Организация и методы гидрологических исследований

 

Гидрологическое изучение водных объектов - часть гидрометеорологических исследований, выполняемых на гидрологической сети. Гидрологическая сеть состоит из гидрологических станций и постов – пунктов стационарных гидрологических наблюдений. Общее руководство всеми гидрологическими исследованиями на территории России осуществляется Комитетом по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Роскомгидромет), а научно-методическое – Российским гидрологическим институтом (РГИ).

Современная гидрология располагает большим арсеналом методов изучения гидрологических процессов. Выделяют:

1. Методы полевых исследований, которые подразделяются на экспедиционные и стационарные. Первые заключаются в проведении кратковременных (от нескольких дней до нескольких месяцев) экспедиций на водных объектах. Вторые состоят в проведении длительных (многолетних) наблюдений на специальных гидрологических станциях и постах. При гидрологических исследованиях часто оба метода используются вместе, взаимно дополняя друг друга.

Для наблюдения за гидрологическими характеристиками водных объектов применяют разнообразные измерители уровней и расходов воды, зонды, фиксирующие температуру и химические показатели воды, эхолоты и гидролокаторы с фиксацией результатов наблюдений на компьютере. Пространственная привязка результатов полевых работ все чаще осуществляется с помощью спутниковой навигации – GPS (global positioning system).

В последнее время стали широко применяться дистанционные методы наблюдений и измерений с помощью локаторов, аэрокосмические съемки и наблюдения, автономные регистрирующие системы (автоматические гидрологические посты и буйковые станции на реках и водохранилищах). Большие возможности дает использование авиации и космических аппаратов для наблюдений за состоянием водных объектов. Снимки со спутников позволяют вести наблюдения за замерзанием и вскрытием рек, разливами и наводнениями, ледяными заторами, обстановкой на водосборной площади рек, озер и водохранилищ. Будущее несомненно за полностью автономными автоматическими установками, ведущими наблюдения за режимом водных объектов и передающими по радио информацию в центры сбора и обработки информации.

2. Методы экспериментальных исследований. Различают эксперименты в лаборатории и эксперименты в природе. В первом случае на специальных лабораторных установках проводят эксперименты в условиях, полностью контролируемых экспериментатором (изучение режимов движения воды и наносов, размывов речного русла, гидрохимических процессов и т.д.) Во втором случае наблюдения проводят на небольших участках природных объектов, специально выбранных для детальных исследований (полигонах, опытных площадках, водосборах), где благодаря специальному подбору природных условий (характер почв, растительность, крутизна и экспозиция склонов и т.п.) и применению выверенных методов и приборов обеспечивается выполнение целей и задач эксперимента, трудно достижимых в естественных условиях.

3. Статистические методы, использующие современные приемы обработки данных наблюдений и математической статистики, позволяют установить связи между различными гидрологическими характеристиками или между ними и определяющими их факторами, а также оценить вероятность наступления того или иного гидрологического явления.

4. Теоретические методы используются на завершающем этапе исследований при теоретическом обобщении и анализе. В гидрологии они базируются на законах физики, с одной стороны, и на географических закономерностях изменений гидрологических характеристик - с другой. Среди этих методов на первый план вышли методы математического моделирования, системного анализа и гидролого-географических обобщений, включая геоинформационные технологии.

 

Наблюдения за уровнями воды

 

Уровнем воды называют высоту положения свободной поверхности воды относительно постоянной горизонтальной плоскости отсчета. Уровни воды являются одной из главных характеристик открытых потоков. Расчетные значения уровней и расходов определяют генеральные размеры проектируемых на водотоках сооружений. Уровни широко используются для построения и экстраполяции кривых расходов, площадей живых сечений и т. д.

Графики колебания уровня дают возможность судить о динамике гидрологических явлений и соответственно о многолетнем и внутригодовом распределении стока, в том числе в период паводков и половодий. По уровням накоплен наибольший объем наблюдений, в том числе наиболее длительные их ряды. Это объясняется простотой измерений при достаточно высокой точности.

Уровни подвержены колебаниям. Различают колебания уровней: многолетние, годовые, сезонные, и суточные.

Причины колебаний уровней могут быть различными. Например, многолетние могут быть вызваны климатическими изменениями, геологическими и эрозионными процессами. Годовые колебания зависят от водности того или иного года, т. е. метеорологических условий года. Сезонные колебания определяются географическим положением водосборного бассейна и связаны с сезонными изменениями осадков: весенним таянием снега или летним – ледников, муссонными периодами дождей и т. д. На малых водотоках таяние снега и ледников дает и суточные колебания уровней из-за соответствующих изменений температуры. Выпадение дождей также приводит к суточным и даже часовым колебаниям уровней на водотоках с малыми водосборными бассейнами.

