7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

а) основная литература:

1. Михайлов В.Н., Добровольский А.Д., Добролюбов С.А. Гидрология. М.: Высшая школа, 2008. 463 с.

2. Практикум по гидрологии /Под редакцией В.Н.Михайлова. М.: Изд-во МГУ, 1991, 30 с.

б) дополнительная литература:

1. Алексеевский Н.И. Формирование и движение речных наносов. М.: Географический ф-т МГУ, 1998. 203 с.

2. Водные ресурсы России и их использование / Под ред. И. А. Шикломанова. СПб: ГГИ, 2008. 600 с.

3. Всеволожский В.А. Основы гидрогеологии. М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1991.351 с.

4. Голубев Г.Н. Гидрология ледников. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 247 с.

5. Догановский А.М., Малинин В.Н. Гидросфера Земли. СПб.: Гидрометеоиздат, 2004.630 с.

6. Жуков Л.А. Общая океанология. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 240 с.

7. Иванов К.Е. Гидрология болот. Л.: Гидрометеоиздат, 1953. 238 с.

8. Матарзин Ю.М. Гидрология водохранилищ. Пермь: Изд-во Пермского ун-та, 2003. 295 с.

9. Михайлов В.Н.Гидрология устьев рек. М.: Изд-во МГУ, 1998. 176 с.

10. Никаноров А.М. Гидрохимия. Ростов-на-Дону: «НОК».2008. 461 с.

11. Чалов Р.С. Русловедение. Т. 1.Русловые процессы: факторы, механизмы, формы проявления, и условия формирования речных русел. М.: Изд-во ЛКИ, 2008. 608 с.

12. Эдельштейн К.К. Гидрология материков. М.: ИЦ «Академия», 2005. 304 с.

в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы

К числу важнейших интернет-ресурсов в области гидрологии и водного хозяйства

относятся сайты:

1. www.waterinfo.ru (Министерство природных ресурсов Российской Федерации. Федеральное агентство водных ресурсов, ФГУП «Центр Российского регистра гидротехнических сооружений и государственного водного кадастра),

2. rims.unh.edu – Arctic RIMS (Региональная гидрологическая система мониторинга Арктических бассейнов),

3. www.r-arcticnet.sr.unh.edu – R-ArcticNet (Региональные гидрографические данные сети постов Арктического региона),

4. www.cawater-info.net (Портал знаний о водных ресурсах и экологии Центральной Азии)

5. www.nws.noaa.gov/oh/hic (Центр гидрологической информации национальной службы погоды США),

6. water.usgs.gov (Данные по водным ресурсам США, включая оперативные данные по каждому штату).

7. www.wsc.ec.gc.ca (Гидрометеорологические и климатические данные по Канаде).

Практическая работа №1

Речная сеть и водосборный бассейн

Целью практической работы является приобретение будущими специалистами-гидрологами навыков работы с картографическим материалом для получения морфометрических характеристик речного бассейна и особенностей структуры его гидрографической сети, определение порядка речной сети, ее общей протяженности и густоты.

Задания:

1. Выбрать речной бассейн. Рассчитать его основные морфометрические характеристики.

2. Построить граф речной сети, определить порядок речной системы.

3. Вычертить продольный профиль главной реки. Рассчитать падение и уклон русла.

Рекомендации, пожелания: Для выполнения этой практической работы Вам понадобятся топографические карты масштабов 1:100 000, 1:200 000. Работа может быть выполнена на кальке, миллиметровой бумаге, либо с использованием геоинформационных (ГИС) пакетов.

Морфометрические характеристики рек и их бассейнов

Каждая река и ее бассейн могут быть охарактеризованы количественными показателями - морфометрическими характеристиками. К ним относятся длина реки, площадь ее водосбора, высотное положение реки и бассейна и др.

Определение всех морфометрических характеристик может быть выполнено по крупномасштабным топографическим картам, данным аэрофотосъемок и полевых исследований.

Практически чаще всего используются карты. Масштаб карт необходимо выбирать в соответствии с размерами бассейнов рек - чем меньше бассейн, тем крупнее должен быть масштаб карты. Кроме того, карты должны удовлетворять следующим требованиям: новизна и сохранность, наличие сведений о рельефе, полнота изображения гидрографической сети, покрытие всего бассейна картами одного масштаба.

Длиной реки называется расстояние по реке от устья до истока в километрах.

Истоком называется начало реки, соответствующее месту, с которого появляется постоянное течение воды в русле. Истоком реки часто является родник, болото, озеро или ледник.

Устьем реки называется место ее впадения в другую реку, озеро, море. При впадении реки в озеро или море несколькими рукавами за устье принимается устье основного рукава.

Если река оканчивается оросительным веером, за устье берется место разветвления ее на оросительные каналы. При впадении реки в залив, лиман, губу их длина к длине реки не причисляется.

Для крупных рек нередко за начало условно принимается место слияния двух рек разных наименований. В этом случае различают гидрографическую длину (т. е. длину от наиболее удаленного истока) и длину реки данного наименования.

Перед измерением длины реки на крупномасштабной карте определяется и фиксируется ее исток и устье, река разделяется на участки с однородной извилистостью.

Длина реки может определяться циркулем-измерителем или курвиметром. При работе с циркулем длина реки (участка) измеряется постоянным раствором М, равным 1 или 2 мм. Величина М тщательно устанавливается перед началом работы и периодически проверяется в ее процессе. Длины измеряются дважды. Вначале от устья реки до истока с отсчетом числа М на каждом участке. Затем в обратном направлении. Доли М оцениваются на глаз. Расхождение между количеством отложений при первом и втором измерениях не должно превышать 2%. При выполнении этого условия за окончательное значение принимается среднее значение.

Длина реки (участка) при измерении циркулем вычисляется по формуле:

L=naK, (1)

где n - среднее число отложений раствора циркуля; а - значение раствора циркуля в масштабе карты, км; К - поправочный коэффициент на извилистость, определяемый для каждого участка.

При измерении длины реки (участка) курвиметром определяется отсчет по шкале после продвижения курвиметра по участку. Для удобства при измерении каждого участка стрелка прибора устанавливается на нулевой отсчет. Измерения производятся два раза - от устья к истоку и в обратном направлении. Расхождение между результатами не должно превышать- 0,5-0,7 деления при масштабе топографической карты 1:100 000.

