Внутригодовое распределение стока

Систематические (ежедневные ) наблюдения за уровнями воды были начаты в нашей стране около 100 лет назад. Первоначально они велись в небольшом числе пунктов. В настоящее время мы располагаем данными о стоке рек по 4000 гидрологическим постам. Эти материалы имеют уникальный характер, позволяя проследить изменения стока за многолетний период, широко используются при расчетах водных ресурсов, а также при проектировании и строительстве гидротехнических и других промышленных объектов на реках, озерах и водохранилищах. Для решения практических вопросов необходимо располагать данными наблюдений за гидрологическими явлениями за периоды времени от 10 до 50 лет и более.

Гидрологические станции и посты, расположенные на территории нашей страны, образуют так называемую государственную гидрометеорологическую сеть. Она находится в ведении Роскомгидромета и призвана удовлетворять запросы всех отраслей народного хозяйства по данным о режиме водных объектов. С целью систематизации материалы наблюдений на постах публикуются в официальных справочных изданиях.

Впервые данные гидрологических наблюдений были обобщены в Государственном водном кадастре СССР (ГВК) . Он включал в себя справочники по водным ресурсам СССР (порайонные, 18 томов ), сведения об уровнях воды на реках и озерах СССР (1881-1935 гг., 26 томов ), материалы по режиму рек (1875-1935 гг., 7 томов ). С 1936 г. материалы гидрологических наблюдений начали публиковаться в Гидрологических ежегодниках. В настоящее время действует единая общегосударственная система учета всех видов природных вод и их использования на территории Российской Федерации.

Первичная обработка данных о ежедневных уровнях воды, приводимых в Гидрологических ежегодниках, заключается в выполнении анализа внутригодового распределения стока и построении графика колебания уровней воды за год.

Характер изменения стока в течение года и обусловленный этими изменениями режим уровней воды в основном зависят от условий питания реки водой. По классификации Б.Д. Зайкова реки подразделяются на три группы:

С весенним половодьем, образующимся в результате таяния снега на равнинах и невысоких горах;

С половодьем в наиболее теплую часть года, возникающим за счет таяния сезонных и вечных горных снегов и ледников;

С дождевыми паводками.

Наиболее распространенными являются реки с весенним половодьем. Для этой группы характерными являются следующие фазы водного режима: весеннее половодье, летняя межень, период осеннего подъема воды, зимняя межень.

В период весеннего половодья в реках первой группы за счет таяния снега существенно увеличивается расход воды, и уровень ее повышается. Амплитуда колебания уровней воды и продолжительность половодья на реках этой группы различается в зависимости от факторов подстилающей поверхности и факторов зонального характера. Так, например, восточноевропейский тип внутригодового распределения стока имеет очень высокое и резкое весеннее половодье и малые расходы воды в остальное время года. Это объясняется незначительным количеством летних осадков и сильным испарением с поверхности степных бассейнов Южного Заволжья.

Западноевропейский тип распределения характеризуется невысоким и растянутым весенним половодьем, что является следствием плоского рельефа и сильной заболоченности Западно- Сибирской низменности. Наличие озер, болот и растительности в границах водосборного бассейна приводит к выравниванию стока в течение года. К этой группе относится также восточносибирский тип распределения стока. Он характеризуется относительно высоким весенним половодьем, дождевыми паводками в летне-осенний период и крайне низкой зимней меженью. Обусловлено это влиянием вечной мерзлоты на характер питания реки.

Амплитуда колебания уровней воды у средних и больших рек России довольно значительна. Она достигает 18 м на верхней Оке и 20 м на Енисее. При таких наполнениях русла затапливаются обширные площади речных долин.

Период стояния низких уровней, мало изменяющихся во времени в течение лета, называют периодом летней межени , когда основным источником питания рек являются подземные воды.

В осенний период поверхностный сток увеличивается за счет осенних дождей, что приводит к подъему воды и образованию летне-осеннего дождевого паводка. Возрастанию стока осенью способствует также уменьшение испарения в этот период времени.

Фаза зимней межени в реке начинается с момента появления льда и заканчивается началом подъема уровней воды от весеннего снеготаяния. В течение зимней межени в реках наблюдается весьма малый сток, так как с момента наступления устойчивых отрицательных температур питание реки осуществляется лишь за счет подземных вод.

У рек второй группы выделяются дальневосточный и тяньшанский типы внутригодового распределения стока. Первый из них имеет невысокое, сильно растянутое, гребенчатого вида половодье в летне-осенний период и низкий сток в холодную часть года. Тяньшанский тип отличается меньшей амплитудой волны половодья и обеспеченным стоком в холодную часть года.

У рек третьей группы (причерноморский тип ) дождевые паводки распределены равномерно в течение года. Амплитуда колебания уровней воды сильно сглаживается у рек, вытекающих из озер. У этих рек граница между половодьем и меженью мало заметна и объем стока в половодье сопоставим с объемом стока в межень. У всех остальных рек во время половодья проходит основная часть годового стока.

Результаты наблюдений над уровнями за календарный год представляют в виде графика колебания уровней (рис. 3.5). Кроме хода уровней, на графиках особыми обозначениями показываются фазы ледового режима: осенний ледоход, ледостав, весенний ледоход, а также показываются значения максимального и минимального навигационных уровней воды.

Обычно графики колебания уровней воды на гидрологическом посту совмещаются за 3-5 лет на одном чертеже. Это позволяет выполнить анализ режима реки за маловодные и многоводные годы и проследить динамику наступления соответствующих фаз гидрологического цикла за данный период времени.

Распределения годового стока рек.

