книги из ГПНТБ / Орлова, В. В. Гидрометрия учебник

УДК 556.5 (075.3)

Г О С . П ' Г Г - Ч Н II

научно-'.

6h6' "lv "

£ 4 ? E i v ' i i Р

■^та п к ь ОГО ЭЛЛА,

S /f /e 7' i j - 3 b Z i

Рассматриваются методы и результаты гидрологи­ ческих наблюдений на реках, озерах, водохранилищах и болотах. Основное внимание уделено устройству при­ боров, методам производства гидрологических работ и обработке материалов наблюдений, применяемых на сети гидрологических станций и постов Гндрометслужбы

СССР. Приводятся практические упражнения. Предназначена в качестве учебника для учащихся

гидрометеорологических техникумов.

в1966 г. Во втором издании рассматривается ряд новых методов

иприборов, разработанных за последние годы советскими гидро­ логами. Более широко по сравнению с первым изданием освещены способы гидрометрических наблюдений и работ, связанные с ис­

пользованием авиации.

Учебник составлен в соответствии с программой курса гидро­ метрии, утвержденной Главным управлением гидрометеорологиче­ ской службы при Совете Министров СССР для гидрометеорологи­ ческих техникумов.

Книга состоит из трех разделов: гидрологические наблюдения на реках, гидрологические наблюдения на озерах и водохранили­ щах, гидрологические наблюдения на болотах.

Проработке курса гидрометрии в гидрометеорологических тех­ никумах предшествует курс гидрологии суши, поэтому теоретиче­ ские основы изучаемых явлений в учебнике рассматриваются кратко, основное внимание уделено устройству приборов, методам производства гидрометрических работ и обработки материалов на­ блюдений, применяемым на сети гидрологических станций и пос­ тов Гидрометеорологической службы СССР.

Всвязи с широко развитой в нашей стране системой заочного

ивечернего обучения учебник написан так, что отвечает требова­ ниям самостоятельной подготовки учащихся.

Автор выражает благодарность преподавателям Херсонского гидрометеорологического техникума В. Н. Чайникову, С. Б. Розову

иЛ. Н. Тихоновой, просмотревшим рукопись, за их замечания И

рекомендации.

1*

ГЛ А В А П Е Р В А Я

ВВЕДЕНИ Е

§1. Гидрометрия и ее значение для народного хозяйства страны

Гидрометрия — раздел гидрологии, в котором рассматриваются методы измерении и наблюдений, ведущихся с. целью изучения гидрологического режима вод.

Основными задачами гидрометрии являются: разработка мето­ дов и приборов для количественного определения элементов вод­ ного режима и систематическое многолетнее изучение явлений и процессов, характеризующих гидрологический режим, например колебаний уровня, расходов, температуры воды и т. д.

В состав основных гидрометрических работ входят: 1) измере­ ние уровня и температуры воды; 2) промеры глубин; 3) определе­ ние уклонов водной поверхности; 4) измерение расходов воды, взвешенных и донных наносов; 5) определение физических, хими­ ческих свойств и загрязненности воды; 6) изучение зимнего ре­ жима водных объектов; 7) наблюдения за ветровыми течениями и волнением в озерах и водохранилищах.

При специальных исследованиях, помимо основных наблюде­ ний, в программу работ могут входить дополнительные задания: изучение шероховатости русла и поймы, деформаций речного русла, переформирований прибрежной зоны водохранилищ; раз­ работка новых методов производства гидрометрических работ; ис­ пытание более совершенных гидрометрических приборов и др.

Результаты гидрометрических работ широко используются для научных обобщений и находят большое практическое применение. Гидрометрические данные, характеризующие водные ресурсы, яв­ ляются основой для расчетов при составлении различных водохо­ зяйственных проектов, в том числе для гидротехнического строи­ тельства, расчета водоснабжения, эксплуатации водного транс­ порта, строительства шоссейных и железных дорог, организации лесосплава и пр.

