»

а

Т

б

в

г

д

Рис. 14. Реки с весенним половодьем: а – Казахстанский тип (р. Нура, пос. Самаркандский); б – Восточно-Европейский (р. Вятка, г. Киров):

в – Западно-Сибирский (р. Васюган, с. Васюган); г – Восточно-Сибирский тип (р. Нижняя Тунгуска, с. Тура); д – Алтайский (р. Томь, г. Кузнецк)

42

а

б

Рис. 15. Реки с половодьем в теплую часть года: а – Дальневосточный тип (р. Витим, г. Бодайбо); б – Тянь-Шаньский (р. Терек, с. Казбеги)

На реках второй группы половодье проходит в месяцы с мая по октябрь и формируется в одних условиях преимущественно за счет муссонных дождей, а в других – в результате таяния высокогорных снегов и ледников. Заметим, что название «реки с половодьем в теплую часть года» условно, так как и на реках первой группы половодье проходит в месяцы с положительной температурой.

Реки второй группы разделены на два типа: 6 – Дальневосточный и 7 – Тянь-Шанский. Гидрографы рек второй группы приведены на рисунке 15.

Реки третьей группы отличаются кратковременными паводками, ежегодно наблюдающимися в определенные сезоны года.

Реки третьей группы наименее распространены. Они подразделяются на три типа: 8 – Причерноморский, 9 – Крымский и 10 – Северо-Кавказский. Гидрографы рек третьей группы приведены на рисунке 16.

а

б

в

Рис. 16. Реки с паводочным режимом: а – Причерноморский тип (р. Сочи, с. Пластунка); б – Крымский (р. Салгир, г. Симферополь); в – Северо-Кавказский (р. Камбилеевка,

с. Ольгинское)

43

2.9. Гидрометрия

Гидрометрия (греч. hydor – вода и мetreo – измеряю) – раздел гидрологии суши, занимающийся измерением элементов гидрологического режима, способами и приборами этих измерений, а также методами обработки полученных результатов, их сбора, хранения и публикации.

Гидрометрией также называется совокупность методов определения величин, характеризующих движение и состояние жидкости, и режим водных объектов.

Кзадачам гидрометрии относятся измерения: уровней, глубин, рельефа дна и свободной поверхности потока; напоров и давлений; скоростей и направлений течения жидкости; пульсаций скоростей и давлений; элементов волн; гидравлических уклонов; мутности потока (концентрации наносов); расходов воды, наносов и гидросмеси; элементов, характеризующих термический и ледовый режим потоков и др.

Косновным гидрометрическим работам на реках, озерах, водохранилищах относятся:

обустройство гидрологического поста и организация регулярных измерений уровня и температуры воды, мутности воды, рН и минерализации, наблюдения за атмосферными явлениями и погодой в течение всего периода практики;

нивелирование поперечного профиля долины и вычисление максимального расхода воды за половодье текущего года;

геодезическая съемка участка реки и измерение глубин с засечками традиционными методами;

измерение глубин с определением местоположения промерных точек с применением GIS-технологий, построение плана участка русла в изобатах и горизонталях;

определение истинного положения гидрометрического створа с помощью измерителя направления течений и поверхностными поплавками;

измерение расхода воды в реке с помощью измерителя скорости потока (ИСП) и поверхностными поплавками;

измерение расхода взвешенных и влекомых наносов;

гидробиологическое обследование участка реки;

рекогносцировочное обследование русла реки и ее поймы;

наблюдение за замерзанием и вскрытием водотоков, состоянием ледяного покрова;

определение механического состава наносов и донных отложений. Результаты гидрометрических работ широко используются для развития

теоретических основ гидрологии и методов гидрологических расчетов и прогнозов.

Уровень воды в реках измеряется над нулем поста и над уровнем моря (для территории России уровень моря отсчитывается от нуль-пункта гидрометрического поста города Кронштадта, Балтийское море).

