Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Науки о Земле. Учебное пособие
.pdf
ГЛАВА 5. ОСНОВЫ ГИДРОЛОГИИ
И ГИДРОМЕТРИИ
Мониторинг вод суши проводят для установления качественных и количественных характеристик водных объектов, определения закономерностей их изменения, а также с целью государственного учета вод и их использования. Для выполнения указанных задач организуют стационарную сеть пунктов наблюдений за естественным составом и загрязнением поверхностных
вод; специализированную сеть пунктов для решения научноисследовательских задач и временную экспедиционную сеть
пунктов. В пунктах наблюдений располагают гидрологические
станции (I и II разрядов) и гидрологические посты (I-III разрядов). В задачи гидрологических постов входят наблюдения за
уровнями и температурой воды, ледовой обстановкой, метеорологичсекие наблюдения, а также контроль качества воды.
Сеть наблюдений должна охватывать по возможности все
водные объекты по всей длине водотока и крупных притоков; все
фазы гидрологического режима (весеннее половодье, летнюю
межень, летние и осенние дождевые паводки, ледостав, зимнюю
межень; различные по водности годы (многоводные, маловодные
и годы средней водности); суточные изменения химического состава воды; катастрофические сбросы сточных вод в водные объекты.
При определении месторасположения гидрологического
поста учитывают народнохозяйственную значимость водоема или
водотока. Посты организуют в районах расположения городов и
крупных поселков, сточные воды которых сбрасываются в водоемы и водотоки; в районах сброса сточных вод отдельно стоящими крупными промышленными и сельскохозяйственными предприятиями; в местах нереста и зимовья ценных видов промысловых организмов; на предплотинных участках рек; на пересечениях реками государственных границ и замыкающих створах крупных и средних рек.
Створ – это условное поперечное сечение водотока, в котором выполняют необходимые промеры и отборы проб воды для
анализа. В пунктах наблюдений организуют один или несколько
131
створов с учетом гидрометеорологических, морфологических
особенностей объекта, расположения источников загрязнения,
количества, состава и свойств сбрасываемых сточных вод, требований водопользователей и водопотребителей.
При отсутствии организованного сброса сточных вод на водотоках, где необходим контроль воды, устанавливают только
один створ, при наличии сброса – два и более. Один створ всегда
устанавливают выше источника загрязнения (определяют фоновые показатели качества воды), другие – ниже источника, где
произошло полное смешение воды. При сравнении фоновых показателей с качеством воды, отобранной в нижнем створе, определяют степень загрязнения воды. По показателям качества воды,
отобранной на первом после сброса створе и в расположенных
ниже створах, судят о самоочищающей способности водотока,
его ассимиляционном потенциале.
Первый (фоновый) створ устанавливают на 1 км выше первого источника (или группы) загрязнения. Нижний створ на рыбохозяйственных водотоках и водоемах с интенсивным (более
5 раз в год) водообменом устанавливают не далее 0,5 км от места
сброса сточных вод. На водоемах с умеренным (от 0,1 до 5 раз в
год) и замедленным (до 0,1 раза в год) водообменом один створ
организуют вне зоны влияния источника или группы источников
загрязнения, второй створ совмещают с местом сброса сточных
вод, остальные (не менее двух) располагают параллельно второму
в 0,5 км от места сброса и непосредственно за границей загрязненной зоны.
Количество вертикалей в створе выбирают в зависимости
от зоны загрязненности, располагая первую вертикаль не дальше
0,5 км от места сброса или от берегов; последнюю – за границей
зоны загрязнения. При этом учитывают условия смешения: в случае различия химического состава по ширине реки необходимо
установить не менее трех вертикалей (на стержне реки и на расстоянии 3-5 м от берегов); при однородном составе – только одну
на стержне реки.
Число горизонтов на вертикали зависит от глубины водоема в месте измерения: при глубине до 5 м необходим один горизонт в 0,2-0,3 м от поверхности воды, при глубине от 5 до 10 м –
132
два (у поверхности и в 0,5 м от дна), при глубине более 10 м не-
−−=
±
обходимы три горизонта с дополнением на половине глубины
водоема.
5.1. Речной сток и его определение
5.1.1. Водный баланс речного бассейна
Водным балансом речного бассейна называют соотношение
прихода и расхода воды с учетом изменения ее запасов за выбранный интервал времени для данного бассейна.
В приходной части учитывают осадки, х (мм), выпадающие
на поверхность водосбора, и конденсацию влаги, С (мм): х + С. В
расходной части - испарение с суши, Е (мм), а также поверхностный и подземный сток, h (мм), Е + h.
Конденсация паров по сравнению с другими величинами
мала и должна учитываться при расчете величины испарения Е,
поэтому ее можно исключить из расчетов. Уравнение водного
баланса можно записать в виде
x E h u
,
где ± u - изменение запасов воды на поверхности (озерах, болотах, снежном покрове, временных водоемах) и в толще водосбора
(почвенных и грунтовых водах), мм.
