Рецензенты: кафедра гидротехнических сооружений Одесского ин­женерно-строительного института (зав. кафедрой — д-р техн. наук, проф. Л. В. Мазуренко); д-р техн. наук, проф. Д. Я. Раткович (Институт водных проблем).

Гидрология и гидротехнические сооружения: Учеб. для ву-Г 46 зов по спец. «Водоснабжение и канализация»/!". Н. Смирнов, Е. В. Курлович, И. А. Витрешко, И. А. Мальгина; Под ред. Г. Н. Смирнова. М.: Высш. шк., 1988. — 472 с.: ил.

В учебнике даны сведения о явлениях и процессах, наблюдающихся в реках, водохранилищах и морях. Кратко описаны средства и методы измерения характе­ристик рек и водоемов. Подробно изложены гидрологические расчеты и методы ре­гулирования стока. Большое внимание уделено гидротехническим сооружениям об­щего и специального назначения, применяющимся в системе водоснабжения. Осве­щаются вопросы комплексного использования водных ресурсов, защиты источников водоснабжения от истощения и загрязнения.

Учебное издание

Глеб Николаевич Смирнов, Евгений Вячеславович Курлович, Иван Александрович Витрешко, Инга Александровна Мальгина

ГИДРОЛОГИЯ И ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

Заведующий редакцией Б. А. Ягупов. Редактор Т. Ф. Мельникова. Мл. редактор О. Л. Кузнецова, О. С. Смотрина. Художественный редактор В. П. Бабикова. Художник Э. Л. Марков. Техн. редактор Э. М. Чижев­ский. Корректор Г. И. Кострикова

ИБ № 6054

Изд. № СТР-506. Сдано в набор 2805.87. Подп. в печать 24.12.87. Т-21033

Формат OOX88Vifi. Бум. офс. no (. Гарнитура литературная. Печать офсетная.

Объем 28,91 усл. печ. л. +0,25 усл. п. л. форзац 29.4 усл. кр.-отт. 32.06 уч.-изд. л.

+ 0,29 уч.-изд л. форзац Тираж 10000 экз. Зак. № 1324. Цена 1 р. 40 к.

Издательство «Высшая школа», 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14

Московская типография № 8 Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли, 101898, Москва. Центр, Хохловский пер., 7.

Издательство «Высшая школа

ПРЕДИСЛОВИЕ

Последние десятилетия характеризуются интенсивным развити­ем промышленности и сельского хозяйства, ростом городов и на­селенных пунктов, что повлекло за собой резкое увеличение потребления воды с ее забором из различных поверхностных природ­ных источников: морей, рек, водохранилищ и озер, а также из под­земных источников. Так, на 1 млн. кВт мощности тепловой электро­станции необходимо около 1,2... 1,6 км³ воды, в 2,0 ...2,5 раза боль­ше воды требуется атомной электростанции. Современный город с населением 1 млн. человек потребляет в сутки около 0,5 млн. км³ воды. Чтобы добыть 1 т нефти, надо затратить 10 м³ воды, для производства 1 т стали требуется 20 м³ воды, 1 т бумаги — 200 м³, 1 т капронового волокна — 5600 м³ воды. Для орошения 1 га хлоп­ковых полей требуется 5. ..6 тыс. м³, 1 га риса—15 ...20 тыс. м³ воды и т. д. Общее водопотребление воды в стране составляет око­ло 300 км³/год. Основными источниками воды для промышлен­ного и коммунального водоснабжения служат реки, водохранили­ща, озера и моря; в меньшем объеме используются подземные воды. При этом необходимо располагать сведениями о режиме источников и составе комплексов гидротехнических сооружений, осуществляю­щих забор, распределение и сброс использованных и очищенных вод обратно в источник. Очевидна неразрывная связь гидротехни­ческого строительства в целях водоснабжения с изучением гидро­логического режима водных объектов. Необходимо отметить, что наряду с использованием традиционных источников воды — рек, озер и водохранилищ — со строительством крупных тепловых стан­ций и других промышленных предприятий на берегах морей, с рос­том приморских городов со всей остротой встал вопрос о проекти­ровании, строительстве и эксплуатации морских водозаборов, круп­ных водовыпусков и опреснительных установок.

