Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы гидрологии. Учебное пособие для СПО
.pdf
tfH
В различных физико-географических районах различные источники питания имеют постоянное соотношение и устойчивую форму гидрографа. На этом принципе основаны различные классификации рек.
2.9. Колебания уровней воды в реках
Уровнем воды в реке называется высотное положение водной поверхности над некоторой условной плоскостью [11, 12]. Уровни воды
постоянно изменяются. Основными причинами колебания уровня являются:
- изменение поступления воды с водосбора, то есть изменение
расходов воды в реке. При массовом поступлении воды в период снеготаяния или
при выпадении значительных дождей уровень поднима-
ется, в летнюю и зимнюю межень – понижается;
- повышение или понижение дна русла вследствие размыва или
отложения наносов;
- зарастание реки водной растительностью; стоны и нагоны воды,
вызываемые действием ветра; заторы льда во время ледохода и подпор от влияния ледовых явлений.
Влияние гидротехнических и
мелиоративных сооружений. Иногда
колебания уровня могут происходить под действием нескольких факторов; в таком случае создается сложный уровенный режим. Колебания
уровня носят сезонный характер в соответствии с изменением водности
потока. Амплитуда колебания уровня (разность между наивысшим
и наинизшим уровнями) на больших реках может достигать 20 м.
Несомненно, в последнее время уделяется внимание
возросшему
влиянию глобального потепления климата на водные ресурсы, а следовательно, на гидрологические характеристики рек и водохранилищ.
Учет этого фактора необходим для составления длительных прогнозов изменения колебания уровней в водных объектах из-за возможного влияния на расходы для предупреждения возможных негативных
катастрофических последствий.
Уровни измеряют на водомерных постах.
ний строится график колебаний уровня воды
31
По результатам измере-
)(
= : по горизон-
тальной оси откладывается время в днях за весь год, по вертикальной
– уровни воды.
2.10. Характерные уровни воды
Характерными уровнями водя являются следующие:
1. Наивысший годовой уровень (обычно соответствует макси-
мальному расходу воды).
2. Наивысший уровень за период весеннего ледохода.
3. Наивысший уровень за период осеннего ледохода.
4. Наивысший уровень за период осенних паводков.
5. Наинизший летний и зимний уровни.
6. Наинизший годовой уровень.
Наинизший летний и зимний уровни.
7.
При наличии многолетних наблюдений определяются средние
многолетние значения перечисленных уровней, выбираются наибольшие и наименьшие их значения за многолетний период и соответствующие им даты.
Изучение колебаний уровней воды имеет большое научное и хозяйственное значение. Строительство мостов, плотин, гидроэлектростанций и других сооружений не может
быть рациональным без учета
режима и возможных колебаний уровня воды в районе расположения
сооружений [12].
Наблюдения за уровнем воды производятся на водомерном посту
при помощи гидрометрической рейки или другого приспособления
для измерения уровней.
Каждый водомерный пост состоит из: 1) приспособления для измерения уровней (рейки, сваи, самописцы); 2) постоянных высотных
знаков (реперов), от
которых измеряются уровни.
Наблюдения на водомерном посту должны быть организованы
так, чтобы материалы наблюдений за весь период его действия были
сравнимы и допускали сопоставление результатов наблюдений с другими постами. Для этого на всех постах применяется единая система
отсчетов [12].
32
По конструкции водомерные посты подразделяются на: 1) простые, 2) передаточные, 3) самопишущие, 4) дистанционные.
2.11. Соответственные уровни
Если построить совмещенные графики колебания уровня воды по
нескольким постам, расположенным на одной реке за один и тот же
год, то на каждом из них мы может установить характерные точки
(пики паводков, самые низкие точки впадин и т. д.). Уровни, соответствующие однородным фазам колебаний уровня, называются соот
-
ветственными [9, 10, 13]. Уровни характерных фаз обычно наступают
не одновременно по всей длине реки: раньше – на вышерасположенных постах, позднее – на нижележащих. Разница во времени их наступления будет соответствовать времени пробега воды от верхнего
пункта к нижнему (рис. 15).
Рис. 15. Совмещенные графики колебания уровня:
1 – вышерасположенный пост; 2 – нижележащий пост
По соответственным уровням строится график связи соответственных уровней (рис. 16), для чего по оси ординат откладываются
уровни по верхнему пункту (1), по оси абсцисс – по нижнему (2). Эти
графики широко применяют для восстановления пропусков наблюдений на одном посту по данным другого, для прогнозирования высоты
уровня и даты наступления по нижележащему пункту (с
33
учетом вре-
мени добегания воды), для проверки правильности водомерных наблюдений на сравниваемых постах.
Рис. 16. График связи соответственных уровней
2.12. Термический режим реки
Температура воды рек не является постоянной и изменяется
по живому сечению русла, по длине реки и во времени. Основные
факторы, влияющие на температуру воды в реке:
1. Температура воздуха, с которым соприкасается водная по-
верхность реки.
2. Прямая солнечная радиация (непосредственное нагревание
воды лучами солнца).
