Дождевой сток. Характеристики дождей.

Дождь характеризуется слоем осадков х ( мм.). При этом составляется карта изолиний слоев осадков за год, называемая картой изолиний.

Слой осадков в единицу времени называется интенсивностью осадков а ( мм/мин.).

Дождь с интенсивностью а >0,5 мм/мин. считается ливнем. В то же время, при продолжительности 24 часа ливнем считается дождь с интенсивностью 0,04 мм/мин..

Слой осадков (х ) влияет на величину стока при дождевом паводке и зависит от интенсивности и продолжительности ливня. По данным измерения в различных районах были построены кривые обеспеченности наибольших в году слоев ливней различной продолжительности.

Рисунок 24

Очевидно, средняя интенсивность ливня убывает с увеличением продолжительности, что характеризуется коэффициентом редукции:

,

где Х - слой осадков какой-то продолжительности.

Семейство кривых обеспеченности наиболее слоев осадков можно перестроить в ранжированные кривые редукции слоев осадков, которые характеризуют для данного климатического района закономерности увеличения слоя осадков Х с возрастанием интервала времени. Аналогично, обрабатываются результаты по наибольшей средней интенсивности осадков.

Рисунок 25

1 – районная кривая редукции слоя осадков;

2 – районная кривая редукции средней интенсивности осадков.

По конкретному виду кривых редукции вся территория нашей страны районирована и каждому району присвоен свой номер.

К характеристикам дождя относятся также слой расчетных потерь – это слой осадков, при котором не наблюдается повышение расхода в реке, кроме того, в конце дождя интенсивность осадков становиться меньше установленной фильтрации и они полностью тратятся на инфильтрацию. В связи с этим различают:

- стокообразующую часть дождя;

- нестокообразующую часть дождя.

Слой стокообразующих дождевых осадков должен быть больше слоя начальных потерь.

При наличии данных наблюдений расчетные значения Q определяется по ТКО, которая строится одним из трех известных методов:

- метод наибольшего правдоподобия;

- метод моментов;

- графоаналитический метод.

Расчет Q дождевых паводков при недостаточности и отсутствии данных наблюдений.

Расчет может осуществляться двумя способами:

1. по редукционной эмпирической формуле;

2. по формуле предельной интенсивности.

Выбор формулы для определения Q осуществляется по таблицам СНиП в зависимости от зоны и площади водосбора. Если площадь водосбора больше 50 тыс. км , то для нашей лесной зоны принимается редукционная эмпирическая формула. В случае наличия многолетних наблюдений на аналоге, она выглядит следующим образом:

Q_p=M_a ×( ) × , (1)

где М_а - модуль стока для аналога, соответствующий расходу заданной обеспеченности;

F - площадь бассейна – аналога;

F - площадь бассейна расчетного створа;

n - показатель степени редукции, определяемый по СНиП;

- коэффициент, учитывающий регулирующее влияние озер и других водоемов;

- коэффициент, учитывающий регулирующее влияние болот.

Формула используется при наличии сходства формы водосбора рек на аналоге и рассматриваемом створе.

Данное сходство выясняют путем определения коэффициента формы:

К_ф= ,

где L – длина реки, км.;

F - площадь бассейна, км² .

Если К_ф , то используется данная формула.

Если К_ф>К_ф , то используется следующая формула:

Q_p=M_a ×( ) × , (2)

где Ф – морфометрическая характеристика русла, определяемая по формулам, приведенным в СНиП.

При отсутствии данных наблюдений и площадью водосбора более 200 км используется редукционная эмпирическая формула:

Q_p=M ×( ) × ,

где М - модуль стока, отнесенный к площади бассейна 200 км и соответствующий максимальному расходу однопроцентной обеспеченности. Определяется по карте изолиний для рассматриваемого района;

- коэффициент перехода от однопроцентной обеспеченности к заданной.

Расчет Q дождевого паводка по формуле предельной интенсивности равен:

Q_p=M × , (3)

где М - модифицированный модуль стока однопроцентной обеспеченности, находящийся по таблице СНиП ;

- коэффициент поводочного стока, определяемый по таблицам в зависимости от почвогрунтов водосбора;

Х - суточный слой осадков однопроцентной обеспеченности, определяемый по картам изолиний;

- коэффициент перехода от однопроцентной обеспеченности к заданной.

