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

оттока из озер нет. В приточно-сточные озера реки впадают и вы­ текают из них.

К морфометрическим элементам озера относятся: площадь зер­ кала, длина, ширина, большая и малая оси и т. д.

Д л и н а о з е р а — кратчайшее расстояние .между двумя наи­ более удаленными точками, измеряемое отдельными короткими

удаленными точками контура, измеряемое по прямой линии.

М а л а я о с ь озера — линия, перпендикулярная к большой оси, проведенная в месте наибольшей ширины.

Все морфометрические элементы озера изменяются с измене­ нием уровня воды.

45. Режим озер и водохранилищ

Уровенный режим озер формируется приходно-расходными эле­ ментами водного баланса (притоком, осадками, испарением, фильт­ рацией через дно и берега), волнами, сгонами и нагонами и дру­ гими явлениями, описание которых приведено ниже.

Если сумма приходных элементов больше расходных, то к концу года уровень воды повышается, и наоборот, когда расход воды больше притока, уровень понижается. В течение многих лет уровень озера остается более или менее постоянным, исключая случаи резкого изменения, вызываемого гео­ логическими явлениями.

В отдельные периоды уровни воды в озере колеблются в до­ вольно широких пределах, что зависит от метеорологических усло­ вий всего бассейна. Значительные колебания происходят в резуль­ тате выполнения некоторых хозяйственных мероприятий. Так, в первые годы эксплуатации каскада гидростанций понизился уро­

чем можно убедиться, наблюдая, как ветер колеблет плавающий на поверхности воды предмет, оставляя его на том же месте.

Волна состоит из характерных элементов, представленных на

волны h представляет разность отметок гребня и подошвы. Рас­ стояние I между двумя вершинами называется д л и н о й волны. Тангенс угла наклона касательной к трафилю с горизонтальной линией называется к р у т и з н о й в олны. Время, в течение кото­

162

кнаклону водной поверхности. В силу этого усиливается течение

внаправлении понижения, что приводит к восстановлению единого уровня. У глубоких озер с обрывистыми берегами (оз. Байкал) даже при штормовых ветрах сгонно-нагонное изменение уровня не превышает нескольких десятков сантиметров. На Аральском море подъем уровня при нагонах достигает 2 м.

С е й ши — это стоячие волны. Если в какой-нибудь части озе­ ра создается отклонение от среднего уровня под действием атмо­ сферного давления или ветра, то после прекращения действия этих сил вода приходит в колебательное движение. Сейши бывают од­ ноузловые (рис. 74 а), двух- и многоузловые (рис. 74 б). Узлы — это точки неизменного уровня.

Амплитуда колебания сейш составляет от нескольких санти­ метров до нескольких метров. Например, на Женевском озере она составляет 2 м.

Баланс воды в озерах и водохранилищах. Баланс воды пред­ ставляет результат расчета приходных и расходных статей. К при­ ходным элементам водного баланса относятся: осадки х на пло­ щадь зеркала, сток с площади водосбора у, грунтовой приток Р и

сток из озера у\ и подземный отток у2. Все величины измеряются в кубических метрах (м3). Таким образом, изменение объема за какой-то промежуток времени

л 1 / = (х + У + Р) - ( г + У, + у 2). ( Н О )

Пользуясь уравнением водного баланса, обычно устанавлива­ ют неизвестную, трудно поддающуюся изучению величину’—грун­ товой приток или подземный отток. Б. Д. Зайков составил водный баланс Каспийского моря за 1930— 1945 гг. Наблюдениями И. А. Кузиика за элементами водного баланса, водохранилищ в Заволжье установлена величина фильтрации н динамика ее сни­ жения во времени.

