книги из ГПНТБ / Богословский, Б. Б. Основы гидрологии суши. Реки, озера, водохранилища

личаются наиболее резким подъемом и спадом и небольшой про­ должительностью. В среднем ,и особенно в нижнем течении поло­ водья и паводки «распластываются»—становятся относительно ниже и продолжительнее. Часть воды выливается на. широкую пойму и поступает с нее в реку позже, когда основная масса вод пройдет по руслу. С больших площадей водосборов воды посту­ пают в реки постепенно. Благодаря этому подъем и спад проис­ ходят более плавно, период повышенной водности и уровня затя­

гивается.

М е ж е н ь —.периоды низкой водности, в которые преобла­ дает питание рек подземными водами. Л е т.н я я межень про­ должается на реках с преобладанием снегового питания с конца половодья до осенних паводков, а при их отсутствии —до зимне­

водья. Летняя, а в районах с частыми оттепелями и зимняя ме­ жень нередко нарушается паводками.

Взасушливых районах во время летней межени многие ре­ ки, даже сравнительно крупные, пересыхают. В районах распро­ странения вечной мерзлоты часты явления зимнего перемерзания рек.

Вгодовом цикле режима ряда рек наблюдаются не все рас­ смотренные фазы. Так, на реках северного Казахстана и Припаспия не бывает паводков вследствие потерь дождевых вод на ис­ парение и фильтрацию; многие реки Черноморского побережья Кавказа и Крыма отличаются только паводками во все сезоны.

2. Уровни воды

Положение уровня воды в реке в каждый момент времени зависит от интенсивности водного питания — поступления в реч­ ную сеть дождевых, талых и подземных :вод.

Колебания уровня — наиболее простая характеристика вод­ ности реки и ее изменений во времени. Поэтому в работе гидро­ метеорологической сети их изучению уделяется большое внима­ ние.

Наблюдения за колебаниями уровней воды .рек ведутся на водомерных постах. Число пунктов, на которых ведутся гидро­ логические наблюдения в СССР, в 1972 г. достигло 34 733, из них

в ведении Гидрометеорологической службы находится 6243, дру­ гих ведомств —28 490.

Положение водной поверхности (уровень воды) измеряется над постоянной условной плоскостью, отметка которой (абсолют­ ная или условная) выбирается на каждом водомерном посту ни­ же наблюдавшегося минимального уровня. Такая плоскость на­ зывается н у л е м г р а ф и к а водомерного поста.

Водомерные посты делятся на п р о с т ы е (реечные и свай­ ные), с а м о п и ш у щ и е и д и с т а н ц и о н н ы е (рис. 7.).

40

На реечном посту наблюдения проводятся по вертикальной рейке с сантиметровыми делениями, неподвижно укрепленной на устое моста, набережной, отвесном берегу или свае, забитой в грунт дна реки (см. рис. 7,а). Реечные посты устанавливаются на реках с малыми колебаниями уровня или на участках рек с вы­ сокими крутыми берегами, без поймы, а также на гидротехни­ ческих сооружениях (мостах, плотинах, набережных и т. п.).

Рис. 7. Схемы реечного (а), свайного (б) и само­ пишущего (в) водомерных постов

При наличии поймы или на .пологом склоне устанавливают­ ся свайные водомерные посты, на которых по створу, перпенди­ кулярному к реке, забивается в грунт ряд свай (см. рис. 7, б). Уровень отсчитывается по переносной рейке с сантиметровыми делениями, устанавливаемой на ближайшую к берегу покрытую водой сваю. Рейки и сваи водомерных .постов связываются ниве­

лировкой с репером.

Самопишущие водомерные посты непрерывно регистрируют колебания уровня воды. Приемным устройством, реагирующим на колебания уровня, у большинства самописцев является попла­ вок, помещенный для защиты от волн в колодец, расположенный на берегу и соединенный с рекой каналом или трубой (рис. 7, в). Колебания уровня передаются от поплавка через трос на запи­ сывающее устройство. Барабан самописца с закрепленной .на нем лентой для защиои поворачивается шри помощи часового меха­

низма.

Дистанционные посты передают сведения об уровнях на рас­ стояния при помощи механической, электрической или радиосвя­ зи.

41

В настоящее время осуществляется переход к автоматизации наблюдений гидрометеорологической сети, предусматривающей передачу гидрологической информации автоматическими водо­ мерными постами территориальным гидрометцентрам, где произ­ водится ее обработка с широким применением электронно-вычис­ лительных машин. Автоматизация включает также получение гидрологической информации с помощью искусственных спутни­

ков Земли1.

