Гидрологические расчеты, факторы, влияющие на речной сток, речной бассейн, гидрографы стока, норма стока
 Скачать 1.92 Mb.
|
|
Зимний режим рек. Когда температура воздуха опускается ниже нуля, начинается переохлаждение поверхностных слоев воды и появляется так называемое сало — иглообразные и пластинчатые кристаллы льда (поверхность воды покрывается радужными, как бы масляными, пятнами). Одновременно у берегов, где глубины и скорости течения малы, возникают забереги— полосы льда, смерзшиеся с берегами реки при незамерзшей основной части водного пространства. При обильном выпадении снега образуется снежура— плывущие комковатые скопления в виде рыхлой не смерзающейся массы. На многих реках с быстрым течением перед началом ледостава в водной толще и на дне русла при переохлажеднии воды до сотых долей градуса ниже нуля формируется внутриводный лед. При хорошем турбулентном перемешивании первичные ледяные кристаллы соприкасаются с выступами дна, быстро растут, превращаясь в рыхлый донный лед. Всплывший на поверхность комковатый внутриводный и донный лед, снежура, сало, мелкобитый лед формируют шугу.   Рис. 4.5. Основные типы внутригодового стока рек Плывущие по реке льдины из обломков заберегов и шуги образуют осенний ледоход. Малые реки замерзают раньше больших путем срастания заберегов; ледяной покров гладкий, толщина льда у берегов больше, чем на середине реки. На больших реках во время осеннего ледохода возникают заторы, образуются перемычки, которые постепенно удлиняются, пока вся река не покроется льдом. Величины, характеризующие сток, их единицы.  Сток — это движение воды по поверхности, а также в толще почв и горных пород в процессе ее круговорота в природе. При расчетах под стоком понимается количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо период времени. Это количество воды может быть выражено в виде расхода, объема, модуля или слоя.Объем стока W — количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо период времени (сутки, месяц, год и т. д.),— определяется по формуле:  где W, м3 или км3; Q — средний расход воды за расчетный период времени, м3/с; Т — число секунд в расчетном периоде времени. Модуль стока М, л/(с-км2) или q, м3/(с-км2) — количество воды, стекающей с единицы площади водосбора в единицу времени — определяется по формуле:  где А — площадь водосбора, км2. Слой стока у или h мм — количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо период времени, равное толщине слоя, равномерно распределенного по площади этого водосбора — определяется по формуле:  Если в выражение (4.6) подставить число секунд в миллионах, то его можно записать в следующем виде:  где  — средний модуль стока за T1 миллионов секунд. Тогда слой годового стока уг будет равен: где г — средний модуль годового стока; 31,5 — число миллионов секунд в среднем году.Среднее многолетнее значение стока называется нормой стока:   где  ,  ,  ,  — нормы стока, выраженные через расход, объем, слой и модуль стока;  ;  ,  ,  — суммы расходов, объемов, слоев и модулей стока за конкретные годы в многолетнем периоде; n — количество лет в многолетнем периоде.К безразмерным характеристикам относятся модульный коэффициент и коэффициент стока. Модульный коэффициент К представляет собой отношение стока за какой-либо конкретный год к норме стока:  Коэффициент стока а — отношение объема или слоя стока к количеству выпавших на площадь водосбора осадков х, обусловивших возникновение стока:  Коэффициент стока показывает, какая часть осадков идет на образование стока. Водный баланс речного бассейна. Cоотношение прихода и расхода воды с учетом изменения ее запасов за выбранный интервал времени для рассматриваемого речного водосбора называется воднымбалансом. Приходную часть составляют осадки выпадающие на поверхность водосбора, и конденсация влаги: х+С‚ мм; расходную часть—испарение с суши, поверхностный и подземный сток (в слое стока): Е+h мм. Конденсация паров С обычно невелика; кроме того, она учитывается при подсчете Е. Поэтому из расчетов может быть исключена. Тогда уравнение водного баланса можно записать в виде:  ,где  —изменение запасов воды на поверхности (озерах, болотах, снежном покрове, временных водоемах) и в толще водосбора (почвенных и грунтовых водах). В многоводные годы с плюсом (воды накапливаются), в засушливые — с минусом (расходуются, стекают в реки). За многолетний период изменением запасов воды в речном бассейне можно пренебречь и уравнение водного баланса принимает вид:  , где  —нормы осадков, испарения и стока, мм.Иногда встречаются речные бассейны, у которых поверхностный и подземный водоразделы не совпадают (рис. 4.6) и происходит переток подземных вод из одного бассейна в другой.  Рисунок 4.6 - Несовпадение поверхностного и подземного водосборов. 1- поверхностный водосбор, 2 – подземный водосбор Уравнение водного баланса для таких бассейнов составляется с помощью специальных гидрогеологических исследований. Норма годового стока. Вычисление нормы годового стока при наличии длительных гидрометрических наблюдений. Норма годового стока - это среднее арифметическое значение годового стока за многолетний период такой продолжительности, при увеличении которой полученное среднее существенно не меняется. Пусть мы имеем  — многолетний ряд за n лет среднегодовых расходов воды какой-либо реки у какого-либо пункта. Норма годового стока равна среднему арифметическому: если: — в течение всего периода не изменялись физико-географические и хозяйственные условия в бассейне реки; — период наблюдений включает два или более полных циклов водности.  