Тема 3. Речной сток и его характеристики.

Уровни воды. Расходы воды. Гидрография стока.

Вращение Земли и движение её вокруг Солнца порождают цикличную неравномерность распределения речного стока внутри года. Формирование речного стока представляет собой хорошо выраженное многофакторное природное явление: уровни, расходы, метеорологический режим. Для изучения данных явлений проводятся систематические наблюдения, затем материалы наблюдений анализируются и используются в инженерных гидрологических расчетах.

Уровень воды – высота поверхности воды относительно некоторой поверхности сравнения (в Балтийской системе высот).

Уровень воды в реке изучают с помощью водомерных постов или дистанционных приборов согласно «Методик» и гидрологических «Наставлений». Уровневый режим имеет значительные колебания в течение года, сезонов и даже суток.

Причины колебаний уровней воды в реках:

а). Изменение речного стока;

б). Ветер (сгонные и нагонные явления);

в). Приливно-отливные явления в устьях рек, впадающих в моря;

г). Заторы и зажоры при ледоходе

- затор – остановка плывущих льдин препятствием (берег при крутом повороте русла, опоры моста и пр.). Льдины нагромождаются, «затаскиваются» течением под поверхностный лед, преграждают путь воде. Уровень выше затора резко повышается, ниже, соответственно, - понижается.

- зажор – при осеннем ледоходе, при низких температурах воды в потоке образуется внутриводный лед (шуга, сало), скапливается, уменьшает сечение потока – далее механизм как при заторе.

д). подпоры сливающихся рек при паводках;

е). подпоры воды в устьях притоков (при половодье);

ж). Русловые деформации (повышение или понижение дна русла при размыве или отложении наносов);

з). Зарастание русел водной растительностью (механизм как у заторов);

и). искусственные сооружения, нарушающие режим уровней (плотины, мосты, водозаборы и т.д.).

С изменением уровней воды изменяется и расход воды. Расходом потока называется количество воды, протекающее в единицу времени через данное живое сечение. Зависимость расхода от уровней воды выражаются функцией:

Q = f(H); W = f(H); = f(H).

Эта функция, вычерченная в графической форме по натуральным определениям расходов, позволяет снимать значения расходов воды не производя в дальнейшем их непосредственное измерение. На комплексных графиках колебания уровней воды (суточные, среднемесячные, среднегодовые и т.д.) помещаются дополнительно данные о температуре воздуха, твердых и жидких осадках, ледовых явлениях, температуре воды.

Наблюдения над уровнями воды, или водомерные наблюдения, ведутся ежедневно в специальных пунктах, которые называются гидрологическими постами. Они заключаются в периодической или непрерывной фиксации высоты уровня в определенных пунктах водного объекта. Уровни, наблюдаемые на гидрологическом посту, выражаются в превышениях над особой плоскостью сравнения, которая называется нулем графика поста. Каждый пост имеет свой нуль графика. Высота уровня над нулем графика обозначается буквой Н. Гидрологические посты оборудуются двумя реперами – основным и контрольным. Реперы являются геодезическими пунктами высотного обоснования, привязанными к государственной высотной сети. Обычно для каждого репера определяется превышение над уровнем моря – над нулем Кронштадского футштока. Реперы, устанавливаемые на гидрологическом посту, закрепляют высоту нуля графика в виде величины превышения репера над плоскостью нуля графика.

В зависимости от водного объекта, на котором оборудован гидрологический пост, последний носит название речной или озерный. Если на речном посту одновременно с уровнями измеряются расходы воды, то такой пост является расходным. Все остальные посты называются уровенными.

По целевому назначению посты подразделяют на опорные и специальные. Опорные посты предназначены для получения характеристик водного объекта в течение длительного времени для обеспечения потребностей различных отраслей народного хозяйства. Они действуют длительное время (постоянно) и находятся в ведении Роскомгидромета – Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Специальные посты организуются различными ведомствами для решения практических задач и действуют обычно непродолжительное время.

По конструкции водомерных устройств посты делятся на реечные, свайные, смешанные, автоматические и передвижные.

Реечный пост представляет собой деревянную или металлическую рейку с делениями, прикрепленную в вертикальном или наклонном положении на откосе гидротехнического сооружения, устое моста, сваях или набережной. Водомерные рейки устанавливают таким образом, чтобы нулевое деление было погружено в воду на 0.5м ниже самого низкого уровня воды, наблюдаемого в течение года, а верхнее деление было поднято на 0.5м выше максимального уровня воды (рис. 3.1).

Реечные посты устраивают на реках, каналах и озерах с незначительной амплитудой колебания уровней. При выборе места установки реечного поста должна быть предусмотрена защита рейки от повреждения ледоходом и от навала судов. Обычно водомерные рейки прикрепляются с низовой по течению стороны стенки.