Наблюдения на водомерных постах производятся два раза в сутки — в 8 и 20 ч, при половодьях и паводках — чаще (через 2, А или 6 ч) в зависимости от интенсивности подъема и спада уровня. При малых суточных колебаниях уровня наблюдения ве­ дутся одцн раз — в 8 ч. Помимо наблюдений за уровнем, на пос­ тах фиксируется температура воды и воздуха, ведутся визуаль­ ные наблюдения за ветром, атмосферными осадками, волнением, водной растительностью, ледовыми явлениями, а зимой измеря­

откладываются значения уровня в саити,метрик над нулем гра­ фика, на горизонтальной—(время. Условными знаками показы­ ваются ледовые явлении.

Колебания уровня на одном и том же водомерном посту в различные годы могут существенно различаться в связи с изме­ нениями водности по сезонам и годам. Для характеристики ти­ пичных для данной реки фаз колебаний уровня,, повторяющихся ежегодно (половодье, паводки, низкие зимние и летние уровни), выбирают характерные уровни. Наибольшее значение имеют уровни: наивысший годовой, наименьшие зимние и летние, лет­ них и осенних паводков, осеннего и весеннего ледохода. Для каждого характерного уровня указывается среднее наибольшее

инаименьшее за период наблюдений значения, средняя, ранняя

ипоздняя даты наступления.

По данным о характерных уровнях строится т и п о в о й г р а,ф и к к о л е б а н и й у р о в н я (см. рис. 8, б). Л и н и я г р а ­ ф и к а проводится по средним значениям и датам наступления характерных уровней. Для каждого уровня указываются преде­ лы колебаний отметок и дат. Типовой график колебаний уровня дает .представление о характерном для данной реки и пункта го­ довом ходе уровня. Помимо этого, для ряда хозяйственных меро­

1 Подробнее об устройстве водомерных постов и автоматизации наблюде­ ний см. в кн. В. Д. Б ы к о в а и А. В. В а с и л ь е в а «Гидрометрия». Л., 1972.-

42

приятий (.судоходство, водоснабжение и др.), связанных с ис­ пользованием воды, необходимо знать повторяемость тех или иных уровней и продолжительность времени, в течение которого

Рис. 8. Графики колебаний уровня воды р. Унжи у г. Макарьева:

уровень превышает определенные отметки. Эти показатели ха­ рактеризуются кривыми повторяемости (частоты) и обеспечен­ ности (продолжительности) уровней (рис. 9).

Для построения кривой повторяемости делят амплитуду ко­ лебаний уровня на равные интервалы (например, по 10—20 см). Подсчитывают число дней, в течение которых уровень находился в каждом интервале, и откладывают эти числа (в днях или про­ центах) в виде столбиков в соответствующих интервалах шкалы

43

уровней. По ним проводят плавную кривую повторяемости (ом.

рис. 9, а).

Продолжительность (обеспеченность) уровней вычисляется путем последовательного суммирования, начиная с верхнего ин­ тервала, числа дней, в течение которых уровень находился выше нижних отметок интервалов. По кривой обеспеченности (см. рис. 9, б) можно определить, в течение какого времени уровень был выше заданной отметки.

Рис. 9. Кривые повторяемости (а) и обеспеченности (б) уровней

Колебания уровней могут вызываться не только изменения­ ми водности реки, но и воздействием ветра, льда, притоков, раз­ личных препятствий в русле, гидротехнических сооружений и т. п. Такие подъемы уровня называются подпором.

Ветровые нагоны и сгоны (перемещения воды ветровыми те­ чениями) могут вызвать различия в уровнях у берегов в попереч­ ном сечении, изменения продольного профиля водной поверхнос­ ти, подъемы и спады уровня в устьях рек. Подпор возникает при скоплениях льда, впадении притока ниже поста, выше мостов и т. п. Анализируя ход уровней, случаи подпора необходимо выя­ влять и учитывать при гидрологических расчетах.

3. Движение воды в реках

Течение (движение воды в реках под уклон русла) проис­ ходит под действием силы тяжести. Движущей силой течения яв­ ляется составляющая силы тяжести, параллельная продольному уклону. Сила сопротивления ему обусловлена трением движу­ щейся воды о дно и берега русла. Первая из сил зависит от ук­ лона водной поверхности, вторая — от шероховатости русла.

