Гiдрометричних спостережень.

 

Мета: зрозумiти гiдрологiчну суть рiзних показникiв (характеристик) стоку, навчитися їх взаємно перетворювати та порiвнювати на цiй основi рiзнi гiдрологiчнi перiоди та стiк з кiлькох водозборiв.

 

Стік - це рух води під дією земного тяжіння по поверхні землі і в товщі грунтів та гірських порід в процесі її кругообігу в природі. Стік є складовою частиною водного балансу. Розрізняють: стік поверхневий (відбувається по земній поверхні) і підземний (в грунтах і гірських породах), схиловий (по схилах водозбору) і русловий (по русловій мережі), місцевий (сформувався в межах даного фізико-географічногорайону), дощовий, сніговий (виникає в результаті випадання дощів чи сніготанення) та ін.

Водогосподарські розрахунки базуються на даних про стік, тому слід знати характеристики стоку та вміти прогнозувати їх на майбутнє.

В залежності від кількості опадів в році (водності року) стік річок сильно змінюється, тому для надійних розрахунків потрібні матеріали гідрометричних спостережень на протязі тривалого часу (20-30 років). Якщо ряд спостережень за стоком включає 10-15 років, то він називається коротким і потребує продовження на основі даних по сусідніх гідропостах, що розташовані в цих же природних умовах. При відсутності спостережень стік розраховують за регіональними формулами чи користуються іншими методами.

Середнє арифметичне значення будь-якої характеристики стоку за багатолітній період такої протяжності, при збільшенні якої отримане середнє значення суттєво не змінюється, називається н ормою сток у. Як можливий критерій тривалості такого періоду приймають умову включення в нього парного числа високо- і маловодних

 

 

циклів зміни даної характеристики. Норма стоку є основним показником водних ресурсів річок.

При гiдрологiчних розрахунках користуються такими характеристиками стоку:

1. Витрата води Q - кiлькiсть (об'єм) води, що протiкає через живий перетин потоку за одну секунду (стікає з водозбору русловим стоком). Витрата на даний момент називається миттєвою, середня за добу – середньодобовою і т.д. На основi середньодобових витрат розраховується середня витрата як середньоарифметичне значення за конкретний перiод (декаду, мiсяць, сезон, рiк, десятилiття чи iнший промiжок часу). Найбiльш часто застосовуються середньодобовi, середньомiсячнi i середньорiчнi витрати, а також екстремальнi миттєві (максимальнi i мiнiмальнi) витрати. При розрахунку середнiх витрат за багатолiтнiй перiод звичайно користуються попередньо розрахованими середньорiчними витратами.

[м³/с], іноді [л/с], де (2.1)

Q - середня витрата води за розрахунковий перiод;

Q_i - середньодобова (чи середньорiчна) витрата води;

n - кiлькiсть днiв (чи рокiв) в перiодi.

Витрата є найважливiшою характеристикою стоку, вiд неї можна перейти до всiх iнших характеристик. Q звичайно визначається до трьох значущих цифр при Q > 1 м³/с i до двох значущих цифр при Q < 1 м³/с але не точнiше 0,001 м³/с. Приклади заокруглень: 0,002; 0,037; 0,17; 6,04; 10,8; 94,7; 1130; 12500.

2. Об'єм стоку W - об'єм води, що протiкає через живий перетин потоку за певний розрахунковий перiод (стікає з водозбору за певний час).

W = Q · t [м³], іноді [км³], де (2.2)

Q - витрата,м³/с;

t - кiлькiсть секунд в перiодi

Об'єм стоку за добу W = Q · 86 400 [м³], за рiк - W = Q · 3,154 10⁷ [м³].

3. Модуль стоку q - кiлькiсть води, що стiкає за одиницю часу (секунду) з одиницi площi водозбору (га, км²).

[л/с·км²], [м³/с·км²], де (2.3)

Q - витрата води,[л/с], [м³/с];

F-площа водозбору, [км²].

Модуль стоку характеризує iнтенсивнiсть водовiддачi з одиницi площi i дозволяє порiвнювати стiк з водозборiв рiзної величини. Знаючи середній модуль стоку для даної місцевості та площу водозбору, можна приблизно розрахувати витрату води з водозбору.

4. Шар стоку h - кiлькiсть води, що стiкає з водозбору за якийсь промiжок часу, виражена в мiлiметрах шару води, рiвномiрно розподiленої по площi водозбору. Наприклад, шар стоку за рiк можна собi уявити наступним чином: весь об'єм води, що стiкав за рiк, зiбрали в посудину i знову рiвномiрно розiлляли по водозборi. Товщина шару води, що при цьому утворилась, i буде шаром стоку за рiк h. Зрозумiло, що

[мм], де (2.4)

W-об'єм стоку за розрахунковий промiжок часу;

 

F- площа водозбору.

