ОБЩАЯ ГИДРОЛОГИЯ. Общая гидрология
 Скачать 48.33 Kb.
|
|
ОБЩАЯ ГИДРОЛОГИЯ Гидрология – наука о воде. Предметами гидрологии выделяют три группы водных объектов – водотоки, водоемы и особые водные объекты. Задачами гидрологии является изучение гидросферы, ее свойства и протекающие в ней процессы и явления во взаимосвязи с атмосферой, литосферой и биосферой. Она делится на гидрологию океана и гидрологию суши, рассматривающую поверхностные воды. Выделяется также гидрология подземных вод. Гидрологию океана называют океанологией, сохраняя термин «гидрология» за гидрологией суши. К объектам исследования гидрологии относятся водные объекты на земной поверхности с поступательным движением воды в руслах в направлении уклона (реки, ручьи, каналы). Водоемы – это водные объекты в понижениях земной поверхности с замедленным движением вод (океаны, моря, озера, водохранилища, пруды, болота). Группу водных объектов, не укладывающихся в понятие водотоков и водоемов, составляют особые водные объекты – ледники и подземные воды (водоносные горизонты и артезианские бассейны). К основным разделам гидрологии относят:1) Гидрометрия рассматривает методы наблюдений за режимом водных объектов, применяемые при этом устройства и приборы, а также способы обработки результатов наблюдений. 2)Гидрография в задачи гидрографии суши входит рассмотрение закономерностей географического распространения поверхностных вод, описание конкретных водных объектов, их режима и хозяйственного значения, а также установление их взаимосвязи с географическими условиями территории. 3)Гидрологические расчеты и прогнозы, называемые инженерной гидрологией, занимаются разработкой методов расчета и прогноза различных гидрологических характеристик, необходимых для использования или изменения естественного режима водных объектов и для проектирования на них гидротехнических сооружений. Кроме общих разделов выделяют специальные разделы, которые развились в самостоятельные дисциплины: физика природных вод (или гидрофизика); химия природных вод (или гидрохимия); биология природных вод (или гидробиология). Уравнения водного баланса как для земного шара в целом, так и для его отдельных частей справедливы при условии, что в современный геологический период средние годовые объемы воды, участвующие в круговороте на земном шаре, постоянны и элементы водных балансов различных частей земли находятся в равновесном состоянии, т.е. приходные составляющие водного баланса равны их расходным составляющим. Уравнения водного баланса отдельных частей земного шара будут иметь вид: Для Мирового океана Ео = хо + у Для периферийных частей суши Епс = хпс – у Для замкнутой части суши Езс = хзс Для суши в целом Ес = хс – у Из этих уравнений получаем уравнение водного баланса в целом для земного шара: Езш= хзш Водосбор-это площадь земной поверхности, которая имеет свою область питания. Представляет собой часть земной поверхности и толщу почв и горных пород, откуда вода поступает к водному объекту. Бассейн любого водного объекта состоит из поверхностного и подземного водосборов. Водосборы водных объектов отделяются друг от друга водоразделами – линиями, проходящими по наивысшим точкам земной поверхности, расположенной между ними. В горных и всхолмленных равнинных районах водоразделы обычно хорошо выражены и проходят по линии пересечения двух смежных склонов горных хребтов или возвышенностей. Физико-географические характеристики водосбора оказывают большое влияние на процесс формирования стока. Выделяют несколько характеристик: Географическое положение- определяется широтой и долготой крайних точек водосбора. Геологическое строение- водно-физические свойства различных почв и грунтов оказывают большое влияние на потери осадков при их просачивании. Рельеф- влияние на его климатические условия, включая температуру воздуха, количество и распределение атмосферных осадков и испарения. Климатические условия- наибольшее влияние на режим водоемов оказывают атмосферные осадки и испарение с поверхности водосбора. Растительный покров- лесистость водосбора, так как она увеличивает количество атмосферных осадков. Почвенный покров- определяет интенсивность просачивания атмосферных осадков. К основным морфометрическим характеристикам водосбора относят площадь, гипсографическую кривую, среднюю высоту и уклон, коэффициенты лесистости, заболоченности и озерности. Обычно они определяются по крупномасштабным картам. Водотоки- дождевые и талые воды, стекающие по углублениям земной поверхности