РЕЧНОЙ СТОК И ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ.
ГИДРОЛОГИЯ
Между водными объектами гидросферы — океанами, морями, реками, озерами, болотными и подземными водами земной коры — осуществляется непрерывный водообмен, благодаря которому утрачивается дискретный характер гидросферы. Круговорот воды связывает воедино все воды Земли (см. форзац 1). Механизм круговорота действует повсеместно и непрерывно. Энергетической основой его являются тепловая энергия Солнца и гравитационная энергия. Влияние тепла обусловливает испарение, конденсацию водяных паров и другие процессы, под действием силы тяжести происходит выпадение дождей, течение рек, движение почвенных и подземных вод. Под действием солнечной радиации с поверхности Мирового океана испаряется 505 тыс. км3 воды в год, а с суши — 72 тыс. км3 воды; всего с поверхности Земного шара в среднем испаряется 577 тыс. км3 воды за год. Вода, испарившаяся с поверхности океанов, большей частью конденсируется и возвращается в виде атмосферных осадков непосредственно в океан, совершая так называемый малый или океанический круговорот. Меньшая ее доля переносится воздушными течениями на сушу, принимая участие в большом или мировом круговороте. Большой круговорот представляет собой процесс перемещения, расходования и возобновления влаги на земной поверхности, в недрах Земли и атмосфере.
Атмосферные осадки, выпавшие на сушу, частично, просачиваются в почву, образуя грунтовые воды, частично стекают по земной Поверхности, образуя ручьи, реки, озера, болота, а остальная часть испаряется. Из этого общего круговорота может быть выде- местный или внутриматериковый круговорот. Влага, поступившая в атмосферу в результате испарения с поверхности суши и водных объектов, дополняет то количество ее, которое поступает с океана. Воздушными течениями она переносится в глубь материка и, выпадая в виде дождя и снега, орошает территории, более или менее отдаленные от океана. Выпавшие осадки вновь испаряются, просачиваются в почву, стекают по земной поверхности. Таким образом, в процессе внутриматерикового круговорота влага, принесенная с океанов и морей, делает несколько оборотов в пределах материка, прежде чем попасть в реки и стечь в Мировой океан, т. е. завершить большой круговорот воды в природе.
|
|
|
Часть вод объемом порядка 7,7 тыс. км3, стекающих по земной поверхности, не попадает в океаны и моря.
Замкнутые пространства, не имеющие связи с океаном, сток с которых не достигает океана называют бессточными (по отношению к океану) или областями внутреннего стока. Воды этих областей расходуются на испарение либобо по пути стока, либо с поверхности конечных замкнутых водоемов, куда они стекают.
|
|
|
Такая краткая характеристика является весьма схематизированной ввиду значительной сложности реального явления круговорота воды в природе, так как не раскрывает многие явления и процессы, связанные с круговоротом воды.
В круговороте воды выделяются следующие основные звенья: атмосферное, океаническое и материковое, включающее литогенное *, почвенное, речное, озерное, ледниковое, биологическое и хозяйственное. Каждому звену присуща своя особая роль. Ни одно из них не существует обособленно, все они находятся в постоянном взаимодействии. Замкнутая система круговорота воды может быть отнесена лишь к Земному шару в целом, если не учитывать процессы диссоциации молекул воды в атмосфере и удаления атомов водорода в космос.
Для характеристики продолжительности смены всего объема воды составляющих звеньев в процессе круговорота введено понятие «активности водообмена». В атмосферном звене совершается перенос влаги в процессе атмосферной циркуляции воздуха и образование атмосферных осадков. Испарившаяся с поверхности океана вода объемом 47 тыс. км3 переносится на сушу и участвует в формировании водных ресурсов материков. Этот объем соответствует стоку речных и подземных вод суши в океан, причем на долю речного стока приходится около 45 тыс. км3, на долю стока подземных вод, не дренируемых реками,— около 2 тыс. км3. Единовременный запас влаги в атмосфере равен 14 тыс. км3. Объем осадков, выпадающих на поверхность Земли за год, в целом составляет 577 млн. км3, т. е. превышает запас влаги в атмосфере в 41 раз. Таким образом, влага атмосферы возобновляется примерно каждые 9 сут. Океаническое звено характеризуется непрерывным восстановлением запасов влаги в атмосфере путем испарения. За счет испарения с поверхности океана в атмосферу поступает более 86% общего количества испарившейся влаги и менее 14% за счет испарения с суши. Разделив объем вод океана 1338,5 млн. м3) на величину ежегодного испарения с поверхности Мирового океана 505 тыс. км3), получим продолжительность смены воды океана в процессе круговорота примерно через 2700 лет. Значительным разнообразием по активности участия его вод в процессе круговорота отличается материковое звено. Литогенное звено круговорота выражается в участии подземных вод, которое весьма различно по степени подвижности воды.
|
|
|
Глубинные подземные воды, главным образом рассолы (глубина более 2000 м), практически стабильны. Период их возобновления достигает нескольких миллионов лет. Период возобновления свободных подземных вод земной коры до уровня 2000 м составляет 1400 лет. Подземные воды, залегающие вблизи земной поверхности до уровня дренирования речной сетью, являются источником питания рек. Продолжительность их обмена колеблется от месяца до нескольких лет.
|
|
|
Литогенное звено включает и почвенное, в котором осуществляется обмен влагой как с атмосферой, реками и озерами, так и с нижележащими грунтовыми водами. Возобновление и расходование запасов почвенных вод происходит примерно в течение года.
Речное звено круговорота имеет особенное значение. По речным руслам возвращается в океан большая часть воды, которая поступила на сушу в процессе круговорота. Единовременные объемы воды, содержащейся в руслах рек, возобновляются, по данным разных авторов, за 12... 25 сут. В реках с проточными озерами интенсивность водообмена замедляется до трех лет.
Время возобновления запасов воды в озерах колеблется от года для малых озер в засушливых областях до нескольких лет для больших озер со слабой проточностью.
Незначительна и степень подвижности воды в болотах, расходующих запасы влаги в основном на испарение с водной поверхности, транспирацию (испарение) болотной растительностью и небольшими объемами на фильтрацию в русла рек.
Большие массы воды законсервированы в ледниках. В результате медленного движения льда период возобновления запасов воды 1 ледниках, по данным разных авторов, колеблется от 1600 до 15000 лет.
Самой активной формой водообмена обладают воды, входящие в состав живых организмов, которые возобновляются в течение нескольких часов. Биологическая вода расходуется на траспирацию и фотосинтез. На транспирацию приходится 40% суммарного испарения со всей суши и 7% испарения с поверхности Земли.
Хозяйственное звено круговорота, заключающееся в использовании водных ресурсов Земли, их преобразование занимают особое место.
1.4. ВОДНЫЙ БАЛАНС
Соотношение за какой-либо промежуток времени (год, месяц, декаду и т. д.) прихода, расхода и аккумуляции (изменение запаса) воды в целом для всей поверхности Земли или для ее крупных регионов называют водным балансом. Понятие «водный баланс» используется для количественной оценки процесса круговорота воды в природе и вместе с тем служит основой для получения представления о водных ресурсах Земли.
В водном балансе Земли основными элементами являются атмосферные осадки, испарения и сток (табл. 1.4).
1.5. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС
Солнце является основным источником тепла для поверхности нашей планеты, верхнего слоя почвы, Океана и атмосферы.
Различают прямую и рассеянную солнечную радиацию. Часть ее отражается земной и водной поверхностями, часть излучается в атмосферу и межпланетное пространство.
На поверхности раздела водная поверхность — атмосфера, а также в толще воды непрерывно происходят процессы, изменяющие тепловое состояние вод. Некоторые процессы сопровождаются
Поглощением тепла и приводят к повышению температуры воды, другие приводят к потере тепла и понижению температуры. Для количественной оценки закономерностей развития тепловых и динамических процессов, происходящих под влиянием теплообмена Между водными объектами и окружающей средой, применяют уравнение теплового баланса.
1.6. МИРОВЫЕ ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ
Воды Земли, пригодные для использования, называют водными ресурсами. К ним относятся практически все воды на Земном шаре: речные, озерные, морские, подземные, почвенная влага, лед
горных и полярных ледников, водяные пары атмосферы, исключая воды, физически или химически связанные с минералами или биомассой. С точки зрения водообеспечения к водным ресурсам
следует отнести лишь те природные воды, которые могут быть использованы на данном уровне развития техники при конкретном состоянии водного источника. Самыми ценными для хозяйства
и личных потребностей человека являются пресные воды суши.
