6. Расположение промерных сечений и вертикалей. Изобаты.

7. Измерение поверхностных скоростей потока поплавками.

В качестве поплав­ков обычно используют деревянные кружки высотой 5... 6 см, отпиленные от тонкого бревна. Гидроствор при этом способе из­мерения скорости состоит из четырех створов (рис. 18). В глав­ном створе 3 снимают поперечный профиль, а также фиксируют места прохождения поплавков по натянутому и размеченному тросу или засечками, как это пояснялось ранее. Вспомогательные створы 2 к 4 предназначаются для определения времени прохож­дения между ними поплавков; расстояние между створами дол­жно быть таким, чтобы поплавок проходил его не быстрее, чем за 20 с. Пусковой створ 1 — место сброса на воду поплавков — располагают от верхнего вспомогательного створа на расстоянии 5... 10 м. Все створы закрепляют на берегах вехами. Расстояние между вспомогательными створами Lтщательно измеряют.

Для установления распределения скоростей поплавки пускают таким образом, чтобы они пересекали главный створ в 3... 8 точ­ках по ширине реки. Поплавки пускают так, чтобы примерно через одну и ту же точку главного створа прошло по 2... 4 поплавка. Следовательно, при измерении скоростей пускают от 2 до 8 групп поплавков по 2... 4 поплавка в каждой.

Наблюдатель с рабочими фиксирует секундомером время про­хождения каждого поплавка t между вспомогательными створами

и расстояние от постоянного начала до точки пересечения по­плавком главного створа.

Для каждой группы поплавков определяют величиныи

 (поплавки, имевшие задержки в пути, не учитываются). Средние координаты прохождения групп поплавковнаносят

на поперечный профиль, а границы отсеков устанавливают посе­редине между ними.

Затем определяют среднюю поверхностную скорость течения.

8. Скоростные вертикали.

9. Точечный метод измерения скоростей на скоростной вертикали.

10. Вычисление средних скоростей на скоростных вертикалях. Изотахи.

Изотахи - изолинии одинаковых скоростей (ветра, течения воды и т.п.) на картах.

11. Мутность воды. Приборы и способы её измерения.

Мутность воды. Определение мутности воды.

Мутность воды - результат взаимодействия между светом и взвешенными в воде частицами. Проходящий через абсолютно чистую жидкость луч света остается практически неизменным, хотя, даже в абсолютно чистой воде, молекулы вызывают рассеяние света на некоторый, хоть и очень малый, угол. В результате, ни один раствор не обладает нулевой мутностью. Если в образце присутствуют взвешенные твердые частицы, то результат взаимодействия образца с проходящим светом зависит от размера, формы и состава частиц, а также от длины волны (цвета) падающего света. Определение мутности важно, поскольку мутность - это простой и неопровержимый показатель изменения качества воды. Внезапное изменение мутности может указывать на дополнительный источник загрязнения (биологический, органический или неорганический) или сигнализировать о проблемах в процессе обработки воды.

Важным показателем качества воды, используемой практически для любой цели является наличие механических примесей - взвешенных веществ, твердых частиц ила, глины, водорослей и других микроорганизмов, и других мелких частиц. Допустимое количество взвешенных веществ колеблется в широких пределах, как и возможное их содержание. Взвешенные в воде твердые частицы нарушают прохождение света через образец воды и создают количественную характеристику воды, называемую мутностью. Мутность можно рассматривать как характеристику относительной прозрачности воды. Измерение мутности - это измерение величины рассеяния света на взвешенных частицах.

Мутность воды повышается при дождях, паводках, таянии ледников. Как правило, зимой уровень мутности в водоёмах наиболее низкий, наиболее высокий весной и во время летних дождей. Следует отметить, что на прозрачность воды влияет не только мутность, но и её цвет. В результате повышенной мутности ухудшается не только внешний вид воды, но и бактериологическая загрязненность, т.к. мутность защищает бактерии и микроорганизмы приультрафиолетовом обеззараживании воды или при любой другой процедуре дезинфекции.

