2. 32.2. Основи гідрології суші

Гідрологія – це наука, в якій вивчаються природні води і явища, які в них відбуваються. До природних вод відносяться води океанів та води суші землі.

Для гідромеліорації важливими є води суші, до яких відносяться поверхневі води, тобто водні об’єкти розташовані на поверхні землі, а саме води річок, струмків, каналів і ін. і підземні води, які розташовані в порах і тріщинах гірських порід і вивчаються в гідрогеології.

Джерелом постійного відновлення вод суші є круговорот води в природі. Він полягає в тому, що вода випаровується з поверхні морів і океанів, частково випадає у вигляді опадів на їх же поверхню, але основна маса її переноситься повітряними потоками на поверхню суші, випадаючи у вигляді дощу чи снігу. Частина опадів стікає в річки, а останні в моря і океани, частина ж води просмоктується в грунт до водотривкого пласта і завдяки його похилу також виходить в річки чи океани (підземний сток).

Басейн річки характеризується гідрографічними показниками річкової мережі, а саме площею водозбору F, км²; довжиною головного водотоку L, км; густотою річкової мережі ρ, км/км² і іншими.

Кожна річка має початок (витік) і гирло - місце впадіння річки в головну річку, в море чи океан. Протікають річки в річкових долинах, тобто витягнуті в довжині поглиблення в земній поверхні. Частина річкової ділити, яка періодично затоплюється водою при весняних повенях чи дощових паводках називається заплавою.

Площа, з якої вода стікає в річку, називається водозбірною площею, або басейном річки. Лінія, яка відділяє в плані водозбірну площу однієї річки від другої, називається водороздільною лінією або водорозділом, він проходить по самим високим точкам поверхні землі (місцевості).

Усі гідрологічні показники визначаються або для всього водотоку, або до певного створу. Створ водотоку – це умовний переріз водотоку (річки) в якому плануються ті чи інші водогосподарські заходи.

До складу водозбору річки в будь-якому створі входять водозабірні площі усіх притоків, розташованих вище цього створу на річці. Витрата води в річці залежність від водозбірної площі та водності рокую

Річки протікають по пониженням місцевості, які називаються річковими долинами. На рисунку 5 показаний розріз річкової долини.

Відношення падіння річки (різниці відмиток річки) до довжини, на якій воно відбулося називається похилом річки і він визначається за формулою

і = , (19)

де ΔZ - падіння річки;

l - довжина ділянки, на якій відбулося падіння річки на величину ΔZ. Витрату води в річці встановлюють по її рівню, який заміряється на водомірних постах. Простішими з них є рейкові і свайні. Рейковий водомірний пост – це рейка прикріплена до устоїв мосту чи іншої постійної споруди.

Свайний – це забиті вздовж схилу русла річки сваї діаметром 15...20 см довжиною до 2 м.

Рис. 5 Розріз річкової долини: 1-схили; 2-дно долини; 3-наноси; 4-русло; 5-заплава; 6-меженний рівень; 7- рівень високих вод.

Витрата воли визначається за допомогою заздалегідь побудованого графіка залежності витрати води від її рівнів в річці, тобто Q = f (z).

Швидкість руху води в річці визначається за допомогою вертушок.

Рис. 6. Свайний водомірний пост: R - репер (постійна висотна точка)

Основною гідрологічною категорією любого водного потоку є стік води.

Стік води – це сумарний об’єм води, яка протікає через даний створ (переріз) річки за деякий період часу. Він визначається по формулі

W = Q·t, (20)

де Q – витрата води, м³/с;

t - число секунд в періоді часу який розглядається.

Залежно від тривалості періоду розрізняють добовий, місячний, сезонний і річний об’єми стоку.

Для зручності співставлення характеристик стоку різних річок застосовуються слідуючі питомі величини стоку.

Модуль стоку М, л/с∙км₂ – кількість води в літрах, яка стікає за 1 с з 1 км² водозабору, тобто

М = 1000·Q/F, (21)

де Q – витрата води, м³/с;

F - площа водозбору, км².

Згідно з цим, витрата води в річці визначається по формулі

Q = MF/1000, м³/с (22)

Модуль стоку, як і витрата води, може бути добовим, місячним, річним чи середньо багаторічним.

