книги из ГПНТБ / Кузник, И. А. Гидрология и гидрометрия учебник для сельскохозяйственных техникумов по специальности гидромелиорация

и. А. КУЗНИК Е. И. ЛУКОНИН

В. Я. ПИЛИПЕНКО

ГИДРОМЕТРИЯ

Издание второе, переработанное и дополненное

П о д р е д а к ц и е й д-ра геогр. наук проф. И. А. Кузника

Д о п у щ е н о управлением кадров Министерства

мелиорации и водного хозяйства СССР

в качестве учебника для сельскохозяйственных техникумов по специальности „гидромелиорация11

ГИДРОМЕТЕОИЗДАТ ЛЕНИНГРАД • 1974

рек, гидрологическим расчетам и методам гидрометри­ ческих измерений.

Для лучшего усвоения материала отдельные темы сопровождаются значительным числом примеров, наи­ более употребительных в практике гидрологических рас­ четов и гидрометрии. Контрольные вопросы дают воз­ можность учащимся сосредоточить свое внимание на главном, основном содержании курса.

The textbook presents some information on meteoro­ logy, the theory of hydrological river regime forming, hydrological estimations, methods of hydrometeorological measurements.

In order to help the students to master the material, some themes contain a considerable number of exercises most frequently used in the practice of hydrological esti­ mations and hydrometry. Control questions make it possible to concentrate attention on the main subjectmatter of the course.

ВВЕДЕНИЕ

Роль воды в жизни человека огромна. Но разумное использование ее возможно только при знании режима водоемов и водотоков и других водных ресур­

сов земного шара.

Наука, изучающая физические явления, происходящие в вод­ ной оболочке земного шара — в гидросфере, называется о б ще й г и д р о л о г и е й . Общая гидрология делится на гидрологию вод суши и гидрологию морей и океанов.

Предметом этого учебника является гидрология суши. Гидро­ логия суши занимается изучением вод на поверхности суши (рек, оврагов, балок, озер и других водоемов и потоков).

Гидрология суши в свою очередь делится на гидрологию рек, озер, болот и ледников. Гидрология — комплексная наука, тесно связанная с метеорологией, климатологией, почвоведением, бота­ никой, геологией, гидрогеологией и другими науками.

Для того чтобы получить гидрологическую характеристику тех или иных водных объектов, необходимо систематически измерять глубины, скорости, направления течений, определять химический состав воды и т. д. Прикладная часть гидрологии, изучающая спо­ собы и технику измерения элементов водных потоков и водоемов, называется г и д р о м е т р и е й . Гидрометрия развивается на базе геодезии, математики, гидравлики и других наук.

Формирование гидрологического режима водных объектов про­ исходит в первую очередь под воздействием климата. Так, для за­ сушливой зоны Юго-Востока СССР характерны небольшие реки, многоводные весной и пересыхающие летом. Реки северных райо­ нов, где больше осадков, многоводны в течение всего года. Вооб­ ще каждой климатической'зоне соответствует свой, специфический гидрологический режим.

Наука, занимающаяся изучением физических явлений и про­ цессов (ветра, снега, дождей, гроз, града, ураганов и т. д.), проис­ ходящих в атмосфере, называется м е т е о р о л о г и е й .

4

Метеорология, гидрология и гидрометрия тесно связаны с та­ кими специальными науками, как сельскохозяйственная мелиора­ ция и гидротехнические сооружения. Проектирование и строитель­ ство гидротехнических сооружений (плотин, водозаборов при оро­ шении, водоприемников при осушении и т. д.) невозможно без знаний гидрологического режима используемых водных объ­ ектов.

Для руководства всеми метеорологическими, гидрометеороло­

СССР, преобразованный в 1936 г. в Главное управление гидроме­ теорологической службы (ГУГМС). Это управление организует и проводит наблюдения и исследования, контролирует работы ведом­ ственных организаций и одновременно собирает в своих фондах материалы .наблюдений со всей территории нашей страны.

По богатству водными ресурсами Советский Союз занимает первое место в мире. Протяженность внутренних водных путей страны составляет около 420 тыс. км.

В 1715 г. в Петербурге на р. Неве был установлен первый во­ домерный пост. В 1874 г. началось систематическое описание су­ доходных водных путей России и планомерные гидрометрические работы на них. К 1909 г. были получены обширные гидрометриче­ ские материалы в Средней Азии, Амуро-Зейском районе, За­ волжье, на Кавказе, в Барабинской и Ишимской степях. Однако в дореволюционной России вследствие общей технической отста­ лости водное хозяйство .развивалось весьма слабо. Естественно, что и гидрологические исследования в то время не нашли широ­ кого развития.

После Великой Октябрьской социалистической революции гид­ рология и гидрометрия начали развиваться очень быстрыми тем­ пами. Под непосредственным руководством В. И. Ленина в 1920 г. был разработан план электрификации России (план ГОЭЛРО). Осуществление этого грандиозного .плана потребовало выполнения комплекса сложных исследований, в том числе и изучения естест­ венных водных ресурсов страны.

Крупным событием в изучении водных ресурсов было создание в 1919 г. Российского гидрологического института, ныне Государ­ ственный ордена Трудового Красного Знамени гидрологический институт (ГГИ). Гидрологический институт является центральным научно-исследовательским гидрологическим учреждением Совет­ ского Союза. Он -ведет крупные стационарные, экспедиционные

5 .

