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

него стока на большинстве рек Нижнего Заволжья и на всей тер­ ритории между нижним течением Днепра и Азовским морем.

Для всех равнинных рек СССР (Днепра, Дона, Волги и др.) характерны весенние половодья.

В отличие от половодья, паводок не повторяется периодически в определенный сезон года. Это быстрое, кратковременное подня­

пели), таяния ледников, сильных кратковременных дождей, от . сброса воды из водохранилища.

Ливневые паводки характерны для рек Крыма, Черноморского побережья и карпатских притоков Днестра.

М еж е.ны о называется фаза режима, в продолжение которой река питается в основном грунтовыми водами. В зависимости от времени года межень бывает летняя или зимняя. Наиболее четко границы зимней межени (по продолжительности ледостава) вы­ ражены на равнинных реках. Для межени характерно небольшое колебание расходов, тогда как расходы и уровни половодья и паводков меняются в широких пределах. Меженный сток боль­ шинства рек СССР невелик. На малых реках его иногда совсем не бывает. Многие крупные реки засушливых областей ЮгОг-Вос- тока СССР с площадями водосборов 10 000 ,км2 после прохожде­ ния весеннего половодья пересыхают.

В з и м н е м р е ж и м е рек различают следующие периоды: за­ мерзание, ледостав и вскрытие. Процесс замерзания реки проте­ кает следующим образом. При отрицательной температуре воз­ духа верхние слои воды охлаждаются. У берегов, где скорости те­

вается: верхние струи опускаются вниз, а нижние поднимаются вверх. Поэтому начавшееся охлаждение постепенно проникает че­ рез всю толщу воды. Температура воды по глубине выравни­ вается, опускается до нуля или ниже. Взвешенные в воде наносы являются «затравками», ядрами кристаллизации. Соприкасаясь с этими пылинками, переохлажденная вода превращается в крис­ таллы внутриводиого льда. Он образуется у дна реки, на плаваю­ щих в воде предметах и т. д. Особенно сильно внутриводный лед нарастает на незамерзающих быстротоках и порожистых участках рек, где он иногда загромождает русло, образуя з а ж о р ы , кото­ рые вызывают сильное повышение уровня воды в реке и даже на­ воднения. Впоследствии маоса внутриводиого льда ( шуга) всплы­ вает на поверхность реки. Здесь, соприкасаясь с холодным возду­ хом, шуга смерзается сильнее, превращаясь в льдины. На реке образуется о с е н н и й л е д о х о д .

Льдины постепенно увеличиваются и смерзаются в суженных и мелких участках русла, где раньше всего наступает с п л о ш н о й л е д о с т а в . При этом прекращается образование внутриводиого льда, так как ледяной покров является теплоизолятором, не до­ пускающим понижения температуры воды.

70

Некоторые участки реки — п о л ы н ь и — не замерзают почти всю зиму. На этих участках продолжает образовываться внутриводный лед.

Ледяной покров нарастает главным образом снизу. При снеж­ ном покрове толщиной 40 ом нарастание льда прекращается.

Толщина льда может быть определена по эмпирической фор­

(продолжительность ледохода, образования сплошного ледяного покрова, зимнего ледостава) зависит от метеорологических усло­ вий года в бассейне реки. Немалую роль играет водность (расход) реки. Равнинные малые реки замерзают раньше, чем большие. На крайнем Севере реки покрыты льдом в течение семи-восьми меся­ цев; на юге (Закавказье, Северный Кавказ) часть рек вообще не замерзает.

Весной во время снеготаяния уровень воды в реке поднимается, лед взламывается, после чего начинается ледоход. Зачастую в местах поворота русла лед скапливается, нагромождается и обра­ зует з а т о р ы . Во время заторов возможны значительные повы­ шения уровня в реке, являющиеся иногда причиной наводнений. Заторы особенно характерны для рек, которые текут с юга на се­ вер, потому что вскрываются они раньше в верховьях и плыву­ щий лед нагромождается ниже на невскрывшихся еще участках реки.

Действие поверхностного и внутриводного льда на гидротехни­ ческие сооружения заключается в следующем. Внутриводный лед нарастает на сороудерживающих решетках водоприемных устройств. Вследствие этого уменьшается доступ воды к турби­ нам. Резко снижается выработка электроэнергии. Зачастую внутри­ водный лед вызывает аварии водоприемников водоснабжения. Для борьбы с внутрвводным льдом на гидростанциях применяют обо­ гревание решеток, подводных частей сооружений, где он чаще всего скапливается.