На практике водными ресурсами называют запасы поверхностных и подземных вод какой-либо территории.
Для оценки водных ресурсов отдельных стран используют карты элементов водного баланса, позволяющие получить количественные характеристики запасов пресных вод любой территории.
Однако определение водных ресурсов отдельных стран в рассматриваемом аспекте не всегда возможно. Немало рек протекает по территориям, принадлежащим различным странам, или по границам между странами, нередко озера пересекаются государственными границами, к тому же следует учитывать и несовпадение поверхностного и подземного водосборов. Примером может
служить Болгария. Полный речной сток этой страны, формируемый в пределах ее территории, составляет лишь 18 км3, но граница государства проходит по Дунаю, годовой сток которого
равен 170 км3, т. е. в 10 раз больше, чем с территории собственно Болгарии. В подобных случаях балансовая оценка водных ресурсов требует заключения особых международных соглашений
для решения правовых вопросов.
В некоторых работах, посвященных исследованиям и [расчетам мирового водного баланса и мировых водных ресурсов, приводятся данные об обеспеченности водными ресурсами на душу населения в пределах каждого из континентов (табл. 1.5).
Из табл. 1.5 видно, что Европа и Азия наименее обеспечены водными ресурсами, Южная Америка и Австралия располагают наибольшим количеством пресной воды. Однако осредненные по большим территориям характеристики обеспеченности водными ресурсами дают искаженное представление о якобы огромных количествах воды, находящихся в распоряжении человека. Вследствие неравномерного распределения поверхностного и подземного стоков по территории, значительных их колебаний но годам и сезонам во многих районах Земного шара уже давно ощущается напряженность водохозяйственного баланса.
СВОЙСТВА ВОДЫ И ПРОЦЕССЫ В МОРЯХ, ОЗЕРАХ И ВОДОХРАНИЛИЩАХ*
2.1. СОЛЕНОСТЬ, ТЕМПЕРАТУРА И ПЛОТНОСТЬ МОРСКОЙ ВОДЫ
Морская вода отличается от воды пресных водоемов горькосоленым вкусом, плотностью, прозрачностью и цветом, более агрессивным воздействием на строительные материалы и рядом других свойств, что объясняется содержанием в морской воде значительного количества растворенных твердых веществ и газов.
Благодаря сильно выраженной полярности и большому дипольному моменту вода обладает высокой диссоциирующей способностью. Поэтому морская вода, по существу, является слабым, полностью ионизированным раствором со щелочной реакцией (рН = 7,8...8,3).
Приведенное к вакууму весовое количество, выраженное в граммах, всех твердых веществ, растворенных в 1 кг морской воды, при условии, что все галогены заменены эквивалентным количеством хлора, все карбонаты превращены в оксиды и органические вещества сожжены при температуре 480°С, принято называть соленостью морской воды.
Обозначается соленость символом S. За единицу солености принимают 1 г солей, растворенных в 1000 г морской воды, и называют промилле (%о). Средняя соленость Мирового океана S=35%0.
Соленость морей отличается от солености Океана, что зависит от их физико-географического положения и степени обособленности от Океана. В Средиземном и Красном морях, например, соленость больше солености Океана — 38 и 41 %0 соответственно; соленость в Черном море— 18,3%0, Каспийском — 12,8%о, в Аральском — 10,3%о-
Содержание солей в водах озер в еще большей степени отличается от средней солености Океана, что объясняется различной степенью минерализации источников питания, проточностью и климатическими условиями. В пресных озерах S<1%0, солоноватых — l%o<S<24,7%o, соленых — 24,7%0<5<47%о и минеральных — S>47%o. В водохранилищах вода пресная.
Установлено, что содержание растворенных минеральных веществ в морской воде может изменяться в очень широких пределах (от 0 до 40%о), но процентное соотношение с достаточной для практических целей точностью может быть принято постоянным. Эта закономерность получила название постоянства солевого состава морской воды.
В речной воде количество растворенных веществ сильно зависит от физико-географических условий и колеблется от сотых долей грамм-моля до нескольких граммов на 1 л воды, но, как правило, в среднем не превышает 300...500 мг/л.
В питании озер значительную роль могут играть подземные воды с повышенной минерализацией. В зависимости от географической зоны состав минеральных веществ в воде озер и их количественное содержание меняются от 20...40 до 200...300 мг/л в зоне постоянного увлажнения. В зонах неустойчивого и недостаточного увлажения минерализация озер увеличивается до 700 мг/л и выше.
Соленость и солевой состав озер меняется по площади, глубине и во времени из-за несоответствия между составом и минерализацией вод озера и питающих его рек и подземных источников, а также в результате сезонного изменения проточности озер.
На химическую неоднородность вод озера влияют размеры озера, изрезанность береговой линии, неравномерность глубины, замедленный водообмен и другие факторы.
Соприкасаясь с атмосферой, вода морей, озер и водохранилищ поглощает из воздуха содержащиеся в нем газы: кислород, азот и углекислоту. Кроме того, эти газы поступают в воду в результате химических и биологических процессов *, протекающих в водоемах, и, наконец, выносятся реками.
Количество растворенных газов в воде определяется парциальным давлением и растворимостью газов, которая зависит от химической природы газов и уменьшается с повышением температуры. Кислород и азот в силу лучшей растворимости кислорода в воде находятся в соотношении 1 : 2.
Газовый режим озер, так же как и морей, связан с распределением температуры и жизнедеятельностью гидробиоптов. Последний фактор особенно резко проявляется в мелких хорошо прогреваемых озерах, где за счет фотосинтеза содержание кислорода может резко повыситься, вплоть до перенасыщения. При наличии легко окисляющихся веществ может наблюдаться дефицит кислорода.
Важнейшей характеристикой воды в каком-либо водоеме является ее температура. Нагревание поверхности воды происходит в основном прямой и рассеянной солнечной радиацией, а также в результате конденсации влаги, выпадения осадков, теплопередачи из воздуха и др. Кроме нагревания происходит и охлаждение воды за счет испарения, излучения тепла в атмосферу и конвективного теплообмена между океаном и атмосферой.
Изменение температуры воды может происходить также в результате горизонтальных и вертикальных перемещений масс воды.
Изменение температуры по поверхности морей, озер и водохранилищ зависит от зонального расположения, солености, гидрологического режима и происходит в достаточно широком диапазоне
от 0°С (для морей ~— 1°С) зимой, до 25...27°С и более летом.
Изменение температуры воды с глубиной в озерах связано с сезонными колебаниями, гидрометеорологическими условиями и морфометрическими характеристиками. В замерзающих озерах умеренной зоны наблюдаются весенне-летнее нагревание и осенне-зимнее охлаждение воды в озерах. Весеннее нагревание начинается перед вскрытием ледяного покрова. В это время температура воды повышается с глубиной. При нагревании воды подо льдом начинается частично вертикальная циркуляции, которая полностью развивается при таянии льда. В результате вода перемешивается и по всей толще устанавливается одна и та же температура, равная температуре придонных слоев. Дальнейшее нагревание происходит до температуры наибольшей плотности 4°С.
В летний период нагреваются верхние слои воды и температура с увеличением глубины понижается. Эта закономерность, особенно в мелких озерах, нарушается при ветроволновом воздействии.
Между верхним, теплым, слоем воды и нижним, холодным, формируется слой с высокими градиентами температуры по глубине— так называемый слой скачка, который может разрушаться в результате воздействия волнения или вертикальной конвекции, а также при осеннем охлаждении. В этот период температура по глубине выравнивается, чему способствует не только понижение температуры, но и усиливающиеся волнение и конвекция.
При зимнем охлаждении, которое начинается после установления по всей толще воды температуры 4СС, вода быстро охлаждается в верхних слоях, вплоть до замерзания .
Термический режим водохранилищ имеет много общего с термическим режимом мелководных озер, но в то же время обладает и некоторой спецификой. Весеннее нагревание преждевременно прекращается из-за поступления талых холодных вод с температурой 0°С с речным стоком. В дальнейшем температура воды в водохранилище повышается за счет нагревания и поступления теплых речных вод. Температура по площади водохранилища в это время распределена крайне неравномерно — колебания могут достигать нескольких градусов. Летом верхние слои прогреваются, особенно на мелководье, но в котловине водохранилища остаются холодные воды. В осенний период под влиянием ветроволновых факторов воды водохранилища хорошо перемешиваются, охлаждаясь одновременно почти до 0°С. Дальнейшее зимнее охлаждение ведет к образованию ледяного покрова.