Раздел I. МЕТЕОРОЛОГИЯ

ТЕМА 1. АТМОСФЕРА И ЕЕ СТРОЕНИЕ

его 16—18 км на экваторе и 8—-10 км в полярных широтах. В тро­ посфере сосредоточено около 4Д всей массы атмосферы, поэтому плотность воздуха здесь наибольшая. В сухом воздухе содержится 78% азота, 21% кислорода, 0,9% аргона и 0,03% углекислого газа. Помимо перечисленных элементов, в воздухе находится ничтожное количество гелия, водорода, неона и других газов. Этот слой атмо­ сферы отличается от вышележащих высоким содержанием водя­ ного пара. В тропосфере температура воздуха падает в среднем на 6° с -подъемом на каждый километр.

Слой атмосферы, расположенный выше тропосферы, называется т р о п о п а у з о й . Это переходный слой с температурой 190— 220 К 1. (Выше этого слоя до высоты 60 км простирается с т р а т о ­ с фе р а. В стратоофере воздух более сухой; облака в ней отсут­ ствуют. В -нижнем слое стратосферы (до высоты 25 км) темпе­ ратура остается приблизительно постоянной и составляет 190— 220 К. В верхней части стратосферы температура возрастает до

270 К.

Над стратооферой до высоты 80 км расположена м е з о с ф е р а , где температура понижается и на верхней границе ее достигает

180 К.

Над мезосферой находится переходный слой — м е з о п а у з а , выше него — т е р м о с ф е р а . В этом слое температура возрастает с высотой и достигает очень больших значений (свыше 1000 К).

Еще выше, на высоте приблизительно 1000 км и более, нахо­ дится э к з о с ф е р а , где происходит постепенный переход от ат­ мосферы к межпланетному пространству. Здесь атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство.

1 «К» означает, что температура выражена по Кельвина шкале. За нуль по этой шкале принят абсолютный нуль, т. е. температура, лежащая на 273,16° ниже точки таяния льда. По К- ш. все температуры положительны.

7

Наиболее важной составной частью атмосферы является водя­ ной пар. Концентрация водяного пара колеблется в широких пре­ делах: от 3% У земной поверхности в тропиках до 2-10_5% в Ан­ тарктиде. Основная масса водяного пара сосредоточена в тропо­ сфере. Средняя влажность этого слоя атмосферы колеблется в пре­ делах 2—4 мг/кг. Наличие значительных количеств влаги в тро­ посфере способствует образованию здесь облаков, закрывающих около 50% всей земной поверхности. В стратосфере и мезосфере облака наблюдаются сравнительно редко.

ТЕМА 2. МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕ­ МЕНТЫ, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА И ИЗМЕ­ РЕНИЕ

1. Солнечная радиация

Лучистая энергия, посылаемая солнцем на землю, называется солнечной радиацией. Интенсивность солнечной радиации харак­ теризуется мощностью потока лучистой энергии и определяется количеством тепла, поступающего за 1 мин на 1 см2 поверхности, расположенной перпендикулярно солнечным лучам.

Часть солнечной радиации (около 40%) отражается от земной поверхности и облаков и возвращается в мировое пространство, часть поглощается атмосферой, а часть рассеивается. Некоторая доля солнечной радиации достигает поверхности земли в виде рас­ сеянного дневного света. Количество энергии солнечных лучей, ко­ торое поступает в 1 мин на 1 см2 площади, перпендикулярной сол­ нечным лучам на верхней границе атмосферы, называется солнеч­ ной постоянной. Она больше солнечной радиации, измеряемой у поверхности земли, и близка к 2,0 кал/(см2 • мин), или 8,36 Д ж / (см2-мин).

Количество поступающей солнечной энергии неодинаково в раз­ личных местах земного шара и в -разное время года. Это объяс­ няется тем, что высота солнца и прозрачность атмосферы непосто­ янны.

Земная поверхность, нагреваемая солнечными лучами, сама из­ лучает тепло в атмосферу и в мировое пространство. Днем ниж­ ние слои воздуха, соприкасающиеся с поверхностью земли, нагре­ ваются и как более легкие подиимаются вверх. На их место сверху опускаются холодные, более плотные слои воздуха. Происходит вертикальный обмен воздуха, называемый т е п л о в о й к о н в е к ­ цией.

Ночью же поверхность земли, а следовательно, и нижние слои воздуха охлаждаются; по мере поднятия вверх температура воз­ духа повышается. Это явление известно под названием т е м п е ­ р а т у р н о й и н в е р с и и .

8

2. Температура почвы

Тепловой режим почвы. Тепло, поглощаемое поверхностью поч­ вы, расходуется на нагревание, испарение и химические процессы. Поэтому в верхних слоях почвы температура в течение суток зна­ чительно колеблется. Изменение суточной температуры почвы сов­ падает с изменением температуры воздуха. Минимальная темпе­ ратура наблюдается обычно перед восходом солнца, а максималь­

Промерзание почвы. Промерзание грунта происходит из-за то­ го, что замерзает вода в почвенных капиллярах. Глубина промерза­ ния почвы зависит в первую очередь от глубины увлажнения грунта, концентрации почвенного раствора и утепления поверхно­ сти почвы. Так, слой снега мощностью 45—50 см надежно защи­ щает почву от холода. Лесная подстилка тоже является хорошим утепляющим средством. Поэтому в лесу под подстилкой и мощ­ ным снежным покровом почва не промерзает иногда всю зиму.

В инженерных расчетах необходимо знать, на какую глубину в почве распространяются отрицательные температуры, при которых может замерзнуть вода в подземных трубопроводах. Глубина про­

9