Сток явл. элементом геогр. оболочки. Она рассматривается как крупный природный комплекс. Все компоненты геогр. ландшафта в силу цельности и неразрывности природы взаимосвязаны. Прир. воды, являясь элементом геогр. ландшафта, явл. связующим звеном всех геогр. процессов.

Рассмотрение стока как элемента геогр. среды предполагает его исследование на широкой геогр. основе. Именно такой подход сток à окруж. среда разрабатывался В.Г. Глушковым в виде географ-гидрол. метода. Этот метод устанавливает причинную связь всех вод данного района с географическим ландшафтом в целом, включая в себя кроме климата геологию, геоморфологии, почвы и растит., и на основе этих связей устанавл. характеристики св-в самих вод.

Т.об., Глушков впервые в истории отеч. гидрологии сформулировал необходимость изучения вод на генетич. основе в зависимости от прир. условий, в кот. эти воды находятся. Такой путь исследования (диалектический) тесно связан с учением Докучаева о геогр. зональности почв с исследованиями Л.С. Берга о ландшафтах, Воейкова о взаимосвязи природных вод и климата, Вернадского о единстве природных вод, Тригорьева о физ. геогр. процессе развития природной среды. По мнению Кузина (1960 г) предст. единств. попытку в гидрологии, где ясно и четко сформулирована необх. генетич. изучения вод суши в зависим. от тех прир. условий, в кот. эти воды находятся. Данное определение очень важное. В гидрологии находит применение геосистемный анализ метод сравнения и др. Статистические методы также широко используются. Исследов. речного стока на генетич. основе позволяет выделить геогр. закономерности пространств. изменчивости характеристик речного стока.

Простр. характеристику распред. речного стока наглядней всего представляют карты изолиний годового стока. Карта стока обладает тем огромным достоинстом, что весьма информативно показывает территориальные изменения картируемой характеристики. Расмотрим карты стока рек для территории б. СССР и отдельных регионов страны.

Изолтинии годового стока (карты годового стока)

Первая карта была составлена Д.И Кочериным в 1927 г. Она охватывала Европейскую часть СССР. В ее основе были наблюдения по 34 пунктам. Научное значение карты: впервые при построении карты была наглядно показана роль климат. зональности и зависимости речн. стока от климата. Было подтверждено учение А.И Воейкова, что реки – продукт климата, и Э.М: Ольдекова о том, что главный физ.-геогр. фактор – климат, определяющий речн. сток на 75-85%. Широтное направление изолиний, почувствованное автором интуитивно, впоследствии получило практическое подтверждение. Карта имела практич. значение, т.к с 1927 по 1936г., до появл. следующ. карты, она явилась основой для обоснования десятков и сотен гидротехн. объектов. По карте определялись водн. ресурсы неизученных бассейнов.

Впоследствии работы продолжались. В 1936г. была составлена карта стока Европейской части СССР. На ней мы видим широтное расположение изолиний речного стока (на Урале – меридиональное). Авторы карты – Б.Д Зайков и С.Ю. Беленков. Для построения использованы 1280 пунктов. были сделаны наметки для построения карты азиатской территории. Уточнение карты было произведено в 1946 г. Зайковым.

После 1946 г. в гидрол. картировании было затишье. Только в 1961 г. была произв. новая карта (К.П. Воскресенский, 5690 пунктов наблюдения).

В 1980 г. была составлена еще одна карта (А.В Рождественский с коллегами). Эта карта вошла в СниП 2.01.14-83., а также в пособие по определению гидрол. характеристик. Средний многолетний сток был расечитан от начала открытия гидрол. и до 1975 г. включительно. Масштаб карты 1:10 000 000. Принципиальных отличий этой карты от предыдущей нет. Кол-во наблюдений то же самое, что и в предыдущей карте. Карта годового речн. стока составлена в модулях стока М (л/с.км 2). Также возможна единица измерения Н мм = W/A . Для равнинной части Европ. территории страны амплитуда колебаний модуля среднегод. стока заключается между 10-12 л/с.км 2 в бассейне Сев. Двины, Печоры, на реках Карелии до 0,5-1,0 на юге в Приазовье. На равнинн. терр. ход изолиний отражает широтную зональность. В предгорьях и горах набл. значит. увеличение стока. Так в Хибинах модуль стока увел. до 18 , на Сев. Урале до 20, в Карпатах – до 25-30, на Ю-З. склоне Кавказе – до 75-80 л/с.км 2 . На Кавказе самый большой сток у р. Ухалта, приток р. Кодори - 88 л/с.км 2 . На возвышенности напр. изолиний тягожит к меридиональному, модуль стока от подножия гор к вершинам. Отриц. формы рельефа обусловливают четко выраженное понижение. Ваметный минимум в Ловатско-Ильменской низм (6 л/с.км 2). Более сложное распределение в Азиатской части СССР, изменчив. стока на Зап. – Сиб. низм. такая, же, как на Вост.-Европ. равнине. С севера на юг идет уменьшение стока. Защищенность Зап. – Сиб. низм. Уралом от зап. атлантич. возд. масс и близость пустынных районов Средней Азии обусловливают большую сухость климата по сравн. с Европой. Модуль стока М ↓ от 8 л/с.км 2 на п-ове Ямал, Гыданский, большей части Зап. Сиб. низм. до 0,2 – 0,1 л/с.км 2 в верховьях Иртыша, Иншма. Таким обр. , разница в модулях стока на одной и тойже широте перед и за Уралом достигает 2 л/с.км 2 . В Вост. Сибири, Приморском крае, Якутии и Камчатке напр. изолиний меняется с широтн. на меридиональное. Вдоль побережья Берингова моря амплитуда колеблений изм. от 25-30 л/с.км 2 на Памире, Алтае, Саянах до 2 л/с.км 2 в бассейне Яны, Индширки, до 0,1 л/с.км 2 в пустынях Казахстана. На полярных о-вах Врангеля, Новосибирских, Северной Земле, Земле Франца-Иосифа модуль стока М изменяется от 2 до 8 л/с.км 2 в названной последов. В современных границах России величина модуля колеблется от 75 до 0,1 (75 – На Камчатке, 0,1 – в Приазовье). Карта среднемноголетнего годового слоя стока в мм и водоносности рек имеется в учебнике Михайлова, Добровольского 1991 г. Колебания годов. стока на терр. Росси находятся в пределах от 1800 мм на Камчатке и 1000 мм на Сахалине до 5 мм и менее в Прикаспии и приазовье. На равнинах Европ. части слой стока ↓ с севера на юг от 400 до 10-20 мм. В горах сток увеличивается на Кольском п-ове – 400-600, Сев. Кавказ – 1000 мм, в Зап. Сибири – от 300 до 10 мм с Сев. на Юг. В Вост. Сибири, Якутии, Приморье и Камчатке широтное направление переходит в меридиональное, слой стока колеблется от 1800 м в горах до 10-20 мм в бассейне Лены. для терр. России в среднем слой стока составл. 198 мм. В Центр. Черноземье – 105 мм. Неравномерное распр. стока неслучайное объясняется изменчивостью осн. факторов, определяющих речн. сток. Дифференциация речн. стока по территории связана с изменчивостью атм. осадков и рельефа. В соотв. с этими 2-мя главными прир. факторами формируются геогр. закономерности, т.е широтная зональность на равнине, высотная – в горах.