Норма стоку – це середнє значення величини річкового стоку за багаторічний період часу. Норму стоку можна характеризувати середньою витратою чи об’ємом стоку, а частіше за все модулем стоку, відповідному середній витраті.

Іноді норму стоку виражають величиною середнього шару води в міліметрах, рівномірно розподіленого по площі водозбору. Для позначення норми стоку над відповідними літерами будемо ставити горизонтально риску, наприклад , .

Для зручності співставлення стоку в різні моменти часу його часто виражають відносними величинами - модульними коефіцієнтами.

Модульний коефіцієнт K_і– це відношення стоку любого періоду до середнього багаторічного його значення, тобто

K_і = , (23)

де і - відповідно середні значення витрати води і модуля стоку за багаторічний період (норма стоку).

Знаходження норми стоку. Норма стоку є вихідною величиною при гідрологічних і водогосподарських розрахунках. Точність визначення норми стоку залежить від довготривалості ряду спостережень і від мінливості стоку річки. При наявності даних спостережень за стоком норма стоку визначається як середнє арифметичне значення середньо річних витрат Q_і за період спостережень n, тобто

= , (24)

де - сума – середніх річних витрат води за період n років.

У випадку, якщо спостереження в створі у якому планується будівництво водогосподарського об’єкту (водосховища, гідроелектростанції чи ін.) відсутні, а це має місце практичне завжди, то можливі два способи знаходження норми стоку. При одному з них використовуються дані про стік у вище чи нижче розташованому створі на цій же річці, на якому велися спостереження, цей метод називається методом гідрологічної аналогії.

Згідно з цим методом норма стоку, яку необхідно знайти визначається за формулою

= , (25)

де _, F_a– відповідно, норма стоку і площа водозбору річки – аналога; F- площа водозбору до розрахункового перерізу на річці з запланованим об’єктом використання води. При другому способі , при якому є спостереження за стоком в створах, розташованих вище і нижче того, що розглядається, норма стоку визначається за формулою

Q = + ( - ) , (26)

де і , F_в і F_н- відповідно норми стоку і водозбірні площі для верхнього і нижнього створів. , F – відповідно, норма стоку і площа водозбору для розрахункового водозбору.

Останній метод можна застосувати і у випадку, коли є дані про стік на сусідній річці, яка знаходиться в аналогічних умовах.

Якщо дані спостережень за стоком в загалі відсутні, або недостатні тоді норму стоку приймають наближено по карті ізоліній модулів стоку. (рис. 7). Ізолінії –це лінії рівного значенні модулів стоку нанесені на географічну карту.

Р ис. 7 Середні багаторічні модулі стоку М річок України л/с∙км².

При проектуванні водогосподарських об’єктів на річці необхідно знати не тільки середню величину, тобто норму стоку за багаторічний період, а і межі коливання річних значень стоку, що важливо для експлуатації гідроспоруд. Очікувані коливання стоку встановлюються на підставі закономірностей зміни стоку за період попередніх спостережень. Коливання стоку мають випадковий характер, а тому встановлюються за допомогою методів математичної статистики.

Найбільш важливою статистичною характеристикою ряду спостережень є забезпеченість норми стоку. Вона показує, що норма стоку, рівна значенню любого члена ряду спостережень або перевищуюча його, спостерігалась стільки раз, скільки членів ряду знаходяться вище взятої норми стоку, включаючи і цю норму стоку. Для цього норми стоку за наявний період спостережень розташовують в порядку що зменшується.

Приклад. Маємо спостереження за 20 років, що складає 100 %, тоді кожен рік, по відношенню до всього періоду складе 5%. Таким чином, найбільша норма стоку за період спостережень має забезпеченість 5%, слідуюча норма стоку 10%, а остання 100%. Таким чином, забезпеченість любого члена ряду визначається залежністю

р = , (27)

де n– кількість всіх членів ряду;

m - порядковий номер цього члена в ряду, в якому норми стоку розташовані в порядку що зменшується.

Графічно це ілюструється на рисунку 8.

Рис. 8 Ступенева діаграма (1) і крива (2) забезпеченості середньорічних витрат води.