3. Характер
водного питания реки (реки с ледниковым питанием отличаются низкой температурой воды; реки, вытекающие из крупных озер, имеют более низкую температуру весной и более высокую – осенью; реки с обильным грунтовым
питанием имеют пониженную температуру воды в летнее
время и в ряде случаев обладают незамерзающими участками
зимой).
4. Хозяйственная деятельность
. Создание водохранилищ при-
водит к образованию совершенно нового термического режима с чертами, соответствующими речным и озерным условиям. В теплое время года температура как воды, так
и воздуха зависит от солнечной радиации, поэтому темпера-
34
тура и воды, и воздуха имеет аналогичный ход, несколько
сглаженный влиянием более высокой теплоемкости воды.
Распределение температуры по живому сечению. Благодаря
турбулентности речного потока, температура воды выравнивается по
живому сечению [11, 12]. Летом температура воды у берегов бывает
несколько выше, чем на середине, осенью – наоборот. В летнее время
днем вода на поверхности несколько
теплее, чем у дна, ночью же
температура у дна выше. При установлении ледяного покрова у поверхности воды температура около 0°С, в придонных слоях может
быть немного выше. В целом различия в температурах по живому сечению находятся в пределах от сотых долей градуса до 2-3.
Измерение температуры воды во времени.
Температура воды
имеет суточный и годовой ход в соответствии с суточным и годовым
ходом температуры воздуха. Суточный ход более выражен в теплую
часть года и во многом зависит от водности реки: чем больше водность реки, тем меньше суточная амплитуда колебания температуры,
которая, кроме того, зависит от широты места.
Годовой ход
. В зимнее время температура воды колеблется в пре-
делах около 0° и мало зависит от температуры воздуха. После очищения реки ото льда в соответствии с повышением температуры воздуха
повышается температура воды, достигая максимума в июле-августе.
Во вторую половину лета происходит падение температуры воды.
В этот период, как правило, температура
воды выше, чем температура
воздуха.
Изменение температуры по длине реки особенно заметно на
больших реках, текущих в меридиональном направлении. На реках,
впадающих в северные моря, в период нагрева воды (с апреля по
июль) самая низкая температура наблюдается в верховьях и нижнем
течении. По мере удаления от истока вода в реках нагревается
, причем этот процесс зависит от времени года, источника питания, приточности, наличия озер и смены ландшафтных зон, через которые
протекает река; температура воды в реках, текущих с севера на юг,
обычно повышается до самого устья. Наибольшие разности темпера-
35
тур в верховьях и низовьях рек (до 9-10°) наблюдаются в летнеосенний период (с августа по ноябрь). На реках широтного направления температура воды обычно мало отличается по длине реки.
2.13. Ледовый режим реки
Началом ледового режима считается момент устойчивого понижения температуры воздуха ниже нуля, концом – очищение реки ото
льда. Зимний период может быть разделен на три характерные части:
замерзание реки, ледостав и вскрытие [1, 2, 4, 11, 12].
Замерзание реки. При наступлении отрицательных температур
воздуха начинается процесс охлаждения поверхностных слоев воды,
в результате чего
появляется сало – тонкая пленка, имеющая вид раз-
литой маслянистой жидкости. Одновременно у берегов образуются
полосы тонкого льда на участках со слабым течением, в заводах – за-
береги. При выпадении в это время снега на поверхности воды образуется снежура – комковатые скопления снега и льда. Вследствие
турбулентного течения вода в реках быстро перемещается
, поэтому
при низких температурах воздуха температура воды может быть даже
несколько ниже нуля. Происходит переохлаждение воды на сотые
доли градуса. Поэтому внутри потока создаются условия для образования кристаллов льда. Эти кристаллы объединяются в глыбы губчатой структуры, которые называются внутриводный лед. Внутриводный лед всплывает на поверхность, образуя шугу,
и от
соприкосновения с холодным воздухом смерзается, постепенно превращаясь из губчатых в плотные кристаллические массы, которые
вместе со снежурой и салом плывут по реке. Это явление называется
осенний ледоход. Осенний ледоход иногда сопровождается заторами – скоплениями на суженных участках реки или на поворотах по-
верхностного кристаллического льда, которые вызывают значитель
-
ные подъемы уровня воды в реке.
Ледостав. С увеличением числа и размеров льдин скорость их
движения уменьшается, льдины смерзаются, образуя сплошной ледяной покров или ледостав. Замерзание реки происходит не одновре-
36
менно по ее длине, зависит от направления течения реки, ее размеров
и других условий [1, 2, 11, 16]. Поверхность ледяного покрова также
не везде одинакова: местами она гладкая, местами наблюдаются нагромождения льда – торосы. Отдельные участки реки в течение всей
зимы не замерзают. Они называются – полыньи. Причинами образования полыней являются большие скорости течения (на
порогах), выход в русло более теплых грунтовых вод, сброс в реку промышленных вод. В местах полыней обычно образуется внутриводный лед
(шуга), который, скапливаясь подо льдом, вызывает зажоры, преграждающие путь воде и вызывающие подъемы уровня и затопление
территории. Внутриводный лед (шуга) в реках приносит большой
вред: закупоривает всасывающие
трубы водопроводов, забивает решетки водоприемников перед турбинами гидроэлектростанций, водозаборные сооружения оросительных систем, в результате чего нарушается или полностью прекращается на некоторое время нормальная
работа сооружений. Борьба с шугой сводится к уменьшению скорости течения, ведущему к появлению ледостава и прекращению образования внутриводного льда. На гидроэлектростанциях применяют
обогревание решеток водоприемников или их механическую очистку.