Лекция 11: Минимальный сток. Расчет минимального расхода при наличии данных наблюдений.

Минимальный сток наблюдается в периоды летней и зимней меженей, когда река получает питание только за счет грунтового притока.

При наличии данных наблюдений минимальный расход определяется по ТКО, а ее параметры Q , C , C вычисляются методом моментов или графоаналитическим методом.

Поскольку есть реки, которые летом пересыхают, а зимой перемерзают (малые реки), то расчет для малых и средних рек отличается. Принадлежность реки к той или иной группе определяется в зависимости от площади бассейна и района. Так, в Ленинградской области, средними считают реки с площадью бассейна не менее 50 км . Реки с меньшей площадью бассейна зимой перемерзают. Для Нижнего Поволжья граничное значение площади бассейна составляет 2500 км .

Для пересыхающих и перемерзающих рек расчет осуществляется по ЭКО.

Летне-весенняя межень начинается с окончанием весеннего половодья , то есть когда сток в реке резко изменяется, и заканчивается с появлением льда на реке. На горных реках окончание летне-осеннего периода совпадает с наступлением отрицательных температур воздуха.

При проведении расчетов Q определяется три вида данных:

1. средний расход за сутки с минимальным стоком;

2. средний расход за месяц с минимальным стоком;

3. средний расход за 30 суток с минимальным расходом.

Определяют эти данные по гидрографам, построенным за весь период наблюдения. На каждом гидрографе выделяют участок продолжительностью 30 суток, взятых подряд, независимо от начала и конца месяца. Затем по таблицам ежедневных расходов производят подсчет среднего минимального расхода за данный период.

Рисунок 26

Очевидно, что при этом Q должно быть не больше любого среднемесячного Q.

В ходе расчетов представительным (надежным) считается ряд минимальных расходов, который удовлетворяет следующим требованиям:

1. Данные получены с необходимой точностью, то есть частота измерений и кривая Q как функция t позволяет выявить Q ;

2. Относительная средняя квадратичная ошибка _Q .

Далее строится ТКО по трем параметрам. Данные уточняются путем совмещения ТКО и ЭКО. В случае, если трудно подобрать ТКО, то используется ЭКО для расчетов, которая строится на клетчатке вероятности со значительной ассиметричностью. ЭКО применяется для высыхающих и перемерзающих рек.

Выбор нормативной обеспеченности зависит от типа ГТС, например, для ГЭС нормативная обеспеченность Р составляет 90%, для систем орошения - Р=85%, для хозяйственного питьевого водоснабжения- Р=95%.

Расчет Q при недостаточности и отсутствии данных наблюдений.

Используется три способа:

1. Расчет проводится по Q за 30 суток с минимальным стоком. При этом по картам изолиний определяется среднее значение Q обеспеченностью P=80% за 30 суток. Для определения расхода нормативной обеспеченности используется формула:

Q_p= Q × ×k, (1)

где - относительный коэффициент перехода от Р=80% к заданной Р. Определяется по таблицам СНиП в зависимости от зоны, в которой находится река;

k – коэффициент, учитывающий региональные особенности. Определяется по СНиП в зависимости от номера района и сезона.

Этот способ применяется для средних водосборов с F от 10000 до 75000 км .

2. Q продолжительности 30 суток определяется методом графической интерполяции по данным на соседних изученных реках:

Дано: Q_{1 80%,} Q_380%; Q_180%>Q_380%;

Найти: Q_280% - ?

Решение: Q_280%=Q_180%+

3. Q продолжительностью 30 суток определяется по региональным зависимостям:

Q = ,

где а, f , n – параметры, которые находятся по изученным рекам данного региона.

Для определения Q продолжительностью 30 суток и нормативной обеспеченностью Р, полученные во втором и третьем способах значения Q необходимо подставить в формулу (1).

Отметим, что два последних способа могут быть использованы как для средних, так и для малых рек.

Питание и водный режим рек.

Питание рек осуществляется за счет поверхностных и подземных вод.

Поверхностное питание может быть снеговым, дождевым или ледниковым.

Снеговое питание связано с весенним таянием снега. У многих равнинных рек европейской части России сток весеннего половодья составляет более 50% суммарного годового стока.

Реки с дождевым или преобладающим дождевым питанием в нашей стране в основном находятся в Восточной Сибири. Дождевое питание не равномерно в течении года.