Особенно нужны гидрометрические сведения для гидротехниче­ ского строительства. При проектировании плотин и водохранилищ

4

требуются надежные материалы о водном и ледовом режиме, о ко­ личестве наносов, проносимых рекой. Для расчета мощности гид­ роэлектрической станции необходимо знать, какое количество воды протекает в реке. При строительстве железнодорожных и шоссей­ ных мостов необходимо иметь сведения о величине максимального подъема уровня воды и интенсивности ледохода.

Требуется разносторонняя систематическая информация о гид­ рологическом режиме водных объектов также при эксплуатации различных гидротехнических сооружений и водных путей сообще­ ния. Например, сведения о колебаниях уровня воды в реке, сроках вскрытия и замерзания позволяют лучше планировать перевозки по водным артериям в навигационный период.

Большое значение имеют гидрометрические материалы при ре­ шении вопросов водоснабжения населенных пунктов и промышлен­ ных предприятий. Например, водозабор, установленный без учета колебаний уровня водотока и его расходов, в засушливый год мо­ жет оказаться над поверхностью воды; насосная станция, располо­ женная в пределах высоких уровней, при которых возможен ин­ тенсивный ледоход, может быть повреждена или даже разрушена плывущим льдом.

Велико значение гидрометрических сведений о режиме вод для развития сельского хозяйства, особенно при расчете обводнения и орошения засушливых земель.

§2. Краткие сведения о развитии гидрометрических работ

вСССР

Изучением рек и озер нашей Родины начали заниматься в глу­ бокой древности. К наиболее ранним гидрометрическим работам относятся наблюдения за уровнем воды, проводимые более двух тысяч лет назад на реках Средней Азии — Зеравшане, Амударье

иМургабе. Эти наблюдения были необходимы для орошения по­ севных площадей и носили периодический характер.

На реках Европейской территории СССР первые наблюдения за колебанием уровня воды стали проводиться в начале XII века. Подтверждением этого могут служить Борисовы камни с метками

инадписями, установленные по указанию князя Бориса Всеславича на реке Западной Двине для обеспечения безопасности пла­

вания. Береговые знаки в виде каменных крестов с надписями о местоположении мелей и перекатов были обнаружены на бере­ гах Волги, Волхова и других рек.

Значительное количество сведений о реках и озерах содержится в «Книге Большому Чертежу», составленной в период царствова­ ния Ивана Грозного и являющейся приложением к карте Москов­ ского государства, известной под названием «Большой Чертеж».

Наиболее обширные и систематические исследования водных объектов с применением инженерных методов были проведены при Петре I в связи с освоением водных путей и строительством судоходных каналов. Для соединения верховьев главнейших рек

5

впервые были проведены инженерные изыскания на водоразделах между Волгой и Доном, Окой и Доном, Москвой-рекой и Верхней Волгой.

В 1700 г. на Волге в месте, где ныне расположен г. Камышин, впервые в России был измерен расход воды, а в 1715 г. по указа­ нию Петра I на реке Неве у Петропавловской крепости был уста­ новлен первый водомерный пост.

До 70-х годов XIX века реки изучались в основном с целью ис­ пользования их для судоходства. Технический уровень исследова­ ний в то время был невысоким: сеть водомерных постов отсутство­ вала, съемочные работы велись элементарным способом без при­ вязки к уровню моря.

Период с 70-х годов XIX века до Великой Октябрьской соци­ алистической революции характеризуется' широким развитием ис­ следований рек и озер, организацией постоянно действующей сети гидрологических станций н постов, выполнением первых научных обобщений материалов наблюдений за гидрологическим режимом рек.

Важным этапом в развитии гидрометрических работ явилось образование в системе министерства путей сообщения навигаци- онно-описной комиссии, положившей начало планомерному изуче­ нию рек России. Многолетние исследования этой комиссии (1874— 1894 гг.), продолженные затем Главным управлением водных пу­ тей министерства путей сообщения, были весьма плодотворными.

Изучение гидрологического режима проводилось на всех боль­

считывалось 443, а в 1917 г. — 845. С 1880 г. начались системати­ ческие измерения расходов воды на Волге, Каме, Днепре и Север­ ной Двине.

