Реферат: Министерство сельского хозяйства и продовольствия республики беларусь

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ



ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И КАДРОВ



УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»




М. А. Жарский Г. Н. Рудковская


ГИДРАВЛИКА И ГИДРОЛОГИЯ


Часть 2. ГИДРОЛОГИЯ


Рекомендовано учебно-методическим объединением высших учебных заведений Республики Беларусь по образованию в области сельского хозяйства в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 1-74 03 03 «Промышленное рыбоводство»


Горки 2007

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ



^ ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И КАДРОВ



УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

^ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»




М. А. Жарский Г. Н. Рудковская


ГИДРАВЛИКА И ГИДРОЛОГИЯ


Часть 2. ГИДРОЛОГИЯ


Рекомендовано учебно-методическим объединением высших

учебных заведений Республики Беларусь по образованию

в области сельского хозяйства в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений, обучающихся

по специальности 1-74 03 03 «Промышленное рыбоводство»


Горки 2007

УДК 532.5 + 556.5 (075.8)

ББК 30.123 я7

Ж 34


Ж 34. Жарский М. А. Гидравлика и гидрология: учебное пособие / М. А. Жарский, Г. Н. Рудковская – Горки: Белорусская государственная сельскохозяйственная академия, 2007. 124 с.


Изложены закономерности формирования гидрологических явлений и процессов, методы расчета основных характеристик режима рек и водоемов. Описаны физические методы измерения элементов потока.

Для студентов специальности 1-74 03 03 – промышленное рыбоводство.

Рисунков 25. Таблиц 12. Библиогр. 5.


Рецензенты: А.И. КОЗЛОВ, доктор с.-х. наук, зав. кафедрой ихтиологии и рыбоводства; В.Т. ПАРАХНЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Автомобильные дороги» Белорусско-Российского государственного университета; А.И. СМОЛЯКОВ, канд. с.-х. наук, начальник агрометеостанции г. Горки ГУ «Могилевский областной центр им. О.Ю. Шмидта по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды»


УДК 532.5 + 556.5 (075.8)

ББК 30.123 я7






© М.А. Жарский,

Г.Н. Рудковская, 2007

© Учреждение образования

«Белорусская государственная

сельскохозяйственная академия», 2007



ВВЕДЕНИЕ


Гидрология – это наука, изучающая гидросферу, ее свойства и протекающие в ней процессы и явления.

Гидрология тесно связана с метеорологией – наукой об атмосфере и происходящих в ней процессах, и в первую очередь с той ее частью, которая исследует влагооборот и испарение с поверхности воды. Взаимосвязь гидросферы с литосферой наиболее отчетливо проявляется в процессах формирования земной поверхности под влиянием деятельности воды. В свою очередь, рельеф земной поверхности оказывает существенное влияние на образование водных потоков. Поэтому гидрология имеет много общего с геоморфологией – наукой, изучающей закономерности возникновения и развития форм земной поверхности.

Воды Земли с содержащимися в них твердыми, жидкими и газообразными веществами называются природными. Огромную часть их составляют воды океанов, меньшая часть приходится на водные объекты суши, представляющие сосредоточение природных вод на поверхности суши или в горных породах. Водные объекты суши образуются в результате выпадения атмосферных осадков, значительная часть которых формируется при испарении воды океанов и морей. Воды, находящиеся на поверхности суши в виде различных водных объектов, называются поверхностными. Раздел гидрологии, изучающий поверхностные воды, называется гидрологией суши или континентальной гидрологией. Раздел гидрологии по изучению воды океанов и морей называют гидрологией океанов и морей или океанологией.

Гидрология грунтовых (подземных) вод называется гидрогеологией. В гидрологию входят те разделы гидрогеологии, которые изучают взаимодействие поверхностных и подземных вод, питание рек грунтовыми водами и др. Разделы гидрогеологии, изучающие способы поиска и добычи грунтовых вод, их взаимодействие с горными породами, относят к геологии.

Основное понятие в гидрологии суши – это водный объект. Водные объекты подразделяются на водотоки и водоемы.

Водный объект, в котором вода движется в направлении уклона в углублении земной поверхности, называется водотоком. Различают постоянные (вода находится в движении в течение всего года или большей его части) и временные (движение воды происходит меньшую часть года) водотоки.