Учебник «Гидрология и гидротехнические сооружения» написан в соответствии с программой одноименного курса для студентов специальности 1209 «Водоснабжение и канализация» строительных вузов. В основу учебника положены материалы курса лекций, ко­торый читается студентам этого факультета в МИСИ им. В. В. Куй­бышева. Учебник написан в логической последовательности и начи­нается с описания физико-географических условий формирования водных объектов; затем-дается краткая характеристика гидроло­гического режима водных объектов. Подробно рассматриваются вопросы гидрологических расчетов и регулирования стока, кратко описываются приборы и способы измерения характеристик водных объектов и вопросы комплексного использования водных ресурсов. Кратко освещаются проблемы, связанные с режимом морей, а так-

же вопросы охраны водных объектов от загрязнения. В учебнике изложены вопросы, связанные с проектированием и строительством гидротехнических сооружений общего и специального назначения, дается описание конструкций и приводятся необходимые расчеты. При самостоятельной работе над учебником рекомендуется пользо­ваться дополнительной литературой и справочными материалами, указанными в библиографии.

Предисловие, введение и главы 2, 5—7 и 16 написаны Г. Н. Смирновым, гл. 1 — И. А. Мальгиной и Г. Н. Смирновым со­вместно, гл. 3, 4 и 8 — П. А. Мальгиной, главы 10—13 — Е. В. Кур-ловичем, главы 9, 14 — И. А. Витрешко и Г. Н. Смирновым совмест­но, гл. 15 — И. А. Витрешко.

Авторы выражают свою признательность зав. кафедрой гидро­технических сооружений Одесского инженерно-строительного ин­ститута проф., д-ру техн. наук Л. В. Мазуренко и сотрудникам этой кафедры, а также проф., д-ру техн. наук Д. Я- Ратковичу за цен­ные замечания и рекомендации, сделанные при рецензировании ру­кописи.

Авторы

ВВЕДЕНИЕ

В связи с развитием промышленности, ростом городов, необхо­димостью интенсификации сельского хозяйства в последние годы в СССР уделяется большое внимание рациональному и экономному использованию водных ресурсов страны. В то же время отмечаются некоторые упущения в деятельности ряда организаций, связан­ные с потреблением воды, недостаточный уровень научной прора­ботки отдельных аспектов этой проблемы.

В решениях XXVII съезда КПСС указывается на необходи­мость более углубленных научных исследований вопросов исполь­зования водных ресурсов во всех отраслях народного хозяйства, ох­раны источников воды от истощения и загрязнения. Съезд принял конкретные решения в области гидротехнического строительства.

Обеспечить необходимую надежность инженерных сооружений, в том числе и гидротехнических сооружений для водоснабжения, можно только при наличии достаточно полных и достоверных све­дений об условиях, в которых эти сооружения будут работать. Са­мо название «гидротехнические сооружения» говорит о том, что эти сооружения связаны с использованием воды и подвергаются ее воз­действиям. Свойства воды, процессы, протекающие в водных объ­ектах, к которым относятся с точки зрения водоснабжения реки, водохранилища, озера, моря и подземные источники, зависимость характеристик водных объектов от физико-географических факто­ров являются предметом изучения науки — гидрологии.

Гидрология подразделяется на два больших раздела: гидроло­гия суши, предметом изучения которой являются все водные объ­екты, расположенные в пределах суши,—реки, водохранилища, озе­ра, болота, ледники, подземные воды, связанные с поверхностными водами, и гидрология моря — океанология, изучающая океаны и мо­ря Земного шара и процессы, протекающие в них. Как в гидроло­гии, так и в океанологии выделяются разделы науки, рассматри­вающие отдельные стороны водных объектов — гидрофизика, гид­рохимия, гидробиология, бурно развивающаяся в последние годы геология моря.

Важнейшей частью гидрологии является гидрометрия — наука о средствах и методах изучения величин, характеризующих движение и состояние вод и режим водных объектов. Наибольшее развитие получили гидрометрия вод суши и морская гидрометрия. Гидроло­гия в целом тесно связана с метеорологией, поскольку существует взаимовлияние между атмосферой и гидросферой. Все наблюдения ^над характеристиками водных объектов обязательно сопровожда­ются метеорологическими наблюдениями.

