книги из ГПНТБ / Быков В.Д. Гидрометрия учебник

РАЗДЕЛ U

НАБЛЮДЕНИЯ ЗА УРОВНЯМИ ВОДЫ

Глава 3

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О РЕЖИМЕ УРОВНЕЙ ВОДЫ

ИСУЩНОСТЬ ВОДОМЕРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

3.1.Основные сведения о режиме уровней воды

Количество (объем) воды, протекающей в реках и находящейся в озерах, болотах, в почвах и грунтах земной поверхности, непре­ рывно изменяется. В соответствии с изменением количества воды уровни поверхностен водных объектов также непрерывно меня­ ются. Характер этих колебаний определяется влиянием ряда фак­ торов, обусловливающих многолетние, годовые, сезонные и суточ­ ные колебания.

Многолетние колебания уровней связаны с периодическими ко­ лебаниями климата вследствие более или менее длительных изме­ нений в режиме общей атмосферной циркуляции. Наблюдающиеся в связи с этим длительные похолодания или потепления и сопут­ ствующие им уменьшения или увеличения осадков, влажности и

Многолетние колебания уровней воды могут быть вызваны так­ же геологическими причинами (поднятие или опускание дна водо­ ема) и эрозионно-аккумулятивной деятельностью рек. Так, напри­ мер, в верховьях горных рек наблюдается непрерывный процесс глубинной эрозии (размыв) русла, вследствие чего абсолютные отметки средних многолетних уровней этих рек имеют устойчивую тенденцию к снижению. Эти изменения уровня не связаны с изме­ нением количества воды.

Годовые колебания уровня воды определяются в основном ме­ теорологическими условиями данного года, т. е. количеством осад­ ков, выпавших на территории водосбора, температурами и влаж­ ностью воздуха и ветрами, определяющими потери влаги на испа­

20

в осенний и весенний сезоны. В годы с обильным увлажнением уровни в реках, озерах, болотах и близких от поверхности подзем­ ных вод стоят выше, чем в сухие годы. Вследствие медленного дви­ жения воды в порах грунтов колебания уровней глубоко залега­ ющих подземных вод отражают влияние метеорологических усло­ вий данного года лишь спустя 1—2 года.

Сезонные колебания уровня воды в реках, озерах, болотах оп­ ределяются прежде всего географическим положением их водо­ сборного бассейна и его физико-географическими условиями. Не­ посредственно влияют на ход уровней в отдельные сезоны клима­ тические условия, в частности распределение осадков внутри года. Именно этим обстоятельством и обусловливается весеннее (март— апрель) половодье на реках европейской части СССР, в бассейнах которых количество зимних осадков составляет около 30% годо­ вой их суммы, в отличие от дальневосточных рек, где основное по­ ловодье наблюдается летом (июль—август), так как 90—95% го­ довых осадков выпадает здесь летом.

Сезонные колебания уровней зависят также от высоты и рель­ ефа бассейна, а также от его лесистости, заболоченности и озерности. У горных рек и озер, питающихся от таяния высокогорных снегов и ледников, наивысшие уровни обычно наблюдаются в июле (Кубань, Амударья). Кроме того, для горных рек (Ингур, Рион,. Чорох) характерно большое количество паводков от дождей. Вли­ яние лесистости, заболоченности и озерности бассейна реки выра­ жается в сглаживании и выравнивании хода уровней по отдель­ ным сезонам года, что хорошо видно на реках Свири, Неве, Орше

идр.

Влетний период колебания уровней воды в реках могут обус­ ловливаться развитием и отмиранием водной растительности.

Сезонные колебания уровней воды в реках тесно связаны и сле­ довыми явлениями. Так, почти на всех реках в период замерзания наблюдается вначале кратковременный подъем уровней вследст­ вие резкого возрастания сопротивления движению воды в момент ледостава, а затем снижение уровней в связи с переходом рек на грунтовое питание.

Периодические размывы русла и отложения в нем наносов при прохождении паводков, что особенно ярко бывает выражено у гор­ ных рек, накладывают дополнительный отпечаток на характер се­ зонных колебаний уровней воды. Значительное влияние на колеба­ ния уровней воды в реках и озерах могут оказывать гидротехни­ ческие сооружения и забор воды на орошение.

Суточные колебания уровня воды в низовьях рек могут вызы­ ваться приливами, как, например, на реках Онеге, Северной Двине,, и сгонно-нагонными ветрами, влияние которых более ярко выра­ жено в устье Невы и более слабо в устьях Волги, Дона, Днепра и других рек. Определенно выраженный суточный ход уровня наблю­ дается у небольших рек с ледниковым питанием (Зеравшан, Ку­ бань в верховьях) вследствие суточного изменения метеорологи­ ческих элементов (солнечной радиации, температуры воздуха),

21

влияющих на таяние ледников. Суточный ход уровня воды отме­ чается на малых реках при выпадении в их бассейнах дождей. Суточные колебания уровня воды характерны для периода осенних и весенних ледоходов на реках (или участках рек), где наблюдаются явления зажоров и заторов льда, а также на сплавных реках при образовании заломов. Выше заторов, зажоров и заломов уро­ вень воды резко поднимается, а ниже — столь же резко падает.