Тепловые свойства морской воды мало отличаются от свойств пресной.
Плотностью морской воды — в океанографии принято называть отношение веса единицы объема воды при температуре в момент ее наблюдения к весу единицы объема дистиллированной воды при температуре 4°С. Следовательно, за плотность морской воды принимается ее удельный вес — величина безразмерная.
На глубине вода находится под давлением вышележащих слоев, и это давление, естественно, тем выше, чем больше глубина. В результате происходит сжатие воды и увеличение ее плотности. Поэтому при определении плотности или удельного объема воды на глубине необходимо учитывать ее сжимаемость, которая невелика, но если бы вода была несжимаема, то уровень океана поднялся бы на 30,4 м относительно его действительного положения.
2.2. ВОЛНЕНИЕ И ТЕЧЕНИЯ
Волнение. В результате воздействия на воды океанов, морей, озер и водохранилищ различных сил возникают колебательиые и поступательные движения частиц воды *. Распространение колебаний в воде называют волновыми движениями или волнами. Волна может представлять собой распространение возмущения любого вида: одиночная волна (рис. 2.1, а), ограниченная волна (рис. 2.1,6) и бесконечная волна (рис. 2.1, в). Особое значение имеет последний случай.
Частицы воды при распространении волн совершают только колебательные движения около своего среднего положения. Следовательно, при распространении волн не имеет места перенос массы, наблюдается только перенос энергии.
В зависимости от характера действующих сил, величин элементов волн и их изменений во времени, соотношения между элементами волн и глубиной воды и другими факторами в море могут наблюдаться разнообразные системы волн, классификацию которых можно произвести по различным признакам. Прежде всего волны можно классифицировать по вызывающим их силам. При этом различают ветровые волны, возбуждаемые ветром; приливные, возникающие под воздействием притяжения Луны и Солнца, анемобарические, возникающие при изменении уровня моря под влиянием изменения атмосферного давления; сейсмические, образующиеся в результате главным образом динамических процессов внутри земной коры в пределах океана; корабельные, возбуждаемые на поверхности воды при движении корабля, и др.
По силам, стремящимся вернуть поверхность воды в положение равновесия, различают капиллярные и гравитационные волны, находящиеся под воздействием соответственно сил поверхностного натяжения и сил тяжести. Капиллярные волны имеют высоту и длину (мм) и образуются в начальной стадии развития ветровых волн или на поверхности крупных волн; все остальные волны относятся к гравитационным.
По характеру движения формы волны могут быть: прогрессивными (поступательными), когда форма волны перемещается в пространстве; стоячими, образующимися при наложении двух прогрессивных волн с равными высотами и периодами и распространяющимися в противоположных направлениях (при стоячих волнах нет поступательного перемещения формы волны); прогрессивно-стоячими, образующимися при наложении прогрессивной волны на стоячую.
По соотношению длины волны и глубины воды различают волны на глубокой воде — короткие волны, когда полудлина волны меньше глубины воды и скорость распространения волн определяется только длиной волны; волны на конечной глубине, когда длина волны одного порядка с глубиной воды и скорость распространения зависит одновременно и от длины волны и от глубины воды; волны на малой глубине; волны длинные, когда длина волны значительно больше глубины воды и скорость распространения зависит только от глубины воды.
Волны, распространяющиеся под воздействием вынуждающих сил, называют вынужденными; волны, вышедшие из-под влияния вынуждающих сил или распространяющиеся после прекращения действия этих сил, называют свободными. Вынужденные волны могут быть развивающимися и установившимися. Волны свободные в природных условиях всегда затухающие.
По глубине расположения различают волны поверхностные и внутренние.
В зависимости от соотношения высоты и длины волны могут быть крутые и пологие.
В зависимости от величины периода наблюдается широкий спектр волн с периодом от долей секунды до нескольких лет.
По форме выделяют двумерные волны, когда длина гребня (по фронту волны) в несколько раз больше длины волны, гребни строго параллельны друг другу и высота волны вдоль гребня постоянна; трехмерные волны, когда длина гребня соизмерима с длиной волны; одиночные волны, когда волна имеет только один гребень, поднятый над спокойным уровнем, и не имеет впадины.
Из многочисленных типов волн наибольшее значение имеют ветровые, гравитационные волны. Ветровые волны могут быть вынужденными, свободными и смешанными. Вынужденными ветровыми волнами называют волны, находящиеся под воздействием ветра. Волны, вышедшие из района действия ветра или распространяющиеся после прекращения ветра, называют свободными волнами или зыбью. В результате сложения вынужденных волн и зыби, пришедшей, например, в данный район из другой области океана, образуются смешанные волны. Совокупность всех систем волн, образовавшихся на поверхности моря при воздействии ветра, называют ветровым волнением.
Кроме коротких ветровых волн наблюдаются длинные волны (см. выше). Длинные поступательные волны с небольшой амплитудой, вызванные действием внешних сил (изменением атмосферного давления, ветрового нагона, сейсмических явлений), распространяются после прекращения их действия как свободные волны от места возникновения к берегу и полностью от него отражаются. В результате интерференции падающей и отраженной волн образуются свободные стоячие волны, которые встречаются во всех природных водоемах. Они получили название сейш.
максимальная).
Амплитуды сейш на озерах меньше, чем в морях, и составляют 20...30 см, редко 50 см (Аральское море). Так же как и в морях, сейши в озерах могут быть поперечными и продольными.
Течения, которыми сопровождаются сейши, сильно влияют на формирование гидрологического и биологического режимов озера.
В водохранилищах, как правило, сейши не наблюдаются. Длинные волны в этом случае образуются при резком изменении режима работы гидроузла. Например, при увеличении сброса воды в нижний бьеф вверх по водохранилищу распространяется отрицательная волна. При остановке турбины вверх по водохранилищу будет распространяться положительная волна.
Течения. Поступательные перемещения водных масс называют течениями. Течения могут подразделяться: по продолжительности— на постоянные, временные и периодические; по силам, их вызвавшим: силы могут быть внешние — ветер, давление, приливообразующие силы Луны и Солнца — и внутренние, появляющиеся в силу неравномерного распределения плотности воды; по расположению в толще воды — поверхностные и глубинные.
Под воздействием ветра в зависимости от времени его действия в верхнем слое водоема могут возникнуть постоянные течения— дрейфовые, создаваемые господствующими и длительными ветрами, и временные—-ветровые, возникающие при временном и непродолжительном ветре.
Одновременно с приливно-отливными изменениями уровня наблюдается горизонтальное перемещение водных масс — периодические приливно-отливные течения, которые могут быть только в океанах и морях.
При повышении уровня в каком-то районе моря в силу различных причин (выпадения атмосферных осадков, сток рек, нагон и др.) возникают стоковые течения. При ветровом нагоне эти течения располагаются от поверхности воды до дна и их называют градиентными течениями. При неравномерном распределении плотности возникают плотностные течения, которые могут быть и поверхностными, и глубинными.
Наблюдающиеся в водоемах течения в действительности являются суммарным течением, образующимся в результате действия многих сил. Из всего многообразия течений наибольшее практическое значение имеют течения, вызванные ветром (постоянные и временные), и приливно-отливные в морях.
В озерах и водохранилищах течения выражены значительно слабее. Как правило, постоянные (дрейфовые) течения в озерах, за исключением самых крупных, отсутствуют. Преобладают течения стоковые, временные ветровые и конвекционные как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.
Стоковые течения хорошо прослеживаются в озерах вблизи устьев и истоков рек и в водохранилищах в их верхней части (течения в затопленных руслах рек) и вблизи гидроузлов при открытии затворов или включении турбин. В последнем случае скорости течений достигают иногда порядка 1,0 м/с
(Куйбышевское водохранилище). Ветровые течения в озерах и озеровидных водохранилищах отличаются непостоянством по величине и во времени, что связано с изменчивостью поля ветра, орографией и морфометрическими особенностями озер и водохранилищ.
2.3. КОЛЕБАНИЯ УРОВНЯ
Поверхность, нормальную в любой точке к направлению силы тяжести, называют уровенной поверхностью. Такая поверхность, совпадающая с идеализированной поверхностью океана, где суммарный потенциал гравитационных сил Земли и ее атмосферы остается постоянным, получила название геоида.