Региональные карты стока рек.

Карты изолиний речн. стока, составл. для макротерриторий, позволяют выделить геогр. закономерность простр. изменчивости речн. стока, но оценка водных ресурсов может быть очень низкой. В 1965 г. появилась карта годового стока для Центрального Черноземья.

При пострении карт речного стока не рассматриваются аномальные значения стока.

Водный фонд России.

Это 2,5 млн. рек; 2,8 млн. озер, свыше 30 000 водохранилищ и прудов.

Ледники имеют покровное и горное распределение.

Реки России принадлежат к бассейнам 12 морей: Баренцево, Балтийское, Карское, море Лаптевых, Восточно-Сибирское море, Белое море, Чукотское, Берингово, Охотское, Японское, Азовское, Черное моря.

К Бассейну Сев. Ледовитого океана отн. 80% площади водосборов, Атлантического и Тихого по 10%. Волга формирует крупнейший бесточный бассейн. На его территории располагаются 39 субъектов РФ. Волга – крупнейшая водная магистраль, важнейший международный транспортный коридор. В пределах России 5 рек с площадью водосбора свыше 1 млн км 2: Обь, Енией, Лена, Волга, Амур и 50 рек с площадью водосбора свыше 100 000 км 2 . Густота речной сети значительно меняется с Севера на Юг и при переходе от равнин к горам. Густота речной сети больше на Севере и в горах, чем на Юге и на равнинах. Крупнейшие реки: Дон, Печора, Сев. Двина, Енисей, Яна, Индигирка, Таз, Колыма, Урал, Амур образуют народное достояние страны. Эти реки формируют водные ресурсы России. Кол-во и качество вод определяет качество жизни.

К естесств. пов. водным объектам относятся озера. Они встречаются чаще всего на Северо-Западе. В Карелии 60 000 озер. Самый крупный пресноводный водоем – Байкал. это самое глубокое озеро. Абсолютное большинство озер России пресные, но есть и соленые озера – Эльтон, Баскунчак. Многие озера имеют огромное водохозяйственное и рекреационное значение. К ним относятся Ладожское озеро, Елигер, Кроноцкое озеро и др. К естесств. водным объектам относятся также болота. Известно, что площадь болотных массивов.

Ледники в стране преимущественно распространены в горах. Площади ледников распространены на Новой Земле, Земле Франца Иосифа. Ледники есть на Кавказе, Саянах, Алтае, Урале, Становом хребте.

Огромные запасы воды содержатся в искусств. водоемах. Водохранилищ 2290, крупнейший объем свыше 100 млн. км 3 – Ю.З водохранилица. 363 водохранилица – крупные.

Все водоемы, имеющие объем свыше 1 млн. м 3 – водохранилица, что меньше - пруд.

Водный фонд Центрального Черноземья.

Водные объекты ЦЧ принадлежат к бассейнам Черного, Азовского и Каспийского морей. Вся рассматриваемая территория делится водоразделами 3-х речн. бассейнов: Дона, Волги, и Днепра. По терр. ЦЧ протекает из названных только Дон. а Волга и Днепр представлены их притоками. 2/3 территортии приходится на бассейн Дона, 1/3 – на бассейн Волги и Днепра. Речн. сист. Дона предст. реки Сосна, Воронеж, Хопер, Битюг, Ворона, Северский Донец и др. , протекающие в пределах Липецкой, Тамбовской, Воронежской, Белгородской, Курской. Бассейн Волги: Цна с притоками (Тамбовская обл.). Бассейн Днепра: Сейм с притоками, Ворскла, Псел (Курская и Белгородская обл.). Гидрогр. сеть представлена руъями, реками и временными водотоками, сток кот. имеет место только весной или летом. Гидрографию рек дополняют озера и болота. И те и другие – небольшие по площади водного зеркала, их распр. по терр. не превышает 1% от общей площади. На терр. ЦЧР – 5164 водотока протяж. свыше 35 000 км. Они сост. небольшую часть от общего числа рек России. Густота речн. сети невелика, но варьирует: 0,27 км/км 2 в Тамб. обл., в Липецкой обл. – 0,23 км/км 2 ; в Воронежской обл. – 0,18 км/км 2 ; в Белг. обл. – 0,11.