Визначаючи h, доцільно виразити об’єм стоку в м³ чи км³, а площу водозбору відповідно в м² чи км² і шар стоку перевести в мм.

Дана характеристика стоку введена для зручностi складання водного балансу, зокрема для порiвняння стоку з опадами i випаровуванням, величина яких, як вiдомо, вимiрюється в мм.

Взаємозв'язок між всіми вищенаведеними характеристиками стоку видно з таблиці 2.1.

Таблиця 2.1

Співвідношення між характеристиками стоку^*

 

	Q,м^3/с	q, л/с·км^2	h, мм	W, м^3
Q м^3/с	-	gF 10^-3	hF 10^3 t^-1	Wt^-1
q л/с·км^2	Q 10^3 F^-1	-	h 10^6t^-1	W 10^3F^-1t^-1
h мм	Qt 10^-3F^-1	gt 10^-6	-	W 10^-3F^-1
W м^3	Qt	qFt 10^-3	hF 10^3	-

^* час t вимірюється в секундах

 

Крiм вказаних розмiрних величин для характеристики стоку часто використовуються безрозмiрнi коефiцiєнти:

5. Коефiцiєнт стоку η - вiдношення стоку за певний перiод до опадiв, що випали за цей же вiдрiзок часу на водозбiр i зумовили стiк.

Ця характеристика показує, яка частина опадiв витрачається на утворення стоку

, де (2.5)

h – шар стоку за певний період, мм;

О – опади за цей же період, мм

Коефiцiєнт стоку завжди менший від 1, бо частина опадів випаровується, частина акумулюється на водозбрі, а частина проникає в глибокі підземні горизонти.

6. Модульний коефiцiєнт К. В математиці це вiдношення якоїсь величини, що змiнюється в просторі чи в часi, до її середнього значення. При гiдрологiчних розрахунках найчастiше використовують вiдношення середньорiчної витрати Q_і(м³/с) за якийсь рiк до норми стоку за витратою Q₀ (м³/с).

К₁ = Q¹⁹⁹² /Q₀ K₂ = Q¹⁹⁹⁵ /Q₀

K = Q^і/Q₀ (2.6)

Враховуючи взаємозв'язок характеристик стоку, зрозумiло, що К = Qⁱ/Q₀ = Wⁱ/W₀ = hⁱ/h₀ = gⁱ/g₀

Отже К - це вiдношення характеристики стоку за певний перiод до норми стоку за цiєю характеристикою.

 

В iноземнiй лiтературi часто поряд з вираженням характеристик стоку в одиницях системи SI можна зустрiти позасистемні одиницi вимiру:

Об'єм стоку W виражають в:

-кубiчних футах (ft³): 1м³ = 35,4 ft³;

-акрофутах (acre-ft): 1 acre-ft = 1230 м³;

Витрату Q виражають в галонах на хвилину (gal/min, gpm) 1м³/с = 15,87 gpm;

Шар стоку h виражають в дюймах (inches, in) 1in = 25,4 мм

 

Модуль стоку g можуть виражати в дещо незвичних для нас одиницях: дюймах на годину (inches/hour), що є величиною шару стоку за одиницю часу. 1л/с·км² = 7143 in/hour. Пропонуємо самостiйно пересвiдчитись в справедливостi цiєї рiвностi.

* * *

ЗАВДАННЯ.

Студенту видається iндивiдуальне завдання, де для певного водозбору вказана його площа, середньорiчна величина опадiв та середньорiчнi витрати води на протязi 32 рокiв. Цей промiжок часу слід розбити на два перiоди: перший – тривалістю 15 років, а другий – 17 років. Для кожного з цих періодів визначається:

1. Середньорiчна витрата Q (м³/с) та (gpm);

2. Об'єм стоку W (м³) та (acre-ft);

3. Модуль стоку g (л/с · км²) та (in/hour);

4. Шар стоку h (мм) та (in);

5. Коефiцiєнт стоку η;

6. Модульний коефiцiєнт К для першого і останнього рокiв (норма стоку визначається для 32-рiчного перiоду).

На основi отриманих характеристик стоку слід дати порiвняльну гiдрологiчну оцiнку двох перiодiв та оцінити водність першого та останнього років.

 

Робота 3