Положение уровенной поверхности в какой-либо точке называют уровнем моря в данном месте.
На практике за средний уровень принимают среднее арифметическое значение высот уровней в данном месте над нулем поста, наблюдаемых за определенный промежуток времени. В зависимости от времени осреднения различают среднесуточные, среднемесячные, среднегодовые и средние многолетние уровни.
Кроме стационарных возмущений поверхность геоида испытывает и нестационарные возмущения, которые в фиксированной точке проявляются в виде колебаний уровня моря. Эти колебания могут быть периодическими, непериодическими и вековыми.
К периодическим колебаниям уровня относятся: прилинно-отливные, метеорологические, колебания, происходящие в результате годового хода осадков, испарения и стока вод, и колебания, связанные с периодическим изменением направления ветра.
Непериодические колебания уровня вызываются случайными изменениями величины осадков, испарения и стока, действием ветра случайного направления, подводными землетрясениями и извержениями (в результате чего могут образоваться цунами), временными течениями, неперио-дическим изменением атмосферного давления, изменением плотности воды и другими причинами.
Изменение уровня при действии ветра связано со сгонно-нагонными явлениями, наблюдающимися в прибрежной зоне водоема. В мелких водоемах движение воды совпадает с направлением ветра. Если ветер дует в сторону берега, то в результате притока воды уровень у берега повышается — происходит нагон воды; при направлении ветра от берега происходит понижение уровня — наблюдается сгон воды. Величина сгонно-нагонных колебаний зависит от местных условий, в частности от рельефа дна и конфигурации береговой линии. Наибольшие колебания уровня при сгонно-нагонных явлениях наблюдаются у отмелых берегов, в длинных сужающихся заливах, узких проливах и устьях рек.
Непериодическое изменение различных факторов и главным образом атмосферного давления над водоемом вызывает при определенных условиях колебания уровня в результате образования сейш.
2.4. ЛЕДОВЫЙ РЕЖИМ
Классификация природных льдов. Наиболее общей является классификация, выделяющая восемь классов льдов: атмосферные льды (снег, иней, град, гололед), поверхностные льды акваторий, покрывающие в зимнее время океаны, моря, озера, реки и небольшие водоемы, внутри-водные льды — скопление первичных ледяных кристаллов, образующихся в толще воды и на дне водоема (донный лед), сюда же относится шуга — всплывший на поверхность или занесенный
внутрь потока внутриводный лед в виде комьев различных форм и размеров; материковые льды — различного типа ледники; льды многолетней мерзлоты; погребенные льды; льды особых образований, например наледи, жильные льды, льды из пены и брызг; льды, искусственно созданные человеком.
С точки зрения гидротехники наибольший интерес представляют льды второго класса,
куда относятся кроме речных и озерных льды морские.
Классифицировать льды можно по различным признакам.
По своему происхождению льды делятся на морские и пресноводные (речные, озерные и глетчерные).
Морские льды, в свою очередь, делятся на неподвижные и плавучие льды. Основной формой неподвижных льдов является припай — сплошной ледяной покров, связанный с берегом, иногда шириной до нескольких десятков километров.
Образование и разрушение льда. Образование льда как в пресной, так и в морской воде может начаться при условии сильной потери тепла водой, некоторого небольшого (в природных условиях от сотых долей до нескольких градусов) предварительного переохлаждения воды относительно точки замерзания и наличия в воде зародышей (ядер кристаллизации) в виде комплексов молекул, частиц пыли, снежинок, кристаллов льда и т. п.
Однако процессы льдообразования в пресной и морской воде происходят неодинаково из-за различия их химических и физических свойств. Так как пресная вода имеет наибольшую плотность при 4°С, то в пресноводном бассейне, после того как вода охладилась до 4°С, дальнейшее охлаждение идет очень быстро.
Вода в поверхностном слое становится легче нижележащих вод, что затрудняет перемешивание, а следовательно, и поднятие на поверхность более теплых масс воды с глубины.
Таяние льда начинается при переходе температуры через 0°С, прежде всего там, где снег или лед несколько загрязнены, так как это способствует большему поглощению тепла. Лед с белой поверхностью отражает до 50% лучистой энергии, свежевыпавший снег на льду — до 88%.
С началом таяния верхний слой снега пропитывается водой, на его поверхности образуются лужи-снежницы. Если наступает похолодание, то на снегу и на снежницах образуется ледяная корка, которая препятствует выделению тепла в атмосферу и, подобно стеклам в парнике, обусловливает накопление тепла водой. При новом повышении температуры развивающиеся снежницы ускоряют таяние льда, так как вода является хорошим аккумулятором тепла. Под водой лед протаивает, образуются сквозные отверстия (проталины), через которые вода стекает вниз и лед обсыхает.
При дальнейшем повышении температуры происходит интенсивное поглощение льдом тепла, появляется все большее число проталин, образуются трещины, которые, расширяясь, превращаются в пространства открытой воды, появляется возможность образования волнения. При волнении вода заплескивается на лед, размывает и крошит его; лед превращается в ледяную кашу, затем в отдельные кристаллы и, наконец, исчезает.
В озерах и водохранилищах ледостав и очищение от льда наблюдается обычно несколько позже, чем в реках. На малых озерах и водохранилищах этот разрыв может составлять 10... 15 дней, на крупных — значительно больше. Иногда период ледостава, особенно крупных озер, затягивается на 2... 3 месяца.
На водохранилищах лед образуется на мелководье и в зоне выклинивания подпора раньше, а в приплотинной части позже, чем на реках этой климатической зоны. По мере сработки водохранилищ лед оседает на дно у берегов и на мелководье. При этом лед деформируется и трескается, через трещины выступает поверх льда вода и замерзает. Весной этот осевший лед частично всплывает с повышением уровня, частично тает на берегу.
РЕКИ.
В зависимости от водосборной площади бассейна реки делятся на большие, средние и малые.
К большим принадлежат реки, которые расположены в нескольких географических зонах и имеют площадь водосбора свыше 50 тыс. квадратных километров. К средним принадлежат реки, которые имеют площадь водосбора от 2 до 50 тыс. квадратных километров. К малым принадлежат реки с площадью водосбора до 2 тыс. квадратных километров.
В каждой реке различают место её зарождения — исток и место (участок) впадения в море, озеро или слияния с другой рекой — устье.
Реки, непосредственно впадающие в океаны, моря, озёра или теряющиеся в песках и болотах, называются главными; впадающие в главные реки — притоками.
Главная река со всеми её притоками образует речную систему, которая характеризуется густотой речной сети.
Речной системой называют совокупность всех рек какой-либо территории, сливающихся вместе и выносящих воды через главную реку в океан, море или озеро. Совокупность всех рек, находящихся в пределах какой-либо территории, называют речной сетью. Речная сеть является элементом гидрографической сети, включающей в себя помимо рек озера, болота, балки, овраги на данной территории, а также искусственные каналы и водохранилища.
Основными характеристиками речной системы являются протяженность рек, их извилистость и густота речной сети.
Поверхность суши, с которой речная система собирает свои воды, называется водосбором, или водосборной площадью. Водосборная площадь вместе с верхними слоями земной коры, включающая в себя данную речную систему и отделённая от других речных систем водоразделами, называется речным бассейном.
Реки обычно текут в вытянутых пониженных формах рельефа — долинах, наиболее пониженная часть которых называется руслом, а часть дна долины, заливаемая высокими речными водами, — поймой, или пойменной террасой.
Формирование поймы связано с внутригодовыми изменениями водности реки — с прохождением половодья и паводков, несущих большое количество наносов. Различают поймы двусторонние, располагающиеся по обе стороны от русла; односторонние, когда русло потока прижато к одному из склонов долины, и чередующиеся, т. е. расположенные попеременно то с левой, то с правой стороны. У поймы нет четких границ, что является следствием постоянного изменения высоты половодья и паводков. Рельеф поймы характеризуется значительной расчлененностью. Поверхность поймы покрыта характерной травяной, кустарниковой или даже лесной растительностью.
В руслах чередуются более глубокие места — плёсы и мелководные участки — перекаты. Линия наибольших глубин русла образует фарватер, а линия наибольших скоростей течения называется стрежнем.
Границей водотока реки называется берег, в зависимости от расположения по течению относительно средней линии русла водотока различают правый и левый берега водотока.