в направлении уклона. К водотокам относят (реки, ручьи, каналы). Место, с которого появляется постоянное течение воды в русле, называется истоком. Место непосредственного впадения реки в приемный водоем (океан, море, озеро) или другую реку называется устьем. Гидрографическая сеть- Совокупность водотоков и водоемов в пределах какой-либо территории. Речная сеть- представляет собой часть русловой сети, состоящей из отчетливо выраженных русел постоянных водотоков. Русловая сеть- является частью гидрографической сети и представляет собой совокупность русел всех водотоков в пределах водосбора или другой рассматриваемой территории. Морфометрические характеристики реки: относятся длина реки, коэффициент извилистости и густота речной сети. Длиной реки называется расстояние по реке от устья до истока.Извилистость характеризуется коэффициентом извилистости реки, являющимся отношением длины реки к длине прямой линии, соединяющей исток и устье, при относительно постоянном направлении течения. Густота речной сети определяет условия стока атмосферных осадков, питания грунтовыми водами и представляет собой длину речной сети, приходящуюся на 1 км2 площади. Долина реки. Речными долинами называются узкие, вытянутые, большей частью извилистые полые формы рельефа, имеющие общий уклон от верховьев к низовьям. Основными элементами долины:Дно, или ложе, - самая низкая часть долины. Повышенные участки суши, ограничивающие с боков дно долины, называются склонами. Места сопряжения дна долины со склонами имеют более или менее заметный излом в поперечном профиле и называются подошвой склонов. Полоса сопряжения склонов долины с прилегающей местностью называется бровкой долины. У зрелых долин имеются относительно горизонтальные площадки, располагающиеся уступами по высоте в пределах дна и склонов долины, называемые террасами. Терраса, расположенная в пределах дна долины и периодически заливаемая речными водами во время половодий и паводков, называется поймой. Часть дна долины, занятая водами реки, называется руслом. Линия, соединяющая самые глубокие точки дна речной долины, называется тальвегом, который обычно совпадает с линией фарватера (линией, соединяющей наибольшие глубины) речного русла. Линия сечения дна долины вертикальной плоскостью, проходящей через тальвег, называется продольным профилем долины. Типы речных долин: выделяют следующие основные типы долин: 1) щели – глубокие и узкие долины с отвесными, иногда нависшими склонами. Дно долины занято на всю ширину руслом реки; 2) каньоны – глубокие и узкие долины с крутыми или отвесными склонами, нередко уступами падающими книзу. Каньоны имеют сравнительно узкое дно на всю ширину занятое рекой; 3) ущелья – глубокие, большей частью скалистые долины с выпуклыми склонами, книзу приобретающими значительную крутизну. Дно их узкое, но, в отличие от щелей и каньонов, не полностью занято руслом реки; 4) корытообразные (трог) – широкие долины, имеющие в поперечном сечении U-образную форму или форму корыта с крутыми склонами и с широким пологовогнутым дном. Переход от крутых склонов к пологовогнутому дну совершается плавно. Они создаются в эрозионных долинах вследствие действия ледника на их ложе и склоны; 5) трапецевидные – широкие долины с прямыми или выпуклыми склонами. Разновидностью этого типа является ящикообразная долина с широким и плоским дном и крутыми склонами. Русло реки- выработанное углубление, по которому постоянно или периодически течет вода в направлении уклона. Продольный профиль реки- График, по вертикальной оси которого отложены урезы вод, а по горизонтальной - расстояния соответствующих точек от истока или устья. Продольные профили русел отдельных рек различаются в зависимости главным образом от уклона долины, свойств пород и грунтов, слагающих русло. По характеру распределения падений и уклонов по длине реки выделяют три основных типа продольных профилей рек (Прямолинейный профиль - равномерное распределение падений и уклонов. Сбросовый профиль-вид параболической кривой. Ступенчатый профиль-чередование участков с малым и сосредоточенным падением.) Урез воды - высота среднего меженного уровня ее в данной точке (принимаемая обычно за нулевую) над уровнем моря. На продольном профиле легко выделить участки с различными уклонами. Уклон реки - параметр, в значительной степени определяющий скорость течения. Реку в целом или большой ее участок можно характеризовать средним уклоном, но условия плавания на малых участках будут определяться, в числе