Движение воды в реках, водохранилищах, озерах, морях и океа­нах изучается на основании общих законов гидродинамики и гид­равлики. В частности, на основе непосредственного использования общих закономерностей гидравлики развивается пограничная об­ласть науки — русловая гидравлика.

Вопросы, связанные с проектированием и строительством гид­ротехнических сооружений, с изменением режима водотока или во­доема после возведения сооружений изучаются в разделе «Инже­нерная гидрология». Сюда следует отнести режим водного объекта непосредственно для нужд проектирования и строительства, а так­же регулирование стока. Изучение режима водных объектов в ука­занных условиях ведется методами и средствами инженерной гид­рометрии; при этом изучаются влияние сооружений на режим водного объекта в период строительства и эксплуатации, характе­ристики водного объекта после возведения сооружения, гидравли­ческие характеристики водного объекта в измененных условиях, деформации дна, берегов, режим пропуска паводков и ледоходов и др.

Регулирование стока (искусственное) осуществляется с помо­щью возведения плотин и создания водохранилищ с целью изме­нения режима естественного стока для удовлетворения нужд раз­личных отраслей народного хозяйства. Сток регулируется путем накопления воды в водохранилище в период половодья и паводков и расходования воды в период превышения потребления над при­током. Важнейшая задача регулирования стока — определение объ­ема водохранилища. В связи с этим возникает серьезнейшая проб­лема влияния водохранилищ на окружающую среду. Опыт строи­тельства водохранилищ показывает, что эта проблема еще далека от своего решения. Наблюдается ряд негативных явлений, связан­ных со строительством водохранилищ, и одно из них, весьма суще­ственное,— ухудшение качества воды.

С развитием промышленности, ростом населенных пунктов, водного транспорта, с увеличением водопотребления остро встала проблема охраны водных источников от истощения и загрязнения. Ведущееся во всем мире изучение этого вопроса говорит о серьез­ности положения: многие реки и моря и Океан в целом находятся на пределе своих возможностей по самоочищению. Многие реки мира, такие, как Рейн, Миссисипи и др., отдельные районы Океана уже сейчас не справляются с нагрузкой загрязняющими вещества­ми, и, если не принять немедленных и радикальных мер по предо­хранению гидросферы от загрязнения, это может привести к пол­ному прекращению жизни в морях и реках Земного шара.

При проектировании и строительстве гидротехнических соору­жений кроме сведений о режиме водных объектов необходимо рас­полагать данными о природе и свойствах грунтов основания гид­ротехнических сооружений, которые находятся в водонасыщенном состоянии. При напорных сооружениях грунты находятся под дей-

ствием фильтрационного потока, что самым тщательным образом учитывается при проектировании и эксплуатации этих сооружений.

Расчет гидротехнических сооружений производится методами строительной механики, с привлечением теории упругости и плас­тичности; при проектировании сооружений необходимо располагать данными о свойствах строительных материалов, главным образом металла, бетона и железобетона, об их коррозии под воздействием воды и льда, особенно в морских условиях. Указанные вопросы изучаются в соответствующих областях науки, с которыми гидро­техника тесно связана.

Изучение вод суши и океана и атмосферы, их взаимное влияние, накопление данных по изменению их режима и характеристик в пространстве и во времени, изучение и обобщение этих данных, сис­тематизация и публикация в общегосударственном масштабе воз­ложены на Государственный комитет СССР по гидрометеорологии и контролю окружающей среды. Эти задачи реализуются путем со­здания постоянной гидрологической сети станций и постов, распо­ложенных на реках, водохранилищах, озерах и морях, организа­цией специальных станций по наблюдению за отдельными процес­сами, экспедиционных исследований как на суше, так и на море. В последнем случае ведутся кроме экспедиционных исследований круглогодичные наблюдения в определенных точках Мирового оке­ана.

Последние 15—20 лет характеризуются широким международ­ным сотрудничеством в области изучения водных ресурсов и их ох­раны от истощения и загрязнения. Эта работа проводится под эги­дой ЮНЕСКО. В области изучения Океана координирующим центром стала Межправительственная океанографическая комиссия (МОК). Продолжается создание Объединенной глобальной систе­мы океанографических станций (ОГСОС); эти работы координиру­ются МОК и Всемирной метеорологической организаций (ВМО) при ЮНЕСКО. Действуют двусторонние договоры по проредению совместных работ, например СССР и США, реализуется програм­ма совместных работ стран — участниц СЭВ и т. д.