Разность высот между истоком и устьем реки называется падением реки; отношение падения реки или отдельных её участков к их длине называется уклоном реки (участка) и выражается в процентах (%) или в промилле (‰).
В зависимости от рельефа местности, в пределах которой текут реки, они разделяются на горные и равнинные. На многих реках перемежаются участки горного и равнинного характера. Горные реки, как правило, отличаются большими уклонами, бурным течением, текут в узких долинах; преобладают процессы размыва. Для равнинных рек характерно наличие извилин русла, или меандр, образующихся в результате русловых процессов. На равнинных реках чередуются участки размыва русла и аккумуляции на нём наносов, в результате которой образуются осерёдки и перекаты, а в устьях — дельты. Иногда ответвлённые от реки рукава сливаются с другой рекой.
По поверхности земного шара реки распределены крайне неравномерно. На каждом материке можно наметить главные водоразделы — границы областей стока, поступающего в различные океаны. Главный водораздел Земли делит поверхность материков на 2 основных бассейна: атлантико-арктический (сток с площади которого поступает в Атлантический и Северный Ледовитый океаны) и тихоокеанский (сток в Тихий и Индийский океаны). Объём стока с площади первого из этих бассейнов значительно больше, чем с площади второго.
Густота речной сети и направление течения зависят от комплекса современных природных условий, но часто в той или иной мере сохраняют черты прежних геологических эпох. Наибольшей густоты речная сеть достигает в экваториальном поясе, где текут величайшие реки мира — Амазонка, Конго; в тропических и умеренных поясах она также бывает высокой, особенно в горных районах (Альпы, Кавказ, Скалистые горы и др.). В пустынных областях распространены эпизодически текущие реки, превращающиеся изредка при снеготаянии или интенсивных ливнях в мощные потоки (реки равнинного Казахстана, уэды Сахары, крики Австралии и др.).
Десять величайших рек мира
1. Амазонка (7100 км)
- Нил (6650 км)
- Янцзы (6300 км)
- Миссисипи с Миссури (6420 км)
- Хуанхэ (Жёлтая река) (5464 км)
- Обь с Иртышом (5410 км)
- Амур с Аргунью (4410 км)
- Конго (4380 или 4670 км) (в зависимости от определения истока)
- Лена (4400 км)
10. Макензи (4240 км)
ПИТАНИЕ РЕК
Одним из главных компонентов водного баланса речного бассейна являются атмосферные осадки, выпавшие на земную поверхность в результате круговорота воды на Земном шаре. В зависимости от вида атмосферных осадков (жидкие, твердые) и путей их движения к рекам различают следующие основные виды питания: дождевое, снеговое (талые воды), ледниковое и подземное.
Дождевое питание происходит за счет обложных дождей и ливней, выпадающих в пределах речных водосборов. При определенных условиях часть жидких осадков образует поверхностный сток и является непосредственным источником питания рек в периоды паводков.
Снеговое питание обусловлено таянием твердых осадков, аккумулирующихся на земной поверхности в виде снежного покрова. На равнинных территориях и невысоких горах снег, накопившийся в холодный период в бассейне реки, полностью стаивает в теплое время (весной и летом). В высокогорных районах твердые осадки частично пополняют запасы вечных снегов и ледников, талые воды которых служат источником ледникового питания рек. Наибольший ледниковый сток наблюдается в самые жаркие месяцы.
Подземное питание формируется за счет просачивания в верхние слои земли части талых и дождевых вод. При определенных условиях подземные воды быстро дренируются реками, а некоторая часть идет на пополнение запасов подземных вод, которые значительно медленнее попадают в реки. Подземные воды обеспечивают устойчивость речного стока.
Наиболее часто реки имеют смешанное питание, обусловленное участием нескольких источников питания. Соотношение между количеством воды, поступающим в реки от того или иного источника питания, неодинаково в различных районах.
УРОВЕННЫЙ РЕЖИМ
Непрерывное изменение притока воды в реку от талых вод, дождей и грунтовых вод обусловливает колебание расходов и соответствующих им уровней воды в реке. При этом увеличению
расхода воды в общем случае соответствует повышение уровня, и наоборот. Сходство режима уровней и расходов находит подтверждение при сравнении графиков колебаний уровней и расходов (гидрографов).
Помимо изменения расходов колебания уровня могут определяться и другими причинами, к которым относятся изменение отметок дна русла вследствие отложения наносов или их размыва; возведение на реке искусственных подпорных сооружений, нарушающих естественный ход уровня; зарастание русла водной растительностью, создающей дополнительное сопротивление движению воды, для преодоления которого требуется повышение уровня; появление и наличие на реке ледяного покрова и внутриводного льда; сгонно-нагонные и приливно-отливные явления на устьевых участках рек и т. д. В ряде случаев одновременное действие нескольких факторов обусловливает весьма сложный уровенный режим.
ТЕРМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ
Формирование термического режима рек происходит в результате теплообмена между водной массой и атмосферой и водной массой и ложем русла.
Основным источником тепла для поверхности Земли является Солнце. Солнечная радиация частично отражается от поверхности воды, частично проникает внутрь водных масс, где рассеивается и поглощается комплексами молекул и взвешенными частицами органического и неорганического происхождения. Процесс этот идет достаточно интенсивно, и поэтому глубина проникновения солнечного тепла незначительна и зависит от прозрачности воды. При мутной воде, что характерно для рек, практически вся солнечная радиация поглощается на поверхности воды. Перенос тепла на глубину осуществляется в результате турбулентного перемешивания. Различают динамическое перемешивание (турбулентность), которое возникает при наличии градиентов скоростей, что обеспечивает передачу тепла (и других свойств воды) от одного слоя к другому, и конвективное перемешивание (гравитационная турбулентность), или конвекция, которая возникает при уменьшении плотности воды сверху вниз.
Типичные черты температурного режима речных вод обусловливаются метеорологическими условиями, свойственными каждому сезону, так как именно они определяют соотношения между приходом и расходом тепла, т. е. соотношения между элементами теплового баланса.
Годовой цикл термического режима замерзающих рек четко разделяется на два периода: открытой водной поверхности и ледостава. В период открытой водной поверхности ход средней по живому сечению температуры воды с некоторым сдвигом по времени практически идентичен ходу температуры воздуха, что обусловлено сравнительно быстрым изменением поверхностной температуры воды при изменении метеорологических условий и интенсивным перемешиванием водной массы. При этом в первую половину этого периода (особенно во время весеннего половодья) температура воды ниже температуры воздуха, во вторую половину периода соотношение меняется: температура воды становится выше по сравнению с температурой воздуха. Такой ход температур отмечается на большинстве рек нашей страны, за исключением горных, питающихся талыми водами вечных снегов и ледников, где разности температуры воды и воздуха остаются отрицательными в течение всего теплого периода, уменьшаясь по мере удаления от истока. При наличии ледяного покрова температура воды остается почти постоянной и близкой к 0°С.
Суточные изменения температуры речных вод связаны с различиями в теплообмене воды с атмосферой в ночное и дневное время. Суточный ход наиболее ярко выражен в теплое время года, при этом амплитуда колебаний температуры воды зависит от водности реки, широты места и погодных условий. Чем больше водность реки, тем меньше суточная амплитуда. При ясной погоде разница между температурой воды днем и ночью больше, чем при пасмурной.
Изменения температуры воды по глубине выражены менее резко. В весенний половодный период при общем понижении температуры воды с глубиной различия у поверхности и дна не превышает 0,5°С. В летний период разница температуры на поверхности и у дна при прямой температурной стратификации достигает 2...3°С, иногда 5°С (р. Ангара). В осенний период устанавливается обратная температурная стратификация с разностью температур на поверхности и у дна до 0,6°С.
Изменение температуры речных вод по длине рек связано с изменением теплового режима и климатических условий ландшафтных зон, по которым протекает водный поток. На больших равнинных реках, текущих с севера на юг, температура воды непрерывно повышается от истока к устью, если только в нее не впадают притоки с более холодной водой. На реках, текущих в обратном направлении, может наблюдаться понижение температуры к устью.
На реках, текущих в широтном направлении, температура практически неизменна. Но в верховьях этих рек, а также на небольших реках на некотором расстоянии от истока температура воды несколько повышается. На горных реках температура воды также повышается вниз по течению. Для горных рек температура воды в истоках определяется источником питания (ледник, снеговые запасы), но по мере удаления от истока большее значение приобретают климатические условия.