в нижних бьефах крупных гидроузлов в связи с работой ГЭС по суточному графику нагрузки; наибольшие уровни бывают при про­ пуске максимальных расходов через турбины в суточный период максимума нагрузки. В верхних бьефах гидроузлов суточные ко­

терпевают значительные изменения. Колебания уровней воды по

Изучение колебаний уровнен воды в реках, озерах, водохрани­ лищах, болотах и морях имеет большое научное и хозяйственное значение. Строительство мостов, плотин, гидроэлектростанций, различных береговых сооружений (пристаней, складов, водозабор­ ных сооружений), а также ирригационных каналов, дорог и насе­ ленных пунктов вдоль русел рек не может быть рациональным без учета режима и возможных размеров колебаний уровня воды в ре­ ках в районе расположения сооружений. Например, при неучете

22

гидрологических условий построенный мост может явиться препят­ ствием для судоходства на реке в период высокого стояния уровня или будет затопляться вместе с прилегающей к нему дорогой. Ир­ ригационные каналы, выведенные из реки без достаточного изуче­ ния .режима колебаний ее уровня, могут в период межени ока­ заться без воды. Береговые сооружения и населенные пункты могут подвергаться разрушительному действию наводнений и ледо­ ходов. Изучение колебаний уровней воды в реках имеет большое значение для судоходства.

Наблюдения за уровнями на водохранилищах необходимы для наиболее рационального использования их водных ресурсов в ин­ тересах всех участников водохозяйственного комплекса: гидроэнер­ гетики, судоходства, рыбного хозяйства и др.

В гидрометрии наблюдения за уровнями воды рек имеют особо важное значение для подсчета стока воды. В основу подсчета сто­ ка положена связь между высотой уровня и расходом воды в реке, устанавливаемая обычно эмпирическим путем. Измерение расхода воды — трудоемкая и достаточно длительная операция, в то время как измерение уровня выполняется легко и быстро, зачастую ав­ томатически.

Установленная на основе сравнительно небольшого числа одно­

На основе многолетних и непрерывных наблюдений за уровнем можно охарактеризовать режим уровней изучаемого водного объ­ екта и, кроме того, по зависимости между расходами и уровнями получить представление о расходах воды реки за различные по водности годы.

3.3. Принципы устройства водомерных постов

Наблюдения за уровнями воды на водомерных постах должны быть организованы таким образом, чтобы материалы наблюдений: 1) по одному посту были сравнимы за весь период его действия и 2) допускали возможность сопоставления результатов наблюдений по ряду постов, расположенных на одном водном объекте. Эти тре­ бования могут быть выполнены при условии, что на всех постах будет действовать единая система наблюдений.

Каждый водомерный пост должен состоять из: 1) водомерных

которой остается постоянной для всего периода существования по­ ста.

23

менее чем на 0,5 м ниже самого низкого уровня воды в реке (озе­ ре), который можно ожидать в створе поста. Этим достигается то, что при самых низких уровнях воды отсчеты их над нулем графика будут положительными. На реках с неустойчивым руслом отметку нуля графика поста необходимо назначать с учетом возможной глубинной эрозии (размыва) русла. При малых глубинах русла от­ метка нуля графика может быть приурочена к наинизшей отметке дна реки в створе поста или же несколько ниже нее. При наличии ряда постов, расположенных на коротком участке реки (5— 10 км), имеющей небольшое падение, целесообразно для всех по­ стов назначить общий нуль графика. Общий нуль графика сле­ дует также назначать для всех постов, расположенных на одном озере или водохранилище.

На водохранилищах отметка нуля графика поста назначается на 0,5—1,0 м ниже проектного уровня сработки в приплотинной части водохранилища.

В отдельных случаях все же может возникнуть необходимость изменения отметки нуля графика. Изменение высотного положения плоскости нуля графика производится в случаях: 1) переноса по­ ста на значительные расстояния, 2) неудачного первоначального назначения отметки нуля графика выше низшего уровня воды, 3) резкого изменения уровенного режима, например при создании во­ дохранилища. Кроме того, может возникнуть необходимость изме­ нить отметку нуля графика при фактической неизменности его вы­ сотного положения. Это бывает в тех случаях, когда изменяются отметки постовых реперов: 1) при переходе от условной системы

перов, если при этом выявятся расхождения, превышающие допу­ стимые невязки нивелирного хода.

Высотное положение плоскости нуля графика поста определя­ ется расстоянием ho (рис. 3.2) по вертикали от репера водомерного поста. Если репер имеет абсолютную отметку, то, вычитая из нее превышение hQ репера над нулем графика поста, получим абсолют­ ную отметку нуля графика поста. Помимо нуля графика, на водо­ мерных постах имеется один или несколько (при наличии ряда ре­ ек или свай) нулей наблюдения. Под понятием «нуль наблюдения» подразумевается та высотная плоскость, от которой производится отсчет уровня воды в момент наблюдения. Высотное положение нулей наблюдения определяется величинами превышения репера над площадками свай (или нулями реек) поста. На реечном водо­

Следовательно, нуль наблюдения, в отличие от нуля графика, является не условной, а вещественной плоскостью. Положение ну­ ля наблюдения может меняться в зависимости от колебания уровня воды и количества реек или свай, установленных па посту. Эти из­ менения могут иметь место при ремонте и замене реек и свай.