Длина реки (участка) при измерении курвиметром вычисляется по формуле

L = (n+Δl·n)a, (2)

где n - средний из двух измерений отсчет больших делений по шкале курвиметра; Δl - поправка на одно деление шкалы (указывается в свидетельстве прибора); а - цена деления курвиметра в масштабе карты.

Цена деления курвиметра в зависимости от масштаба карты равна: 0,25 км для масштаба 1:25 000; 0,50 км - 1 : 50 000; 1,00 км 1: 100 000.

Длины рек необходимо определять по картам крупного масштаба. По картам среднего масштаба (1:200 000, 1:500 000) можно производить измерения длин рек, изображенных двумя линиями; по мелкомасштабным картам (1:1 000 000) можно измерять длину рек, имеющих ширину не менее 0,5 см в масштабе карты. Измерение длин в этих случаях производится по средней линии. В результаты следует вводить поправочные коэффициенты, приведенные в табл. 1, на которые нужно умножать полученные по формулам (1) и (2) значения длины.

Для периодически действующих малых водотоков и логов длину определяют по картам или натурной съемкой на всем протяжении главного лога, ясно заметного в натуре или хорошо выраженного горизонталями на карте.

Площадь бассейна и водосбора. Территория, на которой расположена река, и с которой она получает водное питание, называется бассейном, или водосбором реки. Выделяют поверхностный и подземный водосборы. Границы подземного водосбора часто не совпадают с поверхностными. Но ввиду трудности их определения водосбор реки обычно определяется только по поверхностным границам (водораздельной линии).

В пределах некоторых бассейнов могут находиться области, с которых вода поступает в низины или озера, не связанные поверхностными водотоками с речной сетью данного бассейна. Вода здесь расходуется на испарение и питание подземных вод, уходящих за пределы бассейна. Такие области относятся к бессточным, они не должны включаться в водосборную площадь реки.

Таблица 1

Значения поправочных коэффициентов при измерении длин рек

по картам разных масштабов

Масштаб карты	Коэффициент извилистости и изображение реки на карте	Поправочный коэффициент
		1:200 000	1:300 000	1:500 000	1:1 000 000
1:100 000	1,00-1,03	1,01	1,04	1,06	1,15
1:100 000	1,05-1,17	1,07	1,13	1,21	1,26
1:100 000	1,20-1,35	1,15	1,28	1,42	1,53
1:100 000	Река в две линии	1,07	1,14	1,27	1,44
1:300 000	Река в одну линию
1:100 000 и 1:300 000	Река в две линии	1,01	1,03	1,06	1,09
1:1 000 000	На картах всех масштабов река в две линии	1,01	1,01	1,03	1,03

Граница между смежными водосборами называется водоразделом. Водораздел проходит по наиболее высоким точкам земной поверхности, расположенным между бассейнами соседних рек, разделяет обращенные в противоположные стороны покатости земной поверхности и отделяет площадь, с которой получает водное питание данная река, от площадей, сток с которых происходит в соседние реки. В пределах бассейна могут находиться отдельные точки с отметками, превышающими отметки водораздела.

Площади бассейнов рек чаще всего определяются по картам. На карте выделяются площади водосборов главной реки, основных притоков и межбассейновые пространства (рисунок 1А).

Межбассейновыми пространствами называются такие участки склонов, сток с которых происходит непосредственно в главную реку. Они расположены между площадями водосборов притоков, впадающих и главную реку с одного берега. Межбассейновые пространства нумеруются в направлении от истока к устью вначале по правому, затем по левому берегам.

Площади водосборов малых рек могут располагаться в пределах одной широтной зоны, бассейны же больших рек иногда охватывают несколько широтных зон.

Широтной зоной называется часть поверхности земного сфероида, заключенная между двумя смежными параллелями. Часть широтной зоны, заключенная между двумя смежными меридианами, называется трапецией. Площади трапеций вычисляются по формулам геодезии. Чаще всего измерение площадей производится планиметром или палеткой.

При определении площади планиметром вначале вычисляется цена деления планиметра. Цена деления планиметра представляет собой отношение площади трапеции в квадратных километрах к числу делений планиметра, получаемому при обводе трапеции по контуру на карте. Так как площади трапеций разные, различны и цены деления планиметра для этих трапеций. При работе по картам крупного масштаба, когда бассейны рек меньше трапеций, для определения цены деления планиметра обычно обводится квадрат площадью 5х5 или 10х10 см или другая фигура с известной площадью. Цена деления планиметра в этом случае определяется как отношение площади фигуры в масштабе карты в км² к разности отсчетов по планиметру, полученной при ее обводе. Обвод площадей производится 2-3 раза. Допустимое расхождение в разностях отсчетов по планиметру составляет 7-2% среднеарифметического значения разностей. Цена деления планиметра вычисляется до четырех значащих цифр (3).

При определении площадей планиметром контур обводится при двух положениях полюса планиметра - вправо и влево от обводимой площади. Полюс планиметра может находиться и внутри обводимого контура, в этом случае необходимо опре­делить «постоянное число» планиметра q. Постоянное число планиметра вычисляется по формуле:

(3)

где F, см² - известная площадь заданной фигуры; k — цена деления планиметра; n - средняя разность отсчетов планиметра при обводе этой фигуры при положении полюса внутри контура. Площади вычисляются по формулам:

• при положении полюса планиметра вне контура:

F=k (n₂ — n₁), (4)

• при положении полюса планиметра внутри контура

(5)

где п₂, n₁ - конечный и начальный отсчеты по планиметру; q — постоянное число планиметра.

При определении площадей очень малых водосборов они обводятся по контуру несколько раз без промежуточных отсчетов. Разность конечного и начального отсчетов, деленная на число обводок, даст число делений, соответствующее однократной обводке.

При работе с планиметром каждая площадь обводится не менее двух раз. Допустимое расхождение разностей отсчетов составляет ¹/₂₀₀ среднеарифметического значения разностей. Для площадей, соответствующих 50-200 делениям планиметра, разность отсчетов при обводках не должна превышать 1-2 деления. Если эти требования не достигнуты, работа повторяется до получения удовлетворительных результатов.