Наблюдения за уровнями на водных объектах необходимы для наиболее рационального использования водных ресурсов в интересах всех участников водохозяйственного комплекса: гидроэнергетики, судоходства, рыбного хозяйства и др. Строительство мостов, плотин, ГЭС, различных береговых сооружений, а также ирригационных каналов, дорог и населенных пунктов вдоль русел рек не может быть рациональным без учета режима и возможных размеров колебаний уровня воды в реках в районе расположения сооружений. Например, при неучете гидрологических условий построенный мост может являться препятствием для судоходства на реке в период высокого стояния уровня или будет затопляться. Ирригационные каналы, выведенные из реки без достаточного изучения режима колебаний её уровня, могут в период межени оказаться без воды. Изучение колебаний уровней воды в реках имеет большое значение для судоходства.

В гидрометрии, как уже отмечалось выше, наблюдения за уровнями воды рек имеют особо важное значение для подсчета стока воды. В основу подсчета стока положена связь между высотой уровня и расходом воды в реке, устанавливаемая обычно эмпирическим путем. Измерение расхода воды – трудоемкая и достаточно длительная операция, в то время как измерение уровня выполняется легко и быстро, зачастую автоматически (в зависимости от вида поста).

Наблюдения за уровнями производят на водомерных постах – специальных устройствах для измерения уровней. Они делятся на постоянные – опорной сети управления гидрометеорологической службы (УГМС) – и временные – различных ведомств и организаций. Водомерные посты отличаются многообразием типов. Наиболее просты и в связи с этим имеют наибольшее распространение свайные и реечные водомерные посты (простые водомерные посты). Широко используют мостовые, а также тросовые посты (передаточные). Запись изменений уровня во времени дают более сложные посты с самописцами уровня (самопишущие). В труднодоступных районах устанавливают дистанционные водомерные посты.

Водомерные посты состоят из приспособлений для измерения уровней и двух постоянных реперов, которые устраивают для контроля высотного положения водомерных устройств. Реперы устанавливают выше горизонта высоких вод.

Отсчет уровней на водомерном посту ведется от условной горизонтальной плоскости, называемой нулем графика и выбираемой не менее чем на 0,5 метра ниже наинизшего уровня воды, с тем, чтобы исключить отрицательные отсчеты уровня.

Описание водомерных постов довольно хорошо изложено во всех учебниках и вам необходимо самостоятельно с ними ознакомиться.

Следует только добавить, что основными сроками измерений уровней приняты 8 и 20 часов по местному времени. В периоды паводков вводят дополнительные наблюдения через равные промежутки времени (2, 4, 6 ч). При ясно выраженном неустановившемся движении уровни следует измерять через 10-30 мин.

Кроме определения высоты уровня воды на водомерных постах проводятся и другие наблюдения, состав которых определяется разрядом поста.

На всех гидрологических постах государственной сети проводятся наблюдения за следующими элементами: высотой уровня воды, температурой воды, толщиной льда, снега на льду и шуги, ледовым режимом, ветром, волнением, осадками, водной растительностью, изменением русла, началом и прекращением переправы по льду, сплавом, судоходством. Кроме того, отмечаются события, оказывающие влияние на режим водного объекта, и, наконец, стихийные явления.

В состав наблюдений на постах 1-го разряда, кроме того, входит: измерение расходов воды, взятие проб воды на мутность, измерение высоты волн на озерах и водохранилищах, измерение осадков дождемерной установкой, измерение высоты и плотности снежного покрова и др. При значительной удаленности (> 50 км) от метеорологических станций организуются наблюдения за температурой воздуха.

Все эти показатели находят свое отражение в комплексном графике результатов гидрометеорологических наблюдений, который строят для контроля и анализа установленных значений уровня.

В целом, обработка данных наблюдений водомерных постов включает вычисление абсолютных отметок измеренных уровней, среднесуточных значений, составление таблицы «ежедневные уровни воды» (ЕУВ), публикуемых в гидрологических ежегодниках и построения графика колебаний уровня воды в течение года. На этом же графике условными обозначениями указывается изменение ледовой обстановки.

При эксплуатации рек (судоходство, сплав, орошение и др.), а также при проектировании гидротехнических сооружений строят графики повторяемости и продолжительности уровней.

При коротком ряде наблюдений (на временных постах) используя данные постоянного поста строят совмещенные графики колебаний двух водомерных постов.

Характерные уровни (Нв и Нн и др.) на обоих постах, вызванные одной причиной (например, паводком) называют соответственными. Они могут быть смещены относительно друг друга по времени.

По соответственным уровням строят график связи двух водомерных постов. Этот график дает возможность проектировщику установить интересующие его, не наблюдавшиеся уровни в створе будущего сооружения.

 

Измерение глубин

Глубиной называют расстояние по вертикали от свободной поверхности воды до дна. В подавляющем большинстве случаев глубина практически равна расстоянию до дна по нормали к свободной поверхности.

Цель промерных работ – определить глубины и характер рельефа дна реки, озера, водохранилища. В результате промерных работ может быть вычислен объем содержащейся в водоеме воды.