Рис. 3.1. Реечный гидрологический пост:

1 – водомерная рейка; 2 – береговой устой моста;

Н₀– отметка нуля графика поста

Свайный пост представляет собой систему свай, забитых в русло реки в створе, перпендикулярном направлению течения (рис. 3.2). Опорные постоянные свайные посты оборудуют стандартными металлическими сваями с винтовой нарезкой. Для специальных временных постов обычно применяют деревянные сваи диаметром 20-25см, в голову которых после установки забивают барочный гвоздь с широкой шляпкой или костыль. Длина свай составляет около 1.5м. Высота головок свай над поверхностью земли принимается равной 0.1-0.25 м. Нумеруются сваи по порядку, сверху вниз.

Количество свай для устройства поста зависит от угла наклона берегового откоса и амплитуды колебания уровней воды. Расстояние между соседними сваями принимают в пределах от 2 до 5м, а разность высот головок двух смежных свай –0.4-0.8м. Верхняя и нижняя сваи забиваются соответственно на 0.5м выше максимального и на 0.5м ниже минимального уровней воды.

Свайные посты используются на равнинных реках со значительной амплитудой колебания уровней воды. Высоту уровня воды в реке на свайном посту измеряют с помощью переносной водомерной рейки. При производстве наблюдений водомерную рейку устанавливают на головку ближайшей к берегу затопленной сваи и по ней производят отсчет уровня.

Рис. 3.2. Свайный гидрологический пост:

1 – контрольный репер гидрологического поста; №1-№7 – сваи; 2 – переносная водомерная рейка; Н₁ – превышение репера над нулем наблюдения; Н₂– приводка сваи №4 – превышение нуля наблюдения над нулем графика поста; Н₃– отсчет – превышение рабочего уровня над нулем наблюдения;

Н₀– отметка нуля графика поста

Смешанный пост представляет собой сочетание реечного и свайного постов. Он устанавливается в створе реки с резким переломом поперечного профиля. Наблюдения по рейке ведут в обрывистой части берега, а по сваям – в пологой.

Автоматический пост применяют в тех случаях, когда в течение суток наблюдаются значительные изменения уровня воды. Основной частью автоматического поста является самописец – прибор для непрерывной записи колебания уровня. Различают два вида устройства такого поста: береговую (рис. 3.3, а) и островную (рис. 3.3, б) установки. Островная установка самописца имеет простую конструкцию и более экономична.

Колебания уровня передаются на самописец посредством уравновешенного поплавка, плавающего на поверхности воды. Запись колебания уровня производится на ленту барабана самописца в виде непрерывной кривой изменения уровня воды во времени.

Рис. 3.3. Автоматический береговой (а) и островной (б) гидрологические посты:

1 – самописец; 2 – трос с поплавками и противовесом;3 – соединительная труба;

4 – мостик; 5 – сваи

С целью проверки правильности работы автоматического самописца поблизости устраивают контрольный пост (реечный или свайный). Наблюдения по этому посту эпизодически наносят на ленту самописца в виде контрольных засечек.

Передвижной (баржевый) пост организуется для наблюдения за уровнями воды непосредственно в районе изыскательских работ. Он относится к разряду специальных постов и устанавливается примерно посредине участка, на котором выполняются исследования. Такой пост состоит из рейки или из сваи, забиваемой в дно у берега. При изменении стоянки партии пост устраивается на новом месте. Первое наблюдение на новом посту производится одновременно с последним наблюдением на старом посту.

Наблюдения за колебаниями уровней воды на гидрологических постах производят, как правило, дважды в сутки – в 08 и 20час по местному времени. При устойчивых уровнях ограничиваются наблюдением один раз в сутки в 08 час утра. В том случае, если уровни в течение суток изменяются значительно, наблюдения производят чаще, 4-8 раз в сутки. Высота уровня измеряется с точностью до 1см. Для того, чтобы наблюдения за отдельные годы были сопоставимы между собой, показания высоты уровня приводят к нулю графика поста, имеющему постоянную отметку.

На гидрологических постах кроме водомерных наблюдений производят измерения температур воды и воздуха, толщины льда и снега, наблюдения за ветром, волнением, осадками, вскрытием и замерзанием реки.

Внутригодовое распределение речного стока. Виды гидрографов.

Годовой цикл водного режима рек можно подразделить на несколько характерных периодов, называемых фазами водного режима. Характерные особенности этих фаз и их продолжительность определяются условиями питания, изменением этих условий в течение года, что в свою очередь зависит от климата речных бассейнов. Число фаз может быть неодинаковым для различных рек и колеблется от четырех до двух.