Водный объект в углублении суши, характеризующийся замедленным движением воды или полным его отсутствием, называется водоемом. Различают естественные (природные скопления воды во впадинах) и искусственные (специально созданные скопления воды в искусственных или естественных углублениях земной поверхности) водоемы.

С понятием «водный объект» тесно связано понятие «водосбор», то есть часть земной поверхности и толща почв и горных пород, с которых вода поступает в водный объект.

Наиболее типичная форма водотоков на земле – река. Она представляет водоток значительных размеров, питающийся атмосферными осадками со своего водосбора и имеющий четко выраженное русло.

Естественный водоем с замедленным водообменом называется озером. Искусственный водоем, образованный водоподпорным сооружением на водотоке с целью хранения и регулирования стока воды, называется водохранилищем. Речные водохранилища сохраняют типичные черты и водотока, и водоема. Отличают их значительно меньшие скорости течения воды, чем в реках в естественном состоянии.

Различают гидрологию рек (речная гидрология, или потамология), озер (лимнология), болот (тельматология), водохранилищ, ледников (гляциология). Речная гидрология и речная гидравлика, изучающие движение воды в речных руслах и их формирование, дополняют друг друга. Речную гидравлику можно рассматривать как раздел гидрологии суши и как раздел гидравлики.

Гидрология, занимающаяся решением различных инженерных задач (в гидротехнике, гидромелиорации, гидроэнергетике, водоснабжении, строительстве мостов, автомобильных и железных дорог и т. д.), называется инженерной.

Гидрометрия – это наука о методах и средствах определения величин, характеризующих движение и состояние жидкости, и режим водных объектов. В задачу гидрометрии входят определения: уровней, глубин, рельефа дна и свободной поверхности потока; скоростей и направлений течения жидкости, параметров волн; гидравлических уклонов; расходов жидкости; мутности потока; расходов наносов и пульпы; элементов термического и ледового режимов потоков. Наибольшее развитие в связи с гидротехническим строительством получила речная гидрометрия. Эффективное использование водных ресурсов и рациональная эксплуатация гидромелиоративных систем, гидротехнических сооружений и ГЭС, мостов, автомобильных и железных дорог обусловили формирование и развитие эксплуатационной гидрометрии, особенно ирригационной.

Получила развитие инженерная гидрометрия. Ее задачи: гидрометрические работы в период строительства и ввода в эксплуатацию гидротехнических сооружений и мостов; наблюдения за влиянием возводимых сооружений на гидравлические элементы потока и воздействием потока на сооружения (их состояние и сохранность подводных частей); наблюдения за деформациями естественного русла, в особенности вблизи сооружений, пропуском паводка и воздействием ледохода на сооружения; гидрометрические исследования при перекрытии русл рек и переводе потока на водосбросные сооружения. Развивается гидрометрия двухфазных потоков (пульпы, аэрированных, нестационарных потоков и др.).

Гидрометрия совершенствуется на основе гидромеханики и достижений физики. Одно из современных направлений гидрометрии – дистанционная регистрация элементов потока без нарушения его структуры.

Гидрометрические работы дают тот или иной объем характеристик потока, их особенности и степень изменчивости. Последующие гидрологические расчеты позволяют на их основе установить расчетные расходы, уровни, характеристики зимнего режима и другие элементы потока для проектируемого сооружения.


^ 8. РЕКИ И ИХ РЕЖИМ


8.1. Круговорот воды в природе


Вода находится на земном шаре в постоянном движении. Под действием солнечного тепла с поверхностей морей и океанов ежегодно испаряется громадное количество воды. Пары воды, поднявшись в атмосферу, переносятся воздушными течениями за сотни и тысячи километров. При определенных условиях они сгущаются (конденсируются), образуют облака и возвращаются на землю в виде осадков.

Осадки, выпавшие на материки, частично испаряются с поверхности суши и снова попадают в атмосферу, а частично стекают по рекам в моря и океаны. Сток воды в реки происходит двумя путями: поверхностным по склонам местности и подземным через поры грунта по водонепроницаемому слою. Часть воды поступает с суши в моря и океаны подземным путем, минуя реки.

Непрерывный процесс обмена влаги между океанами, атмосферой и сушей называется к р у г о в о р о т о м в о д ы в п р и р о д е. Различают два вида круговорота воды на земном шаре: малый и большой. В малом круговороте участвует вода, возвращающаяся из атмосферы в моря и океаны непосредственно в виде осадков, а в большом – вода, стекающая с суши в реки и грунтовая вода.