Площади могут быть измерены палеткой. Палетка представляет собой кальку, разграфленную на равновеликие квадраты. Площадь одного квадрата, выраженная в масштабе карты, называется ценой деления палетки.

Палетка в двух-трех положениях накладывается на план или карту бассейна. В каждом положении подсчитывается число полных клеток палетки, расположенных в пределах контура бассейна. Неполные квадраты, пересекаемые линией водораздела, суммируются на глаз. Общее число клеток палетки, расположенных в пределах бассейна, умноженное на цену деления палетки, даст площадь в квадратных километрах. Допустимое расхождение площадей, полученных при разных положениях палетки, составляет ¹/₁₀₀ среднего значения.

Палетка применяется при измерении малых площадей, когда их измерение планиметром дает всего одно-два деления. Палетки находят применение при измерении очень узких, изогнутых участков площадей (как, например, площади между горизонталями) и профилей, вычерченных на миллиметровой бумаге, которая сама может служить палеткой.

Точность определения площадей водосборов главной реки, основных притоков и межбассейновых пространств необходимо контролировать. Сумма частных площадей (притоков и межбассейновых пространств) бассейна должна быть равна площади водосбора главной реки. Допустимая невязка не превышает ¹/₁₀₀ общей площади. Полученная невязка разбрасывается пропорционально площадям отдельных контуров. Сумма площадей, размещенных в пределах одной трапеции, должна быть равна ее математической площади.

При измерении площадей малых водосборов они должны быть определены по картам такого масштаба, при котором эти водосборы изображаются площадями не менее 5 см². При отсутствии таких карт и планов, а также в тех случаях, когда водосборы выражены неясно или площади меньше 0,25 км², необходимо производить съемку водосборов в натуре.

Линии водоразделов проводятся, начиная от устьев замыкающих створов рек и далее по линиям хребтов и вершинам возвышенностей, как показано на рисунке 1 А. При пересечении замкнутых горизонталей линия водораздела подводится к местам их наибольшего перегиба. Внутри ограниченного замкнутой горизонталью пространства водораздел должен следовать общему изгибу ограничивающей горизонтали и проходить примерно на одинаковом расстоянии от рассекаемой горизонтали. Если внутри замкнутого горизонталью пространства на карте показаны вершины высотных отметок, то линию водораздела следует проводить через эти отметки. При пересечении седловин линию водораздела необходимо проводить по их наивысшим точкам.

Рисунок 1. Речной бассейн (А) и граф его речной сети (Б)

Результаты обработки топографических карт оформляются в таблицу. Пример, выполненный по рисунку 1 А, представлен в таблице 2.

Таблица 2

Список рек

Название реки	Куда впадает, с какого берега	Расстояние от устья, км	Длина, км	Площадь водосбора, км2
Бол. Куртун	Бугульдейка (Пб)	10,00	53,56	806,79
Загота	Бол. Куртун (Пб)	34,22	24,27	117,88
М/Б 1				3,21
Руч. б/н 1	Загота (Пб)	3,04	4,8	10,59
М/Б 2				10,66
Мал. Загота	Загота (Пб)	14,07	5,28	15,79
Янгота	Загота (Лб)	14,07	10,22	43,43
М/Б 3				3,05
Руч. б/н 2	Загота (Лб)	10,02	4,61	12,61
М/Б 4				18,54
Куртунка	Бол. Куртун (Лб)	34,22	16,15	135,92
М/Б 5				13,92
Тусулюк	Куртунка (Пб)	7,41	11,83	58,33
Синатуй	Куртунка (Лб)	7,40	9,5	42,31
М/Б 6				0,65
Руч. б/н 3	Куртунка (Лб)	6,98	5,03	11,48
М/Б 6				9,23

Примечание: М/Б – межбассейновое пространство; Руч. б/н – ручей без названия

Гидрографическая сеть Вместе с притоками, которые вливаются в них на пути к морю, реки образуют замысловатые, своеобразные рисунки гидрографической сети, хорошо видимые с воздуха и знакомые нам по картам. В отдельных местах конфигурация этих сетей настолько сложна, что у геоморфологов (ученых, изучающих формирование и изменение рельефа местности) возникают серьезные проблемы с определением их происхождения. Гидрографические сети могут иметь разные конфигурации в зависимости от нескольких факторов: климата, относительной твердости и рыхлости поверхностных пород, уклона местности, а также ее геологической истории (включая движение земной коры и периоды горообразования).

Совокупность ручьев, речек и рек, соединяющихся друг с другом и в конце концов изливающихся в море или бессточное озеро, носит название речной системы. Одна из рек системы, считается главной и дает название всей системе, все прочие реки являются ее притоками. К середине XX-го столетия в Европе широко использовалась восходящая порядковая классификация, то есть наиболее разветвленный главный или коренной поток относится к I порядку, меньшие, второстепенные реки последовательно обозначаются возрастающими порядками, и, наконец, элементарные потоки обладают высшим порядком.

В 1948 г. вышла в свет работа Р. Хортона, где автор высказал предположение, что неразветвленные элементарные водотоки сходны в различных водосборах и должны обозначаться одним и тем же порядковым числом, и на основании этого положения разработал свою нисходящую порядковую классификацию. Его схема присваивает элементарным потокам I порядок, потоки II-го порядка образуются при слиянии двух рек I-го порядка, поток III-го принимают один или больше притоков II-го, но может также принимать притоки I-го порядка. Порядок реки увеличивается при слиянии не менее двух потоков одного порядка, но может принимать неограниченное число притоков меньшего порядка. Система Хортона присваивает главному потоку наивысший порядок. Позднее А. Стралер внес ряд изменений в систему порядковой классификации Хортона. Он отказался от определения речной сети как системы главных рек и, сохранив понятие «порядок», распространил его на составные элементы речных систем. Неразветвленным первичным водотокам всегда присваивается порядковый номер I, при слиянии которых образуется водоток с порядковым номером на единицу выше - II. Отрезок русла этого порядка увеличивает свой порядок в случае слияния с таким же или отрезком более высокого порядка.