На одних реках, как, например, в равнинной части нашей страны, наблюдаются четыре фазы: весеннее половодье, летняя межень, осенние паводки, зимняя межень. На других (крайний юг Русской равнины) фаза осенних дождевых паводков отсутствует; на реках с длительным летним половодьем не бывает летней межени.

Половодье — фаза водного режима, характеризующаяся ежегодно повторяющимся в один и тот же сезон длительным и значительным увеличением водности реки, вызывающим подъем ее уровня. Во время половодья воды реки обычно затопляют пойму. Значительные подъемы уровня приводят иногда к катастрофическим наводнениям.

Дождевыми паводками называются относительно кратковременные и быстрые подъемы уровней и увеличение расходов воды под влиянием выпадающих в речном бассейне дождей и столь же быстрый спад их. Относительная кратковременность прохождения паводков, малые объемы стока по сравнению с половодьем и различное время прохождения их в течение года на одной и той же реке и составляют отличие паводков от половодий.

Межень — фаза водного режима, характеризующаяся малой водностью относительно периода половодья или фазы паводков. Причина малой водности — резкое снижение поступления воды с водосборной площади реки.

Межень, нарушаемая дождевыми паводками, неустойчивая, прерывистая. Периоды малой водности между паводками короткие, иногда длятся несколько дней. Неустойчивая летняя межень характерна для рек севера и северо-запада Русской равнины и Восточной Сибири.

Зимняя межень на реках континентального климата совпадает обычно с периодом ледостава. Исключение составляют горные реки, где отсутствие ледостава обусловливается большими скоростями течения. В период зимней межени реки питаются грунтовыми водами, частично (реки северо-запада и юга Русской равнины) снеговыми водами во время зимних оттепелей. Расходы воды от начала замерзания рек постепенно снижаются, достигая минимума перед вскрытием. В районах с суровым климатом, особенно в зоне многолетней мерзлоты, многие реки перемерзают, что является следствием не только прекращения стока подземных вод в русло рек, но и затрат воды на ледообразование.

Для характеристики водного режима реки в определенном пункте строят график колебания ежедневных расходов воды, называемый гидрографом. В проектной практике обычно строят совмещенные гидрографы за многоводный, средневодный и маловодный годы.

Площадь, ограниченная линией гидрографа и осью абсцисс выражает собой объем воды, прошедший через данное живое сечение реки в течение определенного периода (суток, декады, месяца, года). Этот объем воды называют стоком воды за рассматриваемый период.

Для использования гидрографов в различных целях за начало года при построении гидрографа может быть принят любой день в зависимости от целей. К примеру, в гидрологии СССР гидрологический год начинается с 1 ноября или 1 октября, в зависимости от региона, а в водохозяйственных организациях год начинается с начала или конца половодья, а в отчетах и справочных материалах принимается обычное календарное начало года, т.е. 1 января.

Типовой гидрограф (за ряд лет) дает представление о смене фаз водного режима в течении года, колебаний расходов воды и других элементов, но за счет осреднения величин расходов и осреднения дат наступления переломных точек (наступлений max, min, дат начала и конца половодья). Характерные точки перелома гидрографов не всегда ясно выражены и особенно для рек дождевого питания. Поэтому, для работы по расчленению гидрографа, берутся конкретные годы с реальными характерными гидрографами. Расчленение гидрографа дает количественную оценку доли различных источников питания: снеговое, дождевое, грунтовое, ледниковое, смешанные виды питания.

Построение схематического типового гидрографа

Гидрограф реки третьего типа питания

1 - грунтовое питание; 2 - снеговое питание; 3 - дождевое питание

Гидрограф реки второго и третьего типов питания

1- грунтовое питания; 2 - снеговое питание; 3- дождевое питание;

4 - ледниковое и высокогорное питание.

1.Часто выделение грунтового стока производится прямой линией или плавной кривой, проходящей через ординату последнего зимнего расхода и через ординаты начала летней межени.

2.Выделение снегового питания соответствующее весеннему половодью характерно пиковое и отсекается плавной кривой.

3.Выделение летних дождевых паводков осуществляется путем пересечения ветви подъема и спада паводков с линией, отделяющей подземный сток от поверхностного.

Схемы расчленения гидрографа кроме климатических факторов зависят от гидрогеологических условий. Их более десяти по Б.И. Куделину. Все реки территории бывшего Советского Союза Б.Д.Зайков разделил на 10 типов, относя каждый из них к определенной географической зоне (см. «Никитин. Основы инженерной гидрологии рек»).

Типы гидрографов:

1.Казахстанский тип - отличающийся резкой и высокой волной весеннего половодья.

