Для определения расхода воды в реке нужно еще определить среднюю скорость течения реки . Это можно сделать различными способами:

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

• сток реки,
• модуль стока
• коэффициент стока.

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

Модулем стока называют выраженное в литрах количество воды, стекающее в среднем в 1 секунду с площади бассейна реки в 1 км2:

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

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

Для определения годового стока воды исследуемой реки нужно расход воды умножить на число секунд в году, т. е. на 31,5-106 сек.

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. планиметрирование,
2. разбивку на элементарные фигуры и вычисление их площадей;
3. измерение площади посредством палетки;
4. вычисление площадей по геодезическим таблицам.

Мы считаем, что учащимся легче всего будет использовать третий способ и производить измерение площади посредством палетки, т. е. прозрачной бумаги (кальки) с нанесенными на нее квадратиками (если нет кальки, то можно промаслить бумагу).

Имея карту исследуемого района в определенном масштабе, нужно изготовить палетку с квадратиками, соответствующими масштабу карты. Предварительно следует оконтурить бассейн данной реки выше определенного створа, а затем наложить на карту 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.

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

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, если осадков на данной площади выпало за год 600 мм, то толщина будет равна 0,0006 км и коэффициент стока будет равен

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

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%.

Эти данные в процентах школьник сам вычислить не сможет, их придется взять из литературных источников.

Определение режима стока реки

Для характеристики режима стока реки нужно установить:

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

б) время половодья, если оно бывает;

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

г) 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 см3; в него вставлена трубочка диаметром 6 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 школьнику. Для этого нужно купить небольшую резиновую камеру, на нее надеть и привязать резиновую трубочку диаметром 6 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 определенную глубину, штангу необходимо повернуть на 180° и держать примерно 100 секунд, для то­го чтобы набрать воды, после чего опять повернуть штангу на 180°. Вынимать ее следует так, чтобы из батометра вода не вылилась. Перелив воду в стакан, определяют термометром температуру воды на данной глубине.

В результате турбулентности движения воды в реке температура придонного и поверхностного слоя почти одна и та же. Например, придонная температура воды 20,5°, а на поверхности 21,5°.

Полезно одновременно измерить термометром-пращом температуру воздуха и сравнить ее 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 характера русла реки

При исследовании на определенных участках характера русла реки необходимо:

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

б) при обнаруживании порогов и водопадов определить высоту падения;

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

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

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

Ознакомление с внешним видом русла реки

При изучении внешнего вида русла реки следует дать его описание и сделать зарисовки разных участков русла, лучше всего возвышенных мест.

Общая характеристика реки и ее и с пользование

При общей характеристике реки нужно выяснить:

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

б) 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

где К - коэффициент извилистости, L - длина реки, l - кратчайшее расстояние между истоком и устьем, а потому

Водный режим рек характеризуется совокупным изменением во времени уровней и объемов воды в реке. Уровень воды (Н ) – высота водной поверхности реки относительно постоянной нулевой отметки (ординара или нуля графика водомерного поста). Среди колебаний уровней воды в реке выявляются многолетние, обусловленные вековыми изменениями климата, и периодические: сезонные и суточные. В годовом цикле водного режима рек выделяют несколько характерных периодов, называемых фазами водного режима. У разных рек они различные и зависят от климатических условий и соотношения источников питания: дождевого, снегового, подземного и ледникового. Например, у рек умеренно-континентального климата (Волги, Оби и др.) выделяются следующие четыре фазы: весеннее половодье, летняя межень, осенний подъем воды, зимняя межень. Половодье – ежегодно повторяющееся в один и тот же сезон длительное увеличение водности реки, вызывающее подъем уровня. В умеренных широтах оно наступает весной за счет интенсивного снеготаяния.

Межень – период длительных низких уровней и расходов воды в реке при преобладании подземного питании («маловодье»). Летний межень обусловлена интенсивным испарением и просачиванием воды в грунт, несмотря на наибольшее количество осадков в это время. Зимняя межень – результат отсутствия поверхностного питания, реки существуют лишь за счет подземных вод.