В колебаниях годового стока, как и в колебаниях годовых осадков, прослеживается цикличность, т. е. последовательная смена многовидных и маловодных фаз, причинами которых являются циклические изменения климата.Цикл - это сочетание многоводной и маловодной фаз и лет средней водности; длительность циклов неодинакова, а среднее значение стока за цикл близко к норме. Если в период наблюдений входит целый цикл и еще, например, многоводная фаза, то среднее арифметическое значение будет завышено по сравнению с истинной нормой стока, а если маловодная – то занижено. Поэтому в период для определения нормы стока включают полные законченные циклы, а отдельные фазы исключают. Репрезентативность (представительность) ряда (при n ˃ 50 лет) наблюдений определяется по разностным интегральным кривым (рис. 4.7) .  Рисунок 4.7 - Разностная интегральная кривая р. Клязьмы у г. Владимира: 1 – маловодная фаза,2 – многоводная фаза Период времени‚ в котором разностная интегральная кривая идет вверх (хотя бы имеет общую тенденцию), а  - положительная величина, соответствует многоводной фазе; период, в котором кривая наклонена вниз, а - отрицательная, соответствует маловодной фазе. Начало и конец циклов удобно определять по переломам кривой.Если период наблюдений нерепрезентативен или если относительная средняя ошибка больше 10 %, необходимо удлинить ряд наблюдений.  Принедостаточности ряда наблюдений для его удлинения используют метод гидрологической аналогии. Для изучаемого бассейна подбирают бассейн-аналог, имеющий длительный период наблюдений, а физико-географические условия близки к изучаемому. При выборе бассейнов-аналогов учитывают: — возможную географическую близость расположения водосборов (например, бассейн той же реки, но у другого створа); — сходство климатических условий; — однородность условий формирования стока, однотипность почв (грунтов) и гидрогеологических условий, по возможности близкую степень озерности, залесенности, заболоченности и распаханности; — площади водосборов должны различаться не более чем в 10 раз, а их средние высоты (для горных рек) - не более чем на 300 м; — отсутствие факторов, искажающих естественный сток (строительство плотин, сбросы, изъятие воды на орошение и другие нужды). За годы одновременных наблюдений (не менее 10 лет) строят график связи (рис. 4.8). Для этого на координатную сетку наносят значения годового стока обоих бассейнов за годы совместных наблюдений. По этим точкам проводят линию, удовлетворяющую равномерному расположению точек по обе ее стороны. Более точными являются так называемые корреляционные связи. Они выражаются в форме корреляционных уравнений или уравнений регрессии. Для рассматриваемого случая корреляционное уравнение имеет вид:  где  и  — среднегодовые модули стока изучаемого бассейна и бассейна-аналога за і-тый год одновременных наблюдений;  и  – средние модули среднегодового стока изучаемого бассейна и бассейна-аналога за годы одновременных наблюдений; R – коэффициент корреляции между стоком двух бассейнов, определяется по формуле: где  – средние квадратические отклонения по изучаемому бассейну и бассейну-аналогу, определяемые по формулам:    Рисунок 4.8 - Связь среднегодовых модулей стока р. Нерль у п. Кибергино (изучаемый бассейн) и бассейна-аналога р. Клязьмы у п. Павловский Посад Коэффициент корреляции вычисляется, если число лет одновременных наблюдений nне менее 10; связь между стоком двух бассейнов считается достаточно тесной, если  .Выражение  называется коэффициентомрегрессии и численно равно углу наклона прямой регрессии к оси ординат.По уравнению можно непосредственно определить норму годового стока:  где  —норма стока бассейна-аналога.Когда ряд наблюдений в исследуемом бассейне менее 10 лет, норму стока можно определить по приближенной формуле:   где  — средний расход воды в изучаемом створе за этот короткий ряд,  — средний расход воды за этот же короткий ряд в створе бассейна-аналога:  — норма стока бассейна-аналога.Приотсутствииданныхнаблюдений норму стока определяют по карте изолиний среднего многолетнего стока или по аналогии со смежными бассейнами. Карту применяют для рек с площадью бассейна меньше 50 000  Если водосбор пересекается несколькими изолиниями, находят средневзвешенное значение  .Зная , расход  ( ) подсчитывают по выражению: где А – площадь водосбора,  .При определении нормы стока по данным рек-аналогов учитывают влияние местных факторов. Изменчивость годового стока. Рассматривая ряд среднегодовых расходов за n лет какой-либо реки у какого-то пункта , замечаем колебания стока от года к году. Мерой изменчивости (рассеяния) значений исследуемого ряда служит среднееквадратическоеотклонение. Отклонение каждого члена ряда от среднего составляет  Cумма всех отклонений равна нулю, а среднее отклонение тоже равно нулю. Поэтому для характеристики изменчивости ряда используют среднее квадратическое отклонение (вторая степень как отрицательных, так и положительных отклонении всегда положительна), значение которого определяется по формуле:  Или  Для возможности сравнения отдельных рядов вычисляют коэффициент изменчивости (вариации):   Если годовой сток выразить в модульных коэффициентах  , то: а для периода лет n ˂ 30 более точные выражения:   Коэффициент изменчивости  показывает размах колебаний погодичных значений годового стока за весь период наблюдений относительно нормы стока.С помощью коэффициента можно определить относительную (в процентах) среднюю квадратическую ошибку нормы стока: Согласно СП 33-101-2003 «Определение основных расчетных гидрологических характеристик» относительная средняя квадратическая ошибка не должна превышать ± 10 % . Согласно формуле (4.28), число лет‚ необходимое для вычисления нормы:   Практические задания к теме 4.1 «Гидрологические расчеты, |