепенно стека­ет, растягивая сроки половодья и паводка, что увеличива­ет питание рек в межень.

Водохранилища, аккумулируя воду периода полово­дий и паводков, позволяют обеспечивать подачу воды в реки по мере необходимости в маловодные периоды. Сле­довательно, водохранилища, как и озера, регулируют сток.

Основы гидравлики.

Гидростатика и гидродинамика

Гидростатика и гидродинамика - составные части гидравлики.

Гидравлика - наука, изучающая законы движения и равновесия жидкостей (воды).

Проектирование и строительство гидротехнических со­оружений, их эксплуатация основаны на законах и зависи­мостях гидравлики.

Гидростатика - это раздел гидравлики, изучающий за­коны давления жидкости, находящейся в состоянии покоя. На такую жидкость действует сила тяжести и атмосферное давление. Поэтому в ней образуется давление, называемое гидростатическим. Это давление имеет два свойства:

а) на воспринимающую поверхность оно направлено всегда перпендикулярно;

б) в любой точке величина давления по всем направлениям одинакова.

Основное уравнение гидростатики имеет вид:

Р = Р_о + φ • h                                             

где Р- гидростатическое давление, кг/см², т/м²;

Р_о- давление на свободную поверхность, равное атмос­ферному давлению (атм=1 кг/см²); φ - объемный вес жидкости (для воды =1 т/м³); h - высота столба жидкости, см, м.

Гидростатическое давление действует во всех направ­ления одинаково. Любое изменение давления в покоящей­ся жидкости передается одинаково во все точки занятого жидкостью пространства (закон Паскаля).

При расчетах давления в открытых сооружениях вели­чина атмосферного давления не учитывается (Р_o= 0),т.е.

Р = Р_о • h

Произведение φ • h является показателем избыточного гидростатического давления (обусловлено весом столба жид­кости и называется манометрическим давлением).

Для расчетов величины давления на плоскость (дно) применяется формула:

Р = φ • h • ω

где: ω - площадь дна, на которую осуществляется давле­ние жидкости, м²;

φ - объемный вес воды (1, т/м³); h - высота, м.

Величина давления на стенку с увеличением глубины возрастает. Если на поверхности воды Р=0 (т.к. h=0), то в каждой рассматриваемой точке, расположенной ниже по­верхности воды, давление будет численно равно величине h.

Гидродинамика - раздел гидравлики, в котором изуча­ются общие законы движения жидкости.

Различают следующие виды движения воды:

1) установив­шееся и неустановившееся,

2) напорное и безнапорное,

3) ламинар­ное и турбулентное.

Установившееся движение - вид движения, при котором скорость, давление и глубина потока не изменяется за какой-то промежуток времени.

По характеру перемещения потока по длине водотока установившееся движение подразделяется на равномер­ное и неравномерное. Равномерным является такое дви­жение воды, при котором форма и площадь поперечного сечения русла, а также средние скорости и скорости во всех точках потока по длине одинаковы. Неравномерное движение отличается изменяемостью площадей сечения потока, глубин, скоростей потока по длине.

Напорное движение воды происходит под влиянием дав­ления, которое по величине больше атмосферного (образу­ется с помощью насосных установок или разностью давления по длине потока). При этом движении поток полностью заполняет поперечное сечение трубы или иного пропускного со­оружения, ограниченного станками со всех сторон.

Безнапорное движение воды происходит под влиянием силы тяжести. Поток при этом движется в открытых естест­венных руслах, каналах или пропускных (сбросных) соору­жениях, имеющих поверхность соприкосновения с атмосфе­рой.

Ламинарный режим движения характерен движением воды параллельными струйками без их взаимного перемеши­вания (что наблюдается при малых скоростях). Такой режим наблюдается при движении грунтовых вод или воды в тонких капиллярных трубках.

Турбулентный режим движения характерен перемеши­ванием частиц воды в продольном и поперечном направле­ниях. Такой режим наблюдается в трубах, реках, каналах и т. п.

 

Гидравлические характеристики потока.

Естественные и искусственные потоки характерны преж­де всего средней скоростью и расходом воды. Для их опреде­ления необходимо знать элементы поперечного сечения по­тока: площадь живого сечения, смоченный периметр, гидрав­лический радиус.

Площадь живого сечения потока ω - то площадь поперечного сечения, перпендикулярная к направлению дви­жения воды.

 

Живое сечение потока:

а -  реках; б -  каналах; в, г -  трубах.