Ледниковое питание (реки Камчатки) обусловлено таянием льда и вечных снегов в горных районах. Наибольший сток отмечается в жаркие месяцы.

Питание рек подземными водами наиболее устойчиво и равномерно в течении года. Подземное питание получают почти все реки. У Волги оно составляет около 30%, на малых реках может достигать 60%. Наиболее распространено смешанное питание.

В зависимости от условий питания в режиме рек России выделяют:

- половодье;

- паводки;

- межень

Половодье – фаза водного режима, ежегодно повторяющаяся в данных климатических условиях в одно и то же время, характеризующееся наибольшей водностью, высокими и длительными подъемами уровня воды.

Паводок – фаза водного режима реки, которая может многократно повторяться в различные сезоны года. Характеризуется кратковременным интенсивным увеличением Q и уровней воды в связи с обильными осадками или снеготаянием в период оттепели.

Межень – фаза водного режима реки, ежегодно повторяющаяся в одно и то же время. Характеризуется малой водностью, низкими уровнями воды и обусловлено уменьшением питания реки.

Количество воды, поступающее в реки, в различное время не одинаково. Все реки России по этому признаку можно разделить на три основные группы:

1. с весенним половодьем;

2. с половодьем в теплую­­ часть года;

3. с паводочным режимом.

Наиболее представительна в нашей стране первая группа. Ее, в свою очередь, можно разделить на четыре типа:

1. Восточно-Европейский – весеннее половодье, летняя межень, низкая зимняя межень, повышенный осенний сток;

2. Западно-Сибирский – растянутое весеннее половодье, повышенный летне-осенний сток, низкая зимняя межень;

3. Восточно-Сибирский – высокое весеннее половодье, летне-осенние паводки, низкий зимний сток;

4. Алтайский – невысокое растянутое весеннее половодье, повышенный летне-осенний и низкий зимний сток.

Реки с половодьем в теплую часть года делятся на два типа:

1. Дальневосточный – растянутое половодье, низкий зимний сток, ограниченное из-за вечной мерзлоты подземное питание;

2. Камчатский – отличается от предыдущего высоким зимним стоком.

Реки с паводочным режимом относятся в нашей стране к Северо-Кавказскому региону.

Речные наносы и понятие о русловых процессах. Образование речных наносов и их классификация.

Вода, стекая с поверхности бассейна, захватывает при своем движении частицы почвы или грунта. Явление смыва почвенных частиц стекающими талыми или ливневыми водами называется водной эрозией почв.

Водная эрозия зависит от характера почвенного покрова, состояния поверхности почвы, рельефа, величины стока и др.

Продукты поверхностного смыва, попадая в реки, смешиваются с продуктами размыва дна и берегов русла, образуя наносы реки. Вода перемещает наносы во взвешенном состоянии или влечет их по дну (донные наносы).

Перенос потоком воды твердых частиц (наносов) во взвешенном состоянии возможен только вследствие турбулентности потока. В ламинарном потоке все твердые частицы с плотностью больше плотности воды будут неизбежно опускаться на дно и останавливаться или перемещаться по дну. В турбулентном потоке, кроме главного движения в продольном направлении, возникают добавочные поперечные перемещения масс жидкости. Поэтому твердые частицы переносятся из нижних слоев в верхние, и могут транспортироваться во взвешенном состоянии на большие расстояния. Для поддержания твердых частиц во взвешенном состоянии необходимо наличие в придонных слоях потока постоянных импульсов, поднимающих твердые частицы в верхние слои воды. Источником таких импульсов является твердая шероховатая поверхность стенок и дна потока, особенно если на дне речного русла имеются гряды (например, в районе Рыбинска и Углича высота гряд доходит до 0,5 м. при глубине 3-4м, а скорость их перемещения может достигать 6-12 м/сут.).

Около таких поверхностей образуются вихри, которые выносят в поток твердые частицы, причем, турбулентность тем больше, чем выше средняя скорость потока.

Минимальная средняя скорость течения, при которой начинается массовое движение частиц, называется скоростью трогания (V ).

Наибольшее значение средней скорости потока, соответствующее массовому оседанию частиц, называется скоростью заиления (V ).