Забезпеченість показує довжину періоду в процентах від загальної кількості років спостережень на протязі якого в річці спостерігається норма стоку, рівна і вище даної норми стоку. Наприклад, норма стоку показує, що в 75 % випадків із 100 витрата води не може опинитися меншою і відповідно в 25 % випадків із 100 ці значення будуть меншими .

Вище описана крива забезпеченості (рис. 8) є емпіричною і характеризує коливання стоку за наявний період спостережень, але при гідрологічних розрахунках часто виникає необхідність подовження цього ряду, для чого існує певний математичний апарата на підставі якого отримується теоретична крива забезпеченості.

Для знаходження ординат теоретичної кривої забезпеченості необхідно знати три числових параметри: 1) середнє значення ряду = ΣХ_і/n, де Х_і - окремі значення величин; n - кількість всіх членів ряду; 2) коефіцієнт варіації. Коефіцієнт варіації С_v (мінливість) є мірою мінливості ряду, тобто характеризує ступінь відхилення значень членів ряду спостережень від середнього значення ряду.

C_v = , (28)

де К_і = – модульний коефіцієнт; Х₁ – поточне значення величини; - середнє значення величини;

n - кількість всіх членів ряду;

3) Коефіцієнт асиметрії. Коефіцієнт асиметрії С_s– характеризує асиметричність розподілу витрати

C_s = , (29)

Значення розрахункових витрат води певної забезпеченості встановлюється по теоретичній кривій забезпеченості.

Річковий басейн. Морфологічні характеристики річкового басейну.

Територія земної поверхні разом з товщею ґрунтів, звідки дана річкова система або окрема річка отримує водне живлення називається басейном річкової системи або річки. Басейн кожної річки включає в себе поверхневий і підземний водозбори. Поверхневий водозбір являє собою площу земної поверхні з якої води поступають в дану річкову систему або окрему річку. Підземний водозбір утворюється товщею ґрунтів, із яких води поступають в річкову мережу.

Рис. 2. Схема річкової системи

Поверхневий водозабір кожної річки відокремлюється від водозабору сусідньої річки вододілом, що проходить через найвищі точки земної поверхні, розташованої між водозаборами сусідніх річок. В загальному випадку поверхневий та підземний вододіли не збігаються. Але ж через великі труднощі в визначенні границь підземного водозабору при розрахунках та аналізі формування стоку за величину басейну приймають лише величину поверхневого водозабору.

До морфометричних характеристик річкового басейну відносять показними, що характеризують особливості геометричної будови річкових водозаборів. Серед них основними вихідними характеристиками являються довжина річки і площа водозабору.

Довжиною річки називають відстань від витоку до гирла в кілометрах. Довжиною ручки визначають за картою, вводячи поправки у виміри в залежності від категорії живлення. Визначивши довжину головної річки і її протоків та місце впаденання протоків в річки вищого порядку, можна побудувати гідрографічну схему, яка дає наглядне уявлення про те куди яка річка впадає її довжина.

Площа водозабору річки безпосередньо визначає її водність: чим більший водозабір, тим повноводніша річка при однакових фізико-географічних умовах. Площа водозабору визначається за картою за допомогою планіметра. Між площею водозабору та довжиною річки існує залежність, що звичайно виражається у вигляді показникового рівняння:

. (10)

Однією із характеристик форми річкового басейну є коефіцієнт розвитку довжини вододільної лінії, який являє собою відношення довжини вододільної лінії до довжини кола, що обмежує рівновелику водозборові площу кола:

, (11)

де S - довжина вододільної лінії, км;

A - площа басейну, км².

Залежно від розташування приток відносно головної річки розрізняють симетричні та асиметричні басейни. Мірою асиметричності басейну є коефіцієнт асиметричності, що обчислюється за формулою:

, (12)

де А_Л, А_n - відповідає сумарна площа водозборів лівобережних і правобережних приток.

Важливою характеристикою басейну є його середня висота, яка визначається за формулою:

(13)

де f₁, f₂, f_n, - часткові площі, обмежені горизонталями;

h₁, h₂, h_n, - середня висота між горизонталями;

A - площа басейну.

Середній похил поверхні басейну може бути визначений за формулою:

. (14)

де h - висота перерізу горизонталей;

l₀, l₁, l_n - довжина горизонталей в межах басейну.