Тема 2. Гидрология рек. Река и речной бассейн.

Рекой называется естественный водоток, собирающий воду с части земной суши и переносящий её по своему руслу под действием силы тяжести. Всякий водоток имеет своё начало – исток и свой конец – устье, т.е. место впадения её в другую реку, озеро или море. Река может рождаться от выхода грунтовых вод (родников) или тающего ледника, вытекать из болота или озера. Положения истока и устья рек определяются географическими координатами (широтой и долготой).

Совокупность всех рек какой-либо территории, сливающихся вместе и выносящих воду в водоприемник, образует речную сеть или речную систему.

Речная сеть, как правило, имеет древовидную структуру. Реки, впадающие в океан, море или озеро называются главными. Притоки главной реки по отношению к ней являются притоками первого порядка. Притоки, впадающие в притоки первого порядка, являются притоками второго порядка и т.д.

Вода попадает в речную сеть с водосборной площади (водосбора, водосборного бассейна), ограниченной водораздельной линией. Таким образом, водосбором называется часть земной поверхности и толщи пород, откуда вода поступает в реки. При гидрологических расчетах используют, как правило, площадь поверхностного водосбора, которая может на 3…10% и более отличаться от подземного водосбора. Она обычно измеряется в км². Бассейн любого водного объекта характеризуется географическим положением, рельефом, климатическими, геологическими и гидрогеологическими условиями, степенью залесенности, озерности и заболоченности, морфометрическими параметрами. Последние характеризуют степень развития водораздельной линии, вытянутость водосбора и т.д.

Бассейн реки – часть суши, включающая данную речную сеть и ограниченная орографическим водоразделом. Бассейн территориально совпадает с поверхностным водосбором (за исключением бессточных областей).

Сток – процесс стекания воды с водосборов вместе с содержащимися в ней веществами.

Характеристики бассейна и реки.

В практических инженерных гидрологических расчетах используются эмпирические формулы с расчетными параметрами гидрографических и морфометрических, геологических, климатических показателей реки, речного бассейна.

1. Гидрографические характеристики в свою очередь определяется тремя показателями: длиной реки, коэффициентом извилистости реки и густотой речной сети.

Длина реки L - это расстояние от истока до её устья. Длина рек определяется по крупномасштабным картам циркулем или курвиметром в прямом и обратном направлении и вычисляется по формуле:

L = а_к ± (а¹ · ) ,

где а_к - средний отчет по шкале курвиметра, см;

а¹ - раствор циркуля в масштабе карты, мм;

- поправка на одно деление шкалы, которая прилагается в свидетельстве к прибору.

Коэффициент извилистости реки представляет собой отношение фактической длины реки L к длине по прямой, соединяющей исток и устье. Выделено 13 видов образцов извилистости рек.

Густота речной сети – это длина речной сети, приходящаяся на квадратный километр:

(км/км²);

Густота речной сети является показателем развития поверхностного стока территории.

2. Морфометрические характеристики реки и речного бассейна состоят из таких показателей как площадь водосбора, длина бассейна, средняя ширина бассейна, средняя высота речного бассейна, уклон реки, коэффициенты озерности, заболоченности, залесенности, живое сечение реки.

Площадь водосбора F (км²) – это часть земной поверхности, включая толщу почво-грунтов, откуда вода поступает к водному объекту. Измерение площадей водосборов выполняют по топографическим картам планиметром или наметкой, предварительно проводится линия водоразделов. Бассейн реки включает в себя поверхностный и подземный водосборы. Водораздельная линия проходит по наиболее высоким точкам и отделяет склоны, с которых вода скатывается в соседние реки. Формы речных бассейнов многообразны, но чаще имеют грушевидную форму.

Длина бассейна L (км) – расстояние по прямой от устья (замыкающего створа реки) до наиболее удаленной точки водораздельной линии.

Средняя ширина бассейна B_ср= (км).

Средняя высота речного бассейна H_ср. вычисляется по формулам:

,

где f_n - частные площади водосбора, заключенные между горизонталями;

h_n - средние высоты между горизонталями;

F - общая площадь водосбора.

Среднюю высоту бассейна можно определить по гипсографической кривой, которая характеризует нарастание площади водосбора по высотным зонам.

H_м

 Истока



 Устья



F, км²

или

Уклон реки i - это отношения падения уровней воды на расстояние между переломными точками, или разница между отметками высот истока и устья реки. Уклон реки вычисляется по формуле: i =

Коэффициент озерности: .