Паводки – кратковременные непериодические подъемы уровни воды и увеличение объемов воды в реке. В отличие от половодий они случаются во все сезоны года: в теплое полугодие они вызваны сильными или продолжительными дождями, зимой – таянием снега во время оттепелей, в устьях некоторых рек – за счет нагона воды из морей, куда они впадают. В умеренных широтах осенний подъем воды в реках называют иногда паводочным периодом; он связан с уменьшением температуры и сокращением испарения, а не с увеличением осадков – их меньше, чем летом, хотя осенью чаще бывает пасмурная дождливая погода. Осенние паводки па реке Неве в Санкт-Петербурге вызваны прежде всего нагоном воды из Финского залива западными ветрами; максимально высокое наводнение 410 см произошло в Санкт-Петербурге в 1824 г. Паводки обычно бывают кратковременными, подъем уровня воды ниже, а объем воды меньше, чем во время половодья.

Одной из важнейших гидрологических характеристик рек является речной сток, образующийся за счет поступления поверхностных и подземных вод с водосборной площади. Для количественной оценки стока рек применяется ряд показателей. Основным из них является расход воды в реке – количество воды, которое проходит через живое сечение реки за 1 секунду. Он вычисляется по формуле Q =v *ω, где Q – расход воды в м 3 /c, v – средняя скорость реки в м/с. ω – площадь живого сечения в м 2 . По данным ежедневных расходов строится календарный (хронологический) график колебаний расходов воды, называемый гидрографом.

Модификацией расхода является объем стока (W в м 3 или км 3) – количество воды, протекающее через живое сечение реки за длительный срок (месяц, сезон, чаще всего год): W=Q*T, где Т – период времени. Объем cтока от года к году меняется, средняя многолетняя величина стока называется нормой стока. Например, годовая норма стока Амазонки около 6930 км 3 , что составляет около >5% общего годового стока всех рек земного шара, Волги – 255 км 3 . Годовой объем стока подсчитывается не за календарный, а за гидрологический год, в пределах которого завершается полный годовой гидрологический йикл круговорота воды. В регионах с холодными снежными зимами за начало гидрологического года принимается 1 ноября или 1 октября.

Модуль стока (М, л/с км 2) – количество воды в литрах, стекающее с 1 км 2 площади бассейна (F) в секунду:

(10 3 – множитель для перевода м 3 в литры).

Модуль стока рек позволяет узнать степень водонасыщенности территории бассейна. Он зонален. Наибольший модуль стока у Амазонки – 30 641 л/с км 2 ; у Волги он равен 5670 л/с км 2 , а у Нила – 1010 л/с км 2 .

Слой стока (Y ) – слой воды (в мм), равномерно распределенный по площади водосборного бассейна (F ) и стекающий с него за определенное время (годовой слой стока).

Коэффициент стока (К ) – отношение объема стока воды в реке (W ) к количеству атмосферных осадков (х ), выпадавших на площадь бассейна (F ) за одно и то же время, или отношение слоя стока (Y ) к слою атмосферных осадков (х ), выпавших на эту же площадь (F ) за тот же промежуток времени (величина безмерная или выраженная в %):

K=W/(x*F)* 100%, или K=Y/x *100%.

Средний коэффициент стока всех рек Земли составляет 34%. т. е. только одна треть осадков, выпадающих на сушу, стекает в реки. Коэффициент стока зонален и изменяется от 75-65% в зонах тундр и тайги до 6-4% в полупустынях и пустынях. Например, у Невы он равен 65%, а у Нила – 4%.

С водным режимом рек связано понятие зарегулированности стока: чем меньше годовая амплитуда расходов воды в реке и уровней воды в ней, тем больше зарегулирован сток.

Реки являются наиболее мобильной частью гидросферы. Их сток представляет собой интегральную характеристику водного баланса территории суши.

На величину стока рек и его распределение в течение года влияет комплекс природных факторов и хозяйственная деятельность человека. Среди природных условий основным является климат, особенно осадки и испарение. При обильных осадках сток рек большой, но надо учитывать их вид и характер выпадения. Например, снег даст больший сток, чем дождь, поскольку зимой меньше испарение. Ливневые осадки увеличивают сток по сравнению с обложными при одинаковом их количестве. Испарение , особенно интенсивное, уменьшает сток. Помимо высокой температуры, ему способствуют ветер и дефицит влажности воздуха. Справедливо высказывание русского климатолога А. И. Воейкова: «Реки – продукт климата».