Все наносы делят на две категории:

- взвешенные, распределенные по всему живому сечению потока;

- донные, перемещаемые в придонном слое.

Донные наносы состоят из наиболее крупных частиц, транспортируемых потоком. Диаметр их в горных реках более 0,25-0,5 мм. В равнинных реках 0,1-0,25 мм и менее.

Взвешенные наносы распределяются в толще потока весьма неравномерно. Более крупные движутся в нижних слоях, где насыщение воды взвесью (мутность потока) достигает значительной величины.

Наиболее мелкие распределяются по всей глубине, однако количество их уменьшается от дна к поверхности воды:

Сток наносов определяется преимущественно взвешенными наносами. Донные наносы составляют незначительную часть твердого стока, обычно не более 5-10%. В тоже время движение данных наносов, как наиболее крупных и образующих гряды, определяет собой сопротивление и уклон русла.

Рисунок 27 - Эпюра распределения концентрации частиц в потоке.

Лекция 12: Селевые потоки.

Селевыми потоками называются временно действующие потоки, переносящие огромное количество твердых материалов различной крупности. Содержание твердых материалов в таких потоках по массе может достигать 40-60%, плотность 1,5-1,6 т/м .

Сели в среднем наблюдаются раз в 10-25 лет. Обычно они возникают после засухи, сменяющейся ливнями большой продолжительности и интенсивности.

Для образования селя, кроме ливня, необходимо, чтобы в бассейне реки на крутых склонах накопилось достаточно большое количество рыхлого обломочного материала. Последнее возможно в результате существенного развития процесса ветровой эрозии в период засухи.

Объем выноса твердых материалов в селях в 10-100 раз больше, чем годовой объем наносов в соответствующих реках. При этом сели обладают большой разрушительной силой. Встречая на своем пути препятствия, они заполняют их, забивая отверстия труб, мостов и создавая значительный подпор воды, который может произвести значительные разрушения. Сели могут полностью забивать водоприемные сооружения ГЭС и даже полностью их заваливать.

Селевые потоки бывают:

1. Грязевые, содержащие гравелисто-галечную и песчаную составляющие, а также ил и глину;

2. Грязекаменные, которые наряду с вышеперечисленными компонентами, содержат крупные камни;

3. Водокаменные, имеющие малую насыщенность взвешенными наносами.

Расход взвешенных наносов.

Расходом взвешенных наносов называется количество взвешенных наносов, переносимых через живое сечение реки в единицу времени:

G = ×Q, (км/с),

где G - расход взвешенных наносов;

- средняя в живом сечении мутность потока (кг/м );

Q – расход воды (м /с.)

Суммарное количество переносимых рекой наносов за расчетный прмежуток времени (месяц, сезон, год) называется стоком наносов.

Модуль твердого стока – количество наносов, переносимое рекой с единицы площади водосбора за единицу времени:

М = , кг/с×км .

Русловые процессы. Взаимодействие потока и русла.

Русловый процесс – это постоянно происходящие изменения форм речного русла и русловых образований под действием течения.

Характер руслового процесса зависит от таких физико-географических факторов, как:

- климат;

- рельеф;

- почвогрунты;

- растительный покров и другие.

Климат определяет количество и распределение по площади воды, поступающей на водосбор.

Рельеф формирует пути и скорости стекания воды.

Почвогрунты влияют на количество, сносимого водой твердого материала и на форму русла.

Растительный покров своей корневой системой усиливает связность грунтов и таким образом оказывает влияние на ход руслового процесса.

Сам русловой процесс осуществляется при взаимодействии двух сред:

- жидкой;

- твердой.

Твердые поверхности, ограничивающие поток, придают определенное направление движению воды, то есть русло управляет потоком. С другой стороны, твердые частицы, образующие русло, под действием течения сами приходят в движение, что приводит к изменению формы русла. В этом случае поток управляет руслом.

Каждое изменение формы русла вызывает изменение структуры потока, выражающееся в перераспределение скоростей, уклонов и т.д. Эти изменения происходят почти одновременно, причем изменение формы речного русла под влиянием измененной структуры, протекает значительно медленнее, особенно, если ложе реки сложено устойчивыми к размыву грунтами. Степень воздействия потока на русло зависит от скоростного режима. При подвижных малоустойчивых грунтах и быстром течении влияние потока на русло может быть даже сильнее, чем русла на поток.