Для схематического изображения речной системы составляется гидрографическая схема. На основе топографических карт выбранного масштаба строится граф речной сети без учета реальных геометрических размеров водотоков, последовательно включающихся в речную систему (см. рис. 1 Б).

Список рек бассейна составляется по картам крупного масштаба. В список обычно включаются водотоки длиной 10 км и более и водотоки меньшей длины, если они имеют водохозяйственное значение. Реки в списке помещаются в следующем порядке: главная река, ее верхний приток, первый верхний приток этого притока и т. д. Если река образуется слиянием двух водотоков, вначале приводится левый водоток и его притоки, а затем правый во­доток с притоками. В списке указывается название реки, в которую впадает рассматриваемый водоток, с какого берега впадает, расстояние от устья по главной реке до места впадения притока, длина и площадь рассматриваемого водотока.

Коэффициент извилистости и густота речной сети. Коэффициент извилистости (Кизв) реки определяется как отношение истиной длины реки к длине прямой линии (отрезка), соединяющей исток и устье реки.

Густота речной сети D представляет собой длину речной сети, приходящуюся на 1 км² площади какой-либо территории. Для бассейнов рек D определяется как отношение суммы длин всех водотоков L к площади бассейна реки F,и измеряется в км/км²:

D = L / F, (6)

где L= , км. Густота речной сети дает удельную протяженность водотоков, характеризует условия стекания поверхностных вод - чем больше густота речной сети, тем они благоприятнее.

По густоте речной сети можно приближенно оценить среднюю длину склонов. Допуская, что водоток течет по середине водосбора, средняя длина склонов lскл может быть рассчитана по формуле:

lскл (7)

Средняя ширина, вытянутость, длина, асимметричность бассейна, коэффициент развития водораздельной линии.

Эти характеристики геометрической формы бассейна используются для анализа процессов стекания и формирования гидрографов паводков.

Средняя ширина бассейна (В), км - определяется как отношение его площади к длине главной реки от ее истока или наиболее удаленной точки речной системы до рассматриваемого пункта или устья:

B= (8)

Вытянутость бассейна (δ) – безразмерный показатель, вычисляется как отношение длины главной реки к средней ширине бассейна:

δ . (9)

Длиной бассейна называется расстояние по прямой от наиболее удаленной точки на линии водораздела до устья.

Коэффициент асимметрии бассейна (а)- безразмерный показатель, вычисляется по формуле:

(10)

где F_л - площадь бассейна по левому берегу; F_n - площадь по правому берегу. В числителе разность вычисляется от большего значения, тогда можно определить площадь какого берега значительней. В случае равенства левобережной и правобережной площадей бассейна получается нулевое значение, что подтверждает идеальную симметричность речного бассейна (в природных условиях таких примеров практически не встречается).

Коэффициент развития водораздельной линии (т) представляет собой отношение длины водораздельной линии S к длине окружности круга S₁, площадь которого равна площади бассейна реки. Вычисляется т по формуле:

(11)

Продольный профиль и уклон реки

Продольный профиль реки показывает изменение высотных отметок уровня воды в реке или дна реки или лога по их длине.

Продольный профиль строится на основании данных о протяженности отдельных характерных участков реки и высотных отметок границ этих участков.

Границами участков могут быть места резкого увеличения или уменьшения глубин, пороги, перекаты, острова, устья притоков, места появления подпора, изменения ширины русла и др.

Высотные отметки урезов воды, определенные при обследовании, приводятся к так называемому мгновенному уровню. Мгновенным называется уровень в один и тот же момент времени для всех точек определения. Приводка осуществляется по данным водомерных постов.

Продольный профиль может быть построен по топографической карте. На карте по реке измеряются расстояния от устья до всех пересекающих реку горизонталей и других точек с нанесенными высотными отметками. Снимаются отметки всех горизонталей и определяются отметки истока и устья реки. По всем этим данным строится продольный профиль реки (рисунок 2).

По горизонтальной оси откладываются расстояния от истока до границ характерных участков или мест пересечения реки горизонталями и положение других точек с известными отметками, по вертикальной оси - высотные отметки. Полученные точки соединяются прямыми отрезками.

Уклоном называется отношение разности высотных отметок в начале и конце участка, называемой падением, к длине участка. Уклон обычно выражается в относительных единицах. Иногда употребляется выражение уклона в промиллях (‰), что означает падение, выраженное в тысячных долях от длины участка.

Принято различать средний и средневзвешенный уклоны реки и участка.

Средним уклоном реки (участка) называется отношение разности отметок дна или поверхности воды в истоке и устье (в начале и конце участка) ΔН к длине реки (участка)

(12)

.

Рисунок 2. Продольный профиль р.Куртун

Падение и длина выражаются в одних размерностях (в метрах или километрах), в этом случае уклон получается в относительных единицах. Для выражения уклона в промилле полученное значение умножают на 1000.

Отчетные материалы:

1. Карта-схема речного бассейна

2. Список рек и таблица определения расчетных характеристик речного бассейна.

3. Граф речной системы и ее порядковый состав.

4. Продольный профиль главной реки.

Рекомендуемая литература:

1. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. – М.: Изд-во АН СССР, 1955.

2. Нежиховский Р.А. Русловая сеть бассейна и процесс формирования стока воды. – Л.: Гидрометеорологическое изд-во, 1971. – 476 с.

3. Чеботарев А.И. Общая гидрология. – Л.: Гидрометеоиздат, 1975. – 544 с.

4. Давыдов Л.К., Конкина Н.Г. Общая гидрология. – Л.: Гидрометеорологическое издание, 1958. – 488 с.

5. Ржаницын Н.А. Руслоформирующие процессы рек. – Л.: Гидромеоиздат, 1985. – 263 с.

6. Хортон Р. Эрозионное развитие рек и водосборных бассейнов. Гидрографический подход к количественной морфологии. - М.: Государственное издательство иностранной литературы, 1948. -158с.

7. Корытный Л.М. Морфометрические характеристики речного бассейна //География и природные ресурсы № 3, 1984. – С. 105 –112.

8. Российский гидрометеорологический энциклопедический словарь /Под ред.А.И. Бедрицкого, СПб.; М.: Летний сад, 2008, 2009. – Т.1-3.