Результаты работ навигационно-описной комиссии были изданы в виде атласов и альбомов, в них также помещались данные об измеренных расходах воды и скоростях течения по наиболее круп­ ным рекам страны. С 1881 г. результаты наблюдений на сети во­ домерных постов стали регулярно публиковаться в «Сведениях об уровне воды на внутренних водных путях».

Одновременно с исследованиями крупных рек для нужд транс­ порта, проводившимися министерством путей сообщения, гидро­ логические исследования водных объектов велись министерством земледелия в целях орошения засушливых районов и осушения заболоченных земель. Наиболее значительные работы были про­ ведены экспедицией по осушению болот Полесья в 1873—1898 гг. и экспедицией по орошению земель на юге России в 1880—1891 гг. В этих исследованиях серьезное внимание уделялось вопросам изу­ чения стока и химического состава воды малых рек.

С 1909 г. в связи с расширением орошения засушливых земель начали проводиться стационарные наблюдения за гидрологическим режимом рек и озер. Для выполнения этих работ отделом земель­ ных улучшений Главного управления земледелия и землеустрой­

6

ства были созданы гидрометрические части в Туркестане и на Кав­ казе (1910 г.), а затем в Европейской России (1913 г.)- Гидромет­ рические части организовали более 600 постоянно действующих гидрологических станции и постов, из них на Кавказе — 10 станций и 100 постов, в Туркестане— 14 станций и 114 постов. На стан­ циях и постах систематически велись наблюдения за уровнем и температурой воды, измерялись расходы воды и наносов, опреде­ лялся химический состав воды.

Наиболее быстрое и широкое развитие получили гидрометри­ ческие работы после Великой Октябрьской социалистической рево­ люции, когда воды и недра земли стали народным достоянием. Было положено начало планомерному углубленному изучению водных ресурсов страны. В первые годы существования Советского государства в связи с общим упадком народного хозяйства, вы­ званным первой мировой и гражданской войнами, сеть гидроло­ гических станций и постов значительно сократилась. Так, напри­ мер, в Средней Азии в 1921—1922 гг. сеть почти перестала суще­ ствовать, а на Кавказе к 1923 г. действовало лишь 10 водомерных постов.

Восстановление народного хозяйства вызвало необходимость быстрого возрождения стационарных гидрометрических наблюде­ ний. Огромное значение для развития сети гидрологических стан­ ций и постов имело претворение в жизнь плана электрификации России, разработанного в 1920 г. под руководством В. И. Ленина. Предусмотренное этим планом комплексное использование водных ресурсов страны потребовало всестороннего изучения гидрологи­ ческого режима водных объектов.

Для методического и научного руководства всеми работами по изучению водных объектов страны в 1919 г. в Ленинграде был уч­ режден Российский гидрологический институт, ныне Государствен­ ный ордена Трудового Красного Знамени гидрологический инсти­ тут (ГГИ), являющийся в настоящее время центральным научноисследовательским гидрологическим учреждением в СССР.

До 1929 г. гидрометрические работы проводились многими ве­ домствами; станции и водомерные посты открывались различными организациями без определенной системы, дублировали друг друга и закрывались, когда данная организация прекращала свои иссле­ дования. В таких условиях трудно было установить единую про­ грамму наблюдений, а это делало невозможным планомерное изу­ чение рек, озер и водохранилищ.

Для устранения этого в 1929 г. Совет Народных Комиссаров

СССР принял постановление о создании Гидрометеорологического комитета, преобразованного в 1933 г. в Центральное управление

при СНК СССР. Создание Гидрометеорологической службы при­ вело к упорядочению и дальнейшему развитию гидрологической сети станций и постов, способствовало улучшению качества и рас­ ширению программы гидрометрических работ.

7

Специалистами Гидрометслужбы в предвоенные годы (1931 — 1940) была проделана большая и очень важная работа по состав­ лению Водного кадастра СССР (систематизированный свод гид­ рологических сведений о водных ресурсах страны), куда вошли сведения о водных объектах с начала их исследований по 1935 г.

К 50-летию Великой Октябрьской социалистической революции под методическим руководством ГГИ было завершено новое изда­ ние Водного кадастра СССР (серия справочников «Ресурсы по­ верхностных вод СССР»). В его изданиях приведены результаты гидрологических наблюдений на реках и водоемах Советского Союза с начала их организации по 1963 г.

