Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы гидрологии. Учебное пособие для СПО
.pdf
СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
_________________________________________________________________
В.А. Селиверстов, М.В. Родионов, А.А. Михасек
ОСНОВЫ ГИДРОЛОГИИ
Учебное пособие для СПО
Профобразование
Саратов
2021
УДК 556
ББК 26.2
С29
Рецензенты:
Соболь С.В. — д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой гидротехнических
и транспортных сооружений ФГБОУ ВО «ННГАСУ»;
Стрелков А.К. — д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой водоснабжения
и водоотведения ФГБОУ ВО «СамГТУ»
Селиверстов, Владимир Александрович.
С29 Основы гидрологии : учебное пособие для СПО / В.А. Селиверстов,
М.В. Родионов, А.А. Михасек ; Самарский государственный технический
университет. — Саратов : Профобразование, 2021. — 120 с. — (Среднее
профессиональное образование). — Текст : электронный.
ISBN 978-5-4488-1220-0
В учебном пособии изложены основы гидрологии, рассмотрены факто-
ры, влияющие на гидрологический режим рек и основные методы расчета
стока для различных задач проектирования.
Издание предназначено для студентов, обучающихся по специально-
стям среднего профессионального образования 05.02.02 «Гидрология»,
05.02.03 «Метеорология», изучающих дисциплины «Основы гидрологии»,
«Гидрология суши».
Учебное электронное издание
ISBN 978-5-4488-1220-0 © Селиверстов В.А., Родионов М.В.,
Михасек А.А., 2017
© Самарский государственный
технический университет, 2017
© Оформление. ООО «Профобразование», 2021
Оглавление
Введение ........................................................................................................................ 4
1. Круговорот воды в природе ................................................................................... 8
1.1. Водный баланс земного шара ............................................................................. 9
1.2. Уравнение водного баланса отдельного речного бассейна ......................... .10
2. Общие сведения о реках ....................................................................................... 14
2.1. Бассейн реки ........................................................................................................ 15
2.2. Площадь водосбора и способы ее определения ............................................. 16
2.3. Физико-географические характеристики бассейна........................................ 18
2.4. Речные долины .................................................................................................... 19
2.5. Речное русло ........................................................................................................ 21
2.6. Скорость течения реки ....................................................................................... 26
2.7. Питание рек ......................................................................................................... 29
2.8. Распределение стока по сезонам ....................................................................... 30
Колебания уровней воды в реках ..................................................................... 31
2.9.
2.10. Характерные уровни воды ............................................................................... 32
2.11. Соответственные уровни ................................................................................. 33
2.12. Термический режим реки ................................................................................ 34
2.13. Ледовый режим реки ........................................................................................ 36
3. Климатические факторы стока ............................................................................ 39
3.1. Наблюдения над испарением с водной поверхности .................................... 45
3.2. Расчеты испарения .............................................................................................. 47
4. Речной сток ............................................................................................................. 54
4.1. Характеристики речного стока ......................................................................... 54
4.2. Годовой сток ........................................................................................................ 56
5. Изменчивость годового стока .............................................................................. 68
5.1. Кривые распределения стока ............................................................................ 68
5.2. Теоретическая (аналитическая) кривая распределения................................. 72
6. Внутригодовое распределение стока .................................................................. 84
7. Максимальный сток ............................................................................................... 90
7.1. Расчет максимальных расходов талых вод горных рек .............................. 101
7.2. Построение гидрографа половодья ................................................................ 101
7.3. Расчет гидрографа весеннего половодья по уравнению Г.А. Алексеева .. 102
8. Минимальный сток .............................................................................................. 111
8.1. Распределение минимального стока по территории .................................... 112
8.2. Расчеты минимального стока .......................................................................... 113
Заключение ............................................................................................................... 118
Библиографический список .................................................................................... 119
3
ВВЕДЕНИЕ
Гидрология – наука о режимах природных вод земного шара. Эта
наука изучает закономерности распределения и движения природных
вод во времени и пространстве в результате взаимодействия с различными условиями географической среды.
Гидрология подразделяется на океанологию (гидрологию морей и
океанов) и гидрологию вод суши.
Гидрология суши, в свою очередь, делится на ряд
самостоятель-
ных научных дисциплин:
- гидрологию рек (потамологию);
- гидрологию подземных вод (гидрогеологию);
- гидрологию озер (лимнологию);
- гидрологию болот (тельматологию);
- гидрологию ледников (гляциологию).