Мутность воды определяют фотометрически (турбидиметрически - по ослаблению проходящего света или нефелометрически - по светорассеянию в отраженном свете), а также визуально - по степени мутности столба высотой 10-12 см в мутномерной пробирке. Результат измерений выражают в мг/дм3 при использовании основной стандартной суспензии каолина или в ЕМ/дм3 (единицы мутности на дм3) при использовании основной стандартной суспензии формазина. Последнюю единицу измерения называют также Единица Мутности по Формазину (ЕМФ) или в западной терминологии FTU (Formazine Turbidity Unit). 1FTU=1ЕМФ=1ЕМ/дм3.

В последнее время в качестве основной во всем мире утвердилась фотометрическая методика измерения мутности по формазину, что нашло свое отражение в стандарте ISO 7027. Согласно этому стандарту, единицей измерения мутности является FNU. Агентство по Охране Окружающей Среды США  и Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) используют единицу измерения мутности NTU.

Соотношение между основными единицами измерения мутности следующее:

                                                  1 FTU(ЕМФ)=1 FNU=1 NTU

ВОЗ по показаниям влияния на здоровье мутность не нормирует, однако с точки зрения внешнего вида рекомендует, чтобы мутность была не выше 5 NTU (нефелометрическая единица мутности), а для целей обеззараживания - не более 1 NTU.

Стандарт мутности

Стандарт мутности (син.: международный стандарт мутности, стеклянный стандарт мутности) утвержденный Всемирной организацией здравоохранения первичный эталон мутности для оптической стандартизации бактериальных взвесей, соответствующий мутности взвеси бактерий Борде - Жангу, содержащей 109 клеток в 1 мл, т.е. равный 10 единицам мутности; представляет собой взвесь частиц стекла пирекс.

Приборы для определения мутности:

Большинство современных мутномеров определяют рассеяние под углом 90°. Такие приборы называются нефелометрами или нефелометрическими турбидиметрами, чтобы показать их отличие от обычных турбидиметров, которые определяют соотношение между количеством прошедшего и поглощенного света. Благодаря своей чувствительности, точности и применимости в широком диапазоне размеров и концентраций частиц, нефелометр был признан в Стандартных методах как предпочтительный прибор для определения мутности воды.

Современные мутномеры должны определять мутность воды от предельно высоких до предельно низких значений в широком диапазоне образцов с частицами различного размера и состава. Возможность прибора определять мутность в широких пределах зависит от конструкции прибора. Три основных узла нефелометра (источник света, детектор рассеянного света и оптическая геометрия), различия в этих узлах влияют на определение мутности прибором. Большинство измерений проводятся в диапазоне 1NTU и ниже. Для этого требуется стабильная работа мутномера, малое количество постороннего света и отличная чувствительность.

В настоящее время в мутномерах применяются различные источники света, но самый распространенный - лампа накаливания. Такие лампы имеют широкий спектр, они просты, недороги и надежны. Свет от лампы количественно характеризуется цветовой температурой - температурой, которую должно иметь идеально черное тело, чтобы светиться таким же цветом. Цветовая температура белого каления и, следовательно, спектр свечения лампы зависят от приложенного к лампе напряжения.

12. Определение расходов взвешенных наносов.

Взвешенные наносы. Наносы во взвешенном состоянии перемещаются вследствие турбулентного характера движения воды. Частицы наносов, имеющие относительный вес, значительно превышающий вес воды, могут находиться во взвешенном состоянии только благодаря наличию вихревых токов, направленных вверх. Подъем частиц вверх возможен при условии, что вертикальная составляющая скорости движения воды больше гидравлической крупности частиц. В турбулентном потоке на выступах дна зарождаются вихри с горизонтальной осью вращения. Они срываются и поднимаются вверх, одновременно перемещаясь по течению. Такие поднимающиеся вихреобразования могут захватить со дна частицы наносов и перемещать их толщу потока.