прочих факторов, местными уклонами этих малых участков. Факторы формирования поверхностных вод суши. Режим вод суши формируется под влиянием сложного взаимодействия физико-географических факторов. Обычно их подразделяют на две группы: метеорологические и факторы подстилающей поверхности. К основным метеорологическим факторам в первую очередь следует отнести атмосферные осадки и испарение, а также температуру воздуха и почвы, а к факторам подстилающей поверхности – гидрогеологическое строение, рельеф, почвенный и растительный покров и морфометрические характеристики реки и ее бассейна. Атмосферные осадки. Атмосферные осадки являются одним из главных факторов формирования стока рек. Многие характеристики речного стока, например сток за год, за период весеннего половодья и дождевых паводков, зависят в основном от осадков, которые их формируют. Атмосферные осадки выпадают из облаков. Облака образуются в результате конденсации или сублимации водяного пара на некоторой высоте. Конденсация или сублимация водяного пара происходит в случае, когда упругость водяного пара достигает значения упругости насыщающего пара при данной температуре. Водяной пар достигает состояния насыщения обычно при уменьшении температуры, а так как в тропосфере температура с высотой уменьшается, то при поднятии воздушных масс происходит конденсация водяного пара. Атмосферные осадки выпадают на земную поверхность в жидком или твердом состоянии в виде дождя, снега, града и т.д. Количество атмосферных осадков и их распределение по сезонам года изменяется по территории в соответствии с изменением общих климатических условий. Однако на количество атмосферных осадков в пределах отдельных районов или речных водосборов существенное влияние оказывают их физико-географические условия. Испарение. Испарение является главным источником поступления водяного пара в атмосферу, в результате чего происходит круговорот воды на Земле. Оно является также основной составляющей водного баланса территорий речных бассейнов, морей, озер и других водных объектов. Испарение с поверхности воды определяется в основном метеорологическими факторами – дефицитом влажности воздуха и скоростью ветра. Дефицит влажности воздуха представляет собой разность между упругостью насыщения ео при температуре испаряющей поверхности и фактической упругостью водяного пара е над испаряющей поверхностью, т.е. d = eo–e. Если дефицит больше нуля, то происходит испарение, если меньше – конденсация (сублимация) водяного пара на испаряющую поверхность. Повышение температуры поверхности воды увеличивает упругость насыщения и при неизменной упругости водяного пара в воздухе приводит к увеличению дефицита влажности, а следовательно, и испарения. При температуре воды большей температуры воздуха над ней всегда происходит только испарение. Если температура поверхности воды ниже температуры воздуха, то в зависимости от упругости пара в воздухе может наблюдаться как испарение, так и конденсация. Подземные воды. Подземные воды верхней части земной коры находятся в жидком, твердом и газообразном состоянии. Они заполняют промежутки и поры обломочных горных пород, трещины в скальных породах, карстовые полости в растворимых породах. Подземные воды являются важным источником питания рек, особенно в меженные периоды. В зависимости от характера залегания, режима, условий движения и связи их с поверхностными водами, подземные воды обычно подразделяются на почвенные, почвенно-грунтовые, грунтовые и межпластовые воды, как безнапорные, так и напорные (артезианские). Почвенные воды представляют собой вид подземной воды, содержащейся в почвенной толще, гидравлически не связанной с нижележащими грунтовыми водами. В большинстве случаев они находятся в парообразном, гигроскопическом и пленочном состоянии. Почвенно-грунтовые воды – подземные воды водоносного пласта (горизонта), поверхность или капиллярная зона которого постоянно или периодически находится в почвенной толще. Грунтовые воды представляют собой вид безнапорных подземных вод первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, лежащего ниже почвенного слоя и имеющего свободную поверхность, давление на которую равно атмосферному. Межпластовые, или пластовые, воды представляют собой подземные воды, находящиеся в пластах горных пород, ограниченных двумя водоупорными слоями. Если межпластовые воды заполняют не всю толщу водоносного слоя и имеют свободную водную поверхность, то они не обладают напором и называются безнапорными. Если межпластовые воды полностью заполняют породу между двумя водоупорными слоями и находятся под гидростатическим давлением, они называются напорными межпластовыми, или артезианскими водами. В районах распространения многолетней мерзлоты подземные воды подразделяются на надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные. Надмерзлотные воды залегают на толще многолетней мерзлоты как на водоупоре. Межмерзлотные воды встречаются в жидкой и твердой фазе, но чаще в твердой фазе в виде пластов, линз, жил и т.