9. Ржаницын Н.А. Морфологические и гидрологические закономерности строения речной сети. – Л.: Гидрометеоиздат, 1960. – 238 с.

10. Географические закономерности гидрологических процессов юга Восточной Сибири. – Иркутск: изд-во Института географии СО РАН, 2003. – 209 с.

Практическая работа №2

Построение поперечных профилей и вычисление морфометрических характеристик русла

Цель промерных работ - определить глубины и характер рельефа дна реки, озера, водохранилища. В результате промерных работ могут быть получены поперечные и продольные профили, а также план русла реки или ложа водоема в изобатах (линии равных глубин) или горизон­талях. Для рек по материалам промеров могут быть определены площа­ди водных сечений, а для озер и водохранилищ можно вычислить объем содержащейся в них воды.

При производстве промерных работ требуется с достаточной на­дежностью определить три величины: координаты точки промера, глубину водного объекта в точке промера, уровень воды на водомерном посту в момент промера. Глубины, измеренные в разное время в одной и той же точке, могут иметь разное значение, так как уровень воды изменяется. При измерении глубин на значительном протяжении реки проходит много времени, за которое уровень может меняться. Это приведет к тому, что глубины, измеренные в разное время, будут несо­поставимы. Для устранения этого в конце работ все измеренные глуби­ны приводят к одному расчетному (условному) уровню, соответствую­щему конкретному моменту времени.

Основными инструментами для координирования промерных работ в гидрологии суши являются теодолит и мензула. На больших водных объектах в настоящее время используются навигационные системы. Измерение глубин производится по назначенному створу или по пред­варительно назначенному маршруту движения лодки.

Практическая работа выполняется по материалам, полученным во время работы на средней (большой) реке.

Цель работы. Приобретение навыков обработки промерных книжек, а также построения и анализа профиля водного сечения.

Задание. Построить график профиля водного сечения, используя - данные стандартного журнала промеров, и провести анализ его морфометрических особенностей.

Построение поперечных профилей

Поперечный профиль вычерчивается на миллиметровой бумаге. Формат выбирается исходя из 297x1 (мм), где L определяется с учетом выбранного масштаба. По горизонтальной оси отложить длину. У иного края чертежа провести линии шкал элементов и надписать их. Шкалы элементов следует разместить на вертикальной оси таким образом, чтобы линии графиков нигде не пересекались и равномерно занимали все поле чертежа. Профиль дна строится в координатах глубины и расстояния от ПН (постоянного начала). Все масштабы выбираются кратными 1, 2 или 5 и удобными для построения. «Подвал» является стандартным средством для объединения нескольких параметров на одной горизонтальной координате. Он начинается с наименований параметров, а ось ординат с глубинами проводится вертикально вверх правее наименований. Значения всех параметров выписываются друг под другом на соответствующем расстоянии от ПН. На данном графике такими параметрами являются номера промерных точек, расстояния от ПН, средняя глубина, отметки точек, номера скоростных вертикалей, грунт дна и др. В соответствующую для них строку записываются значения величин на каждой промерной вертикали.

Весь график с «подвалом» располагается таким образом, чтобы слева осталось поле стандартной ширины 3 см для подшивания в папку (рисунок 3).

При оформлении чертежа вверху указывается наименование рабо­ты, название реки, бассейна, к которому она относится, отметка нуля графика и номер профиля. Ниже размещается сам график. Справа от него вычерчивается небольшая вертикальная таблица с найденными основными характеристиками водного сечения. Под ней выписываются условные обозначения величин и их расшифровка. Работа должна быть выполнена черной тушью или черной гелиевой ручкой и подписана.

Провести анализ графика. Результаты анализа записать в свободной части чертежа в виде таблицы, где поместить следующие основные характеристики водного сечения:

а) h (м) - положение на графике горизонта воды над «О» графика;

б) В (м) - ширина реки по уровню воды;

в) ω (м²) - площадь водного сечения, которая находится планиметрированием площади, заключенной между положением на графике горизонта воды и графиком дна профиля реки;

г) h_cр (м) - средняя глубина, находится по формуле Н = ω/В как отношение общей площади поперечного сечения реки (W) к ширине реки (В);

д) Н_мах (м) - наибольшая глубина на профиле;

с) χ (м) - длина смоченного периметра;

ж) R (м) - гидравлический радиус.

Вычисление морфометрических характеристик

Для каждого профиля могут быть вычислены следующие морфометрические характеристики: площадь водного сечения ω,м², ширина реки В, м; длина смоченного периметра χ, м; наибольшая глубина Н_мах, м; средняя глубина h_cр, м; гидравлический радиус R, м. Эти характеристики используются при вычислении расходов воды Q в м³/с, построении зависимостей Q=f(H), ω =f(H) и пр.

1. Площадь водного сечения определяется планиметрированием или аналитически. Промерные вертикали разбивают водное сечение на ряд трапеций, и только береговые участки его могут иметь форму прямоугольного треугольника, если глубина на урезе воды равна нулю, как показано на рисунке 4.

Аналитически общая площадь водного сечения получается как сумма частных площадей.

При наличии ледяного покрова кроме площади водного сечения вычисляют площади погруженного в воду кристаллического льда, шуги и общую площадь сечения профиля.

2. На гидрометрических створах, где измеряют расходы воды, помимо площади водного сечения определяют площадь живого сечения, которая при наличии течения воды в пределах всего сечения будет равна ему, а при наличии в нем застойной зоны (мертвой) будет меньше площади водного сечения на величину площади мертвого пространства.

3. Смоченный периметр χ, длина линии дна реки на профиле, заключенная между урезами воды. При наличии на реке ледяного покрова в понятие «смоченный периметр» кроме длины линии дна включается длина нижней поверхности ледяного покрова. Если под ледяным покровом есть слой шуги, то длина смоченного периметра рассчитывается с учетом длины нижней поверхности шуги.

(13)

4. Гидравлический радиус R- частное от деления площади водного сечения на длину смоченного периметра χ. Вычисление смоченного периметра и гидравлического радиуса обычно бывает необходимо для узких русел со значительной глубиной, так как в этом случае длина смоченного периметра может значительно отличаться от ширины реки.