Р азлич ают л а м и н а р н о е и т у р б у л е н т н о е движение жидкости. Ламинарное движение дараллелоструйно, каждая ча­ стица воды перемещается параллельно движению всей массы жидкости, придонная скорость равна нулю, максимальная на­

44

блюдается на поверхности потока, движение зависит от вязко­ сти жидкости, а сопротивление пропорционально первой степе­ ни уклона. Ламинарное движение возможно, только при весьма малых скоростях, которых не бывает в естественных открытых потоках (реках, ручьях), поэтому оно наблюдается преимущест­ венно в подземных водах.

Для рек характерно почти исключительно турбулентное дви­ жение, пульсирующее в каждой точке потока, непрерывно изме­ няющееся по величине и направлению.

Скорость течения возрастает в направлении от дна к поверх­ ности сначала очень быстро и на некотором расстоянии от него достигает величины, близкой к средней скорости потока. В даль­ нейшем скорость нарастает медленно. Турбулентное движение почти не зависит от вязкости жидкости.

Переход ламинарного движения в турбулентное происходит при некоторых соотношениях между глубиной и скоростью. Глу­ бины и скорости, при которых осуществляется этот переход, на­ зываются критическими. Критическая скорость уменьшается с увеличением глубины. Например, при глубине 10 см критическая скорость равна 0,40, а при глубине 100 см —всего 0,04 см. Тур­ булентный характер движения воды в поверхностных водотоках обусловлен малыми значениями критических скоростей при глу­ бинах, обычных для этих потоков. Турбулентным движением обе­ спечивается перемешивание воды рек, интенсивность которого возрастает с увеличением скорости течения. В результате пере­ мешивания выравниваются как по глубине, так и по живому се­ чению температура воды, содержание в воде растворенных ве­ ществ и газов.

Зависимость средней скорости течения в живом сечении реки (уср, м/с) от уклона, шероховатости русла и его формы вы­ ражается формулой Шези:

1 + Я Г

где —коэффициент шероховатости, величина которого дается

вспециальных таблицах. Величины f изменяются от 1,25 для естественных русел в благоприятных условиях (чистых, прямых

вплане, земляных со свободным течением) до 12 в реках болот­ ного типа, заросших, с кочками, местами с почти стоячей водой

идо 20 в селевых потоках.

45

Заменив в формуле (6) R через Нср, получим

^Ср == С ф Я с р / .

Сопротивление движению воды, связанное с трением о дно и берега, уменьшает скорость течения. Поэтому в живом сечении русла правильной формы скорость течения от середины потока к берегам и от поверхности ко дну уменьшается. Распределение скоростей по вертикали изображается в виде эпюры скоростей

Рис. 10. Эпюры скоростей течения на вертикалях (а) и изо-

верхности воды. Некоторое уменьшение скорости течения в по­ верхностном слое воды обусловлено трением движущейся воды и воздуха, у дна — трением о грунт.

Ледяной покров создает дополнительное трение поверхност­ ного слоя воды о лед, скорости течения уменьшаются, распреде­ ление их по вертикали меняется: максимальные скорости рас­ полагаются глубже, чем при открытой поверхности воды. Если река покрыта кристаллическим льдом, максимальная скорость течения наблюдается на глуоине около 0,3—0,4 Я от .поверхно­ сти, при шуге — около 0,6 Я (см. рис. 10, а).

В гидрометрической практике скорости течения обычно из-

46

меряются гидрометрическими вертушками или поверхностными поплавками. Наиболее точен первый способ, позволяющий опре­ делять скорость в любой точке потока. Гидрометрическая вер­ тушка состоит из лопастного винта, вращающегося на оси, кор­ пуса, счетно-контактного устройства и хвоста.

Вертушка опускается в реку на металлическом стержне (штанге) при глубине реки до 3 м и на тросе с помощью лебед­ ки при больших глубинах. Лопастной винт вращается в резуль­ тате воздействия на него движущегося потока. Количество обо­ ротов винта фиксируется счетно-контактным устройством.

Большинство современных вертушек снабжено электриче­ ской сигнализацией. Вертушка включается в цепь электрическо­ го тока, питающегося от батареи (1,5—2 В). Через определенное число оборотов (в наиболее распространенных у нас вертушках через 20) при помощи контактного устройства цепь замыкается на звонок или лампочку. Промежутки между сигналами фикси­ руются по секундомеру и определяется число оборотов винта в секунду. При выходе с завода вертушка тарируется, т. е. опреде­ ляется зависимость между числом оборотов винта в секунду (п) и скоростью течения (о) в метрах в секунду. Зависимость изо­ бражается в виде тарировочной кривой или таблицы, по которой производится пересчет.