Коэффициент заболоченности: .

Коэффициент залесенности: = .

Речная долина - это ложбинообразное углубление в земной коре, состоящее из склонов, бровки, дна, русла, поймы.

Живое сечение русла реки плюс площадь мертвого пространства дает полную площадь водного сечения реки. Живое сечение реки характеризуется его площадью, шириной, средней глубиной, смоченным периметром и гидравлическим радиусом.

Площадь живого сечения реки вычисляется при данном уровне воды, как сумма площадей трапеций и треугольников (у урезов) по формуле:

(м²).

Ширина сечения В определяется расстоянием между урезами воды по поперечному профилю русла.

Средняя глубина потока равна частному от деления площади главного сечения на ширину: (м).

Смоченный периметр P – длина линии дна между урезами берегов по профилю:

.

Гидравлический радиус – частное от деления площади водного сечения  на смоченный периметр P. Он близок к средней глубине потока.

3. Геологические характеристики водосборного бассейна – т.е. состав горных пород, формы залегания, наличие карстов и т.д., оказывают существенное влияние на режим речного стока.

4. К климатическим характеристикам речного бассейна в первую очередь относится географическое положение бассейна (Заполярье или тропики), гидрографическое положение (горы, степь) вертикальная зональность, экспозиция склонов и положение бассейна к основному фронту движения воздушных масс (см. Приложение 13). От выше перечисленных факторов зависит количественное значение метеорологических элементов:

• температура и влажность воздуха;

• атмосферные осадки, испарения с водной поверхности, испарения с суши, трансформация растительности, характер подстилающей поверхности.

Существует пять способов расчета основных метеорологических элементов - X, E, t ⁰C.

1. Измерение среднего слоя осадков на водосборе

среднеарифметический (мм);

2. Способ изогиет – строятся линии равных количеств осадков:

(мм);

где х_1, х₂, x_n – полусуммы количества осадков соседних изогиет;

f₁, f_n – частные площади, заключенные между изогиетами.

3. Испарения с поверхности речного бассейна состоят из испарения с водной поверхности, испарения с суши и транспирации. Расчеты выполняются по нормативным документам.

4. При наличии наблюдений расчет количества испарений с водоемов выполняется по формуле:

E₀=0,14_n(e₀ – e₂₀₀)(1+0,72И₂₀₀) (мм);

где e₀ – среднее значение упругости водяного пара, вычисленное по температуре поверхности водоема;

e₂₀₀ – средняя упругость водяного пара (абсолютная влажность воздуха) на высоте 200 см. над поверхностью водоема;

И₂₀₀ – средняя скорость ветра на высоте 200 см над водоемом;

n – число суток в расчетном интервале времени.

5. Средняя температура воздуха рассчитывается по формуле:

В «Рекомендациях по расчету испарения с поверхности суши, Л.: Гидрометиздат, 1976г.» подробно излагаются методики расчетов, приведены графики расчета испарения от средней температуры воздуха и по различным периодам года.

Количественными характеристиками стока являются:

1. Расход Q м³/сек; сток в ед. времени – сток в секунду; сток средний за сутки, декаду, месяц, год, и за несколько лет.

2. Норма стока м³/сек - средняя арифметическая величина стока из средних годовых расходов на ряд лет (n).

3. Модуль стока М есть частное от деления расхода воды Q м³/сек за какой либо период наблюдений на площадь бассейна F км²

(л/сек с 1 км²)

1000 вводится для перевода м³ в литры. Модуль стока дает представление о водности данной реки в сравнении с водностью других рек.

4. Объем стока W м³ или км³. Объем среднего многолетнего стока вычисляется по формуле:

а) через расход W₀=Q₀ 31,536 10⁶ (м³/год);

где 31,536 10⁶ = число секунд в году (86400 365)

б) через модуль =M₀F 31,536 10³ (м³/год)

в) через слой стока W₀ = h₀F10³ (м³/год)

5. Слой стока - высота слоя воды в мм, которая получится при распределении среднего многолетнего объема стока по площади бассейна:

(мм/год)

через модуль стока:

(мм)

6. Модульный коэффициент K – отвлеченное число, представляющее собой отношение значения стока за какой либо период времени к норме стока:

7. Коэффициент стока  представляет собой отвлеченную величину, выражающую отношение слоя стока h к слою осадков Х за этот же период, т.е.

где  - показывает, какая доля осадков стекает с бассейна.