На участках рек с большими скоростями течения - перекатах - часть наносов, перемещавшихся до этого по дну, переходят во взвешенное состояние. На участках, где скорости уменьшаются - плесах - происходит отложение (аккумуляция) более крупных частиц. Распределение взвешенных наносов в живом сечении потока неравномерное. Более насыщены наносами нижние слои, где преобладают более крупные частицы. Движение взвешенных наносов носит пульсирующий характер, соответствующий пульсации скорости течения воды.

Количество взвешенных наносов в реке зависит от скорости течения и, главным образом, от поступления наносов с водосборного бассейна. Взвешенные наносы составляют основную часть расхода наносов рек. На равнинных реках взвешенные наносы могут составлять до 90-95% всего количества наносов.

Измерение расхода и стока взвешенных наносов.

Количество наносов, проносимых через живое сечение потока в единицу времени, называют расходом наносов. Отношение расхода взвешенных наносов () к расходу воды () представляет среднюю мутности всего потока (), поэтому

Уравнение (3) основано на том, что частицы взвешенных наносов перемещаются с той же скоростью, что и вода. Различают местную мутность () и среднюю мутность на вертикали ().

Для учета взвешенных наносов берут пробы воды приборами, называемыми батометрами. Различают батометры мгновенного и длительного наполнения. Батометры мгновенного наполнения в сети Гидрометслужбы в настоящее время не применяются.

Батометры длительного наполнения при взятии пробы выдерживают в каждой точке в течение времени необходимого для наполнения прибора водой. Соответственно, батометры длительного наполнения в той или иной степени учитывают пульсацию мутности. В настоящее время применяют батометры длительного наполнения следующих типов: а) батометр-бутылка на штанге и в грузе; б) ваакумный батометр. В последние годы получает развитие фотометрический метод определения мутности.

Измерение расхода взвешенных наносов производится совместно с измерением расхода воды и поэтому включает в себя операции, необходимые для измерения расхода воды (измерение уровня воды и уклона водной поверхности, промеры глубины, измерение скоростей течения); дополнительно берут пробы воды на мутность.

Расходы взвешенных наносов в гидрометрических створах измеряют точечным, суммарным и интеграционным способами. Точечный способ заключается в том, что пробы воды берут в отдельных точках скоростных вертикалей; применяется в трех разновидностях: детальном, двухточечном и одноточечном. При детальном способе пробу воды берут в пяти точках на вертикали: у поверхности, на 0,2h, на 0,6h, на 0,8h и у дна. На вертикалях с малыми глубинами число точек сокращают: пробы берут в двух точках (0,2h, 0,8h) или в одной точке (0,6h).

Двухточечный способ применяют на больших и средних реках при небольшой мутности, в пределах 50-100 г/м3. Одноточечный способ применяют при такой же мутности, но на малых реках.

13. Гидравлическая крупность наносов.

Гидравли́ческая кру́пность — скорость падения частиц наносов в стоячей воде при 10 град. Цельсия. Имеет размерность скорости (например, см/с или м/с).Различают три вида осаждения, каждый из которых характеризуются своими зависимости гидравлической крупности от определяющих параметров: ламинарный, переходный, турбулентный.

Теоретически задача осаждения зёрен шарообразной формы была решена Дж. Г.Стоксом. В связи с большим разбросом параметров зёрен наносов (размер, форма, плотность, гидрофобность или гидрофильность), практикуются экспериментальные определения величины гидравлической крупности. Практически для расчёта величины гидравической крупности употребляют эмпирические зависимости (например, формула Гончарова-Караушева).

Гидравлическая крупность используется как одно из базисных понятий в теориях и рабочих гипотезах гравитационных процессов обогащения полезных ископаемых, в частности отсадки.

14. Донные наносы.

