Водный режим рек и речной сток.

Цель: Познакомиться с величинами, характеризующими расход и сток, зонами и регионами стока, факторами определяющими величину стока и режима рек.

Оборудование и материалы: Миллиметровая бумага, линейка, гидрологические ежегодники.

Вопросы для предварительной подготовки (Д/з):

1) Питание рек. Классификация рек по видам питания.

2) Водный режим рек. Фазы водного режима рек.

3) Речной сток. Факторы, влияющие на величину поверхностного и подземного стока.

4) Ледовые явления на реках.

5) Наблюдение за гидрологическим режимом рек. Гидрологические посты. Гидрометеорологическая сеть.

Термины и понятия:русло, низкая и высокая пойма, террасы, площадь поперечного сечения, ширина русла, речной створ, водное сечение потока, уровень воды, межень, паводок, половодье, гидравлический радиус, уклон реки, глубина реки, скорость течения реки, эхолот, гидрометрическая вертушка, гидрограф, свайный и реечный уровенный пост, ледостав, вскрытие, ледоход осенний и весенний, заторы, зажоры, полынья, наледь, забереги, сало, шугоход, сток, модуль стока, средний многолетний объем стока, средний многолетний слой стока, средний многолетний коэффициент стока, речной сток.

 

Основными характеристиками годового стока за любой период времени являются:

Средний годовой расход воды(м³/с) –

, (1)

где Qi – средние суточные расходы воды; n – число дней в году.

Напомним, что расход воды – это объем воды, протекающий через поперечное сечение потока в единицу времени.

Полученный средний годовой расход можно выразить через другие характеристики стока – модуль, слой, объем и коэффициент стока.

Модуль стока – количество воды, стекающей в секунду с одного квадратного километра площади бассейна. Вычисляется по формуле

, (2)

 

где F – площадь водосбора, км².

Объем стока (м³, км³) – количество воды, стекающее в год (сутки, декаду, месяц) с бассейна через рассматриваемое поперечное сечение реки. Вычисляется по формулам

, (3)

, (4)

где T – количество секунд в интервале времени (в сутках – 86400 секунд).

Слой стока (мм) – объем стока, который равномерно распределен по всей площади бассейна выше гидроствора.

(5)

Коэффициент стока – отношение слоя стока к слою осадков, обусловивших возникновение стока, за расчетный период

, (6)

где P – количество осадков за расчетный интервал времени в мм.

Модульный коэффициент годового стока– относительное число, полученное как отношение характеристики годового стока к средней многолетней ее величине

, (7)

где Qi, Mi, Wi, hi – величина стока за год;

Qо, Mо, Wо, hо – сток за многолетний период.

 

Гидрологические данные в многолетнем разрезе относятся к категории случайных величин, поскольку они формируются в результате очень большого числа разного рода факторов, сочетание которых дает неоднозначные случайные результаты. Поэтому гидрологические явления рассматриваются как случайный (вероятностный, стохастический) процесс. Вероятностно-статистические методы являются основными методами анализа при гидрологических расчетах и дают достаточно хорошие результаты в большинстве случаев.

При оценке надежности линейных зависимостей (тесноты связи) применяется коэффициент корреляции

, (8)

где y_i и x_i – соответствующие значения стока рассматриваемых рядов; y₀ и x₀ – средние значения стока каждого ряда.

Отклонение имеющихся характеристик от их среднего значения оценивается средней квадратичной ошибкой σ (стандартное отклонение), т.е. отклонением переменных от их арифметического среднего. Определяется по формуле

, при n ≥ 30 (9)

или

при n ≥ 30 (10)

Среднее квадратическое отклонение характеризует изменчивость членов ряда в абсолютных величинах. Для сравнения различных рядов используют относительную характеристику в виде коэффициента вариации Cv, значение которого:

, при n ≥ 30 (11)

или

, при n < 30 (12)

Коэффициент асимметрии Cs характеризует несимметричность ряда исследуемых величин относительно их среднего значения. Если сумма положительных и отрицательных отклонений (x_i – x_o) одинакова, то ряд симметричен, если нет – ассиметричен. Значение коэффициента асимметрии определяется по формуле

(13)

В связи с ограниченностью периодов наблюдений вычисленное по формуле значение Cs имеет большие погрешности и зачастую его определяют. Принимая рекомендуемые для тех или иных гидрологических характеристик соотношения Cs/Сv.

 

Задание 1. Построить профиль водного сечения р. Чернушки у с.Первомайское, вычислить основные характеристики русла и отметки дна по данным промеров, приведенным в табл. 6.1

Для построения профиля водного сечения используйте масштабы: горизонтальный 1:1000, вертикальный 1:50.

Под профилем выписываются следующие данные: номера точек, расстояние от постоянного начала до промерных точек, глубины, отметки дна, характер грунта. На линии поверхности воды следует выписать уровень воды над нулем графика (или абсолютную отметку уровня), к которому отнесены промеры.

Таблица 6.1

Данные промерных работ на створе р. Чернушка у с. Первомайское.

Номер промерной точки	Расстояние от постоянного начала, м	Глубина, м
Урез правого берега Урез левого берега		0,00 1,34 1,90 2,70 3,40 1,43 0,00

Примечания. 1. Уровень воды во время работ не изменился и составлял 213 см над нулем графика. 2. Нуль графика соответствует абсолютной отметке 123,65 м. 3. Грунт – песок. Отметка дна водного сечения определяется как разность уровня воды в абсолютных отметках и глубины в точке.

 

Задание 2. Рассчитать основные гидравлические характеристики: площадь водного сечения ω, ширину реки В, среднюю глубину h_ср, наибольшую глубину h_mах, смоченный периметр χ, гидравлический радиус R. Произведем вычисление их для данной задачи.