^ Водный баланс земного шара. Круговорот воды в природе можно охарактеризовать уравнениями водного баланса, которые устанавливают связь между приходом и расходом воды в морях и океанах, на суше и земном шаре в целом.

Для составления этих уравнений введем обозначения:

Ем – объем воды, испаряющейся за год с морей и океанов в среднем за многолетний период;

Ес – то же с поверхности суши;

Хм – среднемноголетний объем осадков, выпадающих за год на поверхность морей и океанов;

Хс – то же на поверхность суши;

У – объем воды, стекающей за год с суши в моря и океаны.

Длительными наблюдениями установлено, что средний уровень воды в морях и океанах остается из года в год одинаковым. Поэтому ежегодная убыль воды из морей и океанов за счет испарения должна равняться сумме осадков на их поверхность и стока с суши:


Ем = Хм + Y. (8.1)


Таким же образом можно составить аналогичное уравнение для суши

Ес = Хс – Y. (8.2)


Сложив уравнения (8.1) и (8.2), получим уравнение водного баланса для земного шара в целом


Ем + Ес = Хм + Хс . (8.3)


Последнее уравнение показывает, что объем воды, испаряющейся за год с морей, океанов и суши, равен годовому объему осадков, выпадающих на их поверхность.

^ Водный баланс речного бассейна. Речным бассейном называется территория, с которой вода стекает по поверхности земли только в данную реку.

Уравнение водного баланса отдельного речного бассейна для любого года имеет вид

х + q = Е + у + r ± Δw, (8.4)


где х – объем годовых осадков на поверхность бассейна;

q – объем подземных вод, притекающих из соседних бассейнов;

Е – объем испарения с поверхности бассейна;

у – объем годового стока реки;

r – объем подземных вод, оттекающих в соседние бассейны;

Δw – изменение запаса грунтовых вод в бассейне.

Членами q и r, ввиду их незначительной величины, обычно пренебрегают.

В годы с большим количеством осадков запас грунтовых вод в бассейне увеличивается, и член Δw учитывается со знаком плюс. В засушливые годы Δw имеет знак минус. Для многолетнего периода, в течение которого многоводные годы чередуются с маловодными, Δω можно не учитывать. Уравнение водного баланса речного бассейна принимает при этом более простой вид


х0 = у0 + Е0 , (8.5)


где х0, у0, Е0 – среднемноголетние объемы годовых осадков, стока и испарения.

Обычно в метеорологии осадки выражаются высотой слоя воды (мм), выпавшей за какой-нибудь период (сутки, месяц, год). Если выпадают твердые осадки, они пересчитываются на жидкие.

Максимально возможное среднемноголетнее испарение Еm (мм) за год можно определить по формуле В.С. Мезенцева и И.В. Карнацевича


Еm = 306 + 0,2ΣТ>10 , (8.6)


где ΣТ>10 – сумма среднесуточных температур воздуха выше 10°С.

Объем годового стока получается путем вычитания объема испарения из объема осадков (8.5).


^ 8.2. Реки и речные системы


Р е к о й называется постоянный водный поток, протекающий по разработанному им руслу в понижениях земной поверхности. Выпадающие на поверхность суши осадки стекают по склонам в небольшие углубления, образуя ручьи. Ручьи, соединяясь друг с другом, превращаются в небольшие реки, которые, продолжая сливаться вместе, образуют более крупные реки. Описанный процесс образования рек не является единственным. Реки могут вытекать из озер или болот; появляться в результате таяния ледников и вечных снегов в высокогорных районах; возникать из родников, питаемых подземными водами.

^ Долина и русло реки. Р е ч н ы м и д о л и н а м и называются вытянутые в длину углубления в земной поверхности, образовавшиеся в результате геологических процессов и многовековой деятельности водных потоков.

В зависимости от рельефа местности, геологического происхождения и характера грунтов, из которых сложены склоны и дно долин, они могут иметь в поперечном сечении различную форму: от щелевидной с отвесными склонами, встречающейся в горных районах, до широких неясно выраженных углублений с очень пологими склонами, сливающимися с окружающей равнинной местностью. В горных районах встречаются очень глубокие речные долины (до 2000 м), а в равнинных – глубина долин не превышает 200–300 м.