Рисунок 3. Пример построения поперечного профиля живого сечения р.Максимиха

5. Средняя глубина Н_ср- частное от деления площади водного сечения на ширину реки: H=W/B. Для равнинных рек при сравнительно небольшой глубине и значительной ширине русла величина гидравли­ческого радиуса близка к величине средней глубины (R≈H_ср).

Рисунок 4. Схема вычисления площади водного сечения и длины смоченного периметра

6. Наибольшая глубина H_макс на профиле устанавливается по данным промерной книжки.

7. Морфометрические характеристики профиля водного сечения изменяются в зависимости от уровня воды. При наличии профиля водного сечения, построенного до отметки наивысшего уровня воды, можно построить кривую зависимости площади водного сечения от уровня. Для этой цели площадь профиля расчленяют для определен­ных интервалов высоты уровня, а затем вычисляют площади поперечных сечений при различных значениях уровня воды. Кривая B=f(H) показана на рисунке 5. При плавном очертании профиля кривая ω=f(H )имеет вид плавной кривой, обращенной выпуклостью к оси Н; в местах резкого изменения сечения, например при выходе воды из русла на пойму, направление кривой резко меняется. При вертикальном профиле берега, например в каналах прямоугольного сечения, приращение площади на единицу уровня постоянно и кривая обращается в прямую.

Рисунок 5. Кривые зависимости площади водного сечения и ширины реки от уровня воды

Зависимость B=f(H) будет постоянной только при условии постоянства во времени очертаний русла. Если русло реки изменчиво и подвергается размыву или намыву, то в соответствии с этим изменяется и характер кривой. С увеличением высоты уровня, изменяется и ширина реки В. Зная значение ширины реки при различной высоте уровня, не трудно построить кривую B=f(H). При устойчивом русле кривые W=f(H) и B = f(H) позволяют определить ширину и площадь водного сечения реки при любой высоте уровня.

Отчетные материалы:

5. Профиль водного сечения.

6. Таблица определения расчетных характеристик профиля.

7. Графики изменения площади сечения и ширины с глубиной.

Таблица 3

Данные промерных работ по вариантам (I-IV)

№ промерных точек	Расстояние от постоянного начала, м					Глубина, м
	вариант					вариант
		I	II	III	IV		I	II	III	IV
Урез л.б.		0	0	0	0		0,00	0,00	0,00	0,00
1		10	0,2	0,0	0,0		2,35	0,59	0,29	0,35
2		20	1,0	1,0	1,0		3,23	0,87	0,20	0,45
3		40	2,0	2,0	2,0		3,42	1,05	0,42	0,56
4		60	3,0	3,0	3,0		3,67	0,97	0,79	1,08
5		80	4,0	4,0	4,0		4,39	1,06	0,91	0,99
6		100	5,0	5,0	5,0		3,90	0,12	0,99	1,25
7		120	6,0	6,0	6,0		3,32	1,27	1,19	1,39
8		140	7,0	7,0	7,0		3,73	1,25	1,33	1,37
10		160	8,0	8,0	8,0		0,25	1,34	1,29	1,65
Урез п.б.		169	9,0	9,0	9,0		0,00	1,39	1,25	1,62
			10,0	10,0	10,0			1,42	1,26	1,60
			11,0	11,0	11,0			1,43	1,41	1,62
			12,0	12,0	12,0			1,25	1,37	1,63
			13,0	13,0	13,0			1,22	1,23	1,75
			14,0	14,0	14,0			1,08	1,06	1,65
			15,0	15,0	15,0			0,95	0,95	1,53
			16,0	16,0	16,0			0,88	0,85	1,42
			17,0	17,0	17,0			0,96	0,68	1,32
			18,0	18,0	18,0			0,73	0,59	1,29
			19,0	19,0	19,0			0,65	0,62	1,31
			20,0	20,0	20,0			0,61	0,56	1,25
			21,0	21,0	21,0			0,57	0,16	1,07
			22,0	22,0	22,0			0,23	0,05	0,90
Урез л.б			22,4	22,5	23,0			0,00	0,00	0,00
					24,0

Таблица 3

Данные промерных работ по вариантам (V-VIII)

№ промерных точек	Расстояние от постоянного начала, м				Глубина, м
	вариант				вариант
	V	VI	VII	VIII	V	VI	VII	VIII
Урез л.б.	0	0	0	0	0,00	0,00	0,00	0,00
1	10	2	0,0	0,0	2,8	0,35	0,90	0,35
2	15	2,5	1,0	1,0	2,9	0,52	0,98	0,55
3	20	3,0	2,0	3,0	3,5	0,72	1,02	0,58
4	25	3,5	3,0	5,0	3,3	0,95	1,22	1,21
5	30	4,0	4,0	7,0	3,3	1,10	1,36	1,19
6	35	4,5	5,0	9,0	3,7	1,30	1,45	1,42
7	10	5,0	6,0	11,0	4,2	1,50	1,56	1,40
8	45	5,5	7,0	13,0	4,6	1,90	1,80	1,53
10	50	6,0	8,0	15,0	3,2	1,90	1,89	1,65
11	55	6,5	9,0	17,0	2,8	2,05	2,00	1,69
12	60	7,0	10,0	19,0	2,1	2,09	2,30	1,63
13	65	7,5	11,0	21,0	1,5	2,05	2,25	1,69
14	70	8,0	12,0	23,0	0,7	2,12	2,04	1,70
Урез п.б.	71,5	8,5	13,0	25,0	0,00	2,25	1,78	1,71
		9,0	14,0	27,0		2,13	1,45	1,63
		9,5	15,0	29,0		1,91	1,03	1,54
		10,0	16,0	31,0		1,59	1,00	1,46
		10,5	17,0	33,0		1,33	0,95	1,43
		11,0	18,0	35,0		1,21	0,90	1,39
		11,5	19,0	37,0		1,16	0,85	1,25
		12,0	20,0	39,0		0,94	0,72	1,20
		12,5	21,0	41,0		0,83	0,56	0,85
		13,0	22,0	43,0		0,35	0,34	0,43
Урез л.б		13,8	22,5	44,5		0,00	0,00	0,00

Таблица 3

Данные промерных работ по вариантам (IX-XII)