Тепловой и ледовый режим озер. Основным источником, вызы­ вающим нагревание воды, является солнечная энергия. В связи со слабой теплопроводностью передача тепла по глубине происходит очень медленно. Обладая большой теплоемкостью, вода является аккумулятором тепла. Благодаря ветровому перемешиванию, тем­ пература воды в верхних слоях озера выравнена до определенной глубины. Толщина этого слоя зависит от высоты волны, а следо­ вательно, п размеров озера. На средних озерах равномерно про­

на 20°. Под этой зоной температура постепенно понижается с глу­ биной. Таким образом на поверхности залегает прогретый и вместе

стем наиболее легкий слой воды, который не может опуститься вниз и обеспечить путем тепловой конвекции (перемещение) вы­ равнивание температуры во всей толще воды. С понижением тем­ пературы по глубине повышается плотность водной массы. Такое распределение температуры называется прямой термической стра­ тификацией. Озера тропических стран относятся к группе теплых

спрямой термической стратификацией. В умеренных шпротах пря­ мая стратификация в озерах имеет место летом.

Если температура всей водной массы находится в пределах 0 — 4°С, то в поверхностном более легком слое температура будет ниже, а дальше по глубине располагаются более плотные слон с более высокой температурой, близкой к 4°С. Такое расположение называется обратной термической стратификацией. Холодные озе­ ра Приполярья относятся к группе озер с обратной термической стратификацией.

В умеренных широтах осенью при охлаждении воды с увеличе­ нием плотности верхние слон опускаются вниз. При длительном охлаждении вся вода до дна примет однородную температуру наи­ большей плотности, а при еще большем охлаждении на поверхно­ сти останется наиболее легкий и более охлажденный слой (обрат­ ная термическая стратификация). Озера умеренных широт отно­ сятся к группе смешанных с переменной стратификацией по вре­ менам года — прямой летом, обратной осенью.

После установления нулевой температуры озеро начинает за­ мерзать с поверхности. При безветренной погоде или при слабом ветре лед вначале образуется у берегов, на отмелях, а затем и в более глубоких местах. При полном безветрии в первую холодную ясную ночь тонкая пленка льда покрывает всю поверхность озера.

164

В дальнейшем лед утолщается, превращаясь в ровный, гладкий ледяной покров. Как показывают наблюдения, замерзать начинают одновременно как озерные водоемы, так и водотоки. Однако сплошной ледостав наступает раньше на озерах и водохранили­ щах. Ледостав в верхнем бьефе Свирского водохранилища опере­ жает в среднем на 8 дней образование ледостава в естественных условиях р. Свири.

Утолщение льда происходит снизу. При сильном ветре и вол­ нении ледяной покров иногда разрушается. На крупных водоемах в глубинных местах лед вообще не образуется. Зато при сильном волнении переохлаждение распространяется на некоторую глуби­ ну, что способствует образованию внутриводного льда. Такие яв­ ления наблюдаются на Ладожском озере.

Таяние льда начинается при повышении температуры воздуха выше 0°С. В стоячих водоемах лед обычно тает на месте, а в про­ точных его увлекает течение воды.

Прозрачность и цвет воды в озерах. Прозрачностью, или глу­ биной видимости, называется та глубина, на которой белый диск диаметром 30 см становится невидимым наблюдателю (возвыше­

Под цветом воды понимают цвет, улавливаемый наблюдателем с борта судна или лодки. Цвет озера бывает зеленым в глубоких озерах с чистой водой, желтовато-зеленым в неглубоких и менее чистых водоемах и коричневым в озерах с болотной водой.

46. Болота и их гидрологические особенности

Б о л о т о м называется избыточно увлажненный участок зем­ ной поверхности, покрытый слоем торфа глубиной не менее 30 см в неосушенном и 20 см в осушенном виде. Избыточно увлажнен­ ные участки земли, имеющие слой торфа меньше 30 см или вовсе

с поверхности земли и неглубокое залегание слоя многолетне-мер­ злых пород. Этот слой является водоупором, вследствие чего про­ исходит накапливание воды в верхних слоях почвы.

В степной зоне заболачивание возможно в поймах рек вслед-, ствие застаивания воды.