Наиб. число озер в басс. Цны, Вороны, Дона, Битюга. Они располаг. в поймах рек, имеют вытянутую форму, что указывает на их старичное происх. В пойме Дона озера Тыгоново, Кременчуг, Тахта и др. В басс. Цны Святовское, Княжое и др. В басс. Сейма линево. Самое большое озеро – Ильмень в басс. Хопра.

Болот на терр. ЦЧР мало, они есть в бассейне Вороны, Усмани, Савалы, Воронежа. Наиболее известное болото-Клюквенное (рядом с Воронежом). Подземные источники – особая группа объектов. Они дают начало многим рекам. Много родниковых рек в Липецкой обл. В наст. время набл. подъем уровня грунтовых вод. Наиболее крупные родники – Нижнекисляйский, Белая торка. Минеральные источники – Липецкий, Углянческий, Икорецкий. На основе их функционируют санатории. Пруды и водохранилица в большом кол-ве присутствуют на территории ЦЧР. На нач. 60-х гг насчитывалось неск. тыс. прудов. Самое крупное водохранилице – Воронежское, затем идут матырское, Старооскольское, Курчатовское, Илушпанское. При использовании вод для нужд человека встает вопрос о водных запас.

ВВЕДЕНИЕ.

Задачи гидрологических расчетов и их роль в развитии хозяйства страны. Связь гидрологических расчетов с другими науками. История развития гидрологических расчетов: первые работы зарубежных ученых 17-19вв.; работы русских ученых конца 19 – начала 20вв.; первый учебник гидрологии в России; советский период развития гидрологических расчетов; Всесоюзные гидрологические съезды и их роль в развитии методов расчета речного стока; постсоветский период развития гидрологических расчетов. Основные характеристики стока рек. Три случая определения гидрологических характеристик.

МЕТОДЫ АНАЛИЗА ХАРАКТЕРИСТИК РЕЧНОГО СТОКА.

Генетический анализ гидрологических данных: географо-гидрологический метод и его частные случаи – методы гидрологической аналогии, географической интерполяции и гидролого-гидрогеологический. Вероятностно-статистический анализ: метод моментов, метод наибольшего правдоподобия, метод кванителей, корреляционный и регрессионный анализ, факторный анализ , метод главных компонент, метод дискриминантного анализа. Методы анализа вычислительной математики: системы алгебраических уравнений, дифференцирование и интегрирование функций, уравнения с частными производными, метод Монте-Карло. Математическое моделирование гидрологических явлений и процессов, классы и типы моделей. Системный анализ.

СПОСОБЫ ОБОБЩЕНИЯ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК.

Карты изолиний стока: принципы построения, надежность определения стока. Гидрологическое районирование территории: понятие, границы применения, принципы районирования и подходы к районированию, способы определения границ районов, однородность районов. Графическая обработка гидрологических данных: прямолинейные, степенные и показательные графические зависимости.

ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЧНОГО СТОКА.

Важность понимания механизма и степени влияния физико-географических факторов на режим и величину речного стока. Уравнение водного баланса речного бассейна. Классификация факторов формирования речного стока. Климатические и метеорологические факторы речного стока: атмосферные осадки, испарение, температура воздуха. Влияние на сток факторов речного бассейна и его подстилающей поверхности: географическое положение, размеры, форма речного бассейна, рельеф, растительность, почвы и горные породы, многолетняя мерзлота, озерность, болотистость, ледники и наледи в пределах бассейна. Влияние хозяйственной деятельности на речной сток: создание водохранилищ и прудов, перераспределение стока между речными бассейнами стока, орошение сельскохозяйственных полей, осушение болот и заболоченных территорий, агролесотехнические мероприятия на водосборах рек, водопотребление на промышленные и коммунально-бытовые нужды, урбанизация, добыча полезных ископаемых .

СТАТИСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ РЕЧНОГО СТОКА.

НАДЕЖНОСТЬ ИСХОДНОЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.

Норма стока и принципы ее вычисления. Изменчивость речного стока, ее относительное (коэффициент вариации) и абсолютное (среднеквадратическое отклонение) выражение, связь с метеорологическими факторами. Изменчивость внутригодового распределения стока, максимального стока весеннего половодья и дождевых паводков, минимального зимнего и летнего стока. Коэффициент асимметрии. Степень надежности гидрологической исходной информации. Причины возникновения погрешностей в режимной гидрологической информации.

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И РАСЧЕТЫ НОРМЫ ГОДОВОГО СТОКА.

Годовой сток рек как основная гидрологическая характеристика. Условия формирования годового стока: осадки, испарение, температура воздуха. Влияние озер, болот, ледников, наледей, площади бассейна, высоты водосбора, леса и его вырубки, создания водохранилищ, орошения, промышленно-коммунального водопотребления, осушения болот и заболоченных земель, агролесомелиоративных мероприятий на формирование годового стока рек. Понятие о репрезентативности ряда гидрологических данных. Элементы циклических колебаний стока. Синхронность, асинхронность, синфазность, асинфазность колебаний стока. Расчеты нормы годового стока при наличии, недостаточности и отсутствии данных наблюдений. Распределение годового стока по территории России.

ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ И РАСЧЕТ

ВНУТРИГОДОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СТОКА РЕК.