Значительные аварии гидротехнических сооружений возможны во время ледохода. Весной ударами льда разрушаются незащи­ щенные участки плотин. Лед часто забивает входные отверстия, снижая пропускную способность водоспусков и водосбросных ка­ налов. Иногда переполняются водохранилища, вода переливается через гребни плотин, что приводит к разрушению сооружений.

На водохранилищах строят специальные ледоудерживающие сооружения; применяют также измельчение льда при помощи взры­ вов. Лед особенно опасен в неотепленных трубопроводах, напри­ мер на ирригационных насосных станциях. Поэтому воду из них удаляют до наступления низких температур.

71

Характерные уровни и расходы. Каждой фазе режима рек свой­ ственны типичные или характерные расходы и соответствующие уровни воды в реке. Звание характерных уровней и расходов воды необходимо для проектирования, а также при эксплуатации гидро­ технических сооружений.

Наивысшие уровни и расходы воды необходимо знать для про­ ведения мероприятий по борьбе с затоплением населенных пунк­ тов, сельскохозяйственных угодий и т. д. Без этих данных невоз­ можно проектировать сооружения для сброса максимальных рас­ ходов (водоспусков, водосливных плотин, водосбросных каналов). Минимальные' расходы учитывают при проектировании гидро­ станции, орошения и водоснабжения. Наинизшие уровни необхо­ димы для определения возможностей судоходства.

Зная средние даты наступления и окончания отдельных фаз режима реки, средние многолетние значения характерных уров­ ней, перечисленных выше, можно построить т и п о в о й г р а ф и к уровней и расходов воды. Типовой график расходов отражает об­ щие характерные черты гидрографов в среднем за ряд лет и сво­ боден от случайных метеорологических особенностей каждого года.

В опросы д л я сам опроверки

1.Каковы гидравлические элементы потока? Что такое живое сечение, смо­ ченный периметр, гидравлический радиус, уклон, скорость течения воды и расход потока?

2.Каково соотношение между расходом, площадью живого сечения и сред­ ней скоростью?

3.Какова зависимость между средней скоростью и гидравлическими эле­

ментами потока при равномерном движении? Напишите формулу Шези.

4.Что называется истоком и устьем реки?

5.Что такое дельта?

6.Что такое речная долина и русло реки? Есть ли между ними разница?

7.Назовите составные части долины.

8.Из каких частей состоит русло реки?

9.Как образуются излучины?

10.Как вычислить уклон участка реки? Как вычислить средний уклон бас­

сейна?

11.Как перейти от дробных величин уклона к процентам и промилле?

12.Почему реки имеют поперечный уклон?

13.Что такое водосбор, водораздел?

14.Всегда ли совпадают поверхностные и подземные водоразделы?

15.Перечислите основные геометрические характеристики водосбора и объяс­

ните, как они определяются?

16. Назовите основные физико-географические характеристики бассейна.

17.По каким признакам классифицируются реки земного шара?

18.Как классифицируются реки по источникам питания?

19.От чего зависит высота стояния уровней воды в реке?

20.Что такое «нуль графика»?

21.Как составляется график колебания уровней?

22.Что такое повторяемость и продолжительность стояния уровней?

23.Как вычислить повторяемость и продолжительность уровней и как соста­

вить график повторяемости и обеспеченности?

24.Какие основные фазы режима реки?

25.Как образуется донный лед?

26.Как образуется ледяной покров?

72

типовой график уровней и расходов?

Лабораторно-практические занятия

Упражнение 8. 1. Определить площади бассейнов р. Раздольной и ее притоков первого порядка. 2. Построить график нарастания площади бассейна. 3. Определить для бассейна р. Раздольной: а) длину, б) среднюю ширину, в) наибольшую ширину, г) сред­ ний уклон, д) лесистость, озерность, заболоченность и е) густоту речной сети. 4. Определить для р. Раздольной: а) длину, б) паде­ ние и в) средний уклон.

Да но : выкопировка из карты бассейна р. Раздольной до впа­ дения в нее р. Лесной (рис. 45).

Рис. 45. Выкопировка из карты бассейна р. Раздольной.

/ — водоразделы частных бассейнов; 2 — водоразделы общего бассейна.