№ промерных точек	Расстояние от постоянного начала, м				Глубина, м
	вариант				вариант
	IX	X	XI	XII	IX	X	XI	XII
Урез л.б.	0	0	0	0	0,00	0,00	0,00	0,00
1	10	5,0	0,5	2,0	2,5	0,56	0,05	0,17
2	15	10	1,0	4,0	2,9	0,92	0,18	0,45
3	20	20	1,5	6,0	4,5	1,05	0,32	0,48
4	25	30	2,0	8,0	5,3	1,55	0,42	0,60
5	30	40	2,5	10,0	6,3	1,85	0,36	0,69
6	35	50	3,0	12,0	6,7	2,30	0,45	0,75
7	40	60	3,5	14,0	6,2	2,50	0,56	0,95
8	45	70	4,0	16,0	6,6	2,90	0,80	1,03
10	50	80	4,5	18,0	5,2	2,90	1,08	1,25
11	55	90	5,0	20,0	4,8	3,05	1,20	1,35
12	60	100	5,5	22,0	4,1	2,99	1,30	1,65
13	65	110	6,0	24,0	3,5	2,95	1,25	1,69
14	70	120	6,5	26,0	2,7	2,32	1,04	1,70
15	75	130	7,0	28,0	2,2	2,29	1,00	1,59
16	80	140	7,5	30,0	2,0	2,33	0,95	1,43
17	85	150	8,0	32,0	2,0	1,91	0,83	1,34
18	90	160	8,5	34,0	1,9	1,79	0,82	1,26
19	95	170	9,0	36,0	1,8	1,63	0,75	1,13
20	100	180	9,5	38,0	1,6	1,41	0,70	1,09
21	105	190	10,0	40,0	1,5	1,36	0,65	1,05
22	110	200	10,5	42,0	1,3	1,94	0,62	1,00
23	115	210	11,0	44,0	0,9	1,83	0,56	0,65
24	120	220	11,5	46,0	0,5	0,55	0,24	0,21
Урез л.б	122	225	11,8	47,5	0,00	0,00	0,00	0,00

Таблица 4

Уровни воды

Вариант	Отметка нуля поста, м БС	Уровень воды, см
		Максимальный	Средний	Минимальный
I	72,71	450	423	405
II	59,62	268	230	210
II	45,32	253	222	195
IV	92,52	98	66	52
V	105,6	222	150	125
VI	456,2	65	42	25
VII	425,3	87	56	32
VIII	236,2	490	463	428
IX	57,35	375	330	289
X	25,26	235	209	176
XI	32,65	255	236	213
XII	500,2	250	215	185

Практическая работа № 3

Гидрограф реки. Расчет характеристик стока

Цель работы приобретение навыков обработки материалов опубликованных в «Гидрологических ежегодниках», проведение анализа водного режима и расчет стоковых характеристик, а также оценки основных источников питания

Работа состоит из следующих заданий:

1. Выбор гидрологического поста и составление его описания.

2. Построение и анализ гидрографов уровней и стока реки. Определение типа водного режима реки по классификации Б.Д. Зайкова.

3. Расчленение гидрографа стока по типам питания. Оценка величины каждого типа питания водотока. Определение типа питания реки по классификации М.И.Львовича.

4. Расчет основных характеристик стока реки.

Задание 1: Выбор гидрологического поста и составление его описания

«Гидрологический ежегодник» (с 1979 г. именуемый «Ежегодные данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши») имеет «Схему расположения гидрологических постов», что определит Ваш выбор гидрологического поста, обозначенный на карте полностью затушеванным треугольником. Рекомендация. Гидрологический пост желательно выбирать вне районов высокогорий или вне влияния подпора водоприёмного объекта, так как расчленение гидрографов стока горных и зарегулированных рек представляет значительные трудности даже для опытных специалистов.

Необходимые сведения приведены в таблицах «Уровень воды» и «Расходы воды», «Расходы взвешенных наносов»

Рекомендация. В верхнем правом углу таблицы «Расход воды» для Вашего поста символом F обозначена площадь водосбора в километрах квадратных (кв. км, км²). Для наглядности графической работы лучше выбирать пост с площадью водосбора менее 20 тыс. км².

При составлении «Описания гидрологического поста» приводится информация о его положении согласно вышеуказанным «Схемам…», а также «Алфавитному списку…», где точно указано, какому бассейну принадлежит рассматриваемый водоток и с какого берега он впадает в главную речную систему. В работе в произвольном масштабе составляется небольшая схема, характеризующая географическое местоположение гидрологического поста.

Пример: Для р.Осы - с.Оса район работ представлен на рисунке. 6:

Характеристика гидрологического поста базируется на данных, приведенных в таблице «Список постов на реках и каналах, сведения по которым помещены в настоящем выпуске». В разделе «Дополнения к ранее опубликованным описаниям» также можно найти информацию для Вашего поста, но не во всех изданиях. Полные описания гидрологических постов публикуются раз в 10 лет, в «Гидрологических ежегодниках» за 1940, 1950, 1960, 1970 годы и т.д.

Рисунок 6. Район исследований

К работе над разделом «Описание гидрологического поста» можно привлечь дополнительную информацию как в целом для выбранной Вами реки, так и для ее участка. Это может быть описание, взятое на самом гидрологическом посту, в библиотеке регионального УГКС, публичных, либо научных библиотеках, экспедиционных отчетах. А может, это будут личные полевые наблюдения будущего специалиста-гидролога. Возможно, Вы выберете рядом расположенный с местом Вашего проживания водоток. Тогда описываемый раздел можно украсить фотографиями. Причем интереснее, если они будут сделаны в разные фазы водности реки с одной точки (например, с обрыва).

Задание 2: Построить и проанализировать гидрографы уровней и стока реки. Определить тип водного режима реки по классификации Б.Д. Зайкова.