С целью совершенствования методов долгосрочных прогнозов погоды этой же организацией принята Программа исследования глобальных атмосферных процессов (ПИГАП). В этой работе ак­тивное участие принимает СССР.

Большое значение в развитии гидрологии и океанологии имеют систематические международные съезды гидрологов и океанологов, где происходит активный обмен информацией, намечаются глав­ные направления дальнейших научных исследований.

Огромная по объему информация о характеристиках и режиме водных объектов концентрируется в территориальных и региональ­ных вычислительных центрах Госкомгидромета СССР, специали­зированных центрах и Всесоюзном научно-исследовательском ин­ституте гидрометеорологической информации — мировом центре

данных. Здесь она анализируется, систематизируется и публику­ется.

Систематизированный свод данных учета вод по количествен­ным и качественным показателям, регистрации водопользовании, а также данные учета использования вод называются водным ка­дастром.

Первый водный кадастр был составлен в 1931—1940 гг. и вклю­чал четыре серии: кадастр поверхностных вод, кадастр подземных вод, морской кадастр, гидрометеорологический кадастр.

Второй водный кадастр был издан в 1959—1974 гг. в виде Спра­вочников по ресурсам поверхностных вод СССР, состоящих из трех серий: «Гидрологическая изученность», «Основные гидрологические характеристики», «Ресурсы поверхностных вод СССР»; каждая се­рия состояла из 20 томов. Материалы издавались в виде справоч­ников, где публиковались ежемесячные и ежегодные данные о гид­рологических характеристиках рек, озер, водохранилищ, морей и морских устьев рек.

Кроме того, издавались отдельные справочные пособия, напри­мер «Материалы по максимальному стоку талых вод СССР» (1967), «Материалы по расчетным характеристикам дождевых осадков» (1969), «Материалы по максимальному стоку рек СССР» (1971) и т. п.

С конца 70-х годов принята новая структура Государственного водного кадастра. Все материалы разделяют на архивные, на дол­говременных технических носителях и публикуемые данные. В сис­теме ГВК выделяются три раздела: «Поверхностные воды», «Под­земные воды» и «Использование вод». Каждый раздел состоит из трех серий: 1-я — каталоги, 2-я — ежегодные и 3-я — многолетние данные.

Каталоги представляют собой разовые издания и дополняются по необходимости. Издаются каталоги: рек, озер и водохранилищ; селевых бассейнов и очагов на территории СССР; морей и морских устьев рек; ледников.

Во 2-й серии публикуются ежегодные данные за предшествую­щий год в виде отдельных сборников. Например, «Ежегодные дан­ные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. Ч. 1 — Реки и озера. Ч. 2 — Озера и водохранилища»; «Ежегодные данные о ка­честве поверхностных вод суши»; «Ежегодные данные о режиме и качестве вод морей и морских устьев рек. Ч. 1 —Моря Ч 2— Мор­ские устья рек»

Многолетние данные публикуются один раз в пять лет по ана­логичной системе, например «Многолетние данные о режиме и ре­сурсах поверхностных вод суши» и т. д.

Кроме того, Госкомгидрометом СССР издаются методические указания по различным вопросам, ГОСТы и СНиПы. В частности, в 1984 г. введен в действие СНиП 2.01.14—83 «Определение расчет­ных гидрологических характеристик», издано Руководство к этому СНиПу.

8

J

При проектировании гидротехнических сооружений в части кон­струкций необходимо руководствоваться указаниями соответствую­щих глав СНиПа и другими нормативными документами — ГОСТа­ми, Всесоюзными нормами (ВСН) и т. п., а также методическими разработками по различным частным вопросам, выпускаемыми раз­личными ведомствами.

Курс «Гидрология и гидротехнические сооружения», основыва­ясь на общих понятиях, излагаемых в курсе «Гидравлика», явля­ется первым из цикла специальных курсов для студентов факульте­та «Водоснабжение и канализация», в котором даются сведения об источниках воды и сооружениях, обеспечивающих ее забор и по­дачу различным потребителям.