Температурный режим озерных рек тесно связан с температурой озера, из которого река берет начало, при этом чем больше водная масса озера, тем значительнее расстояние по реке, на которое распространяется его влияние.
Естественные изменения температурного режима речных вод могут быть нарушены в результате хозяйственной деятельности человека, например при сбросе в реки теплых промышленных и
бытовых вод.
ЛЕДОВЫЙ РЕЖИМ
При снижении температуры воды до 0°С и появлении на реке льда реки вступают в фазу зимнего режима. Продолжительность его отсчитывается с момента установления отрицательных температур воздуха, обусловливающих возникновение на реке ледовых образований, до начала интенсивного весеннего подъема уровня воды и очищения реки от льда. В ледовом режиме рек выделяют три фазы: замерзание, ледостав и вскрытие. Характерными датами ледовых явлений на реках являются дата начала осеннего ледохода, дата замерзания реки, дата вскрытия, дата весеннего ледохода.
ДВИЖЕНИЕ ВОДЫ В РЕКАХ
При турбулентном движении жидкости, что наблюдается в речных потоках, происходит непрерывное изменение во времени скорости в каждой точке потока как по значению, так и по направлению. В связи с наличием пульсации различают мгновенную и местную скорость в точке потока. Мгновенной скоростью называют скорость в данной точке потока в данный момент времени (мгновение). В практических задачах гидрологии обычно используют осредненную во времени скорость, называемую местной скоростью.
При этом осреднение выполняется за период времени, достаточный для исключения влияния пульсации. Наибольшие скорости потока отмечаются на его поверхности, относительно медленно уменьшаясь ко дну. При этом в непосредственной близости от дна располагается очень тонкий пограничный слой, характеризующийся большими градиентами скорости, в котором скорость потока резко уменьшается от относительно больших значений до нулевых.
В речных потоках выделяют два вида движения: неравномерное и неустановившееся. При неравномерном движении уклон, скорости, живое сечение изменяются по длине потока, оставаясь неизменными во времени в данном сечении потока. Этот вид движения наблюдается в реках в период межени, когда расходы воды изменяются незначительно, а также при наличии подпора,
образованного плотиной. При неустановившемся движении потока все гидравлические элементы его (уклон, скорость, площадь живого сечения потока) на рассматриваемом участке потока изменяются
во времени и по длине. Такой вид движения характерен для рек в период паводков и половодья при значительных изменениях расхода воды.
Скорости течения в реках изменяются по глубине и ширине живого сечения. Кривые изменения скоростей по вертикали называют годографами или эпюрами скоростей. В общем на каждой отдельной вертикали наименьшие скорости наблюдаются у дна, что объясняется влиянием шероховатости русла. От дна к поверхности происходит сначала быстрое, а затем замедленное увеличение скорости. Максимум, скорости в открытом потоке наблюдается у поверхности или на расстоянии 0,2d от поверхности Характер изменения скоростей по вертикали зависит от глубины уклона водной поверхности, шероховатости дна, характера поперечного сечения русла и очертания русла в плане, наличия растительности в летнее время и льда зимой.
РЕЧНОЙ СТОК И ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТОКА
В процессе круговорота воды в природе выпавшие на землю осадки стекают по земной поверхности и просачиваются в толщу почвогрунтов. Эти процессы называют поверхностным и подземным стоком.
Поверхностный сток делят на склоновый, происходящий по склонам местности, и русловой, происходящий по руслам рек и временных водотоков.
Речной сток входит в состав руслового и представляет собой перемещение воды непосредственно по речному руслу. Он определяется объемом воды, протекающим в определенном створе речного русла за какой-либо период времени. Для количественной оценки речного стока применяют следующие его характеристики.
Расход воды Q (м3/с) — количество воды, протекающее через поперечное сечение потока (живое сечение потока) в секунду.
Объем стока W (м3) —количество воды, протекающее через живое сечение потока за определенный период времени.
Модуль стока qr [м3/(с·км2)]—количество воды, стекающее с единицы площади водосбора в единицу времени.
Слой стока hy (мм) — высота слоя воды, стекающей с водосбора за какой-либо промежуток времени, полученная при равномерном распределении объема стока W по всей площади водосбора.
Коэффициент стока η — отношение высоты слоя стока к высоте слоя выпавших на площадь водосбора осадков за рассматриваемый период времени. Эта безразмерная характеристика показывает, какая часть осадков расходуется на образование стока.
Основными понятиями, которыми пользуются в гидрологии при анализе и расчетах стока, являются годовой, максимальный и минимальный сток.
Годовым стоком называют количество воды, стекшее с данного бассейна за год. Годовой сток в каком-либо створе реки не остается постоянным от года к году: многоводные группы лет чередуются
с маловодными, иногда на общем фоне многоводья отмечаются отдельные маловодные годы, и наобор.
Максимальным стоком {высоким стоком) называют объем или слой стока за время прохождения основной волны половодья или за период наибольшего дождевого паводка.
Минимальным стоком (низким стоком) назьпЪют наименьший сток рек, наблюдающийся в межень (летнюю или зимнюю).
НАНОСЫ
Речными наносами называют твердые минеральные частицы вне зависимости от крупности, которые переносятся русловым потоком и при определенных условиях образуют русловые и пойменные отложения.
Речные наносы образуются главным образом в результате водной эрозии, т. е. разрушения поверхности земли под действием текущих вод. Водная эрозия может быть склоновая и
русловая. Склоновая эрозия представляет собой процесс разрушения и смыва продуктов разрушения со склонов площади бассейна дождевыми и талыми водами. Интенсивность склоновой эрозии зависит от количества осадков, состава почвогрунтов, рельефа местности, густоты овражно-балочной системы бассейна, характера и количества растительности, степени и видов хозяйственного использования площади. Часть продуктов разрушения не попадает в реку, так как задерживается в понижениях земной
поверхности, в оврагах и суходолах. В южных районах, где сухой климат, растительность бедна, почвы меньше содержат гумуса, эрозия протекает более активно, чем в районах достаточного увлажнения.
Русловая эрозия заключается в размыве русловыми потоками дна и берегов русла и склонов долины. Интенсивность этого процесса зависит от энергии текущей воды и характера пород, слагающих русло и долину. Энергия текущей воды, в том числе и руслового потока, определяется расходом и падением: чем больше расход воды и падение руслового потока, или реки, на единицу длины, тем больше ее эрозия. Твердые (скальные) породы размываются значительно слабее, чем рыхлые (пески, глины, суглинки и т. п.).
На равнинах водная эрозия протекает значительно слабее, чем в горной местности, за исключением скальных массивов. Соотношение между количеством наносов, поступивших в реку за счет склоновой эрозии, и количеством наносов, образовавшихся в
результате работы самой реки, зависит от физико-географических факторов и меняется по длине реки (достаточно крупной).
Воздействие потока на русло проявляется в размыве (начальная стадия), переносе материалов размыва и их отложении (аккумуляция), В равнинных реках размыв обычно наблюдается в верхнем течении и аккумуляция — в нижнем. Поток может размывать не только дно (глубинная эрозия), но и берега русла и долины (боковая эрозия). В результате русло и берега смещаются в плане, что приводит к расширению долины и образованию извилин. Этот случай эрозии особенно интенсивно происходит в среднем и нижнем течении реки. Продукты разрушения пород и почвогрунтов, попав в русло реки, перемещаются потоком вниз по течению.
В зависимости от характера движения твердых частиц (наносов) в потоке различают взвешенные и донные наносы. Взвешенными наносами называют совокупность частиц грунта, обычно наиболее мелких (илистых частиц, мелкого песка), которые, оторвавшись от дна под воздействием скорости течения воды, находятся во взвешенном состоянии достаточно длительное время. Перемещение взвешенных наносов определяется общим потоком воды. Скорость перемещения взвешенных наносов приближается к скорости течения воды тем больше, чем мельче частицы.
Донными наносами называют совокупность частиц, как правило, наиболее крупных (крупный песок, гравий, галька), которые в процессе своего движения под воздействием потока воды не отрываются от дна или отрываются на очень короткое время.
В соответствии с этим донные наносы могут быть разделены на влекомые, которые перемещаются по дну скольжением и качением, и на полувзвешенные, которые перемещаются скачками (сальтируют), приподнимаясь над дном на расстояние одного
порядка со своим размером. Обычно в речной гидравлике различают наносы рельефообразующие — это главным образом донные наносы, и транзитные, которые представлены в основном взвешенными наносами. Граница между взвешенными и донными наносами условна, так как при возрастающей скорости наносы, перемещавшиеся качением или скольжением, при определенной скорости отрываются от дна и переходят в категорию взвешенных наносов и, наоборот, с уменьшением скорости часть взвешенных наносов выпадает на дно и продолжает движение как донные наносы.