Донные наносы (влекомые наносы) — преимущественно наиболее крупные (тяжелые) частицы (называемые седименты), перемещаемые потоком в придонном слое путём влечения или перекатывания, или чаще путём перебрасывания на относительно короткие расстояния (сальтация). В некоторых случаях эти наносы могут выбрасываться восходящими вихревыми токами на большую высоту, даже достигать поверхности потока. Выделение донных наносов из общей массы транспортируемых потоком наносов является в некоторой мере условным, ибо с изменением гидравлических характеристик потока (глубины, скорости течения, уклонов и пр.) непрерывно происходит переход некоторой части донных наносов во взвешенные и обратно. Значительная часть зерен донных наносов в период прекращения движения входит в состав донных отложений и участвует в образовании русловых аккумулятивных форм — донных гряд, рифелей, кос, побочней и т. д., которые при не меняющемся гидрологическом режиме продолжают оставаться в активном состоянии, то есть обладают способностью перемещаться вверх и вниз по руслу в зависимости от генезиса русловой формы рельефа, строения русла в конкретных створах и вариаций гидравлических характеристик потока в разных участках русла. Скорости таких перемещений различны, но могут составлять и десятки метров в год (у островов-осерёдков), что часто представляет угрозу для опор и фундаментов гидротехнических и транспортных сооружений (мостов). Скорости образования и перемещения грядовых донных форм гораздо быстрее, на отдельных участках русла гряды (донная рябь, рифели) могут трансформироваться и менять своё местоположение за интервалы времени порядка нескольких секунд

15. Влагооборот в природе. Водный баланс земного шара.

Круговорот воды и водный баланс Земли

Круговорот воды, или влагооборот, на Земле – один из важнейших процессов в географической оболочке. Под ним понимают непрерывный замкнутый процесс перемещения воды, охватывающий гидросферу, атмосферу, литосферу и биосферу. Наиболее быстрый круговорот воды происходит на поверхности Земли. Он совершается под действием солнечной энергии и силы тяжести. Влагооборот складывается из процессов испарения, переноса водяного пара воздушными потоками, конденсации и сублимации его в атмосфере, выпадения осадков над Океаном или сушей и последующего стока их в Океан (рис. 76). Основной источник поступления влаги в атмосферу – Мировой океан, меньшее значение имеет суша. Особую роль в круговороте занимают биологические процессы – транспирация и фотосинтез. В живых организмах содержится более 1000 км3 воды. Хотя объем биологических вод небольшой, они играют важную роль в развитии жизни на Земле и усилении влагооборота: почти 12% испаряющейся влаги в атмосферу поступает с поверхности суши за счет транспирации ее растениями. В процессе фотосинтеза, осуществляемого растениями, ежегодно разлагается 120 км3 воды на водород и кислород.

В поверхностном круговороте воды на Земле условно выделяют малый, большой и вну-триматериковый круговороты. В малом круговороте участвуют только Океан и атмосфера. Испаряющаяся с поверхности Океана влага в большей своей части выпадает обратно на морскую поверхность, совершая малый круговорот.

Рис. 76. Схема влагооборота воды в природе (по Л. К. Давыдову):

1 – испарение с поверхности океана; 2 – выпадение осадков на поверхность океана: 3 – выпадение осадков на поверхность супш; 4 – испарение с поверхности суши: 5 – поверхностный, нерусловой сток в океан; 6 – речной сток в океан; 7 – подъемный сток в океан или в бессточную область

Меньшая часть влаги участвует в большом поверхностном круговороте, переносясь воздушными потоками с Океана на территорию суши, где возникает ряд местных влагооборотов. С периферийных частей континентов (их площадь около 117 млн км2) вода вновь поступает в Океан путем поверхностного (речного и ледникового) и подземного стока, завершая большой круговорот.

Территории, не имеющие стока в Мировой океан, называют областями внутреннего стока (бессточными по отношению к Океану). Их площадь более 32 млн км2. Вода, испарившаяся с замкнутых территорий суши и вновь выпадающая на нее же, образует внутриматериковый круговорот. Крупнейшие области внутреннего стока – Арало-Каспийская, Сахара, Аравия, Центрально-Австралийская. Воды этих областей обмениваются влагой с периферийными областями и океаном в основном путем переноса ее воздушными течениями.