Глава 1

ВОДА НА ЗЕМНОМ ШАРЕ

1.1. Распространение воды на земле

Прерывистая водная оболочка Земного шара носит название гидросферы *. Она включает в себя воды Мирового океана и воды суши в жидком и твердом состоянии. Верхняя граница гидросферы условно проводится по поверхности раздела с атмосферой (в дей­ствительности с тропосферой); нижнюю границу с литосферой про­следить невозможно вследствие глубокого проникновения гидро­сферы в толщу земной коры. Понятие «гидросфера» включает в себя все свободные воды Земли, т. е. воды, не связанные химически и физически с минералами земной коры.

Гидросфера находится в постоянном взаимодействии с другими сферами Земли — атмосферой, литосферой и биосферой. При этом между ними осуществляется активный количественный обмен энер­гией и веществом. Воды Земли, перешедшие под влиянием тепла в парообразную влагу, связывают гидросферу с атмосферой. Воды почвенного покрова и подземные воды обусловливают связь гидро­сферы с земной корой. Более сложной представляется взаимосвязь гидросферы с биосферой. Вода составляет большую часть живых организмов, в частности человек состоит на 70% из воды. Но вода является также средой обитания многочисленных организмов. Мно­гие ученые считают, что жизнь зародилась в водной среде, если даже жизнь на Землю была занесена в виде спор из космоса. Важ­ным фактором является участие воды в биологических процессах, прежде всего в процессе фотосинтеза органического вещества. При этом выделяется кислород, без которого немыслима жизнь людей, животных, растений. В присутствии кислорода протекает большая часть окислительных процессов, широко распространенных в при­роде. И все-таки жизнь без кислорода в ее простейших формах возможна (анаэробная форма), но существование жизни без воды в любых формах исключается.

Гидросфера состоит из различных вод, отличающихся степенью распространения на Земле, качеством, агрегатным состоянием л расположением в собственно гидросфере, атмосфере и литосфере.

Общие запасы воды на Земле составляют 1386- 10^б км³. Основ­ной объем воды 1338-10⁶ км³, или 96,5%, содержится в Океане. Этот объем с помощью современных технических средств можно определить с большой степенью точности. Достаточно просто вы­числить запас воды в ледниках. Что же касается остальных частей гидросферы, то их точная оценка затруднена. Значительный объем

* Прерывистость гидросферы объясняется дискретным расположением озер, рек, ледников и других водных объектов в пределах суши.

10

Ш,53-10^б км³, или 1% от общего количества, приходится на долю подземных вод. Поверхностные воды суши: рек, озер, болот, снеж-нИков и ледников в горах, материковых льдов, включая льды Ан­тарктиды и Гренландии, являются в отличие от океанических в ос­новном пресными водами.

Запасы пресных вод, роль которых в жизни и деятельности че­ловека исключительно велика, оцениваются в 35- 10⁶ км³, т. е. око­ло 2,5% общих запасов воды на Земле. Наиболее интенсивно в хо­зяйственной деятельности человека используются пресные воды рек, на долю которых приходится всего лишь 0,006% общего коли­чества воды на Земле. На втором месте находятся грунтовые воды и на третьем — воды озер, которые содержат 0,26% общих запасов воды.

Единовременный объем воды, содержащийся в реках и равный всего лишь 2120 км³, не должен вводить в заблуждение своей незна­чительностью, так как в течение года он многократно возобнов­ляется и общее количество воды, которое реки выносят в Океан за год, превосходит эту величину в 20 раз. При оценке запаса прес­ных вод необходимо иметь в виду динамические процессы, постоян­но происходящие в гидросфере, в результате которых запасы прес­ных вод постоянно возобновляются. Изучением этих процессов за­нимается паука гидрология.

Рассматривая вопрос о распространении воды на Земле, необ­ходимо указать, что по одной из наиболее широко признанных тео­рий происхождение гидросферы связывается с дегазацией мантии. По некоторым оценкам, за счет этого явления ежегодно в земную кору и на поверхность Земли поступает — 1 км³ воды, т. е. объем, который не может существенно изменить общее содержание воды в гидросфере в течение жизни нескольких поколений. Но за время существования Земли, которое, по средним оценкам, составляет 4... 5 млрд. лет, объем воды, поступившей за счет дегазации мантии, в З...3,5 раза больше объема Океана.

Общий единовременный объем воды в мантии составляет, по оценкам некоторых ученых, около 13... 15 млрд. км³.