44

Гидрологический пост – пункт на реке, озере, водохранилище, болоте, выбранный с соблюдением известных правил и оборудованный для производства систематических наблюдений сбора информации по определенной программе и методике. Речные гидрологические посты ведут наблюдения за уровнем, температурой воды, ледяными образованиями и ледовой обстановкой, за распространением водной растительности, измеряют расходы воды и производят метеорологические наблюдения.

В соответствии с водным объектом, на котором оборудован пост, он называется речным, озерным (на водохранилище) или болотным. Речной гидрологический пост, на котором учитывается сток воды, называется расходным, а пост, где ведутся наблюдения только за уровнем воды, – уровенным. Гидрологические посты бывают І-го, ІІ-го и ІІІ-го разрядов. Гидрологические посты первого разряда ведут наблюдения за уровнем и температурой воды, ледовыми образованиями и ледовой обстановкой, за распространением водной растительности, измеряют расход воды и производят метеорологические наблюдения по программе метеорологических постов І-го разряда, по указанию станции производятся наблюдения за продольным уклоном водной поверхности, на отдельных постах ведут наблюдения за расходом наносов. Гидрологические посты ІІ-го разряда ведут наблюдения по программе постов І-го разряда за исключением расходов воды и наносов. Гидрологические посты ІІІ-го разряда ведут наблюдения за уровнем и температурой воды, ледяными образованиями и ледовой обстановкой.

Кроме речных гидрологических постов имеются озерные гидрометеорологические посты І-го и ІІ-го разрядов, которые ведут наблюдения за гидрометеорологическим режимом озер: уровнем и температурой воды, ледовыми явлениями, толщиной льда и снега на льду, ветром, волнением и др.

Гидрологические посты имеют водомерные устройства, по которым производятся измерения уровня воды, и репера, предназначенные для систематического контроля высотного положения этих устройств. По конструкции водомерные устройства подразделяются на следующие типы. 1. Реечные (представляют собой рейку, укрепленную на надежно забитой в грунт свае, на устое моста, облицовке набережной или естественной вертикальной береговой скале). Длина рейки, прикрепляемой к свае, 1–2 м. Размер делений на рейке 1–2 см. Отсчеты уровня воды по рейке берут глазомерно с округлением до 1 см. Сроки наблюдения: 02 ч, 08 ч, 14 ч, 20 ч. 2. Свайные (ряд свай, вбитых в дно и берег реки или водоема; абсолютные высоты верха каждой сваи определены, от них ведутся отсчеты уровня воды при помощи переносной водомерной рейки). 3. Реечно-свайные (смешанные водомерные посты представляют собой комбинацию реечного поста со свайным. На таких постах фиксация высокого уровня делается по сваям, а низких уровней – по рейке); передаточные (положение уровня каким-либо образом передается к регистрирующей части прибора) и автоматические дистанционные уровнемеры. Самым распространенным передаточным водомернымустройствомявляетсясамописецуровняводы(СУВ) (рис. 17).

45

Свободное меандрирование наиболее распространено на равнинных реках. Этот тип руслового процесса развивается в широких речных долинах, склоны которого не ограничивают свободное развитие плановых деформаций излучин.

Незавершенное меандрирование (прорванные излучины) возникает в сильно затапливаемых во время половодья поймах. Характеризуется наличием спрямляющего протока.

Пойменная многорукавность – обобщающее название разных типов разветвленных русел. Выделить основное русло среди многочисленных протоков часто невозможно.

Деформации русла сводятся к развитию спрямляющих протоков, их отмиранию и возобновлению, сопровождающемуся перераспределением расхода воды между рукавами.

Выделяют следующие русловые образования (рис. 19).

отмель

залив протока

коса

Рис. 19. Виды русловых образований

Распределение скоростей течения в речном потоке. Движение воды в реках носит, как правило турбулентный, т. е. вихревой характер, при котором движение воды в каждой точке неравномерно по величине и направлению. Поскольку речной поток турбулентен, скорость движения воды у дна не равна нулю. В каждой точке потока и в каждый момент времени местная мгновенная скорость течения представляет собой вектор, который можно разложить на

48

три составляющие (ux, uy, uz) вдоль продольной, поперечной и вертикальной осей координат.