Изменением запасов воды в речном бассейне за многолетний период можно пренебречь, тогда уравнение водного баланса речного бассейна принимает вид
_ _ _
где
x E h
,, hEx - нормы осадков, испарения, стока, мм.
,= +
___
133
5.1.2. Расчет нормы годового стока
при наличии данных наблюдений
Норма годового стока, Q,, м3/с - среднеарифметическое
значение годового стока за многолетний период такой продолжительности, при увеличении которой полученное среднее существенно не меняется. Норму годового стока определяют по формуле
n
_
Q Q n
/ ,=
i
i
=∑1
при условии, что
- в течение всего периода не изменялись физико-
географические и хозяйственные условия в бассейне реки;
- период наблюдений включает не менее двух полных цик-
лов водности.
Цикл водности - сочетание многоводной, маловодной фаз и
лет средней водности. Длительность циклов может быть различна, но среднее значение за цикл должно быть близко к норме.
Для выявления цикличности колебаний годового стока проводят расчеты, алгоритм которых состоит:
- в определении объема стока за выбранное количество лет,
Σ
Q, м3/с;
- нахождении средней величины стока Qср, м3/с, делением
суммы стока на заданное количество лет;
- вычислении модульного коэффициента стока, К, делением
величины объема стока за каждый год на среднее значение стока;
- вычислении величины (К-1) для каждого года;
- вычислении величины Σ(К-1) последовательным сумми-
рованием величин (К-1) для каждого года.
Репрезентативность ряда наблюдений проверяется по разностной интегральной кривой речного стока, позволяющей выявить цикличность в колебаниях годового стока.
Для построения разностной интегральной кривой последовательно суммируются отклонения модульных коэффициентов К
хронологического ряда годового стока от их среднего значения,
134
равного единице, ((К-1). По расчетным данным строят разност-
∑
∑
∑
∑
ную интегральную кривую годового стока, откладывая по оси
ординат в выбранном масштабе ((К-1), по оси абсцисс - годы.
Период времени, в котором участок интегральной кривой
имеет наклон вверх относительно горизонтальной линии и положительное значение величины ((К-1), соответствует многоводной
фазе цикла колебаний стока. Период, в котором участок кривой
наклонен вниз и имеет отрицательное значение ((К-1), соответствует маловодной фазе. По разностной интегральной кривой легко
выделить начало и конец каждого цикла и установить продолжительность расчетного периода, по которому следует определять
норму стока. В расчетный период включают только полные циклы.
Таким образом, норма стока с учетом цикличности колеба-
ний годового стока
n
_
Q Q n
1
/ ,=
i
1
i
=∑1
где n1- число лет в расчетном периоде,
n
1
Q - сумма годовых расходов воды за период n
∑
i
=
11
.
1
Если период наблюдений нерепрезентативен (нет двух циклов водности) или средняя ошибка больше 10 %, ряд наблюдений
удлиняют. Норма стока может быть выражена через расход, объем, слой и модуль стока:
= /nQQ
= /nhh
;
i
;
i
= /nWW
= /nqq
;
i
,
i
_ _ _ _
где Q W h q
, , , - нормы стока;
Σ
Qi; ΣWi; Σhi; Σqi - суммы расходов, объемов, слоев и моду-
лей стока за конкретные годы в многолетнем периоде;
n - количество лет в многолетнем периоде.
135
5.1.3. Основные характеристики стока
Сток - это движение воды по поверхности, в толще почв и
горных пород в процессе ее круговорота в природе. За единицу
стока принимают количество воды, стекающей с водосборного
бассейна в единицу времени, Q (м3/с).
Модуль стока q, м3/(с⋅км2) - объем воды, стекающей с единицы площади водосбора в единицу времени, определяют по
формуле
q = Q / F,
либо при q (дм3/(с⋅км2)
q = Q ⋅ 1000 / F,
где F - площадь водосбора, км2.
Объем стока, W (м3) - объем воды, стекающий с водосбора
за какой-либо период времени (сутки, месяц, год), определяют по
формуле
W = Q ⋅ T,
где Т - продолжительность периода, за который определяют объем стока, с.
Слой стока, h (мм) - объем воды, стекающей с водосборно-
го бассейна за какой-либо период времени, равный толщине слоя,
равномерно распределенного по площади этого водосборного
бассейна, вычисляют по формуле
h = W / (F ⋅ 103).
Модульный коэффициент, К - отношение какой-либо ха-
рактеристики стока к ее нормированному значению - определяют
по формуле
q/qh/hW/WQ/QK
==== .
iiii
136
Коэффициент стока, α - отношение объема или слоя стока
(
)
(
)
к величине выпавших на площадь водосбора осадков х (мм) - определяют по формуле
α
= h / x.
Коэффициент стока показывает, какая часть осадков идет
на образование стока.
5.1.4. Коэффициент изменчивости
Изменчивости значений исследуемого ряда характеризуют
средним квадратичным отклонением. Для ряда, представленного
расходами воды за многолетний период, среднее квадратичное
отклонение находят по формуле
2
∑
Для возможности сравнения отдельных рядов необходимо
перейти от среднего квадратичного отклонения к коэффициенту
вариации (изменчивости), который в этом случае можно определить по формуле
σ
= .