Болота особенно распространены на северо-западе Европей­ ской территории СССР. Здесь заболоченность достигает 40%, а в тундре она еще больше. Южнее Киева — Рязани — Пензы верхо­ вых болот уже нет. Обширные бессточные низменности (Полесье,

165

Мещера, Молого-Шекснинская низменность) богаты болотами. В Восточной Сибири встречаются мелкие торфяники.

Гидрологические расчеты в проектах осушения болот необхо­ димы для определения размеров осушительных каналов. Основ­ ные расчетные характеристики следующие: средний многолетний сток, средний многолетний максимальный модуль стока, модуль стока предпосевного и посевного периодов. Карты изолиний сред­ него многолетнего стока отражают основные, осредненные для крупных водосборов характеристики, в том числе заболоченность и залесенность. Из этих соображений средний многолетний сток для заболоченных водосборов в лесной зоне определяют по карте изолиний годового стока. В центральных же районах РСФСР, гра­ ничащих с зоной лесостепи (южные части Калининской, Москов­ ской и прилегающих к ней областей, Мещерской низменности), сток с заболоченных небольших водосборов меньше, чем по карте изолиний, приблизительно на 15— 17%.

Расчетными для осушительной системы являются модули стока предпосевного и вегетационного периодов из следующих соображе­ ний: почва должна быть своевременно подготовлена к посеву ран­ них зерновых культур, поэтому и каналы должны отвести воду с заболоченных массивов в предпосевной период. Недопустимо дли­ тельное затопление лугов и сенокосов. Поэтому осушительная сеть должна быть рассчитана на отвод дождевого стока вегетацион­ ного периода.

По исследованиям К- Е. Иванова, сток вегетационного периода в Смоленской, Орловской, Калужской, Брянской и Тульской об­ ластях составляет 0,02 л/(с-га); в Московской, Рязанской, Кали­ нинской, Ярославской и Владимирской — 0,04; в Горьковской, Ки­ ровской, Костромской и Ивановской — 0,05; Ленинградской, Нов­ городской и Псковской областях — 0,035 л/(с-га).

Сток предпосевного периода <7пр рассчитывают в зависимости

где k и k\ зависят от допустимой продолжительности затопления культур Т в сушах:

Для первых двух групп областей, перечисленных выше, при­ нимается k, а для последних — k\.

166

Раздел III. ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ РАСЧЕТЫ

ТЕМА 12. ПОНЯТИЕ О ВОДОХОЗЯЙСТ­ ВЕННЫХ РАСЧЕТАХ

47. Некоторые сведения о регулировании стока

Режим реки не всегда соответствует запро­ сам народного хозяйства. На большинстве рек

СССР ооновная часть стока (иногда до 100%) проходит в период весеннего половодья, когда потребление воды обычно невелико, а в межень воды недостаточно. При бытовом и промышленном водоснабжении потребление воды больше днем) чем ночью, боль­ ше в рабочие дни, чем в нерабочие, и т. д. Неодинакова обеспе­ ченность водой и в разные годы. В связи с этим, например, огра­ ничиваются возможности орошения в маловодные по стоку годы.

Неравномерно распределены водные запасы и по территории. Они значительно превышают потребление на севере и совершенно недостаточны в степной зоне СССР. Осуществление грандиозных планов по мелиорации земель, в особенности по орошению, и про­ мышленному строительству вызывает необходимость привести в соответствие приток воды с потреблением в отдельных бассейнах рек, в отдельных природных зонах и даже по Советскому Союзу в целом. Это перераспределение неравномерного во времени и пространстве стока рек в соответствии с режимом водопотребления и водопользования называется р е г у л и р о в а н и е м .

Регулирование стока служит также для борьбы с водной эро­ зией почв на водосборах, для предупреждения наводнений и селей. Для регулирования стока устраивают пруды и водохранилища, в которых накапливают воду в период, когда ее поступление боль­ ше потребления. Затем эти запасы расходуют в периоды малого притока и большого потребления.