Наиболее пониженная часть долины, по которой стекает вода, называется р у с л о м р е к и. Различают м е ж е н н о е (основное) русло, по которому происходит сток воды весь год, и п о й м у р у с л а, затапливаемую только в периоды паводков.

Линии сопряжения берегов меженного русла с поймой называются б р о в к а м и, а линии пересечения водной поверхности с берегами –

у р е з а м и в о д ы. Линия, проходящая вдоль потока по наиболее пониженным точкам дна русла, называется с т р е ж н е м р е к и или д и н а м и ч е с к о й о с ь ю п о т о к а. Линия, проходящая вдоль реки посредине ширины русла, называется г е о м е т р и ч е с к о й о с ь ю п о т о к а.

^ Исток и устье реки. Истоком называется место, откуда река берет свое начало. На реках, вытекающих из озер, за исток принимается точка пересечения реки с контуром озера; на болотных реках – место, где начинает появляться выраженное русло с заметным течением. Нередко за исток реки принимается место слияния двух ее притоков с разными названиями. Например, река Обь образуется от слияния рек Бии и Катуни.

Место впадения реки в озеро, море или другую реку называется у с т ь е м. Если река разветвляется на устьевом участке на несколько рукавов, за ее устье принимается устье наиболее крупного рукава. В засушливых районах некоторые реки не имеют устья. Они теряют свои воды на испарение и просачивание в грунт, не доходя до моря, озера или другой реки.

^ Длина и извилистость реки. Д л и н о й р е к и называется расстояние между устьем и истоком, измеренное с учетом всех ее извилин по стрежню реки.

Для оценки степени извилистости реку следует разделить на ряд более или менее крупных участков, в пределах которых сохраняется общее направление течения (рис. 8.1, а). Извилистость каждого участка характеризуется к о э ф ф и ц и е н т о м и з в и л и с т о с т и, который равен отношению истинной длины участка к длине прямой, соединяющей его концы. Для участков 1–2, 2–3 и 3–4 коэффициенты извилистости определяются отношениями:

; ; . (8.7)


Средневзвешенное значение коэффициента извилистости реки между точками 1 и 4 можно найти по формуле

. (8.8)

Речные русла разветвляются на рукава (рис.8.1,б). Измерение длины реки в этом случае следует вести по главному руслу, за которое принимается наиболее полноводный рукав.





Рис.8.1. Извилистость и разветвленность рек:

а – к определению коэффициента извилистости реки;

б – многорукавное русло реки


Степень разветвленности реки характеризуется отношением суммарной длины всех рукавов, включая главное русло, к длине последнего. Это отношение называется к о э ф ф и ц и е н т о м р а з в е т в л е н-н о с т и.

^ Падение и уклон реки. Падением реки называется разность отметок уровней воды в ее истоке и устье, а уклоном – отношение падения к длине реки. Таким же образом определяют падения и уклоны для отдельных участков реки. Уклоны рек выражаются в виде десятичных дробей или в промилях (тысячных долях). Например, средний уклон Северной Двины i = 0,00007 = 0,07 ‰.

Иногда для характеристики уклона реки пользуются понятием километрическое падение (падение уровня воды в сантиметрах на 1 км длины реки).

Уклоны рек зависят прежде всего от рельефа местности, по которой они протекают. В равнинных районах уклоны рек очень малы (несколько десятичных), а в горной местности достигают нескольких сотых. Крупные водотоки имеют, как правило, меньшие уклоны, чем малые реки, протекающие в одних и тех же географических районах.

Уклон реки изменяется вдоль течения, уменьшаясь чаще всего от истока к устью. Уклоны отдельных участков реки зависят от рельефа дна и планового очертания русла. Уклон реки изменяется во времени с изменением уровня воды.

^ Речные системы. Речной системой называется совокупность водных потоков, впадающих в одну главную реку, несущую свои воды в океан, море или озеро. Реки, впадающие непосредственно в главную реку, называются притоками первого порядка. В притоки первого порядка впадают реки, которые являются по отношению к главной реке притоками второго порядка. В последние впадают притоки третьего порядка и т. д. Например, по отношению к р. Волге р. Кама является притоком первого порядка, а впадающая в нее р. Вятка – притоком второго порядка.