Механизм влагообмена океан – атмосфера – суша – океан в действительности гораздо сложнее. Он связан с общим глобальным обменом вещества и энергии как между всеми геосферами Земли, так и между всей планетой и Космосом. Глобальный влагооборот Земли – незамкнутый процесс, так как в том объеме, в котором вода выделяется из земных недр, она уже не возвращается обратно: при обмене веществом с космическим пространством преобладает процесс безвозвратной потери водорода при диссипации молекул воды над его приходом. Однако количество воды в гидросфере не уменьшается за счет поступления воды из недр.

Количественно круговорот воды на Земле характеризуется водным балансом. Водный баланс Земли – равенство между количеством воды, поступающей на поверхность земного шара в виде осадков, и количеством воды, испаряющейся с поверхности Мирового океана и суши за одинаковый период времени. В среднем годовое количество осадков, так же как и испарение, равно 1132 мм, что в объемных единицах составляет 577060 км воды (табл. 5).

В истории Земли неоднократно отмечались крупные изменения воднобалансовых характеристик, что связано с колебаниями климата. В периоды похолоданий происходит изменение мирового водного баланса в сторону большей увлажненности континентов за счет консервации воды в ледниках. Водный баланс Океана становится отрицательным, и уровень его понижается. В периоды потеплений, наоборот, отрицательный водный баланс устанавливается на континентах: растет испарение, увеличивается транспирация, тают ледники, сокращается объем озер, увеличивается сток в Океан, водный баланс которого становится положительным.

16. Водные ресурсы земли и Алтайского края.

На территории Алтайского края протекает 17 085 рек общей протяженностью 51 004 км, из них 16309 (95%) длиной менее 10 км и 776 (5%) - длиной более 10 км, в т.ч. 32 реки протяженностью более 100 км, из них 3 - более 500 км. Примерно 9700 рек имеют более или менее постоянные водотоки.

Главная водная артерия Алтайского края - река Обь, длиной в пределах края 493 км. Ее крупнейшие притоки (длиной более 500 км) - реки Алей, Чарыш и Чумыш. Максимальный расход воды у г. Барнаула достигал 12600 м3/сек (05.06.69 г.), среднегодовой составляет 1460 м3/сек, минимальный - 162 м3/сек (01.02.34 г.).

На территории Алтайского края более 11 тыс. озер, из них свыше 230 - площадью более 1 км2. Наиболее крупные озера находятся в степной зоне Алтайского края: Кулудинское - 728 км2, Кучукское - 181 км2, Горькое (Романовского района) - 140 км2, Большое Топольное - 76,6 км2, Большое Яровое - 66,7 км2.

В пределах Алтайского края формируется порядка 40% стока, и в пределах Республики Алтай - 60%. Незначительная часть стока формируется в соседних с краем областях.

Суммарный поверхностный сток рек Алтайского края составляет 53,5 км3 в год. В бассейне Оби, занимающем 70% территории края, формируется 53 км3.

В восточном Обь-Иртышском междуречье (30% территории) формируется только 0,5 км3 стока.

Территориально поверхностные воды размещены крайне неравномерно. В наиболее засушливых районах Кулундинской степи всего 9% краевого объема поверхностного стока.

Промышленные и сельскохозяйственные предприятия имеют 18 речных водозаборов производительностью каждый более 1 млн м3/год, из них 6 городских, общей производительностью 194,2 млн м3/год, и 12 ирригационных (673,5 млн м3/год, включая водозабор Бурлинской системы - 388,3 млн м3/год). Для аккумулирования речного стока сооружено 6048 водохранилищ, каждое объемом более 1 млн м3/год и общей емкостью 635 млн м3/год, в т.ч. Гилевское водохранилище объемом 471 млн м3. Для подачи воды в степные районы построены Кулундинский магистральный канал протяженностью 180 км и магистральный канал Алейской оросительной системы протяженностью 90 км.