24

Превышение нулей реек и головок свай над нулем графика по­

в сантиметрах.

Наблюдения на водомерном посту могут быть начаты только после того, как будут выполнены следующие работы:

1)назначена отметка нуля графика поста;

2)нивелировкой от репера поста установлены отметки нулей реек, а на свайном посту — площадок (головок) свай;

3) вычислены (в сантиметрах) приводки всех реек (свай) над

Наблюдения за уровнями воды на постах реечного или свай­ ного типа заключаются в следующем:

1) наблюдатель записывает номер рейки (сваи), по которой он проводит наблюдения, и делает отсчет уровня воды (на реечном посту по постоянной рейке, а на свайном — по переносной, уста­ навливаемой на площадке сваи). Отсчет уровня записывается

всантиметрах;

2)по справочной таблице нивелировки поста устанавливается величина приводки нуля рейки (сваи), по которой был произведен отсчет уровня воды;

3)вычисляется высота (в сантиметрах) наблюденного уровня воды над нулем графика поста (приведенный уровень) как сумма

25

Схема отсчета уровня над нулем графика поста и нулем наб­

3) самопишущие; 4) дистанционные, регистрирующие уровень не­

Водомерные устройства должны регистрировать уровень на 0,25—0,50 м выше и ниже крайних исторических уровней, выявлен­ ных по естественным меткам или опросу местного населения. На зарегулированных реках указанные выше пределы устанавлива­

Простые водомерные посты в настоящее время широко распро­ странены вследствие несложности устройства и сравнительно невы­ сокой стоимости. Отсчеты уровня на них производятся при посе­ щении поста наблюдателем. Эти посты дают достаточно точные

наблюдений. Посты этого типа устраиваются на участках рек, где имеются условия, обеспечивающие их сохранность от повреждения волнением, ледоходом, при сплаве леса или судами. Реечные по­ сты наиболее распространены на реках, каналах и озерах с не­

26

можно прикрепить водомерную рейку к мостовой опоре или гидро* техническому сооружению.

Основной принадлежностью реечного поста является водомер-, ная рейка. Постовые водомерные рейки бывают металлические

1 Бьефом называется участок реки, примыкающий к подпорному сооружению; верхний бьеф — выше сооружения, нижний — ниже его.

27;

При отсутствии на участке поста мостов и гидротехнических со­ оружений водомерная рейка укрепляется на специально устанав­ ливаемой свае или кусте из трех—пяти свай, стянутых хомутами. Рейка прикрепляется к свае при помощи болтов. Для предо­

в местах, где имеется искусственное укрепление береговых откосов.

а — угол наклона рейки к горизонту. В этом случае одно деление наклонной рейки будет соответствовать 2 см вертикальной рейки.

по А -А

Рис. 4.3. Схема установки наклонной рейки.

/ — упор из каменной наброски; 2— болты; 3— рейка; 4- - подготовка из щебня; 5 — бетонная подготовка.

Свайные посты. Свайный пост (рис. 4.4) наиболее удобен для равнинных рек со значительной амплитудой колебаний уровней во­ ды. Водомерные сваи, образующие пост, устанавливают в одном створе, перпендикулярном течению реки. Общее количество свай поста зависит от амплитуды колебаний уровня воды и от угла на­ клона берегового откоса. Площадка (головка) верхней сваи поста

28

должна быть на 0,25—0,5 м выше наивысшего исторического уро­ вня воды в реке, а площадка нижней сваи — на 0,5 м ниже наиниз­ шего уровня. На пересыхающих реках нижняя свая устанавлива­ етсявыше наинизшей точки дна в створе поста не более чем на 10—15 см. Разность высот площадок двух смежных свай должна быть не более 0,8 м, а горизонтальное расстояние между сваями устанавливается с учетом особенностей берегового откоса и удоб­ ства подхода к сваям для производства наблюдений. Общее коли-

Нсм

250

чество свай, необходимых для устройства поста, и их размещение предварительно определяют по поперечному профилю берега, за­ тем данные проекта поста переносят на местность.

В настоящее время свайные посты оборудуют стандартными металлическими винтовыми сваями; длина их 220 см, диаметр 8 см. Нижняя часть сваи на протяжении 35 см имеет винтовую на­ резку, а верхняя длиной 15 см представляет собой головку диа­ метром 10 см. На головке сваи с двух противоположных сторон сделаны плоские срезы, служащие опорой для ключа, с помощью

Временные сваи при отсутствии металлических можно изготов­ лять из дерева прочных, не поддающихся гниению пород. Для сван

29