Под термином главная река на практике часто понимают любую рассматриваемую реку, имеющую разветвленную сеть притоков.

Речную систему можно наглядно представить в виде гидрографической схемы (рис.8.2,а), на которой все реки изображаются прямыми линиями в одинаковом масштабе. В каждую реку стекает вода с определенной территории, называемой речным б а с с е й н о м или в о д о-с б о р о м.

Общий бассейн главной реки (рис. 8.2, б) состоит из частных бассейнов всех ее притоков и территорий, с которых вода стекает в главную реку (межприточные территории).

Бассейны речных систем и отдельных рек ограничиваются замкнутыми линиями, называемыми в о д о р а з д е л а м и. Водоразделы проходят по наиболее возвышенным точкам местности между соседними реками. Их положение устанавливают по топографическим картам крупного масштаба (1 : 100000 или 1 : 50000). Если на карте не имеется горизонталей, водораздельная линия проводится приблизительно по середине территорий между соседними реками.

Основной характеристикой речного бассейна является величина его площади, которая измеряется по карте при помощи планиметра путем 2–3-кратной обводки водораздела до получения близко совпадающих результатов.

Площадь водосборного бассейна F (км2) находится в определенной зависимости от длины L(км) главного водотока


F = к Lm. (8.9)


По статистическим исследованиям авторов данного пособия для бассейнов рек Беларуси показатель степени m = 1,68, а коэффициент к изменяется в пределах 0,32–1,34, при этом среднестатистическое значение его равно 0,64, малые величины соответствуют бассейнам с равнинным рельефом (притоки Припяти, Днепра при L > 150 км, Немана), большие – бассейнам с грядово-холмистым рельефом (Западная Двина, притоки Припяти при L < 30 км).


а




б




Рис.8.2. Речная система:

а – гидрографическая схема реки; б – бассейн реки


8.3. Питание и режим рек


^ Виды питания рек. Характер питания рек водой обусловлен комплексом природных условий. Различают следующие виды питания рек: дождевое, снеговое, ледниковое и грунтовое.

Д о ж д е в о е п и т а н и е происходит или от периодических дождей в определенные сезоны года, или от краткосрочных ливневых дождей. Этот вид питания является преобладающим на реках юго-западной части Кавказа, Крыма, Карпат и некоторых других районов южной части европейской территории СНГ. Периодические летние дожди играют существенную роль в питании многих рек Восточной Сибири и Дальнего Востока (Амура, Зеи и др.).

Ливневые дожди наблюдаются летом и осенью в различных районах европейской части СНГ. Благодаря большой интенсивности они способны вызвать на реках малых бассейнов подъемы уровней воды, превышающие весенние.

С н е г о в о е п и т а н и е является преобладающим на большинстве рек. Бассейны этих рек занимают более ¾ территории СНГ. Несмотря на сравнительно небольшую продолжительность таяния снегов, реки со снеговым питанием получают в период весеннего половодья до 60–80% общего объема воды, стекающей по ним за год.

Л е д н и к о в о е п и т а н и е характерно для рек высокогорных районов Кавказа и Средней Азии. Оно происходит от таяния ледников и вечных снегов в горах. Реки с ледниковым питанием имеют летние паводки, часто с резко выраженными суточными колебаниями уровней, обусловленными изменениями температуры в течение суток.

Г р у н т о в о е п и т а н и е происходит или за счет неглубоко залегающих грунтовых вод, или за счет подземных вод, расположенных на значительных глубинах. В чистом виде грунтовое питание встречается очень редко. Как правило, грунтовые и подземные воды служат источником питания рек в периоды уменьшения или отсутствия поверхностного стока.

Многие равнинные реки питаются летом преимущественно грунтовыми водами, а в зимний период этот вид питания является для них единственным.

В формировании речного стока в разные периоды года участвуют различные виды питания. Например, р. Кубань имеет в весенний период снеговое питание за счет таяния снегов в правобережной равнинной части бассейна; в летние месяцы – ледниковое питание с Кавказских гор; осенью – дождевое питание от интенсивных ливней и зимой – грунтовое питание.

^ Режим уровней и расходов. У р о в н е м в о д ы в реке называется возвышение поверхности воды над некоторой условной горизонтальной плоскостью.