Практическая значимость знаний о внутригодовом распределении стока. Роль климата в распределении стока в течение года. Факторы подстилающей поверхности, корректирующие внутригодовое распределение стока: озера, болота, пойма реки, ледники, многолетняя мерзлота, наледи, лес, карст, размеры речного бассейна, форма водосбора. Влияние создания водохранилищ и прудов, орошения, агролесотехнических мероприятий и осушения на внутригодовое распределение стока рек. Расчет внутригодового распределения стока при наличии, недостаточности и отсутствии данных наблюдений. Расчет суточного распределения стока. Кривые продолжительности суточных расходов. Коэффициент естественной зарегулированности стока. Коэффициент внутригодовой неравномерности стока.

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА МАКСИМАЛЬНОГО

СТОКА РЕК ЗА ПЕРИОД ВЕСЕННЕГО ПОЛОВОДЬЯ.

Понятие «катастрофический паводок (половодье)». Практическое и научное значение достоверной оценки статистических параметров половодий. Причины катастрофических наводнений. Генетические группы максимальных расходов воды. Расчетная обеспеченность максимальных расходов воды в зависимости от класса капитальности гидротехнического сооружения. Качество исходной информации о максимальных расходах воды. Условия формирования стока половодий: снегозапасы в бассейне реки и запасы воды в снежном покрове, потери на испарение со снега, интенсивность и продолжительность снеготаяния, потери талых вод. Факторы подстилающей поверхности: рельеф, экспозиция склона, размеры, конфигурация, расчлененность бассейна, озера и болота, почвы и грунты. Антропогенные факторы формирования максимального стока половодий. Генетическая теория формирования максимального стока. Редукция максимального стока. Расчеты максимального весеннего стока при наличии, недостаточности и отсутствии данных наблюдений. Математические и физико-математические модели процессов формирования стока талых вод.

МАКСИМАЛЬНЫЙ СТОК РЕК ЗА ПЕРИОД ДОЖДЕВЫХ ПАВОДКОВ.

Районы распространения высоких дождевых максимумов. Сложности в исследовании и обобщении характеристик дождевого стока. Виды дождей и их составные части. Особенности формирования дождевых паводков: интенсивность и продолжительность дождя, интенсивность инфильтрации, скорость и время добегания дождевых вод. Роль факторов подстилающей поверхности и видов хозяйственной деятельности в формировании дождевого стока. Расчеты максимальных расходов воды дождевых паводков при наличии, недостаточности и отсутствии данных наблюдений. Моделирование стока дождевых паводков.

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И РАСЧЕТЫ МИНИМАЛЬНОГО ЛЕТНЕГО
И ЗИМНЕГО СТОКА РЕК.

Понятие меженного периода и меженного стока. Практическая значимость знаний о минимальном стоке рек. Основные расчетные характеристики минимального и меженного стока рек. Продолжительность зимнего и летнего или летнее-осеннего меженного периода на реках территории России. Типы межени и меженных периодов рек России. Факторы формирования минимального стока: осадки, температура, испарение, связь вод зоны аэрации, грунтовых вод, карстовых и артезианских вод с рекой, геологические и гидрогеологические условия в бассейне, озера, болота, лес, расчленение и высота местности, пойма реки, глубина эрозионного вреза русла реки, площади поверхностного и подземного водосборов, уклон и ориентирование водосбора, орошение сельскохозяйственных земель, промышленное и бытовое потребление воды рек, осушение, использование подземных вод, создание водохранилищ, урбанизация. Расчеты минимального меженного стока при разном объеме исходной гидрологической информации.

4. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1.

РАСЧЕТЫ ГОДОВОГО СТОКА РЕК ЗАДАННОЙ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ
ПРИ НЕДОСТАТОЧНОСТИ И ОТСУТСТВИИ ДАННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ.

ЗАДАНИЕ 1: Выбрать бассейн реки с площадью водосбора не менее 2000км ² и не более 50000км ² в пределах Тюменской области и выписать из изданий ОГХ для этого бассейна ряд наблюдений среднегодовых расходов.

ЗАДАНИЕ 2: Определить статистические параметры кривой обеспеченности среднегодовых расходов выбранной реки методами моментов, наибольшего правдоподобия, графо-аналитическим.

ЗАДАНИЕ 3: Определить годовой сток реки обеспеченностью 1%, 50% и 95%.

ЗАДАНИЕ 4: Вычислить среднегодовой сток той же реки по карте изолиний модуля и слоя стока и оценить точность расчета.

ТЕОРИЯ: При наличии или недостаточности данных наблюдений основные статистические параметры речного стока определяют тремя методами: методом моментов, методом наибольшего правдоподобия, графоаналитическим методом.

МЕТОД МОМЕНТОВ .

Для определения параметров кривой распределения Qо, Cv и Сs методом моментов используются следующие формулы:

1) среднее многолетнее значение расхода воды

Qо = ΣQi /n, где

Qi – погодичные значения расхода воды, м³/с;

n – количество лет наблюдений; при рядах наблюдений менее 30 лет вместо n принимают (n – 1).

2) коэффициент вариации

Cv = ((Σ(Кi -1)²) /n)½, где

Кi – модульный коэффициент, вычисляемый по формуле

Кi = Qi / Qо .

3) коэффициент асимметрии

Cs = Σ(Кi – 1)³/ (n · Сv³).

По значениям Cv и Cs рассчитывается соотношение Cs/Cv и ошибки вычисления Qо, Cv и Cs:

1) ошибка Qо

σ = (Cv /n½) ·100%;

2) ошибка Cv должна быть не более 10-15%

Έ = ((1+Cv²) / 2n)½ · 100%,

3) ошибка Cs

έ = ((6/n)½ (1+6Cv²+5Cv ( ½ / Cs) ·100%.