д., обычно не подвержены сезонному промерзанию и оттаиванию. Подмерзлотные воды залегают ниже толщи многолетней мерзлоты в жидком состоянии и обычно обладают напором. Водный баланс водосборов. Метод водного баланса отражает общий закон сохранения материи и основан на следующем равенстве: для любого пространства, ограниченного некоторой произвольной поверхностью, разность между количеством воды, поступившей внутрь него (приходные составляющие - Е прих) и вышедшей наружу (расходные составляющие Ерасх), должна равняться увеличению или уменьшению ее количества внутри данного объема (u). Е прих - Ерасх = u (1) Это равенство справедливо для любого произвольно взятого объема, ограниченного замкнутой поверхностью, и любого промежутка времени. Чаще всего расчеты водных балансов производятся для речных бассейнов, озер и водохранилищ, но могут рассчитываться и для отдельных участков этих бассейнов. Кроме того, водные балансы могут быть составлены для континентов, океанов и морей, отдельных государств и их административных районов. Данные водных балансов природных объектов позволяют изучить характерные черты их составляющих, основные закономерности формирования стока рек в эти периоды, количественно оценить накопление или расходование запасов воды, их колебания и тенденцию внутривековых изменений. Большой интерес представляет выявление зависимости тех или иных элементов водного баланса и их соотношений от основных природных факторов: рельефа, геологических, климатических и почвенных условий, растительности и др. Важное научное и практическое значение метода водного баланса заключается в его использовании при количественной оценке изменений его составляющих под влиянием гидротехнических, водохозяйственных, сельскохозяйственных и других антропогенных мероприятий. В зависимости от изучаемого природного объекта и расчетного интервала времени уравнение водного баланса может включать различные элементы (составляющие). За любой промежуток времени уравнение водного баланса будет состоять из следующих элементов. Приходная часть: осадки х, выпавшие на рассматриваемую поверхность; количество влаги Е1, конденсирующейся в почве и на ее поверхности; количество воды y1 пов, поступившей на данную площадь поверхностными водотоками (русловой и склоновый сток); количество водыy1 подз, поступившей путем подземного притока. Расходная часть: испарение с поверхности рассматриваемого объема Е2; стекающие воды y2 пов поверхностными водотоками (русловой и склоновый сток; отток воды y2 подз подземным путем. Характеристики речного стока. В гидрологических исследованиях и расчетах главной характеристикой речного стока являются расходы воды. Расход воды – это количество воды, протекающей через поперечное сечение реки за единицу времени. Обычно расход воды выражаются в м3/с. Объем стока W – количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо интервал времени (сутки, месяц, год и т.д.), - определяется по формулеW =  ,выражается в м3 или км3. Модуль стока М – количество воды, стекающей с единицы площади водосбора в единицу времени, - определяется по формуле М = Q/F, Где F – площадь водосбора, км2. Модуль стока выражается в м3/(с·км2) или л/(с·км2). Слой стока h – количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо интервал времени, равное толщине слоя, равномерно распределенного по площади этого водосбора, - определяется по формуле h = W·10-3/F, слой стока выражается в мм. Норма годового стока. Нормой годового стока называется среднее его значение за многолетний период с неизменными ландшафтными географическими условиями и одним уровнем хозяйственной деятельности в бассейне реки. Длительность многолетнего периода, необходимого для определения нормы стока, должна быть такой, при которой дальнейшее увеличение ряда значений годового стока практически не меняет его значения. Приближенное значение нормы стока, наиболее близкое к действительному, может быть получено из ряда, включающего наибольшее число полных циклов колебаний водности реки. Норма годового стока имеет большое значение при практических расчетах речного стока и водохозяйственном проектировании, так как она определяет потенциальные водные ресурсы речного бассейна или района. Норма годового стока является устойчивой гидроклиматической характеристикой данного района, но нельзя считать ее неизменной. Если под влиянием изменения климатических условий или антропогенных факторов изменятся средние количества осадков и испарения, то изменится и норма годового стока. Норма стока является функцией нормы осадков и испарения, т.