Уровни воды в реках постоянно изменяются. Основной причиной колебания уровней является разница в количестве воды, поступающей в реки в разные периоды года. Помимо величины расхода воды, на высоту уровня могут оказывать влияние ряд других факторов: наличие ледяного покрова, размывы русла и отложение наносов, морские приливы и отливы на устьевых участках рек, естественный подпор от другой реки, искусственный подпор от гидротехнических сооружений и др.

Годовой график колебаний уровня воды в течение года составляется по данным фактических наблюдений (рис. 8.3).

Для анализа многолетних колебаний уровня на один график наносят несколько линий, характеризующих изменение уровня в разные годы. Характер колебания уровня зависит прежде всего от режима питания реки.

Равнинные реки с преимущественным снеговым питанием характеризуются большим подъемом уровней в весенний период от таяния снегов и сравнительно низкими горизонтами воды в остальную часть года. На многих из них наблюдаются подъемы уровней в осенний период за счет выпадающих дождей, а на малых реках этой группы – подъемы уровней, вызванные дождями, и в летние месяцы.





Рис. 8.3. Годовой график колебания уровня воды


Крупные реки с преимущественным дождевым или ледниковым питанием характеризуются растянутым периодом стояния высоких уровней в летние и осенние месяцы. Малым горным рекам с дождевым или ледниковым питанием свойственны резкие краткосрочные подъемы уровней от ливней и таяния снегов в горах в разные периоды года. Нередко на этих реках наблюдаются интенсивные внутрисуточные колебания уровней.

Реки, вытекающие из озер или болот, имеют плавный ход уровней. Благодаря регулирующей роли озер и болот подъем уровней, вызванный весенним половодьем, растягивается на этих реках до середины лета.

Важнейшей характеристикой режима уровней реки является амплитуда колебаний, т. е. разность между наивысшими и наинизшими уровнями за определенный период времени. Различают амплитуды колебания годовых уровней, многолетнюю и отдельных периодов года. Амплитуда многолетних колебаний уровней на крупных реках достигает 15–20 м и более.

Колебания уровней воды в реке обусловлены изменениями расходов. График, изображающий связь между расходом и уровнем в определенном створе реки, называется к р и в о й р а с х о д о в.

Имея годовой график колебания уровня в рассматриваемом створе реки и кривую расходов, легко установить среднесуточные расходы для всех дней года. По найденным значениям среднесуточных расходов строят годовой график их изменения, который называется г и д- р о г р а ф о м. Поскольку между расходом и уровнем существует прямая связь, гидрограф имеет очертание, аналогичное с графиком колебания уровня.

^ Фазы в режиме рек. Характерные уровни и расходы воды. В водном режиме рек можно выделить ряд характерных фаз, каждой из которых свойственны определенные признаки.

На реках с преимущественным снеговым питанием такими фазами являются: весеннее половодье, летняя межень, летне-осенние дождевые паводки и зимняя межень.

В е с е н н е е п о л о в о д ь е является основной фазой в водном режиме большинства рек. Оно характеризуется резким подъемом уровня воды и менее крутым спадом. На крупных реках весеннее половодье длится от 1,5 до 3 месяцев, а на малых и средних реках – от 10–15 до 30–45 дней.

Л е т н я я м е ж е н ь наступает после окончания весеннего половодья и длится до наступления осенних дождей. Эта фаза характеризуется на большинстве рек низкими и устойчивыми уровнями. Некоторые малые реки южных и юго-восточных районов европейской части СНГ в летний период пересыхают.

О с е н н и е д о ж д е в ы е п а в о д к и наблюдаются на многих реках европейской части СНГ, западной и восточной Сибири. Они вызываются увеличением количества осадков и одновременным уменьшением испарения с поверхности речных бассейнов.

З и м н я я м е ж е н ь совпадает на большинстве равнинных рек с периодом ледостава. Наименьшие расходы воды наблюдаются в конце зимы. Небольшие северные реки в зимний период иногда промерзают до дна.

Основными характеристиками каждой из перечисленных фаз в режиме реки являются: ее продолжительность, величина характерных уровней и расходов, даты наступления и окончания фазы. Наряду со средними значениями этих характеристик часто бывает необходимо знать и их возможные колебания за многолетний период.