На порожистых каменистых намерзающих участках, особенно на сибирских реках, образуются пятры – нарастание внутриводного льда.
Быстро увеличиваясь, они достигают поверхности воды и под влиянием морозов покрываются ледяной коркой. Пятры также могут вызвать подъем уровня. Иногда вследствие интенсивного нарастания
толщины льда вода, не
помещаясь в суженном сечении реки, под напором выходит по трещинам во льду на поверхность и образует наледи. Особенно часто они наблюдаются на реках северо-востока Российской Федерации.
Основным факторов, влияющим на толщину льда и интенсивность
ее нарастания, является температура воздуха. Толщину льда в естественных условиях можно
определить по формуле Ф.И. Быдина:
,
= th
ϕ
Л
(24)
37
ϕ
ϕ
где
– толщина льда, см;
h
Л
– коэффициент, зависящий от местных условий (у Быдина 2=ϕ,
по предложениям других авторов
t – сумма отрицательных температур воздуха от начала льдо-
изменяется от 1,25 до 2,0);
образования до данного момента.
Вскрытие реки. Весной с наступлением положительных температур воздуха происходит интенсивная прибыль талых вод в реках.
Сначала стаивает снег на поверхности льда, затем лед у берегов. Образуются полосы воды вдоль берегов – закраины. С повышением
уровней воды происходит подвижка
льда (лед медленно продвигается
большими полями, а затем останавливается). Подвижек льда в период
вскрытия может быть несколько. При дальнейшем повышении уровня
начинается весенний ледоход, значительно превосходящий осенний.
Большие массы льда, нагромождаясь в суженных участках русла, образуют на крупных реках мощные ледяные заторы [11].
38
3. КЛИМАТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ СТОКА
К климатическим факторам стока относятся: осадки, влажность
воздуха, испарение, температура воздуха и почвы, ветер [8, 9, 10, 13].
Осадки. Осадки являются главным фактором, формирующим сток
рек. Осадки могут выпадать в виде дождя, снега, града и выделяться
непосредственно из воздуха на поверхности земли в виде росы, инея
и изморози. Различают ливневые, обложные и моросящие осадки.
Ливни характеризуются большой интенсивностью, небольшой площадью распространения и малой продолжительностью. Обложные
осадки отличаются значительной площадью, большой продолжительностью и малой интенсивностью. Моросящие осадки состоят из медленно оседающих, взвешенных в воздухе мельчайших капель или
крупинок снега.
Распределение осадков на поверхности суши зависит от место-
положения бассейна реки, его рельефа. Количество
выпадающих
осадков подчиняется закону географической зональности. На европейской части Российской Федерации осадки убывают в направлении
с северо-запада на юго-восток (от 700 мм на Кольском полуострове
до 300÷400 мм в юго-восточных районах; в Средней Азии и пустынных районах – 100÷150 мм). В горных районах больше осадков выпадает на склонах,
обращенных к влагоносным ветрам. На европейской
территории Российской Федерации больше осадков выпадает на западных склонах, на Дальнем Востоке – на восточных и юговосточных склонах. Влияние рельефа проявляется в том, что с повышением местности обычно увеличивается количество осадков, что
особенно заметно в горных районах. Увеличение осадков с увеличением высоты
происходит до 3000÷3500 м над уровнем моря, а выше
оно замедляется или прекращается.
Измерение дождевых осадков проводят в основном осадкомером
В.Д. Третьякова (рис. 17). Осадкомер Третьякова состоит из ведра
39
с площадью приемной поверхности 200 см2, установленного на столбе на высоте 2 м от поверхности почвы. От выдувания осадков прибор защищен металлическими планками. Осадки, скопившиеся
в осадкомере, измеряют при помощи измерительного стакана, каждое
деление которого соответствует в натуре слою осадков 0,1 мм. Для
непрерывной автоматической записи количества жидких осадков
служит плювиограф (рис. 18). Из дождемерного ведра площадью
500 см2 вода стекает по трубке в цилиндрический сосуд с поплавками. К поплавку прикреплен стержень с пером, который соприкасается
с лентой барабана, вращающегося с помощью часового механизма.
При выпадении осадков поплавок поднимается, и вместе с ним начинает двигаться по ленте перо, вычерчивающее ход осадков во времени. В труднодоступных районах
применяют суммарные дождемеры,
собирающие осадки за длительный период времени.
Рис. 17. Осадкомер В.Д. Третьякова
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]