Гидрология изучает естественные природные явления, поэтому
она в своих выводах использует главным образом непосредственные
натурные измерения и наблюдения, которые ведутся на многочисленных гидрологических станциях и постах. Исходя
из методов изу-
чения вод, гидрология делится на: гидрографию, занимающуюся исследованием и описанием водных объектов; гидрометрию,
изучающую методы измерений и наблюдений за различными характеристиками водного режима (уровнями воды, расходами воды, расходами наносов и т. д.), а также приборы и устройства для обеспечения наблюдений и измерений; общую гидрологию
, изучающую
взаимосвязи и закономерности различных гидрологических явлений;
инженерную гидрологию, осуществляющую разработку методов
гидрологических расчетов и прогнозов для решения различных водохозяйственных проблем [1, 2, 5].
Гидрология использует стационарный и экспедиционный методы
изучения водных объектов.
4
Экспедиционный метод изучения водных объектов выполняется
по специально разработанным программам в зависимости от целей
исследования.
Гидрологию рассматривают как часть геофизики. Геофизика –
наука о физических процессах, происходящих в различных слоях
земного шара. Вода находится в воздушной среде и под землей, поэтому гидрология пользуется данными родственных ей наук – геологии и метеорологии
. Кроме того, она тесно связана с почвоведением,
геологией, геоморфологией, гидравликой, гидрохимией, гидротехникой и мелиорацией.
Роль гидрологии в решении водохозяйственных проблем чрезвычайно велика. В правильном учете и рациональном использовании
водных ресурсов Российской Федерации заинтересованы все отраслевые пользователи, связанные в той или иной мере с использованием
воды [2, 3, 4].
Роль и
значение точных знаний гидрологического режима водных
объектов имеет большое стратегическое значение. Комплексное использование водных ресурсов началось с создания в 1921 г. плана Государственной комиссии по электрификации России (ГОЭЛРО). В
1926 г. была построена Волховская гидростанция, в 1932 г. – Днепропетровская ГЭС им. В.И. Ленина, затем Свирская ГЭС, БеломорскоБалтийский канал,
канал им. Москвы и другие. В послевоенный период вводятся в действие крупнейшие гидроэлектростанции на Волге
и Каме, Дону, Кубани, Днепре, Западной Двине, Ангаре, Енисее и на
многих других реках. В последние годы обращается особое внимание
на комплексное использование водных ресурсов не только крупных,
но и средних, и малых рек. Решение
этих проблем требовало постоянного развития и совершенствования методов гидрологических расчетов и теоретических исследований. Необходимость гидрологических исследований возникает в связи с возрождением мелиорации
земель.
Наиболее важные вопросы, которые решает современная гидроло-
гия, следующие:
5
- оценка запасов воды в бассейнах рек в связи с задачами водохо-
зяйственных проектов;
- установление расчетных величин различных характеристик стока
воды и твердого стока рек;
- расчет потерь воды на испарение, фильтрацию, льдообразование
из проектируемых водохранилищ и с поверхности речных бассейнов;
- прогнозы основных элементов гидрологического режима (уров-
ней, расходов, вскрытия, замерзания
);
- изучение температурного и ледового режимов рек и озер; гидро-
графическое описание водных объектов, составление водных кадастров, оценка эрозионной деятельности рек и условий формирования
русла.
Расчет заиления водохранилищ и формирования их берегов; учет
влияния водоемов на работу гидротехнических сооружений. Расчет
особенностей водного режима, который будет наблюдаться в результате эксплуатации
гидротехнических сооружений; исследование
влияния агролесомелиоративных мероприятий на режим рек.
6
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВОДЫ НА ЗЕМНОМ ШАРЕ
Мировой океан занимает около 70 %, на сушу приходится – 30 %
2
от общей площади земного шара, составляющей 510 млн км
расположена главным образом в северном полушарии, где она занимает 39 % всей поверхности, в южном полушарии на долю суши приходится 19 % поверхности [1, 2, 4].
Суша делится на периферическую и бессточную. Периферической
называется та часть суши, с которой реки приносят воду в моря (бас-
. Суша
сейны рек Амура, Колымы, Лены, Енисея, Оби, Дона, Днепра
и других), соединенные с Мировым океаном. Бессточной называется та
часть суши, с которой вода поступает в замкнутые водоемы, не
имеющие стока в океан (бассейны рек Волги, Урала и других).
Общий объем воды, заключенный в Мировом океане, составляет
3
1330 млн км
, что превосходит объем суши, расположенной выше
уровня океана, в 13 раз. Если объем вод Мирового океана равномерно
распределить по земной поверхности, то она окажется покрытой слоем воды глубиной в 2400 м.
По приблизительным подсчетам запас воды в руслах рек земного
3
шара составляет 1200 км
пресных вод на земном шаре составляет несколько более 751 000 км
, в озерах – 750 000 км3. Суммарный объем
3
Таким образом, по сравнению с запасом воды в Мировом океане, запасы воды на суше очень невелики (около 0,056 % от объема Миро-
.
вого океана), однако их роль в жизни человека чрезвычайно велика.