МЕТОД НАИБОЛЬШЕГО ПРАВДОПОДОБИЯ .

Сущность метода состоит в том, что наиболее вероятным считается такое значение неизвестного параметра, при котором функция правдоподобия достигает наибольшего возможного значения. При этом большее влияние имеют члены ряда, которым соответствует большее значение функции. Этот способ основан на использовании статистик λ 1 , λ 2 , λ 3. Статистики λ 2 и λ 3 связаны друг с другом и их соотношение меняется от изменения Сv и соотношения Сs/Сv. Статистики вычисляются по формулам:

1) статистика λ 1 есть среднее арифметическое ряда наблюдений

λ 1 = ΣQi / n ;

2)статистика λ 2

λ 2 = Σ ІgКi /(n – 1);

3) статистика λ 3

λ 3 = Σ Кi· ІgКi /(n – 1).

Определение коэффициента изменчивости Сv и соотношения Сs/Сv производится по номограммам (см. в учебном пособии . Практическая гидрология. Л.: Гидрометеоиздат, 1976, стр. 137) в соответствии с вычисленными статистиками λ 2 и λ 3 . На номограммах находим точку пересечения значений статистик λ 2 и λ 3 . По ближайшей к ней вертикальной кривой определяется значение Сv, а по горизонтальной кривой соотношение Сs/Сv, от которого переходим к значению Сs. Ошибка Сv определяется по формуле:

Έ = (3 / (2n(3+ Cv²)))½ · 100%.

ГРАФО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД .

Этим методом статистические параметры аналитической кривой обеспеченности вычисляются по трем характерным ординатам сглаженной эмпирической кривой обеспеченности. Такими ординатами служат величины Q

На полулогарифмической клетчатке вероятности строят зависимость Q = f(Р). Для построения сглаженной эмпирической кривой обеспеченности необходимо ряд наблюдений выстроить в убывающей последовательности и каждому ранжированному значению расхода воды Q уб . присвоить значение обеспеченности Р, вычисленное по формуле:

Р = (m / n+1) · 100%, где

m – порядковый номер члена ряда;

n – число членов ряда.

По горизонтальной оси откладываются значения обеспеченности, по вертикальной – соответствующие им Q уб. Точки пересечения обозначаются кружочками диаметром 1,5-2мм и закрепляются тушью. По точкам карандашом проводят сглаженную эмпирическую кривую обеспеченности. С этой кривой снимают три характерные ординаты Q 5% ,Q 50% и Q 95% обеспеченности, благодаря которым вычисляют значение коэффициента скошенности S кривой обеспеченности по следующей формуле:

S = (Q 5% + Q 95% - 2 Q 50% ) / (Q 5% - Q 95% ).

Коэффициент скошенности является функцией коэффициента асимметрии. Поэтому по вычисленному значению S определяют величину Сs (см. приложение 3 в учебном пособии. Практическая гидрология. Л.: Гидрометеоиздат, 1976, стр. 431). По этому же приложению в зависимости от полученного значения Сs определяют разность нормированных отклонений (Ф 5 % - Ф 95% ) и нормированное отклонение Ф 50% . Далее рассчитывают среднее квадратическое отклонение σ, средний многолетний сток Qо´и коэффициент вариации Сv по следующим формулам:

σ = (Q 5% - Q 95% ) / (Ф 5% - Ф 95% ),

Qо ´ = Q 50% - σ · Ф 50% ,

Сv = σ / Q´.

Аналитическая кривая обеспеченности считается в достаточной мере соответствующей эмпирическому распределению, если выполняется следующее неравенство:

ІQо - Qо´І < 0,02·Qо.

Средняя квадратическая ошибка Qо´ вычисляется по формуле:

σ Qо´ = (Сv / n½) · 100%.

Ошибка коэффициента вариации

Έ = ((1+ Сv²) / 2n)½ ·100%.

РАСЧЕТ РАСХОДОВ ЗАДАННОЙ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ .

Расход заданной обеспеченности вычисляется по формуле:

Qр = Кр·Qо, где

Кр – модульный коэффициент заданной обеспеченности р%, рассчитываемый по формуле

Кр = Фр·Cv + 1 , где

Фр – нормированные отклонения заданной обеспеченности от среднего значения ординат биномиальной кривой распределения, определяется по приложению 3 учебного пособия. Практическая гидрология. Л.: Гидрометеоиздат, 1976, стр. 431.

Рекомендуемые для дальнейших гидрологических расчетов и проектных работ статистические параметры по бассейну реки и ее обеспеченные расходы получают путем вычисления среднего арифметического из полученных тремя вышеизложенными методами Qо, Cv, Cs, Q 5% ,Q 50% и Q 95% обеспеченности.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗНАЧЕНИЙ СРЕДНЕГОДОВОГО СТОКА РЕК ПО

КАРТАМ .

При отсутствии данных наблюдений о стоке одним из способов его определения являются карты изолиний модулей и слоя стока (см. учебное пособие. Практическая гидрология. Л.: Гидрометеоиздат, 1976, стр. 169-170). Значение модуля или слоя стока определяется для центра водосбора реки. Если центр водосбора лежит на изолинии, то среднее значение стока данного водосбора принимается по значению этой изолинии. Если водосбор лежит между двумя изолиниями, то значение стока для его центра определяется методом линейной интерполяции. Если водосбор пересекают несколько изолиний, то значение модуля стока (или слоя стока) для центра водосбора определяют методом средневзвешенного по формуле:

Мср = (М 1 f 1 + М 2 f 2 +…М n f n ) / (f 1 + f 2 +…f n ), где

М 1 ,М 2… - средние значения стока между соседними изолиниями, пересекающими водосбор;

f 1, f 2… - площади водосбора между изолиниями в пределах водосбора (в км² или в делениях палетки).