ГИДРОМЕТРИЯ. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Гидрометрия является разделом более общей науки — гидрологии, и в ее задачи входят разработка приборов и методов количественного определения различных характеристик и систематическое изучение гидрологического режима водных объектов для получения многолетних рядов наблюдений за уровнями, скоростями течений, элементами волн, расходами и стоком воды и наносов, температурным режимом, распределением плотности, химическим составом воды, ледовыми явлениями и т. д.
Данные по гидрологическому режиму водных объектов необходимы при организации водного транспорта, проектировании гидротехнических сооружений различного назначения (транспортных, энергетического, водозаборных и др.), планирования водопотребления, создании базы для научных обобщений и для развития науки гидрологии. Получила развитие инженерная гидрометрия, в задачу которой входит организация и наблюдение за режимом водных объектов при строительстве и эксплуатации различных инженерных сооружений, влияющих на естественный режим водоемов. Гидрометрия подразделяется на гидрометрию атмосферных вод, гидрометрию океанов и морей, озер и водохранилищ, гидрометрию рек, подземных вод и т. д.
Наиболее разработанными и выделившимися в самостоятельные научные дисциплины являются морская и речная гидрометрии. Несмотря на определенную специфику, связанную с объектом изучения, в приемах и способах изучения характеристик рек и морей (водохранилищ и озер) есть достаточно много общего.
Как правило, гидрометрические наблюдения .как на реках, так и на морях совмещаются с метеорологическими наблюдениями.
Для изучения гидрометеорологических явлений создана постоянная и временная государственная сеть станций и постов. Государственная гидрометеорологическая сеть состоит из основных (или опорных) и специальных станций и постов.
На основных станциях и постах ведутся постоянные наблюдения за гидрометеорологическими и атмосферными процессами в течение длительного времени, иногда бессрочно. Специальные станции и посты организуются на определенный период для изучения местных условий, например гидрометеорологического режима водохранилищ и озер, устьевых участков реки и прилегающего взморья и др.
В состав основных гидрометеорологических работ на реках и водоемах входят: наблюдения за уровнем и его колебаниями; промерные работы для изучения глубин и рельефа дна водных объектов; наблюдения за уклонами водной поверхности (на реках); наблюдения за температурой воды, замерзанием и вскрытием водоемов, состоянием ледяного покрова; измерение скоростей и направлений течений; наблюдение за цветом, прозрачностью, плотностью и химическим составом воды; измерение параметров волнения; определение расхода и стока воды и наносов;
определение механического и петрографического состава наносов и донных отложений.
Данные гидрометеорологических наблюдений со всех станций и постов, расположенных на суше океанах и морях, сосредоточиваются в Гидрометцентре страны, обрабатываются, анализируются и служат для решения различных научно-теоретических и хозяйственных проблем, в частности для разработки теоретических основ гидрологии и океанологии, прогноза природных явлений, разработки водохозяйственных балансов регионов и отдельных объектов, обеспечения исходными материалами проектов крупных гидротехнических сооружений и т. п.
ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЕЙ
Высотное положение поверхности воды в данной точке относительно условной горизонтальной неизменной по высоте плоскости отсчета называется уровнем воды. Наблюдения над уровнем обычно ведут длительное время, поэтому условную плоскость помещают на 0,5-1,0 м ниже наинизшего возможного положения уровня (в водохранилищах – с учетом сработки, в морях – с учетом приливно-отливных и сгонно-нагонных колебаний), с тем чтобы отсчеты уровня были всегда положительными. Эта плоскость принимается за нуль отсчетов и называется нулем графика водомерного поста. Основные отсчеты положения уровня в обычных условиях снимаются дважды в сутки — в 8 и 20 ч на реках и четыре раза на морях — в 3, 9, 15 и 21 ч. В экстремальных условиях интервалы времени между сроками наблюдения сокращаются; например, в период половодья и паводков на реках назначаются дополнительные сроки через 2, 4 и 6 ч; во время сгонно-нагонных изменений уровня в морях интервалы наблюдений сокращаются, иногда до 1 ч. Данные, полученные в сроки наблюдений, называются срочными.
Место, оборудованное для наблюдения за уровнем, называют водомерным постом. Водомерные посты в зависимости от срока их действия могут быть постоянными и временными. По своей конструкции водомерные посты, могут быть простыми (реечные, свайные и свайно-реечные) и передаточными. Последние, в свою очередь, делятся на посты с неавтоматическими и автоматическими отметчиками уровня воды, с непрерывной регистрацией положения уровня, т. е. с использованием самописцев, получивших название лимниграфов и мареографов, соответственно при измерениях на реках и на морях; с дистанционными устройствами, что позволяет вести регистрацию уровня на значительном расстоянии от водного объекта и осуществить работу водомерного поста в автоматическом режиме.
Реечный пост представляет собой рейку, укрепленную на сооружениях (мостах, гидротехнических сооружениях и т. п.) в вертикальном положении, с ценой деления 2,0 см, что позволяет измерять уровень с точностью 1,0 см. Применяют рейки деревянные, металлические эмалированные и чугунные с эмалированными вкладышами делений шкалы. Последние два типа применяют для оборудования постоянных постов.
На пологих берегах и при отсутствии гидротехнических сооружений устраивают свайные посты в виде ряда свай, забитых в одном створе перпендикулярно течению реки или урезу воды в море (рис. 6.1).
Рис. 6.1. Схема отметок и отчетов на свайном водомерном посту
Сваи могут быть деревянными, металлическими и железобетонными. В настоящее время посты оборудуют стандартными металлическими винтовыми сваями. Площадка самой верхней сваи должна быть на 0,25-0,5 м выше наивысшего исторического уровня, а площадка нижней сваи – на 0,5 м ниже наинизшего уровня. Расстояние по вертикали между площадками смежных свай не должно быть более 0,8 м; горизонтальные расстояния между сваями принимают, исходя из местных условий и удобства наблюдений, но не более 50 м. Сваи нумеруют сверху вниз.
Так как нуль рейки невозможно совместить с нулем поста, то после ее установки путем нивелирования определяют превышение нуля рейки над нулем графика поста, так называемую приводку (рис. 6.1).
Для повышения точности отсчета при малой амплитуде колебаний уровня в условиях горных рек, где набегание воды на рейку может исказить отсчеты по рейке, при наблюдениях на водохранилищах и морях для защиты от волнения рейку следует устанавливать в специально отрытом котловане, соединенном каналом с рекой или водоемом. Для получения непрерывной информации об изменении уровня на реках и водоемах применяют самописцы уровня воды различной конструкции. Наибольшее распространение получили самописцы, в которых изменение уровня отслеживается с помощью поплавка, поднимающегося и опускающегося вместе с уровнем воды. Движение поплавка передается с помощью поплавкового колеса и шестерен барабану, который вращается на горизонтальной оси. На барабане закрепляется разграфленная бумага, на которой перо, перемещающееся вдоль образующей барабана с помощью часового механизма, вычерчивает ход уровня. На гидрологической сети наибольшее распространение получил самописец «Валдай» (рис. 6.2).
Рис. 6.2. Схема устройства самописца уровня «Валдай»:
/ — барабан; 2 — гиря; 3— каретка с паром; 4 — заводная головка; 5 —
часовой механизм; 6 — поплавковое колесо; 7 — трубка; 8 — основная
ось прибора; 9 — вспомогательная ось прибора; 10 — шестерня; 11 —
зажим; 12 — груз-противовес; 13 — трос; 11 — груз; 15 — зажим; 16 —
поплавок
В морских условиях применяют самописец уровня моря СУМ, имеющий аналогичное устройство с самописцем «Валдай», только в этом случае вращение барабана, расположённого вертикально, и движение пера осуществляются непосредственно от смещения поплавка и противовеса.
Самописцы устанавливают в специальных помещениях на берегу, гидротехнических сооружениях или специальном основании, например свайном; поплавок размещается в колодце, шахте или трубе, сообщающихся с морем посредством устройств (трубы, отверстия), исключающих воздействие на поплавок короткопериодных (волновых) колебаний уровня.