е. гидрометеорологических компонентов географического ландшафта, отражающих то соотношение тепла и влаги, которое свойственно данной географической зоне. Все остальные элементы ландшафта, или факторы подстилающей поверхности, влияют на норму стока не непосредственно, а через осадки и испарение. Влияние физико-географических факторов на норму речного стока. Как правило, изменение нормы стока под влиянием факторов подстилающей поверхности, к которым следует отнести рельеф, почвы, растительный покров, озерность, заболоченность и т.д. не превышает ± 10-25%. Влияние рельефа--Норма годового стока на возвышенностях, особенно в горных районах, увеличивается с повышением местности, что определяется изменением компонентов водного баланса. Почвы обладают неодинаковыми водно-физическими свойствами и, частности, разной водопроницаемостью. Влияние леса на норму стока может быть вызвано его воздействием на количество осадков и на испарение. Влияние озер, расположенных в пределах речного бассейна, выражается в уменьшении нормы годового стока вследствие повышенного испарения с водной поверхности. Влияние болот, также как и озер, проявляется в изменении испарения с поверхности водосбора. Водный режим рек. Водным режимом реки называется изменение во времени уровней и расходов воды в реках. В водном режиме выделяют внутригодовые изменения и многолетние колебания. Годовые циклы водного режима рек подразделяют на характерные фазы: половодье, летнюю и зимнюю межень, паводок, ледостав, ледоход. Летняя и зимняя межени разделены периодом дождевых паводков. Режим озер и болот также связан с условиями притока и расходования воды, но водообмен в них происходит замедленно и изменения уровня выражены менее резко. Питание реки (alimentation of river) — поступление (приток) воды в реку от источника питания. Питание может быть дождевое, снеговое, ледниковое, подземное (грунтовое), чаще всего смешанное, с преобладанием того или иного источника питания на отдельных отрезках реки и в разное время года. Термический и ледовый режим рек. Термический режим рек формируется в результате теплообмена водной массы с окружающей средой, который происходит по границе раздела воды с атмосферой и грунтами. Основными элементами теплового баланса рек являются суммарная солнечная радиация, встречное излучение атмосферы, потери тепла поверхностью воды путем длинноволнового излучения, турбулентный обмен тепла с атмосферой, тепло, затрачиваемое на испарение или выделяемое при конденсации. Ледовый режим рек представляет собой совокупность закономерно повторяющихся процессов возникновения, развития и разрушения ледяных образований на реке. В ледовом режиме рек можно выделить три фазы: замерзание – образование ледяного покрова, ледостав – наличие ледяного покрова и вскрытие – разрушение ледяного покрова. Формирование речных наносов. Речными наносами называются твердые частицы, образованные в результате эрозии водосборов и русел, переносимые водотоками и формирующие их ложе. Речные наносы образуются из продуктов выветривания и эрозии горных пород и почв. Водная эрозия – разрушение земной поверхности под действием текучих вод – представляет собой наиболее активный процесс, поставляющий основную часть наносов в реки. Водная эрозия подразделяется на склоновую и русловую. Склоновая эрозия – размыв и смыв почв и горных пород талыми и дождевыми водами, стекающими по склону. Русловая эрозия – размыв водными потоками, протекающими в руслах, пород дна и берегов русла и склонов долин. Озера. Озеро – естественный водоем суши с замедленным водообменом, при котором водная масса длительное время находится в котловине и значительная часть поступающих извне в процессе стока (аллохтонных) и образующихся в самих водоемах (автохтонных) взвешенных и влекомых наносов и растворенных веществ аккумулируется в них. Типы озерных котловин. По происхождению озерные котловины подразделяются на