Гидрографом уровней или стока реки называется хронологический график колебаний основных гидрологических характеристик во времени. Исходными данными для построения гидрографа являются сведения об ежедневных уровнях и расходах воды, помещенные в таблицах «Уровень воды» и «Расходы воды» (пример в таблицах 5,6,7). Особое внимание следует обратить на условные знаки справа от цифр в таблице «Уровень воды». Эти знаки отражают ледовые явления, происходящие на водном объекте:

Условный знак	Явление	Условный знак	Явление	Условный знак	Явление
)	забереги	*	редкий шугоход	Z	несплошной ледостав
:	сало	III	средний, густой шугоход	T	водная растительность
x	редкий ледоход	I	ледостав	L	лесосплав
Л	средний, густой ледоход	↑Л	ледоход поверх льда	I;	ледостав с торосами

Более детальные разъяснения можно найти в пояснительной части перед таблицей «Уровень воды».

Рекомендация. В старых «Гидрологических ежегодниках» имеется таблица «Измеренные расходы воды». Не перепутайте ее с таблицей «Расход воды». При построении гидрографов уровней и расходов воды используются данные таблиц «Уровень воды» и «Расход воды», как показано в качестве примера для р. Осы - с. Оса за 1978 г. в таблицах 5,6.

Гидрограф уровней, расходов воды и наносов строится на миллиметровой бумаге. Горизонтальный масштаб – временной (365 дней). Выбор вертикального масштаба диктуется амплитудой уровня и расхода воды, информацию о которых можно найти внизу таблиц.

Рекомендация. Длина вертикальной оси не должна превышать 20 см. На график последовательно наносятся среднесуточные уровни, расходы воды и наносов с 1 января по 31 декабря, точки соединяются плавной линией.

Рекомендация. Гидрограф уровней вычерчивается синим цветом, гидрограф расходов воды – красным, гидрограф взвешенных наносов - зеленым.

Сверху гидрографов, посередине листа, выполняются следующие надписи: название реки, пункт наблюдений, ниже – год наблюдений. Ниже, справа, подписывается площадь водосбора. Чуть ниже площади водосбора, в рамочке, приводятся условные знаки кривых (рисунок 7).

Ледовые явления изображаются на гидрографах условными знаками: ледостав – сплошной прямой линией шириной 4 мм, густой ледоход – сплошной линией шириной 3 мм, редкий ледоход – сплошной линией шириной 2 мм, густой шугоход – в виде гребенки с высотой зубьев 4 мм, редкий шугоход – в виде гребенки с высотой зубьев 2 мм, забереги – двумя параллельными линиями на расстоянии 4 мм друг от друга.

Рекомендация. Длина линий равна продолжительности данного ледового явления в днях и не должна пересекать гидрографы.

Анализ гидрографов включает выделение по ним основных фаз водного режима реки. Основными (характерными) периодами (фазами) в режиме реки являются: 1) половодье, 2) паводки и 3)межень.

Пример: На р.Осе - с.Оса с 1 января по 1 апреля 1978 г. (рисунок 7) наблюдается период зимней межени, характеризующийся общим спадом стока, обусловливающим истощение подземных вод. Уровень воды в этот период колеблется незначительно.

С 1 апреля по 22 мая – половодье, отличающееся тремя последовательными пиками (волнами). Основной источник питания – талые снеговые воды. Максимальные расходы воды отмечаются одновременно с максимальными уровнями.

С 22 мая по 24 июня – межпаводочный период, характеризующийся спадом уровней и расходов воды.

С 24 июня по 11 июля – летний паводок, резкое повышение уровней и расходов воды, обусловленное выпадением летних осадков значительной интенсивности.

11 июля – 19 июля – летняя межень, питание реки осуществляется преимущественно подземными водами.

19 июля – 26 июля – кратковременный летний паводок, связанный с выпадением летних осадков.

27 июля – 19 октября – летне-осенняя межень. Периоды низкой водности чередуются с незначительными повышениями уровней и расходов воды вследствие выпадения осадков.

С 19 октября река вступает в фазу зимней межени, характеризующуюся истощением

подземных вод и, как следствие, плавным уменьшением расходов воды. Что касается уровней воды, то, начиная с 12 ноября, происходит их рост, связанный с развитием ледовых явлений на реке.

Определение типа реки по характеру водного режима согласно классификации Б.Д.Зайкова, разработанной для территории бывшего СССР. Согласно Б.Д.Зайкову все реки разделяются на три группы:

I - реки с весенним половодьем;

II – реки с половодьем в теплую часть года;

III – реки с паводочным режимом в течение всего года.

Пример: Согласно классификации Б.Д.Зайкова р.Оса (с.Оса) относится к первой группе рек восточносибирского типа.

Задание 3: Расчленить гидрограф стока по типам питания. Оценить величину каждого типа питания водотока. Определить тип питания реки по классификации М.И.Львовича

Существует целый ряд способов расчленения гидрографов. Наиболее распространенными являются методы, разработанные Б.Д.Поляковым и Б.И.Куделиным со срезкой доли подземного питания на нуль в период прохождения пика весеннего половодья. Предполагается, что уменьшение подземного стока происходит в результате гидростатического давления речных вод на грунтовые, что приводит к фильтрации речных вод в аллювий долины. Предложены и гидрохимические методы определения доли подземного питания в общем объеме годового стока реки.

Простейший способ расчленения гидрографа стока продемонстрируем на примере р.Осы – с. Оса (рисунок 7). При выделении подземной составляющей производится соединение на гидрографе плавными линиями точек минимального расхода предвесеннего периода и всех частных минимумов меженного периода в промежутках между паводками (пунктирная линия). Часть гидрографа под линией AB относится к подземному стоку. Хотя при таком способе и не учитываются особенности режима стока подземных вод в реки, он позволяет приближенно дать оценку подземному питанию реки. Далее выделяем долю снегового питания (точки CDF на рисунке 2) – это часть гидрографа между кривыми подъема и спада стока весеннего половодья до кривой AB. К дождевому питанию (точки FEGHI) относится оставшаяся часть гидрографа стока. Каждый тип питания заштриховывается как показано на рисунке 7.

Затем:

1. планиметром либо палеткой определяется площадь всего гидрографа стока, поверхностного снегового и подземного стока;

2. рассчитывается площадь дождевого стока (вычитаем из площади гидрографа площадь снегового и подземного стока);

3. оценивается в процентах доля каждого типа питания реки по отношению к годовому стоку;

4. определяется тип питания реки по классификации М.И.Львовича.

Таблица 5