Измерение скоростей поверхностными поплавками приме­ няется обычно при рекогносцировочных исследованиях или в слу­ чаях, когда невозможно измерить вертушками (ледоход, засо­ ренность русла и т. п.). Этот способ прост, не требует специаль­ ного оборудования. В качестве поплавков обычно используются деревянные кружки диаметром 10—15 и толщиной 3—4 см. При помощи секундомера определяется время (t) прохождения бро­ шенным в реку поплавком расстояния (L) между двумя закре­ пленными поперечниками (створами). Места прохождения поплавками створов отмечаются по натянутому над водой попе­ рек реки размеченному тросу или засечками с берега. Скорость определяется по зависимости v = L/t.

Основной недостаток этого метода состоит в том, что с его помощью можно измерять только скорость в поверхностном слое. Кроме того, результаты измерения сильно зависят от на­ правления и скорости ветра.

4. Расходы воды

Основным показателем водности реки, определяемым в ре-^ зультате непосредственных измерений, являются р а с х о д в о д ы (Q, м3/с) — количество воды, проходящее через живое сечение потока в единицу времени:

47

Скорости течения для определения расхода воды измеряют­ ся гидрометрическими вертушками или поверхностными поплав­ ками. Площадь -живого сечения вычисляется по данным проме­

ров1.

При измерении скоростей течения гидрометрической вер­ тушкой в гидрометрическом створе (гидростворе), в котором производится определение расхода воды, намечаются скорост­ ные вертикали. На каждой вертикали скорости измеряются в за­ висимости от глубины реки в одной или нескольких точках. Затем по соответствующим формулам, приводимым в курсах гидрометрии, вычисляются средние скорости на вертикалях и между вертикалями. Определяются площади живого сечения ■между промерными точками и путем суммирования их площади между скоростными вертикалями. Произведение средней скоро­ сти между вертикалями на площадь сечения между нами равно расходу воды между вертикалями, а сумма этих расходов — расходу воды ,во всем живом сечении:

Q = 2/3 цср1 и)0 -f- цср1 «ц -ф цср2“2 + ••• + 2/3 v cpnсо„,

где vcpl, vcp2, ..., vcpn— средние скорости течения между ско­ ростными вертикалями;

о)2, ..., —-площади -живого сечения между эти­ ми вертикалями;

“о и “л — площади живого сечения между край­ ними вертикалями и берегами.

Мертвое пространство при вычислении расхода исключается из площади сечения русла.

Для вычисления -средних скоростей течения на вертикалях и расхода воды можно использовать эпюры скоростей на верти­ калях (см. рис. 10, а). Площадь, заключенная между осями ко­ ординат и кривой изменения -скорости течения по вертикали на эпюре, изображает в масштабе чертежа элементарный расход воды (q, м2/с), проходящий через вертикаль. Частное от деле­ ния элементарного расхода q на глубину вертикали Я равно средней скорости на вертикали. Отложив на рис. 10, б вверх от -линии поверхности воды векторы элементарных расходов и сое­ динив их концы плавной кривой, получим эпюру элементарных расходов воды в живом сечении. Площадь, ограниченная эпю­ рой и линией поверхности воды на рис. 10, б, изображает в мас­ штабе чертежа расход воды Q.

Между уровнями и расходами воды существует определен­ ная зависимость. При увеличении уровня (за исключением слу­

Q=f(H). Аналогично строятся и кривые зависимости площади

48

определять расходы воды по данным об уровнях, полученным на водомерном посту, не прибегая к дорогостоящим и трудоем­ ким измерениям скоростей течения. Кривые расходов должны строиться по многолетним данным измерений расходов и охва­ тывать по возможности всю амплитуду колебаний уровня.

нм

Рис. 11. Кривые зависимостей расходов воды (Q), площадей жи­ вого сечения («) и средних скоростей течения ( нср) от уровня воды (Я)

по которым можно вычислить средние расходы за декаду, месяц, сезон, год как для конкретного года, так и для многолетнего пе­ риода. Так же, как и при изучении уровня воды, выделяются ха­ рактерные расходы, определяется повторяемость и обеспечен­ ность (См. параграф «Уровни воды»).

Изменение расхода воды во времени изображается в виде хронологического графика колебаний расходов — г и д р о г р а ­ фа (рис. 12). Гидрограф строится по ежедневным расходам во­ ды, определенным по кривой Q = f (Я). Гидрографы строятся как для отдельных лет, так и осредненные за многолетний пери­ од, а также типовые, построение которых аналогично построе­ нию типовых графиков колебаний уровней воды.