Для определения уклона свободной поверхности воды в реке устраивают выше и ниже основного водомерного поста так называемые уклонные посты, расстояние между которыми L в зависимости от точности измерений меняется от 100 до 8000 м и отсчитывается по линии наибольших глубин.
При обработке данных наблюдений за ходом уровня на простых постах приводят измеренные уровни к нулю графика поста, вычисляют средние суточные значения уровней, составляют таблицы ежедневных уровней и строят графики изменения этих уровней во времени по годам.
Средние суточные уровни на простых постах определяют как средние арифметические из отсчетов уровня в 8 и 20 ч. При наличии дополнительных измерений средний суточный уровень находят как среднее арифметическое из всех отсчетов в течение суток.
Во всех случаях средний суточный уровень при записи изменения уровня на ленте самописца определяют планиметрированием площади, ограниченной линией записи, и делением ее на длину записи. Далее можно построить кривую распределения (повторяемости) и интегральную кривую распределения (обеспеченности) и определить характерные уровни: модальный уровень, повторяющийся с наибольшей частотой (соответствует максимуму кривой повторяемости), медианный уровень с обеспеченностью 50% и средний уровень, равный среднему арифметическому ряда наблюдений. Кроме того, указывают уровни 25%-ной и 75%-ной обеспеченности, отмечают высший и низший годовые уровни, даты их наступления, уровни ледостава и вскрытия ледового покрова и даты их наступления.
ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ ВОДЫ
Скорости течения в реках, озерах, водохранилищах и береговой зоне моря могут измеряться различными способами с помощью приборов разного типа и конструкции.
Способы измерения течений могут быть разделены на две группы: способы поплавочные, при которых для определения течения наблюдают за движением плавающих предметов, естественных или искусственных (поплавков), и способы вертушечные, при которых скорость течения определяют в фиксированной точке с помощью неподвижно установленных приборов по измерению давления потока воды на, лопастные винты- этих приборов.
Поплавочные способы позволяют получить пространственную картину течений в виде линий тока – траекторий движения поплавков. Вертушечный способ позволяет определить значение скорости течения в данной точке в условиях моря и направление вектора скорости.
В рассматриваемых условиях (реки и береговая зона моря) широкое распространение получили свободно плавающие поплавки. Эти поплавки подразделяют на поверхностные и глубинные.
Поверхностные поплавки представляют собой простейшие приборы в виде отпиленных от бревна кружков высотой 5-7 см, крестовины из поставленных на ребро досок и т. п. Для лучшей видимости на поплавках закрепляют яркие флажки и для повышения устойчивости и снижения влияния ветра снизу крепят на тросике (или шнуре) соответствующий груз. Глубинные поплавки применяют для измерения скорости и определения течения на заданной глубине. Глубинные поплавки состоят из двух поплавков, связанных между собой; из них верхний находится на поверхности воды, а нижний — на заданной глубине. Верхний поплавок должен иметь некоторую избыточную плавучесть, его делают обычно из пробки или пенопласта, чтобы поддержать нижний поплавок в заданном положении, который обладает небольшой отрицательной плавучестью.
Наибольшее распространение в практике измерения скоростей течения в реках получили вертушки с горизонтальной осью вращения ГР-55 Н.Е. Жестовского (рис. 6.8).
Рис. 6.8. Устройство гидрометрической вертушки ГР-55:
1 - ось с контактным механизмом; 2 - червячная шестерня с двадцатью зубцами и
штифтом; 3— стопорный винт; 4 — вывод массы; 5~ изолированный вывод (—); 6 —
зажимные винты; 7 — корпус; 8 — штепсельное гнездо; 9 — токопроводящий стержень,
изолированный от массы; 10 — зажимная муфта; // — радиальные шарикоподшипники;
12— упорная втулка; 13— осевая гайка; 14 — лопастный винт; 15 — стабилизатор
направления
Вертушки типа ГР закрепляют на штанге при глубине до 3 м или на тросе при большей глубине. В последнем случае к вертушке подвешивают груз, чтобы уменьшить снос вертушки течением.
Измерения скорости течения вертушками можно производить точечным или интеграционным способом. При точечном способе скорость измеряют в строго фиксированной точке потока. При интеграционном способе измеряют осредненную скорость по какому-либо направлению. Например, если гидрометрическую вертушку перемещать в потоке по вертикали, то можно сразу определить среднюю скорость на вертикали. Более часто применяют точечный метод, который позволяет получить значения скорости потока в различных точках на вертикали и построить эпюру скоростей.
Наиболее часто измеряют скорость в пяти точках: у поверхности, на 0,2; 0,6; 0,8 глубины и у дна. При наличии ледяного покрова или растительности прибавляют шестую точку на глубине 0,4d.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДОВ ВОДЫ
Численно расход воды в реке равен произведению скорости на площадь. Поскольку скорости в реке меняются от точки к точке по площади живого сечения, следует записать расход через элементарную площадку dQ = udxdy, если плоскость координат хоу совместить с плоскостью живого сечения реки, ось х совместить с поверхностью воды и ось у направить вертикально вниз. Тогда полный расход (м3/с) будет равен
где В — ширина реки; d — глубина реки.
Численно расход воды в реке равен объему, ограниченному живым сечением, поверхностью воды и криволинейной поверхностью, касательной к концам векторов скоростей, проведенных нормально к элементарным площадкам dxdy (рис. 6.11). Этот объем называют моделью расхода потока жидкости.
Рис. 6.11. Модель расхода жидкости:
1 — вертикальный профиль скоростей; 2 —изотахи; 3 — эпюра
распределения поверхностных скоростей; 4 — элементарная площадка
Располагая надежной связью между расходами и уровнями, можно легко определять расходы, измеряя только уровни, что резко облегчает и ускоряет работы на створе.
ВОДОХРАНИЛИЩА
ВИДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СТОКА
Виды регулирования стока определяются задачами, характером и составом водопотребителей и водопользователей.
Регулирование речного стока, выполняемое с помощью, водохранилищ для перераспределения естественного речного притока в соответствии с интересами народного хозяйства, решает две основные задачи: повышение стока в многолетнем разрезе или трансформирование внутригодового стока для надежного обеспечения водопотребителей и водопользователей; уменьшение максимальных расходов половодий и паводков для устранения наводнений на участке реки ниже гидроузла для сокращения размеров и удешевления водосбросных сооружений. Аналогичную задачу решают и водохранилища, предназначенные для борьбы с селевыми потоками.
В практике зачастую требуется создание водохранилищ, решающих обе названные, иногда оказывающиеся противоречивыми, задачи. В этом случае преимущество отдается главной водохозяйственной задаче, а вторая задача решается частично и с учетом соблюдения условий по основной водохозяйственной задаче.
По длительности различают следующие виды регулирования низкого стока: суточное, недельное, сезонное (или годовое) и многолетнее.
Объем водохранилища устанавливают в результате водохозяйственного расчета, определяющего принятые в проектной практике составные части объема водохранилища — мертвый и полезный объем.
Мертвый объем соответствует части объема водохранилища, которая для регулирования стока не используется и не срабатывается в нормальных условиях эксплуатации. Уровень водной поверхности в водохранилище, соответствующий мертвому объему, называют уровнем мертвого объема (УМО).
При определении мертвого объема основным фактором обычно считают отложение наносов, а также учитывают ряд условий, соответствующих требованиям участников водохозяйственного комплекса. На реках, транспортирующих большое количество наносов, мертвый объем необходим для аккумуляции твердого стока, чтобы предотвратить уменьшение полезного объема в течение расчетного срока эксплуатации водохранилища, продолжительность которого для промышленного и питьевого водоснабжения принимают от 25 до 50 лет.
Полезный объем (призма регулирования) — основной объем водохранилища, систематически используемый для перераспределения притока в водохранилище в соответствии с режимом водоподачи. Он расположен над отметкой УМО и ограничен сверху нормальным подпорным уровнем (НПУ).
Нормальный подпорный уровень (НПУ) – наивысший проектный подпорный уровень верхнего бьефа, который может поддерживаться в нормальных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений, является наивысшим уровнем, на длительное стояние которого рассчитаны подпорные сооружения и береговое хозяйство в нормальных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений.
При отметке НПУ в водохранилище размещается его полный объем, равный сумме полезного и мертвого объемов.
Форсированный подпорный уровень (ФПУ) – проектный подпорный уровень выше нормального, временно допускаемый в верхнем бьефе в чрезвычайных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений.
Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 1225; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!