Для определения стока реки в зависимости от площади бассейна, высота слоя осадков и т.д. в гидрологии применяются следующие величины: сток реки, модуль стока и коэффициент стока.

Стоком реки называют расход воды за продолжительный период времени, например, за сутки, декаду, месяц, год.

Модулем стока называют выраженное в литрах (у) количество воды, стекающее в среднем в 1 секунду с площади бассейна реки в 1 км 2:

Коэффициентом стока называют отношение стока воды в реке (Qr)к количеству выпавших осадков (М) на площадь бассейна реки за одно и то же время, выраженное в процентах:

а - коэффициент стока в процентах, Qr - величина годового стока в кубических метрах; М - годовое количество выпавших осадков в миллиметрах.

Для определения модуля стока нужно знать расход воды и площадь бассейна выше створа, по которому определялся расход воды данной реки. Площадь бассейна реки можно измерить по карте. Для этого применяют следующие способы:

• 1) планирование
• 2) разбивку на элементарные фигуры и вычисление их площадей;
• 3) измерение площади посредством палетки;
• 4) вычисление площадей по геодезическим таблицам

Студентам легче всего использовать третий способ и проводить измерение площади посредством палетки, т.е. прозрачной бумаги (кальки) с нанесенными на нее квадратиками. Имея карту исследуемого района карты в определённом масштабе, можно изготовить палетку квадратами, соответствующими масштабу карты. Предварительно следует оконтурить бассейн данной реки выше определенного створа, а затем наложить карту на палетку, на которую перенести контур бассейна. Для определения площади требуется сосчитать сначала число полных квадратиков, расположенных внутри контура, а затем сложить данные квадратики, частично покрывающие бассейн данной реки. Сложив квадратики и умножив полученное число на площадь одного квадратика, узнаем площадь бассейна реки выше данного створа.

Q - расход воды, л. Для перевода кубических метров в литры умножаем расход на 1000, S площадь бассейна, км 2.

Для определения коэффициента стока реки нужно знать годовой сток реки и объем воды, выпавшей на площади данного бассейна реки. Объем воды, выпавшей на площади данного бассейна легко определить. Для этого нужно площадь бассейна, выраженную в квадратных километрах, умножить на толщину слоя выпавших осадков (тоже в километрах). Например, толщина будет равна р если осадков на данной площади выпало за год 600 мм, то 0" 0006 км и коэффициент стока будет равен:

Qr - годовой сток реки, а М- площадь бассейна; умножаем дробь на 100 для определения коэффициента стока в процентах.

Определение режима стока реки. Для характеристики режима стока реки нужно установить:

a) каким изменениям по сезонам подвергается уровень воды (река с постоянным уровнем, сильно мелеющая летом пересыхающая, теряющая воду в понорах и исчезающая с поверхности);

b) время половодья, если оно бывает;

c) высоту воды во время половодья (если нет самостоятельны наблюдений, то по опросным сведениям);

d) продолжительность замерзания реки, если это бывает (по своим личным наблюдениям или же по сведениям, полученным путем опроса).

Определение качества воды. Для определения качества воды нужно узнать, мутная она или прозрачная, годная для питья или нет. Прозрачность воды определяется белым диском (диск Секки) диаметром приблизительно 30 см, подведенным на размеченном лине или приделанным к размеченному шесту. Если диск опускается на лине, то внизу, под диском, прикрепляется груз, чтобы диск не сносило течением. Глубина, на которой этот диск становится невидимым, и является показателем прозрачности воды. Можно диск сделать из фанеры и окрасить его в белый цвет, но тогда груз нужно подвесить достаточно тяжелый, чтобы он вертикально опускался в воду, а сам диск сохранял горизонтальное положение; или фанерный лист можно заменить тарелкой.

Определение температуры воды в реке. Температуру воды в реке определяют родниковым термометром, как на поверхности воды, так и на разных глубинах. Держать термометр в воде нужно в течение 5 минут. Родниковый термометр можно заменить обычным ванновым термометром в деревянной оправе, но, для того чтобы он опускался в воду на разные глубины, следует привязать к нему груз.

Можно определить температуру воды в реке при помощи батометров: батометра-тахиметра и бутылочного батометра. Батометр-тахиметр состоит из гибкого резинового баллона объемом около 900 см 3; в него вставлена трубочка диаметром б мм. Батометр-тахиметр закрепляют на штанге и опускают на разные глубины для взятия воды.

Полученную воду выливают в стакан и определяют ее температуру.

Батометр-тахиметр нетрудно сделать самому студенту. Для этого нужно купить небольшую резиновую камеру, на нее надеть и привязать резиновую трубочку диаметром б мм. Штангу можно заменить деревянным шестом, разделив его на сантиметры. Штангу с батометром-тахиметром нужно опускать вертикально в воду до определенной глубины, так чтобы отверстие батометра-тахиметра было направлено по течению. Опустив на определённую глубину, штангу необходимо повернуть на 180 и держать примерно 100 секунд для того чтобы набрать воды после чего опять повернуть штангу на 180°. сток вода режим река

Вынимать ее следует так, чтобы из батометра вода не вылилась. Перелив воду в стакан, определяют термометром температуру воды на данной глубине.

Полезно одновременно измерить термометром-пращом температуру воздуха и сравнить её с температурой речной воды, записав обязательно время наблюдения. Иногда разность температуры достигает нескольких градусов. Например, в 13 часов температура воздуха 20, температура воды в реке 18°.