 

 

Смоченный периметр x — линия соприкосновения воды со стенками и дном потока на его поперечном сечении.

Гидравлический радиус R — отношение площади жи­вого сечения (ω)

к смоченному периметру:

R = ω / x

Расходом называется объем воды (Q), протекающий через данное живое сечение потока в единицу времени, т. е.

Q = ω • υ

где    Q — расход воды, м³/с;     

ω — площадь живого сечения, м²;    

υ —средняя скорость течения воды, м/с.

 

Геометрический, пьезометрический и гидравлический уклоны.

Движение воды тесно связано с геометрическим, пьезо­метрическим и гидравлическим уклонами.

Геометрический уклон -то изменение линии дна пото­ка на единицу длины т. е.

i =  = tgα

где i — геометрический уклон; ∆ h _н — превышение отметок дна потока по длине,м; l ₁ — горизонтальное проложение длины дна потока, м

                                                    

 

 

Пьезометрический уклон — уклон свободной поверх­ности потока (i_n).

Гидравлический уклон — это потери напора или энергии потока воды на единицу длины, т. е.

i _г =

где i _г — гидравлический уклон; ∆ h _н — потери напора (энер­гии потока на преодоление сил трения); l — длина потока.

 

Гидравлические сопротивления и потери напора.

При движении жидкости в реках, каналах, лотках, трубах и тому подобном происходят затраты энергии по­тока на преодоление сопротивлений движению, что вызы­вает потери напора, возникающие при движении жидко­сти. Гидравлическое сопротивление можно разделить на два вида: сопротивления по длине потока и местные со­противления. Сопротивления по длине потока обусловли­ваются силами трения о дно и стенки русла и зависят от длины потока и шероховатости русла. Местные сопро­тивления вызываются местными препятствиями течению воды (поворотом русла, резким его расширением или су­жением и др.). В соответствии с видами потерь напора выделяются два вида сопротивлений: по длине потока h_дл и местные H_м.

Общие потери напора h_тр равны их сумме

h_тр = h_дл  + h_м.

Зависимость скорости течения от гидравлического ради­уса и гидравлического уклона при равномерном движении воды выражает формула Шези:

V=C

где V -средняяскорость течения воды, м/с; С - скоростной коэффи­циент Шези, R - гидравлический радиус, м; I - гидрав­лический уклон.

Скоростной коэффициент Шези определяют по формуле Павловского:

С =

где R —гидравлический радиус, который для открытых по­токов может быть заменен средней глубиной, м; п — коэффициент шероховатости русла, изменяющийся в зависимости от его состояния; у — переменный показатель сте­пени, определяемый по формуле:

y = 2,5 – 0,13 – 0,75 ( – 0,10).

Формула И. И. Агроскина:

С =  + 17,72 lgR

Формула Шези имеет большое практическое значение. С ее помощью можно определить расход воды, размеры проводящих каналов, вычислить уклон потока, опреде­лить гидравлический радиус.

Для русел, ширина которых превосходит глубину, ве­личину гидравлического радиуса можно заменить средней глубиной потока, и тогда формула Шези примет вид:

V = C

Водосливы

Водосливом называют установленную на пути движения водного потока прегра­ду, через которую переливается вода. Преграда может быть сплошной или с вырезом в ней разной формы. Водосливы бывают с тонкой стенкой, с широким порогом и практическим профи­лем (на плотинах).

Водосливы с тонкой стенкой могут иметь отверстия для пропуска воды различной формы: прямоугольные, треуголь­ные, трапециевидные и криволинейные. Они могут быть за­топляемыми и незатопляемыми.

 

 

 

Водосливы:

а — общий вид; б — прямо­угольный; в — трапецеидаль­ный; г — треугольный

 

 

Водослив с широким порогом.

Участок водосливного сооружения, где происходит пе­релив воды, называется порогом водослива. Превышение уровня воды перед водосливом (в верхнем бьефе УВБ) над порогом водослива образует напор Н Напор из­меряется на расстоянии трех-пяти величин Н от порога. Величина с характеризует толщину порога водослива.

Если толщина порога составляет не более 0,5H, то их относят к водосливам с тонкой стенкой, если более 2Н, то — с ши­роким порогом.

Расход воды через прямоугольный водослив с широ­ким порогом определяют по формуле

Q = mb 2 gH ³ /²,

где Q — расход воды, м³/с; b — ширина порога водо­слива, м; Н —напор воды на пороге водослива, м; т — коэффициент расхода («0,38-0,39).