Водный режим реки в каждом году и за многолетний период характеризуется следующими основными уровнями:

наивысшим уровнем весеннего половодья;

наивысшим и наинизшим уровнями весеннего ледохода;

наивысшим и наинизшим уровнями очищения реки от льда;

наинизшим и средним меженними уровнями;

наивысшим и наинизшим уровнями летних и осенних паводков;

средним зимним уровнем.

К числу основных характерных расходов реки относятся: среднегодовой расход, максимальные расходы в весеннее половодье и в летне-осенние паводки, минимальные расходы в летнюю и зимнюю межени.

^ Зимний режим рек. С наступлением холодов реки на большей части территории СНГ замерзают. Продолжительность замерзания зависит от интенсивности похолодания и скорости течения. На малых реках она составляет 3–7 дней, а на больших – 8–15 дней. Нередко процесс замерзания рек сопровождается осенним ледоходом.

В течение зимы толщина льда постепенно увеличивается, достигая 0,6–1,0 м на реках центральных и северных районов европейской части СНГ и 1,0–1,5 м – на реках Сибири.

Весной в результате таяния снегов начинается вскрытие рек, за которым следует ледоход. Последний длится от 1–3 дней на малых реках, до 8–10 дней – на больших. Характер вскрытия рек весеннего ледохода зависит прежде всего от географического положения реки. На реках, текущих с севера на юг, от ледяного покрова сначала освобождается нижнее течение, что обеспечивает беспрепятственное продвижение льда с вышерасположенных участков. Поэтому ледоход на этих реках проходит сравнительно спокойно. На реках, текущих в северном направлении, условия ледохода очень тяжелые. Позднее вскрытие нижних участков этих рек препятствует ледоходу и на вышерасположенных участках образуются ледяные заторы, вызывающие значительные подъемы уровней воды, приводящие нередко к наводнениям.


^ 9. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОТОКА И РУСЛА РЕКИ


9.1. Речные наносы


Р е ч н ы м и наносами называются частицы грунта, которые переносятся водным потоком и формируют различные отложения в руслах рек.

Основная масса наносов поступает в реки с площади речных бассейнов. Вода, стекая по склонам местности, смывает с земной поверхности большое количество грунта и переносит его в реки. Часть наносов образуется в результате размыва самого русла реки (их количество не превышает 2–5% общего объема наносов, поступающих с поверхности бассейна).

По крупности и характеру перемещения наносы делятся на в з в е -ш е н н ы е и д о н н ы е (влекомые). Первые переносятся потоком во взвешенном состоянии по всему живому сечению реки, а вторые – передвигаются потоком по дну русла. Основным видом наносов на равнинных реках являются взвешенные. На их долю приходится 90–95% всех наносов. На горных реках количество донных наносов может превышать взвешенные.

^ Взвешенные наносы. Степень насыщения речного потока взвешенными наносами характеризуется мутностью воды. М у т н о с т ь ю называется масса взвешенных наносов, содержащаяся в единице объема воды

, (9.1)


где mв – масса наносов, г;

wп – объем взятой пробы воды, м3;

Мутность воды измеряется в реках специальными приборами, называемыми б а т о м е т р а м и.

Реки, протекающие в различных физико-географических условиях, имеют неодинаковую мутность. Реки северной части СНГ характеризуются среднегодовой мутностью ρв < 50 г/м3; лесостепной зоны ρв = =50÷150 г/м3 и южной степной зоны ρв = 150÷500 г/м3. Горные реки Кавказа и Средней Азии имеют очень большую мутность, достигающую на некоторых из них 5000 г/м3 и более.

Количество взвешенных наносов, проносимых через живое сечение реки в секунду называется р а с х о д о м в з в е ш е н н ы х н а н о с о в


Rв.н. = 0,001 ρсрQ = 0,001 ρср ωv, кг/с, (9.2)


где ρср – средняя мутность воды в живом сечении реки;

Q – расход воды, м3/с;

ω – площадь живого сечения реки, м2;

v – средняя скорость потока, м/с.

Средняя мутность воды ρср устанавливается по нескольким пробам воды, взятым батометром в различных точках живого сечения реки.

Количество взвешенных наносов, переносимых рекой за год, называется годовым стоком взвешенных наносов


, (9.3)


где ρ0 – среднегодовая мутность воды, г/м3;

W0 – среднегодовой объем стока воды, м3.