В зависимости от того, на какой отрезок времени рассчитано регулирование стока водохранилищем, различают следующие его виды: суточное, недельное, сезонно-годичное и многолетнее.

Во всех случаях регулирования стока необходимы в о д о х о -

168

з я й с т ' в е н н ы е р а с ч е т ы . Они служат обоснованием проекти­ руемых емкостей водохранилищ.

Основные элементы водохозяйственных расчетов. Элементами водохозяйственного расчета являются приток или сток с водосбора и потребление воды. В суммарное потребление включается расход на испарение с поверхности водоема и фильтрацию в грунт через ложе водохранилища и земляную плотину. Если приток к водо­

во время повышенного во-

допотребления (рис. 75). Пусть Qcр-Сут — средний суточный расход источника в м3/’ч. За 24 ч приток составит Qcp-cyT-24 м3. Если Qo — пониженное потребление за п часов, то всего за эти п часов из источника будет израсходовано Qoti м3. Остаток воды Qсрсут X X 24— Qoti будет расходоваться с повышенным расходом Qo' в тече­ ние 24—п часов.

Следовательно,

При недельном регулировании излишний, не используемый сток в выходные дни накапливается в водохранилище и расходуется в рабочие дни недели (рис. 76).

При сезонно-годичном регулировании вода накапливается в водохранилище в многоводный сезон, например весной во время снеготаяния, и расходуется в маловодные сезоны года. В много­ водные годы излишек воды сбрасывается из водохранилища, а в исключительно маловодные годы возможен дефицит стока.

На рис. 77 показан такой график для случая сезонного регу­

169

колебания расходов, или график притока; линия 2 соответствует ходу потребления воды из водохранилища. Очевидно, на участ­ ке ад потребление превышает приток. Недостающее потребление возмещается за счет запасов воды, накопленных в водохранилище. На участке дбв приток больше потребления. Водохранилище по­ полняется за счет имеющихся излишков воды и т. д.

Q m 3/ c

Рис. 76. Недельное регулирование.

/ — водопотребленне; 2 — приток; 3 — накопление.

Рис. 77. Сезонно-годичное регули­ рование стока.

1 — приток; 2 — потребление; 3 — на­ копление.

При многолетнем регулировании расчет ведут с учетом еже­ годного стока за многолетний период, в том числе и за наиболее продолжительный период засушливых маловодных лет. В этом случае дополнительные запасы создаются в водохранилище в многоводные годы.

48. Водохозяйственные расчеты при проекти­ ровании водохранилищ (прудов) сезонно-го­ дичного регулирования

Кривые площадей и объемов. Для расчета емкости водохрани­ лища при регулировании стока необходимо определить площади зеркал и объемов при разной глубине наполнения. Для этого строят кривые зависимости между площадями, объемами и уров­ нями воды. На рис. 78 изображен план водохранилища с сечением рельефа через 1 м. По этому плану определяют площади, ограни­ ченные осью плотины и каждой из горизонталей. Результаты планиметрирования заносят в ведомость (табл. 47). Площадь зеркала ы = 0 при отметке дна тальвега 93,7 м.

170

По данным первых двух граф таблицы (по отметкам горизон­ талей Н и соответствующим им площадям со) вычерчивают кри­ вую площадей со—-f (Н) (рис. 79). На оси абсцисс отложены площади в гектарах, на оси ординат — отметки горизонталей. Пользуясь этой кривой, можно установить площадь зеркала во­ дохранилища при любой высоте уровня воды.

Рис. 78. План водохранилища в горизонталях.

Объем водохранилища при наполнении до отметки 94,0 м при­ ближенно вычисляют по формуле

где V\ — объем в тыс. м3; coi — площадь, очерченная горизонталью 94,0 м, в тыс. м2; h\ — разность отметок горизонтали 94,0 и наинизшей отметки дна 93,7.

171