Р е ше н и е . 1. Сначала наносим линию водораздела общего бассейна р. Раздольной, затем водоразделы частных бассейнов при­ токов первого порядка. В данном упражнении линия водораздела общего бассейна проходит по отметкам 900, 800 м у истока, сни­ жаясь до отметок 700, 600, 580 м у расчетного створа.

73

Т а б л ii ц а 13

Вычисление площади бассейна р. Раздольной Планиметр «Геофизика» № 6228, цена деления f0 = 10,31 км2

74

Река Раздольная имеет два левых притока первого порядка (Усовка и Ниловка) и два правых (Безымянная и Развильная). Общий бассейн р. Раздольной делится водораздельными линиями на четыре частных бассейна притоков .первого порядка и шесть межбассейновых пространств. Нумерацию межбассейновых прост­ ранств производим сначала по правому (1, 2, 3), а затем по лево­ му берегу (4, 5, 6).

Площади определяем планиметром трехкратной обводкой каж­ дого контура. Расхождение в количестве делений между отдельны­ ми обводками не должно превышать: двух— при площади до 200 делений; трех — при площади 200—2000 и четырех — при площади свыше 2000 делений.

Результаты планиметрирования и вычисления площадей по пра­ вому и левому берегам р. Раздольной приведены в табл. 13.

Из табл. 13 видно, что площадь бассейна правого берега р. Раздольной составляет: /•’пр = 8763, левого берега Fa= 4815 км2. Общая площадь бассейна F = 13 578 км2.

Следует помнить, что полного совпадения площади общего бас­ сейна реки с суммой площадей частных бассейнов и межбассейно­ вых пространств при планиметрировании добиться очень трудно. Невязка (расхождение) в ‘ /2 0 0 от общей площади бассейна счи­ тается допустимой и распределяется между площадями частных бассейнов пропорционально их величине.

2. Площадь бассейна р. Раздольной разбиваем на пять учас ков. Каждый участок заканчивается у впадения притока первого

постоянным раствором ножек (обычно 2—3 мм) измеряем дваж­

длины реки во многом зависит от величины раствора измерителя и извилистости реки. С увеличением раствора измерителя и изви­ листости реки точность определения длины -понижается, так как малые изгибы иногда вообще не учитываются. В результате дли­ на реки получится преуменьшенной. Поэтому для определения действительной (истинной) длины реки Lp или ее участка изме­ ренную длину L следует умножить на поправочный коэффициент к, значение которого зависит от -степени (класса) извилистости. Тогда длина реки Lp = Lk.

Образцы -извилистости рек и соответствующие им значения по­ правочных коэффициентов показаны на рис. 46. Результаты изме­ рений и вычислений длины р. Раздольной приведены в табл. 14.

75

Т а б л и ц а 14

Результаты измерений длины р. Раздольной

П 1,01

ш 7,02

ш 1,03

Y 1,04

Ж 1,07

Ж 1,11

Ж 1,21

Ж 7 ,2 5

Рис. 46. Образцы извилистости рек и поправочные коэффи­ циенты по шкале Ю. М. Шокальского.

На графике (рис. 47) по вертикальной оси откладываем длину реки, а по горизонтальной — площади бассейнов. Графики нарас-

76

тания площади бассейна строим отдельно для правого и левого берегов, согласно табл. 13. Для правого берега на вертикальной оси откладываем расстояния от расчетного створа до мест впаде­ ния р. Развильной (30,3 км) и р. Безымянной (142,0 км).

Первой точкой а графика является исток реки, где площадь бассейна равна нулю. От истока до места впадения р. Безымянной площадь бассейна р. Раздольной возрастает за счет первого меж­ бассейнового пространства, равного 1443 км2. Эту величину откла­ дываем влево на расстоянии 142 км от расчетного створа. Полу­ ченную точку b графика соединяем с точкой а. В этом же месте

в реку впадает р. Безымянная с площадью бассейна 1052 км2. Сле­ довательно, на расстоянии 142 км от расчетного створа площадь бассейна р. Раздольной составляет 1443+ 1052 = 2495 км2.