Промерные работы удобнее проводить при низких (меженных) уровнях, когда обнажаются мели, косы, выступы скал и др. В этот период легче определить места с наименьшими глубинами, что важно для судоходства и лесосплава. Кроме того, объем промерных работ существенно сокращается.

Промерные работы можно проводить путем измерения глубин в отдельных точках или же путем непрерывной записи профиля дна. Зависит это от методов и применяемых приборов. Для измерения глубин применяют простейшие приспособления (наметка, лот ручной), механические приборы (лот механический) и ультразвуковые приборы – эхолоты (ИРЭЛ, ЭПО-10 и др.).

Описание этих приборов и способы выполнения этих работ детально рассмотрены в рекомендованной вам литературе.

Данные промеров используют в дальнейшем для: 1) построения поперечных профилей и вычисления морфометрических характеристик русла; 2)построения плана русла реки или ложа озера, водохранилища в горизонталях или изобатах; 3) составления продольного профиля участка реки; 4) вычисления морфометрических характеристик озера, водохранилища.

Если целью промеров было определение формы и размеров водного сечения, то профиль строят, откладывая по оси абсцисс номера точек, расстояния от постоянного начала до соответствующих точек, глубины в точках промера, отметки дна и указывая характер грунта, а по оси ординат - глубины в точках промера.

Для каждого профиля могут быть вычислены следующие морфометрические характеристики: 1) площадь водного сечения ω, м²; 2) ширина реки В, м; 3) длина смоченного периметра χ, м; 4) наибольшая глубина h_max, м; 5) средняя глубина h_ср, м; 6) гидравлический радиус R, м.

Эти характеристики используются при вычислении расходов воды, построения зависимостей Q=f(H), ω=f(H) и др.

Способы выполнения промерных работ.

1. Промеры по поперечным профилям:

а) промеры с мостика и люльки (на малых реках);

б) промеры с лодки по тросу (на реках шириной В ≤ 300 м при скорости потока V ≤ 1,5 м/с);

в) промеры с засечками положения промерных точек на плане с берега одним или двумя угломерными инструментами (мензула, теодолит, тахеометр);

г) промеры с засечками секстантом (с судна).

2. Промеры по косым галсам (на реках с течением > 1,5 м/с).

Лодка пересекает реку под углом 15-45° (по косым галсам). Засечки положения промерных точек на воде производят с берега двумя угломерными инструментами.

3. Промеры по продольникам (при больших скоростях течения, когда лодку невозможно выдержать даже на косых галсах).

Засечки производят с берега двумя инструментами.

4.Промеры смешанными способами (при больших скоростях течения воды и сложном рельефе дна). Для большей детализации совмещают два способа, например, промеры по продольникам и косым галсам.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Предмет и задачи гидрометрии.

2. Организация гидрологических исследований.

3. Методы полевых исследований.

4. Методы экспериментальных исследований.

5.Статистические методы.

6. Теоретические методы.

7. Наблюдения за уровнями воды.

8. Измерение глубин.

9. Способы выполнения промерных работ.

Список литературы

Основная

1. Михайлов, В. Н. Гидрология. [Текст]: учеб. для вузов / В. Н. Михайлов, А. Д. Добровольский, С. А. Добролюбов. – 3-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2008. – 463 с. - ISBN978-5-06-005815-4.

2. Бондаренко, Ю. В. Методы полевых гидрологических и метеорологических исследований. [Текст]: учеб. пособие / Ю. В. Бондаренко. – 2-е изд. доп. и исп. – Саратов.: Издательский центр «Наука», 2011. – 202 с. - ISBN 978-5-9999-0885-8.

3. Кожемяченко, И. В. Гидрометрия. [Текст]: учеб. пособие / И. В. Кожемяченко, Ю. В. Бондаренко, О. В. Гуцол, О. Н. Жихарева. - ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ»; Саратов, 2010. – 160 с. - ISBN978-5-7011-0603-9.

 

Дополнительная

1. СП 11-103-97. Инженерно-гидрометеорологические изыскания для строительства [Текст]. – М.: Госстрой РФ, 1997 г.

2. СП 33-101-2003. Определение основных гидрологических характеристик [Текст]. – М.: Госстрой РФ, 2004 г.

3. ГОСТ 19179-73. Гидрология суши. Термины и определения [Текст]. – М.: Госстандарт СССР, 1988 г.

4. Бондаренко, Ю. В. Климатология, метеорология и гидрология. [Текст]: учеб. пособие / Бондаренко Ю. В., Афонин В. В., Желудкова С. В. - ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ»; Саратов, 2010 – 183 с.

5. Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы:

- электронная библиотека СГАУ - http://library.sgau.ru;

- научная электронная библиотека - http://еlibrary.sgau.ru/;

- электронные данные Росгидромета: http://meteorf.ru;

- электронные данные Государственного гидрологического института - http://www.hydrology.ru.

ЛЕКЦИЯ 8

СКОРОСТЬ ТЕЧЕНИЯ ВОДЫ