^ Донные наносы. Движение донных наносов имеет разнообразный характер, зависящий от их крупности и скоростей течения в придонном слое потока. Донные наносы передвигаются преимущественно у выпуклых берегов реки.

Передвижение донных наносов подчиняется закону Эри, согласно которому масса влекомой частицы пропорциональна скорости течения в шестой степени:

mе = k vн6, (9.4)


где vн – скорость течения, м/с; при которой частица начинает двигаться;

k – коэффициент пропорциональности, зависящий от формы и удельного веса частицы.

Из этой формулы видно, что с увеличением скорости течения в 3 раза масса передвигаемой по дну частицы увеличится в 729 раз (36). Столь сильное влияние скорости течения на величину влекомых частиц объясняет то обстоятельство, что горные реки способны перемещать крупные камни, а равнинные – только небольшие песчинки, хотя скорости течения на последних всего лишь в несколько раз меньше, чем на горных реках.

Средняя скорость течения, при которой начинается размыв русла и перемещение донных наносов, называется р а з м ы в а ю щ е й. Величина этой скорости определяется формулой М. А. Великанова


,м/с, (9.5)


где dср – средний диаметр частиц грунта, м;

Формула (9.5) справедлива для наносов диаметром от 0,1 до 5 мм. Для более крупных наносов эта зависимость дает преувеличенные значения размывающей скорости.

Расход донных наносов, влекомых речным потоком, можно найти по формуле В. Н. Гончарова


,кг/с, (9.6)


где В – ширина реки, м;

vр – размывающая скорость, м/сек, определяемая по формуле (9.5);

hср –средняя глубина потока, м.

Для определения годового стока донных наносов нужно вычислить по формуле (9.6) их расходы для отдельных периодов года при соответствующих значениях В, v и hср. Сток наносов за каждый период определяют умножением его продолжительности, выраженной в секундах, на величину расхода наносов в этот период.


^ 9.2. Деформация речного русла


Общие сведения. Для решения вопросов, связанных с эксплуатацией и улучшением водных путей, большое значение имеет изучение процессов, происходящих в результате взаимодействия речного потока и русла реки.

Под воздействием водного потока русло рек и подвержено постоянным изменениям (деформациям). Основными факторами, определяющими характер русловых деформаций и формы речного русла, являются:

уклоны реки и скорости течения;

характер грунтов, слагающих русло и пойму реки;

рельеф речного бассейна, его почвенно-грунтовые и растительные условия, влияющие на объем поступления наносов;

водный режим реки, в частности интенсивность весеннего половодья и дождевых паводков;

характер ледовых явлений;

наличие на реке гидротехнических и сплавных сооружений.

Воздействие потока на речное русло проявляется в трех процессах: размыве русла (эрозии), переносе частиц грунта, образовавшихся в процессе размыва, и отложении этих частиц (аккумуляции). Все три процесса происходят одновременно на всем протяжении реки. Однако в зависимости от соотношения между скоростями течения и размерами частиц грунта, слагающих речное русло, на одних участках реки наблюдается преобладание размыва русла над отложением наносов, а на других, наоборот, накапливается больше грунта, чем размывается.

Процесс размыва преобладает в верхнем течении реки, а отложения – в нижнем течении.

Русловая эрозия бывает боковой и глубинной. Боковая эрозия вызывает уширение реки, перемещение русла поперек долины, развитие излучин, расчленение русла на рукава и др. Результатом глубинной эрозии является углубление русла реки.

Все разновидности деформаций речного русла можно разделить на две категории: периодические и постоянные.

П е р и о д и ч е с к и е д е ф о р м а ц и и ежегодно чередуются в определенной последовательности и изменяют форму русла на отдельных участках реки то в одном, то в другом направлении. Они не влекут за собой, как правило, длительных устойчивых изменений русла. Характерным примером таких деформаций является периодическое отложение наносов на перекатах во время подъема половодья и их последующее углубление при спаде уровней.

П о с т о я н н ы е д е ф о р м а ц и и вызывают необратимые изменения формы русла в одном и том же направлении в течение длительного периода времени. К таким деформациям относятся, например, размывы вогнутых берегов рек и отложение наносов на выпуклых берегах, вызывающие перемещения извилин русла по течению реки.

^ Устойчивость речного русла. Для оценки степени устойчивости речного русла различным деформациям в гидрологии введено понятие о коэффициенте устойчивости русла. Мног