Почвогрунты влияют на сток через инфильтрацию и структуру. Глина увеличивает поверхностный сток, песок его сокращает, но увеличивает подземный сток, являясь регулятором влаги. Прочная зернистая структура почв (например, у черноземов) способствует проникновению воды вглубь, а на бесструктурных распыленных суглинистых почвах часто образуется корка, которая увеличивает поверхностный сток.

Весьма важно геологическое строение речного бассейна, особенно вещественный состав пород и характер их залегания, поскольку они определяют подземное питание рек. Водопроницаемые породы (мощные пески, трещиноватые породы) служат аккумуляторами влаги. Сток рек в таких случаях больше, так как меньшая доля осадков затрачивается на испарение. Своеобразен сток в карстовых областях: рек там почти нет, так как осадки поглощаются воронками и трещинами, но на контакте их с глинами или глинистыми сланцами наблюдаются мощные родники, питающие реки. Например, закарстованная Крымская яйла сама по себе сухая, но у подножия гор бьют мощные родники.

Влияние рельефа (абсолютной высоты и уклонов поверхности, густоты и глубины расчленения) велико и разнообразно. Сток горных рек обычно больше, чем равнинных, так как в горах на наветренных склонах обильнее осадки, меньше испарение из-за более низкой температуры, за счет больших уклонов поверхности короче путь и время добегания выпавших осадков до реки. Из-за глубокого эрозионного вреза обильнее подземное питание сразу из нескольких водоносных горизонтов.

Влияние растительности – разных типов лесов, лугов, посевов и т. д. – неоднозначно. В целом растительность регулирует сток. Например, лес, с одной стороны, усиливает транспирацию, задерживает осадки кронами деревьев (особенно хвойные леса снег зимой), с другой стороны, над лесом обычно выпадает больше осадков, под пологом деревьев ниже температура и меньше испарение, дольше снеготаяние, лучше просачивание осадков в лесную подстилку. Выявить влияние разных типов растительности в чистом виде весьма трудно ввиду совместного компенсирующего действия разных факторов, особенно в пределах крупных речных бассейнов.

Влияние озер однозначно: они уменьшают сток рек, поскольку с водной поверхности больше испарение. Однако озера, как и болота , являются мощными естественными регуляторами стока.

Влияние хозяйственной деятельности на сток весьма значительно. Причем человек воздействует как непосредственно па сток (его величину и распределение в году, особенно при постройке водохранилищ), так и на условия его формирования. При создании водохранилищ меняется режим реки: в период избытка вод происходит накопление их в водохранилищах, в период недостатка – использование на различные нужды, так что сток рек оказывается зарегулированным. Кроме того, сток таких рек в общем сокращается, ибо увеличивается испарение с водной поверхности, значительная часть воды расходуется на водоснабжение, орошение, обводнение, уменьшается подземное питание. Но эти неизбежные издержки с избытком перекрываются пользой от водохранилищ.

При переброске вод из одной речной системы в другую сток видоизменяется: в одной реке уменьшается, в другой – увеличивается. Например, при постройке канала имени Москвы (1937) в Волге он сократился, в реке Москве возрос. Другие транспортные каналы для переброски воды обычно не используются, например Волго-Балтийский, Беломорско-Балтийский, многочисленные каналы Западной Европы, Китая и др.

Большое значение для регулирования речного стока имеют мероприятия, выполняемые в бассейне реки, ибо его начальным звеном является склоновый сток на водосборе. Основные проводимые мероприятия следующие. Агролесомелиоративные – лесопосадки, гидромелиоративные – плотины и пруды в балках и на ручьях, агрономические – осенняя вспашка, снегонакопление и снегозадержание, пахота поперек склона или поконтурная на холмах и увалах, залужение склонов и др.

Помимо внутригодовой изменчивости стока, происходят его многолетние колебания, связанные, по-видимому, с 11-летними циклами солнечной активности. На большинстве рек отчетливо прослеживаются многоводные и маловодные периоды родолжительностью около 7 лет: в течение 7 лет водоносность реки превышает средние значения, половодья и межень высокие, столько же лет водоносность реки меньше среднегодовых значений, расходы воды во все фазы водного режима малы.

Литература.

1. Любушкина С.Г. Общее землеведение: Учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по спец. "География" / С.Г. Любушкина, К.В. Пашканг, А.В. Чернов; Под ред. А.В. Чернова. - М. : Просвещение, 2004. - 288 с.

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.

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 %.

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).