Местные осредненные во времени скорости течения распределены в речном потоке неравномерно: наибольшие скорости наблюдаются на поверхности потока над наиболее глубокой частью русла, наименьшие – у дна и берегов. Линии, соединяющие точки с одинаковыми скоростями течения, называются изотахами. Продольная (вдоль русла) линия наибольших скоростей течения на поверхности потока называется динамической осью потока, или стрежнем [1].

При наиболее закономерном распределении скоростей течения по глубине речного потока график распределения (эпюра распределения, годограф) вертикального распределения скоростей имеет максимум (umax) на поверхности, скорость, близкую к средней по вертикали, – на глубине 0,6 h от поверхности

(h – полная глубина) и минимум (umin), не равную нулю – у дна. Но под влиянием ледового покрова, ветра, растительности, неровностей рельефа дна и берегов

такое распределение скоростей нарушается.

Обычно в речном потоке действует только одна активная массовая сила – продольная составляющая силы тяжести, обусловленная продольным уклоном водной поверхности. При движении водного потока возникают сопутствующие движению пассивныесилы– силатрения, центробежнаясила, силаКариолиса.

Средняя скорость течения вычисляется по формуле Шези:

= С hсрI ,

где hср – средняя глубина, вместо нее иногда используют гидравлический радиус R = /p; I – уклон водной поверхности; С – коэффициент Шези, который вычисляют по эмпирическим формулам, например по формуле Моннинга:

С = hср1/6/n,

где n – коэффициент шероховатости речного русла.

Существует множество приборов, позволяющих определять скорости течения речных потоков. Наиболее распространенным прибором для измерения скорости течения является гидрометрическая вертушка. В настоящее время многие измерения на реке и на море производятся с помощью эхолотов.

Скорость течения существенно меняется в течение года. Минимальные скорости наблюдаются осенью в межень, максимальные – весной в половодье.

Характеристики речных наносов. Основными источниками поступления наносов в реки служат поверхность водосборов, подвергающаяся эрозии в период дождей и снеготаяния, и сами русла рек, размываемые речными потоками. Наносы – твердые частицы, переносимые потоками или течениями в водных объектах.

К наиболее важным характеристикам наносов относятся следующие: геометрическая крупность, выражающаяся через диаметр частиц наносов (D, мм); гидравлическая крупность, т. е. скорость осаждения частиц наносов в непод-

49

вижной воде (w, мм/с, мм/мин); плотность частиц ( н, кг/м3), равная для наиболее распространенных кварцевых песков –2650 кг/м3, чистого песка – 1500 кг/м3, глинистого песка – 1100 кг/м3, ила – 1000 кг/м3; плотность отложений (плотность грунта) ( отл, кг/м3), зависящая от плотности частиц и пористости грунта; концентрация (содержание) наносов в потоке, которую можно пред-

ставить как в относительных величинах (отношение массы или объема наносов к массе, или объему воды), так и в абсолютных величинах, с использованием понятия мутность воды.

По геометрической крупности наносы делятся на фракции (табл. 6).

В реальных условиях наносы и донные отложения представляют собой смесь наносов различной крупности.

По характеру перемещения в реках наносы разделяют на два основных

типа - взвешенные и влекомые. Промежуточным типом являются сальтирую-

щие наносы, движущиеся скачкообразно в придонном слое.

Типы опускания частиц:

а) ламинарный:

w g D2 / (D 0,15),

где w – гидравлическая крупность; D – диаметр частиц;

g– ускорение свободного падения;

– скорость;

б) турбулентный:

w gD (D 1,5 мм),

где w – гидравлическая крупность; D – диаметр частиц;

g – ускорение свободного падения.

Расход наносов – масса наносов, переносимая речным потоком через поперечное сечение за единицу времени, выражается в кг/с.

Существуют следующие условия для перемещения взвешенных и влекомых наносов. Условие перемещения взвешенных наносов:

uz+ ≥ w,

50