2.1. Площадь водного сечения ωреки в заданном створе определяется планиметрированием или аналитическим способом. Аналитически площадь водного сечения вычисляется по формуле:

ω = (h₁b₁)/2 + (h₁+h₂)b₂/2 + …….+ (h_n-1 +h_n)b_n/2 +(h_nb_n+1)/2,

 

где h₁, h₂,..., h_n - глубины промерных вертикалей; b₁, b₂,..., b_п+1 -расстояния между вертикалями.

Например, вычислим площадь от уреза правого берега до промерной точки 1: b₁ =20 - 11 = 9 м.

Глубина воды в точке h₁ = 1,34 м. Следовательно, площадь сече­ния для этого участка ω ₁ = = = 6 м²

Площадь сечения на участке между промерными точками 1 и 2 будет

ω ₂ = = =16,2 м².

Аналогично производим подсчет площадей между всеми промерны­ми точками.

2.2. Ширина реки В определяется как разность расстояний от постоянного начала профиля до уреза дальнего берега и до уреза ближнего берега. Средняя глубина h _ср. вычисляется как частное от деления площади водного сечения ω на ширину русла В.Наибольшая глубина h _max. выбирается из фактически измеренных глубин.

2.3. Смоченный периметр χ– длина линии дна на поперечном профиле реки между урезами воды (при наличии ледяного покрова в длину смоченного периметра включается и длина нижней поверхности льда на профиле) – вычисляется по формуле

χ = b²₁+h²₁ + b²₂+(h₂- h₁)² + …….+

+ b² _n+1 +h²_n,

где b₁, …… b _n+1 – расстояние между промерами, h₁, h₂, … h_n - глубины

2.4. Гидравлический радиус R вычисляется по формуле

R =ω/χ

Для русел, ширина которых значительно больше глубины, значения гидравлического радиуса и средней глубины расходятся очень незначительно. Это позволяет при различного рода расчетах заменить гидравлический радиус средней глубиной, вычисление которой менее сложно, при условии, что отношение h_ср./ В ˂ 1/10.

В данном примере это удовлетворяет требованию?

Задание 3. Определить среднюю скорость реки по формуле Шези:

Vср= СRi ,

где С скоростной коэффициент, R – гидравлический радиус, i – средний уклон реки), если известно, что на данном отрезке дно русла сложено песчаным материалом, встречаются острова и отмели, средний уклон реки – 0,000065, гидравлически радиус – 2,4 м.

Скоростной коэффициент С в формуле Шези определяется по формуле Базена: С = 87/(1+ y / R). Коэффициент шероховатости y определяется по таблице 4.2.

Таблица 6.2

Классификация русловых коэффициентов естественных водотоков

Категория	Характеристика русла	Коэфф. шерох.
	Естественные русла со свободным течением (чистые, прямые, незасоренные, земляные	1,25
	Русла постоянных водотоков равнинного типа (преимущественно больших и средних рек), почти прямые и очень слабо засоренные	2,00
	Сравнительно чистые русла постоянных равнинных водотоков	2,75
	Русла больших и средних рек, значительно засоренные и извилистые и частично заросшие, каменистые, с неспокойным течением	3,75
	Русла периодических водотоков, сильно засоренные и извилистые, сравнительно заросшие, неровные, плохо разработанные. Галечно-валунные русла горного типа с неправильной поверхностью водного зеркала, порожистые участки равнинных рек	5,50
	Реки весьма значительно заросшие, со слабым течением. Валунные, горного типа русла с бурливым, пенистым течением	7,00
	Горно-водопадного типа русла с крупновалунным извилистым ложем, перепады ярко выражены, пенистость настолько сильна. Что вода, потеряв прозрачность, имеет белый цвет	9,00
	Потоки типа селевых, состоящие из грязи, камней и др	20,00

 

Задание 4. Работа с гидрологическим ежегодником. В предложенном гидрологическом ежегоднике выберите любой гидрологический пост, расположенный на р.Енисей или его притоках. Выпишите следующие показатели: площадь водосбора, высота годового слоя осадков, высший уровень воды за год, низший и средний уровень воды за год, наибольший расход воды за год, наименьший и средний расход воды за год, средняя продолжительность половодья, дату и значение наивысшей температуры воды в году. Дата начала и окончания ледовых явлений, мощность ледяного покрова. Вычислите модуль стока; объем стока, слой стока, коэффициент стока.

 

Задание 5 Определить модуль стока для следующих рек. Объясните несоответствие длины и водоносности рек Нила и Волги, Нила и Амазонки.

 

Название реки	Длина реки, км	Площадь бассейна, км2	Осадки, мм/год	Расход воды, м3/с	Модуль стока, л/с-км2
Амазонка Волга Нил

Литература:

1) Михайлов В.Н. Гидрология: Учебник для вузов / В.Н. Михайлов, А.Д. Добровольский, С.А. Добролюбов. – 2-е изд. испр. – М.: Высш. шк., 2007. – 463 с.

2) Лучшева А.А. Сборник задач и руководство к практическим занятиям по основам гидравлики и гидрометрии: Уч. пособие для учащихся специальных учебных заведений по специальности Гидрогеология и инженерная геология/Лучшева А.А., Чаповский А.Е. – М.: Недра, 1990. – 170с.

3) Государственный водный кадастр. Ежегодные данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. – Красноярск: Красноярское территориальное управление по гидрометеорологии и контролю природной среды. РСФСР, 1982. - Т. 1. - Вып.12.

 

Практическая работа №7.