На территории Алтайского края имеются значительные запасы подземных вод - 19 км3 (в т.ч. пресных, питьевого назначения - 10 км3), на базе которых эксплуатируется около 105 тыс. водозаборных скважин для обеспечения хозяйственно-питьевого водоснабжения населения.

Потенциальные эксплуатационные ресурсы подземных вод в пределах равнинной части Алтайского края на 50-летний срок составляют порядка 269 м3/сек. На этот же период обеспечены запасами подземных вод г. Барнаул, г. Новоалтайск, г. Славгород, большинство населенных пунктов западной Кулунды. В Алтайском крае используется менее 20% пресных подземных вод от общих прогнозных эксплуатационных запасов.

Ряд районов практически не имеет запасов подземных вод для питьевого водоснабжения. К ним относятся районы: Мамонтовский, Романовский, Завьяловский, Баевский, Рубцовский, Тюменцевский, Волчихинский, Родинский, Новичихинский, Благовещенский, Хабарский, Панкрушихинский.

В крае действуют около 50 кустовых водозаборов подземных вод производительностью более 1 млн м3 в год каждый, в т.ч. водозабор Чарышского группового водопровода производительностью 21,2 млн м3 в год общая проектная производительность этих водозаборов составляет 133,6 млн м3 в год. Крупные групповые водозаборы подземных вод действуют в городах Барнауле, Бийске, Новоалтайске, Заринске, Славгороде, Горняке, Белокурихе, Змеиногорсе, Алейске с водоотбором порядка 0,5 млн м3 в сутки.

В целом водозабор подземных вод составляет 5% от прогнозных ресурсов. В 1997 г. суммарный объем забора воды из природных водных объектов составил 710,47 млн м3, в т.ч. 326,49 млн м3 из подземных источников и 383,97 млн м3 - из поверхностных. Потери при транспортировке составили 39,76 млн м3 и обусловлены, как и в предыдущие годы, утечками в результате старения коммуникаций, порывов, аварийных ситуаций и отсутствия приборного учета водопотребления.

Использовано 644,26 млн м3 воды (в том числе, 316,83 млн м3 из подземных источников и 327,43 млн м3 - из поверхностных).

Основные экологические проблемы водных ресурсов Алтайского края - обмеление малых рек и антропогенное загрязнение. Сокращение лесистости ведёт к увеличению водной эрозии, а далее - к обмелению русла.

17. Влияние антропогенной деятельности на водные ресурсы. Охрана водных ресурсов.

18. Речная система. Гидрографические характеристики речной системы: длина реки, густота речной сети, извилистость и разветвленность рек.

19. Классификация методов определения расхода воды водотока.

20. Вычисление расходов воды методом «площадь-скорость». Аналитический метод.

21. Речной сток его характеристики. Физико-географические факторы стока.

22. Типы питания и фазы водного режима рек. Классификация рек по типу одного питания и внутригодового распределения стока.

23. Формирование поверхностного стока. Стекание. Аккумуляция и инфильтрация.

24. Общие сведения о водной эрозии. Склоновая и русловая эрозия.

25. Факторы влияющие на водную эрозию.

26. Речные наносы, их образование, характеристики.

27. Расчетные гидрологические характеристики.

28. Кривые обеспеченности. Параметры кривых распределения и обеспеченности; методы их определения.

29. Аналитические и эмпирические кривые обеспеченности.

30. Оценка репрезентативности гидрологических рядов.

31. Оценка однородности гидрологических рядов.

32. Определение расчетных значений годового стока при наличии данных гидрометрических наблюдений.

33. Расчет нормы годового стока при недостаточности данных гидрометрических наблюдений.

34. Расчет нормы годового стока при отсутствии данных гидрометрических наблюдений.

35. Корреляция. Уравнение регрессии.

36. Методы расчеты внутригодового распределения стока при наличии данных наблюдений.

37. Физико-географические факторы и условия формирования минимального стока.