Помимо Водного кадастра, материалы гидрологических наблю­ дений ежегодно публикуются в гидрологических ежегодниках, из­ даваемых управлениями Гидрометслужбы.' Эти труды очень нужны проектным и водохозяйственным организациям.

Весьма значительные работы проделаны Государственным гид­ рологическим институтом в послевоенные годы по совершенствова­ нию методики и техники выполнения гидрометрических измерений, научному анализу и обобщению материалов наблюдений. В резуль­ тате были разработаны научные основы рационального размеще­ ния сети станций и постов по территории СССР, составлены на­ ставления и руководства, определяющие методику выполнения гидрометрических работ и обработки материалов наблюдений, со­ зданы методы экспериментальных исследований водного баланса и организованы соответствующие полевые базы, разработаны ме­ тоды учета стока воды через сооружения гидроэлектростанций.

В настоящее время наблюдения ведутся над всеми основными элементами гидрологического режима. Сеть гидрологических стан­ ций и постов значительно увеличилась и распределена по водным

Интенсивное развитие народного хозяйства определило необхо­ димость дальнейшего расширения работ по изучению гидрометео­ рологического режима, улучшению качества информации и прогно­ зов погоды и гидрологических явлений. Для успешного решения поставленных задач Главным управлением гидрометеорологиче­ ской службы СССР разработаны и претворяются в жизнь меро­ приятия, предусматривающие автоматизацию всех процессов (на­ блюдения, обработка, передача информации, систематизация и хранение материалов) и более широкое внедрение методов наблю­ дений, основанных на использовании авиации. Наблюдательная

8

сеть станций и постов оснащается автоматической и полуавтомати­ ческой аппаратурой и телеизмерительными установками. Для ана­ лиза и обработки материалов наблюдений используются элект­ ронно-вычислительные, счетно-аналитические и множительные ма­ шины.

В последнее время ряд гидрометрических работ на крупных водных объектах выполняется с самолета: авиационная разведка ледовой обстановки, измерение скоростей течения с помощью аэрофотосъемки, определение температуры поверхности воды боль­ ших водоемов с использованием самолетных радиационных термо­ метров.

§ 3. Основные принципы организации гидрометеорологической сети и ее классификация

Общее руководство всеми гидрометеорологическими наблюде­ ниями и работами на территории Советского Союза осуществля­ ется Главным управлением гидрометеорологической службы (ГУГМС). Основными задачами службы являются: 1) изучение гидрометеорологического режима территории СССР, морей и океа­ нов; 2) обеспечение народного хозяйства сведениями о климате и гидрометеорологическом режиме; 3) информация о текущем со­ стоянии погоды и гидрологического режима; 4) составление про­ гнозов погоды и гидрологических явлений; 5) разработка и внед­ рение методов активного воздействия на погоду, климат и гидро­ логические явления.

Вкаждой союзной республике созданы территориальные уп­ равления Гидрометслужбы (УГМС), которые руководят работой станций и постов, расположенных на обслуживаемой ими террито­ рии, составляют информацию и прогнозы для народнохозяйствен­ ных организаций, обрабатывают, анализируют и обобщают ре­ зультаты наблюдений.

Гидрологические и метеорологические элементы весьма измен-1 чивы не только по территории страны, но и во времени. Непре­ рывно изменяются высота уровня воды, скорости течения, темпе­ ратура воздуха, количество выпадающих осадков и пр. Для получения надежных данных о гидрометеорологическом режиме требуются многолетние непрерывные наблюдения за различными гидрометеорологическими элементами. С этой целью на территории Советского Союза организована государственная гидрометеоролог гическая сеть станций и постов.

Всостав государственной гидрометеорологической сети входит гидрологическая сеть, состоящая из гидрологических станций и постов. Гидрологический пост является низовой ячейкой, где про­ изводятся наблюдения за элементами водного режима. Работой постов руководят гидрологические станции, являющиеся основ­ ными производственными органами Гидрометеорологической службы. К каждой из них прикрепляется обычно 12—15 постов.

9