Исследование на определенных участках на определенных характера русла реки. При исследовании участках характера русла реки необходимо:

a) отметить главнейшие плесы и перекаты, определить их глубины;

b) при обнаружении порогов и водопадов определить высоту падения;

c) зарисовать и по возможности измерить острова, отмели, осередки, побочные протоки;

d) собрать сведения, в каких местах река размывает и на местах, особенно сильно размываемых, определить характер размываемых пород;

e) изучить характер дельты, если исследуется приустьевой участок реки, и нанести ее на глазомерный план; посмотреть, соответствуют ли отдельные рукава изображенным на карте.

Общая характеристика реки и ее и с пользование. При общей характеристике реки нужно выяснить:

a) в какой части река является главным образом эродирующей и в какой аккумулирующей;

b) степень меандрирования.

Для определения степени меандрирования нужно узнать коэффициент извилистости, т.е. отношение длины реки на изучаемом участке к кратчайшему расстоянию между определенными пунктами исследуемой части реки; например, река А имеет длину 502 км, а кратчайшее расстояние между истоком и устьем всего 233 км, следовательно, коэффициент извилистости:

К - коэффициент извилистости, L - длина реки, 1 - кратчайшее расстояние между истоком и устьем

Изучение меандров имеет большое значение для лесосплава и судоходства;

c) Не отжимания реки конусы выноса, образуемые в устьях притоков реки или производят временные потоки.

Узнать, как используется река для судоходства и сплава леса; если рука несудоходная, то выяснить почему, служит препятствием (мелководная, порожистая, есть ли водопады), есть ли на реке плотины и другие искусственные сооружения; не используется ли река для полива; какие преобразования нужно сделать для использования реки в народном хозяйстве.

Определение питания реки. Нужно выяснить виды питания реки: грунтовое, дождевое, от таяния снега озерное или болотное. Например, р. Клязьма имеет питание, грунтовое, снеговое и дождевое, из них грунтовое питание составляет 19 %, снеговое - 55 % и дождевое - 26 %.

Река изображена на рисунке 2.

м 3

Вывод: В ходе данного практического занятия, в результате расчетов были получены следующие значения, характеризующие сток реки:

Модуль стока?= 177239 л/с*км 2

Коэффициент стока б=34,5 %.

2.13. При определении расчетных гидрологических характеристик годового стока воды рек надлежит выполнять требования,изложенные в пп. 2.1 - 2.12.

2.14. Для определения внутригодового распределения стока воды при наличии данных гидрометрических наблюдений за период не менее 15 лет принимаются следующие методы:

распределение стока по данным рек-аналогов;

метод компоновки сезонов.

2.15. Внутригодовое распределение стока следует рассчитывать по водохозяйственным годам,начиная с многоводного сезона. Границы сезонов назначаются едиными для всех лет с округлением до месяца.

2.16. Деление года на периоды и сезоны производится в зависимости от типа режима реки и преобладающего вида использования стока. Продолжительность многоводного периода следует назначать так,чтобы в принятые его границы включалось половодье за все годы. Период года и сезон,в котором естественный сток может лимитировать водопотреб­ление,принимаются за лимитирующий период и лимитирующий сезон. В лимитирующий период входят два смежных сезона,из которых один является наиболее неблагоприятным в отношении использования стока (лимитирующий сезон).

Для рек с весенним половодьем за лимитирующий период прини­маются два маловодных сезона:лето - осень и зима. При преобладании водопотребления на сельскохозяйственные нужды за лимитирующий сезон следует принимать лето - осень,а для гидроэнергетики и в целях водоснабжения - зиму.

2.17. Для высокогорных рек с летним половодьем при преимущест­венно ирригационном использовании стока за лимитирующий период принимается осень - зима и весна,а за лимитирующий сезон - весна.

При проектировании отвода избыточных вод для борьбы с навод­нениями или при осушении болот и заболоченных земель за лимити­рующий период принимается многоводная часть года (например,весна и лето - осень),а за лимитирующий сезон - самый многоводный сезон (например,весна).

Расчетная вероятность превышения величины стока за год,за лимитирующие сезон и период определяется по кривым распределения ежегодных вероятностей превышения (эмпирическим или аналити­ческим).

2.18. Внутригодовое распределение стока за конкретный год наблюдений принимается в качестве расчетного,если вероятность превышения стока за этот год и за лимитирующие период и сезон близки между собой и соответствуют заданной по условиям проектирования ежегодной вероятности превышения.

2.19. Внутригодовое распределение стока при расчете по методу компоновки определяется из условий равенства вероятностей превы­шения стока за год,стока за лимитирующий период и внутри его за лимитирующий сезон.

Величину стока сезона,не входящего в лимитирующий период,определяются по разности между стоком за год и стоком за этот период,а величины стока за нелимитирующий сезон,входящий в лимитирующий период,- по разности стока этого периода и сезона.

2.20. При близких значениях коэффициентов вариации и асимметрии речного стока за год и лимитирующие период и сезон расчетное внутригодовое распределение определяется как среднее для всех лет распределение стока воды по месяцам (декадам) в процентах от годового стока воды исследуемой реки.

2.21. При незначительном изменении водопотребления в течение года допускается замена календарного распределения стока воды по сезонам и месяцам кривой продолжительности суточных расходов воды за год.

2.22. При изменении стока воды под влиянием хозяйственной деятельности необходимо привести его к естественному стоку воды реки согласно требованиям п. 1.6. По этим данным определяется расчетное внутригодовое распределение стока воды реки и в результаты расчетов вносятся соответствующие изменения.