Годовой объем стока всех рек (с учетом таяния ледников) состав-
3
ляет около 37 000 км
. Около 98 % общего стока рек попадает в оке-
ан. На долю бессточных районов, занимающих около 20 % площади
суши, приходится лишь 2 % от общего стока.
7
1. КРУГОВОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ
Первоисточником всех физических процессов на Земле является
солнечная энергия. Под влиянием солнечной энергии происходит испарение огромного количества воды с поверхности Мирового океана
и суши, устанавливаются разности температур и давлений, которые
приводят к образованию воздушных и морских течений.
В среднем за год с поверхности земного шара испаряется около
519 тыс. км3 [1, 2].
Испарившаяся влага большей частью конденсируется и возвращается в виде атмосферных осадков в океан, совершив
так называемый малый круговорот. Значительная часть испарившейся с морей и океанов влаги переносится воздушными течениями на
сушу и выпадает в виде атмосферных осадков, остальная часть не
вступает во влагооборот и выносится через материки снова к
океану.
Выпавшие на сушу осадки частично просачиваются в почву, образуя
грунтовые воды, частью стекают по земной поверхности, образуя ручьи и реки, частично снова испаряются [11, 12]. В конечном итоге воды, доставленные воздушными течениями на сушу, снова достигают
океана, сколько бы ни повторялся процесс выпадения осадков на
земную поверхность и их
последующего испарения. Таким образом
завершается так называемый большой круговорот воды в природе
(рис. 1).
Рис. 1. Схема круговорота воды в природе
8
Круговорот воды в природе – это непрерывный процесс влагооб-
мена между океаном, атмосферой и сушей.
3
Небольшая часть водяных паров (около 7,7 тыс. км
в год) совер-
шает круговорот в пределах бессточных областей, мало связанный
с общим круговоротом воды в природе. Относительная изолированность этого влагооборота проявляется в том, что из бессточных областей вода попадает в океан не путем стока рек, а путем переноса
водяных паров воздушными потоками в периферические области или
непосредственно
в океан. На круговорот влаги земного шара требуется примерно 22 % всей достигающей Земли солнечной энергии. Полный обмен воды Мирового океана совершается за 3460 лет.
Выделяются также местные или внутриматериковые влагообороты в пределах отдельных частей континента, представляющие собою
процесс испарения и выпадения осадков внутри материков при переносе их воздушными течениями
с океана на сушу. Этот процесс
в пределах материка может повторяться многократно. Чем чаще происходят такие влагообороты, тем больше выпадает осадков в данном
районе, тем более влажный климат данной территории.
1.1. Водный баланс земного шара
Изложенная схема круговорота воды в природе может быть выражена рядом уравнений водного баланса, то есть уравнений связи между приходом и расходом влаги, для всего земного шара и отдельных
его частей [2, 11, 12]. Приходной частью баланса являются осадки,
расходной – испарение и сток.
Введем следующие обозначения:
z – количество воды, испаряющейся в среднем за год с поверхно-
0
сти океанов;
– то же, с поверхности суши;
z
c
– средние годовые осадки, выпадающие на поверхность океа-
x
0
нов;
x – то же, на поверхность суши;
c
9
y – сток речных вод в океан в среднем за год.
Исходя из сущности круговорота воды, можно написать уравнение водного баланса для океанов:
yxz +=
.
00
(1)
Таким образом, ежегодно с поверхности морей и океанов испаряется количество воды, равное количеству выпадающих на них осадков плюс речной сток.
Уравнение водного баланса для суши:
yxz
−=
,
cc
(2)
то есть с поверхности суши в среднем за год испаряется столько
влаги, сколько выпадает на нее осадков, за вычетом воды, стекающей
в моря и океаны.
Сложив два уравнения, получим уравнение водного баланса земного шара:
xxzz +=+
.
cc
00
(3)
В водном балансе земного шара участвует около 519 тыс. км3 во-
3
ды. Весь запас составляет 1330 млн км
. Следовательно, в балансе
участвует лишь 0,014 % от общих запасов воды на земном шаре,
а в речном стоке – всего около 0,003 %. По расчетам М.И. Львовича
3
(1961 г.), эти величины (в км
z =447200; cz =65400; 35600=y ;
0
/год) составляют:
=447200;
x
0
=447200.
x
c
Годовой водный баланс Российской Федерации следующий:
осадки – 9648 км
3
; испарение – 5605 км3; сток – 4043 км3. Отсюда
видно, что в целом по стране около 42 % атмосферных осадков
стекает с поверхности и выносится в моря и внутренние водоемы
.
1.2. Уравнение водного баланса отдельного речного бассейна
Основной принцип расчета уравнения водного баланса для любого промежутка времени и для любого произвольно взятого пространства заключается в очевидном равенстве: количество воды, вошедшее
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]