V
Коэффициент изменчивости СV характеризует отклонение
стока за отдельные годы от нормы стока и определяется методом
наибольшего правдоподобия или методом моментов.
Чтобы вычислить СV методом наибольшего правдоподобия,
подсчитывают статистики
λ
= (Σ lgK) / (n - 1),
2
−=σ или
i
QC
/
n/)QQ(
λ
и
λ
по формулам
2
3
λ
= (Σ KlgK) / (n - 1),
3
n/Q∑∆=σ .
137
где К - модульный коэффициент, n - число лет в расчетном пе-
(
)
(
)
риоде.
CV определяют согласно полученным значениям статистик
по номограмме. По методу моментов с учетом зависимости
Q/QKi=
Имеем
n
V
Для периода лет наблюдений n<30 при расчетах используют формулы
∑
Для оценки степени точности найденной нормы стока вычисляют среднюю квадратичную ошибку среднего многолетнего
значения ряда по формуле
ξ
Q v
Отсюда можно определить число лет наблюдений, необходимое для вычисления нормы стока
n C
Относительная средняя квадратическая ошибка коэффициента вариации Сv, определенного методом наибольшего правдоподобия, равна
∑
11
=
2
i
C n= ⋅( / ) 100 .
= 100
2
.
v
2
nKC
−=
/)1(
.
)1n/()QQ(
−−=σ
и
V
∑
2
)1n/()1K(C
−−=
.
ξ
= ±
C
v
138
n C
2 3
( )
3
+
⋅
100
2
v
.
Относительная средняя квадратичная ошибка коэффициен-
(
)
та вариации, определенного методом моментов, вычисляют по
формуле
′
= ± + ⋅
ξ
C v
v
Относительная средняя квадратичная ошибка расчетного
значения исследуемой гидрологической характеристики не
должна превышать ±10 %.
В противном случае необходимо удлинить ряд наблюдений.
5.1.5. Расчет нормы годового стока
при недостаточности данных наблюдений
При недостаточности данных наблюдений по исследуемому объекту удлиняют ряд наблюдений, используя метод гидрологической аналогии. Для исследуемого бассейна подбирают
бассейн-аналог, имеющий длительный период наблюдений и
сходные физико-географические условия, включающие следующие факторы:
- географическую близость расположения водосборов;
- сходство климатических условий;
- однородность условий формирования стока, однотип-
ность почв и гидрогеологических условий, близкие показатели
озерности, залесенности, заболоченности, распаханности;
- отличие площадей водосборов - не более чем в 10 раз;
- отличие средних высот водосборов (для горных рек) –
не более чем на 300 м;
- отсутствие на территории водосборного бассейна реки-
аналога факторов, искажающих естественный сток: строительство плотин, сбросы, изъятие воды на орошение и т.д.
Исходными данными для расчета являются среднегодовые
модули стока исследуемой реки и реки-аналога за период не менее 10 лет совместных наблюдений.
На первом этапе строят график связи среднегодовых модулей исследуемой реки и реки-аналога, либо с использованием
ЭВМ подбирают коэффициенты регрессионного уравнения для
полинома первой степени вида y=a+bx и рассчитывают коэффи-
139
2
C n( ) /1 2 100
.
циент корреляции. По расчетным данным в координатах (q
a, qi
строят график связи. Затем, зная норму стока реки-аналога, по
графику определяют норму стока, выраженную через модуль
стока изучаемой реки, и по формуле вычисляют соответствующий расход воды
_ _
Q q F
/ .= ⋅ 1000
Коэффициент изменчивости годового стока вычисляют по
формуле
α
qCqtgC /⋅⋅=
.
iVaaV
В случае, когда ряд наблюдений в исследуемом бассейне
менее 10 лет, норму стока приближенно определяют по формуле
)
_
_
/QQQQ = ,
cp
acp
a
где Qср - средний расход воды в изучаемом створе за имеющийся
период наблюдений; Q
- средний расход воды за этот же пери-
аср
од в створе бассейна-аналога.
5.1.6. Расчет нормы годового стока
при отсутствии данных наблюдений
Для определения нормы годового стока при отсутствии
данных наблюдений необходима выкопировка карты среднего
многолетнего стока бассейна реки.
При отсутствии непосредственных гидрометрических наблюдений норму годового стока следует определять либо путем
интерполяции между значениями, полученными для рек-аналогов
по данным наиболее продолжительных рядов гидрометрических
наблюдений, либо по карте изолиний среднего многолетнего стока, опубликованной в официальных нормативных документах
Госкомгидромета.
Выкопировку проводят следующим образом: оконтуривают
изучаемый бассейн реки до замыкающего расчетного створа; находят центр тяжести бассейна на пересечении двух прямых линий, делящих бассейн примерно на две равные части по площади.
Для центра тяжести бассейна определяют норму путем линейной
140
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]