Гидрограф рек Казахстанского типа

2.Восточно-Европейский тип - весенний пик + осенний высокий сток.

Гидрограф рек Восточно-Европейского типа

3.Западно-Сибирский тип - половодье более растянутое и сглаженное.

4.Восточно-Сибирский тип - высокое половодье и многочисленные пики летних и осенних дождевых паводков.

Гидрограф рек Восточно-Сибирского типа

5.Алтайский тип – гребенчатый высокий пик половодья, повышение стока летом и осенью, низкий зимний сток.

Гидрограф реки Алтайского типа

6.Дальневосточный тип – сильно растянутое, гребенчатого вида половодье и низкий сток в холодное время.

Гидрограф реки Дальневосточного типа

7.Тянь-Шанский тип – сходное с Дальневосточным типом, но и обилием второстепенных налагающихся волн.

8.Причерноморский тип – многочисленные паводки в течении всего года.

Гидрограф реки Причерноморского типа

9.Крымский тип – близок к Причерноморскому, но имеющий устойчивый или летне-осенний режим.

10.Северо-Кавказский тип – многопаводочный режим в течении всего теплого периода и устойчивая метель в холодное время.

Метод модульных коэффициентов.

В настоящее время ещё не предложено математического решения, пригодного для практического применения в построении прогностического гидрографа и определения повторяемости (вероятности) появления различных форм гидрографа. Поэтому, учитывая значительную вероятностную рассеянность в видах гидрографов, лучшей характеристикой внутригодового распределения стока характерного гидрографа выбран метод модульных коэффициентов.

При представлении всех сопоставляемых гидрографов в модульных коэффициентах различие в абсолютной величине стока исследуемых рек теряет значение и все гидрографы могут быть объединены в один ряд, при этом обязательно выполняется требование сходства физико-географических условий исследуемых бассейнов, особенно в малоизученных регионах.

Районирование характеристик внутригодового распределения речного стока.

На основании разделения территории страны по увязанным физико-географическим общностям и построения объединенных гидрографов нескольких рек в одном ряде – мы получаем характеристику внутригодового распределения стока не одной реки, а группы рек региона.

Через модульные коэффициенты расходов объединенного гидрографа строится график внутригодового распределения стока рек отдельных районов территории страны:

. Затем строятся графики распределения стока рек:

Графическое изображение изменяемости гидрологических характеристик стока представляется в виде карты изолиний.

Номо-закон; т.е. карты с линиями одинаковых характеристиками стока по всей территории.

Классификация по источникам питания и сезонный сток рек.

На основании детального анализа частных гидрографов стока рек территории СССР, климатических зон, физико-географических и геологических особенностей, вертикальной зональности Львович М.И предложил «Схему классификации рек СССР по источникам питания», где выделено 8 основных регионов, каждый из которых состоит из подвидов. По сезонам Львович М.И предложил следующую схему:

• весна (III – V);

• лето (VI – VIII);

• осень (IX – XI);

• зима (XII – II).

В «Карте-схеме классификации рек СССР по сезонному распределению стока» М.И. Львовича выделено шесть районов.

Учитывая относительность данных классификаций в практике пользуются СН 435-72: Указаниямя по определению расчетных гидрологических характеристик, «Руководством по определению расчетных характеристик, Л.: Гидрометиздат, 1973» и т.д.

Одновременно с предыдущими схемами в ГГИ построены карты изолиний коэффициента вариации слоя весеннего половодья, карты летне-осеннего и зимнего стока. Более детальные карты гидрологических расчетных характеристик по районам СССР приводятся в справочнике «Ресурсы поверхностных вод СССР. Л.: Гидрометиздат, 1969».

В целом за основу разграничения по сезонам взято процентное отношение стока сезона к годовому стоку, таким образом:

На реках с преобладающим весенним половодьем сток составляет 50-75% от годового, т.е. снеговое питание. Объем притока воды весеннего половодья вычисляется по формуле:

W_p = 10³h_pF;

где h_p – слой стока в мм;

F – площадь водосбора, км²;

p – вероятность превышения (обеспеченность) расчетной характеристики, %.

Реки с весенним половодьем и летними паводками (снеговое и дождевое питание), где сумма стока за весну и лето в % отношении почти равны и в сумме составляют 60-65% от годового стока.

Реки с летними паводками, где сток летнего периода равен 60-70% от годового.

Реки с паводочным режимом (дождевое питание), где распределение стока по сезонам почти равное.

Таким образом, задача выделения сезонного стока при проектировании очень сложна и поэтому к каждому району, каждому бассейну необходим индивидуальный подход и анализ гидрографов за те годы, в течение которых велись наблюдения в конкретном створе или в створах-аналогах.