Площадь бассейна р. Безымянной на графике изображается отрезком Ьс. На участке от р. Безымянной до р. Развильной пло­ щадь бассейна увеличивается за счет 2-го межбассейнового про­ странства в 1237 км2. Площадь бассейна р. Раздольной до впаде­ ния в нее р. Развильной составляет 2495+ 1237 = 3732 км2. На расстоянии 30,3 км от расчетного створа откладываем 3732 км2. Полученную точку d соединяем наклонной линией с точкой с. В этом же месте в р. Раздольную впадает р. Развильная с площадью баосейна 4567 км2. Следовательно, суммарная площадь бассейна р. Раздольной составит: 3732 + 4567 = 8299 км2. Эта величина отло­

77

нейшем увеличение площади бассейна р. Раздольной происходит за счет третьего межбассейнового пространства в 464 км2. Суммарная площадь бассейна р. Раздольной от истока до расчетного створа по правому берегу составляет 8299+ 464 = 8763 км2. Отложив на го­ ризонтальной оси эту площадь, получим конечную точку f графи­ ка, которую соединяем с точкой е. Линия abcdef графически изо­ бражает ход нарастания площади бассейна р. Раздольной от ис­ тока до расчетного створа по правому берегу.

Аналогично строим график и для левого берега. Сложив гра­ фики правого и левого берегов, получим суммарный график на­ растания площади бассейна реки. На рис. 47 суммарный график показан пунктиром. Построив график, можно легко определить площадь бассейна, не прибегая к ее измерению и вычислению. На­ пример, на расстоянии 100 км от расчетного створа (на рис. 47 штрихпунктирная линия) площадь бассейна правого берега Fnp= = 2950 км2, площадь бассейна левого берега +4=1930 км2. Сум­ марная площадь F=4880 км2.

проведенной от расчетного створа до наиболее удаленной точки бассейна через середины поперечников, секущих площадь бассей­ на перпендикулярно направлению главной реки. В данном упраж­ нении длина бассейна р. Раздольной до расчетного створа L — = 215 км. Часто длину бассейна определяют по длине главной реки.

б. Среднюю ширину бассейна вычисляем по формуле (32)

д _ 13 578_со о ^ср 215 ~~ 63,2 КМ.

в. Средний уклон бассейна вычисляем по формуле (33). Сече­ ние рельефа АН = 100 м; площадь водосбора F = 13 578 км2; сум­ ма длин горизонталей X/ = 414 км. Средний уклон бассейна

/ 6 = Т ^ 8 - 4 Н = 3,05+00 = 0,305% - 0,003.

г. Густоту речной сети вычисляем по формуле (34). В резуль­ тате выполненных измерений длина р. Раздольной и ее притоков оказалась равной 687 км. Отсюда

Т = -jggyg = 0,05 км/км2.

д. Лесистость, озерность и заболоченность бассейна опреде­ ляются по формулам (35 6), (35 в), (35г). На данном бассейне озера и болота отсутствуют, т. е. /+ = 0 и /д= 0. Для определения

78

лесистости бассейна наносим на карту контуры леса. Суммарная площадь лесов, определенная планиметрированием,

14.90

/ л = 1420 км2, а 8Л= ТУ578-100=Ю,5%.

4. Характеристики р. Раздольной вычисляем следующим о разом.

а. Длина р. Раздольной 1р= 254 км (см. табл. 14).

б. Средний уклон р. Раздольной вычисляем по формуле (23). При отсутствии данных об отметках уровней средний уклон ориен­ тировочно определяют как частное от деления разности отметок поверхности земли в тех же точках на расстояние между ними по геометрической оси репей. В данном упражнении отметка поверх­ ности земли у истока реки Hi = 897 м, в расчетном створе Н2 =

—574 м. Отсюда

/= ж У т а = 0-00127 = 1 •27,v» «

Уклон выравненного продольного профиля 0,98 % о-

ТЕМА 6. РЕЧНОЙ СТОК

22. Единицы измерения стока

Водность реки в тот или иной момент времени характеризуется расходом воды. В связи с непрерывным изменением поверхност­ ного или подземного притока происходит изменение расходов воды в реке. Сток особенно сильно изменяется в отдельные фазы ре­ жима реки и еще больше по годам. Поэтому для определения объ­ ема стока за какой-либо отрезок времени (сутки, месяц, фазу, год и т. д.) пользуются средним расходом воды за этот отрезок вре­ мени. Суммарный сток W вычисляют умножением среднего се­ кундного расхода Qo на число секунд

Суммарные величины стока разных рек несравнимы между со­ бой, так как площади водосборов их неодинаковы. Поэтому для

79