тектонические, вулканические, ледниковые, гидрогенные, просадочные. Тектонические котловины располагаются в крупных тектонических прогибах на равнинах, в местах крупных тектонических трещин, сбросов, грабенов. К ним относятся наиболее крупные и глубокие озера. Вулканическиекотловины расположены в кратерах потухших вулканов или среди лавовых полей. Ледниковые котловины связаны с деятельностью современных или древних ледников и бывают эрозионными или аккумулятивными. К первым относятся озера, возникшие в выпаханных ледниками котловинах. Вторые располагаются среди моренных отложений областей древнего оледенения. Гидрогенные котловины связаны с эрозионной и аккумулятивной деятельностью речных или морских вод. Просадочные котловины: карстовые котловины образуются в районах залегания известняков, доломитов, гипсов, в которых в результате химического воздействия подземных вод образуются пустоты и провалы; суффозионные котловины возникают в районах, где подземные воды вымывают из грунта некоторые цементирующие соли и мелкие частицы, вызывая просадки; термокарстовые котловины образуются в районах многолетней мерзлоты на участках протаивания ее и связанного с ним проседания грунта. Основные морфометрические характеристики озер. Длина – кратчайшее расстояние между двумя наиболее удаленными друг от друга точками береговой линии водоема, проведенное на его поверхности по средней линии, равноудаленной от берегов. Ширина: средняя – частное от деления площади зеркала озера на его длину; максимальная – наибольшее расстояние между берегами, перпендикулярное к длине. Длина береговой линии определяется по урезу воды. Извилистость (изрезанность, развитие) береговой линии – отношение длины береговой линии к длине окружности круга, имеющего площадь, равную площади озера. Площадьповерхности (зеркала). Зависимость площади от глубины выражается батиграфической кривой. Глубина: максимальная определяется по данным промеров; средняя - частное от деления объема озера на площадь его зеркала. Объем водной массы определяется графически и аналитически. Графически определяется по батиграфической кривой путем планиметрирования площади между кривой и осями координат и умножения ее на единицу площади в масштабе чертежа. Водный баланс и изменения уровня озер. По водному балансу водоемы делятся на сточные, каждый из которых дает начало водотоку, и бессточные, теряющие воду только путем испарения. Уравнение водного баланса сточного озера имеет вид: x + yпр + угр + К – уст – уф – Е = ± ΔV + н, где x – атмосферные осадки на зеркало; yпр– поверхностный приток в озеро; угр– подземный приток в озеро; К – конденсация водяных паров на зеркало; уст – поверхностный сток из озера; уф – подземный сток (фильтрация) из озера; Е – испарение с водной поверхностью;ΔV– изменение объема воды в озере за расчетный период;н – невязка. В уравнении водного баланса для бессточного озера не будет составляющих усти уф. Приток в водоемы с водосборов для изученных рек рассчитываются по гидрометрическим данным. При отсутствии данных эти элементы баланса определяются косвенными методами: по данным рек аналогов, эмпирическим формулам и т.д. При однородном распределении осадков по акватории и малом их значении их в водном балансе количество их определяется как среднее арифметическое из показаний осадкомеров, при неравномерном распределении – как средневзвешенное. Основными причинами, вызывающими колебания уровней озер, являются изменения объемов воды, связанные с ходом составляющих водного баланса, а также движение воды (течения, сгоны и нагоны, волны, сейши), вызывающие перекосы водной поверхности (денивеляции). В результате денивеляций при сохранении объема уровни на разных участках водоемов различны. В режиме уровней озер четко выражены как внутригодовой ход, так и многолетние колебания. Внутригодовой ход в различных климатических условиях имеет свои особенности. Например, в Забайкалье максимальные уровни наблюдаются, как правило, летом. В многолетних колебаниях уровней озер прослеживается цикличность. Продолжительность циклов может составлять от нескольких лет до десятков и сотен лет. Причиной этих циклов являются изменения увлажненности климата. Термический и ледовый режим озер. Термический и ледовый режим озер определяется тепловым балансом. Тепловой баланс зависит от климата и метеорологических условий отдельных лет. Влияние морфометрических особенностей озер сказывается на структуре теплового баланса и на внутригодовом ходе его элементов. Уравнение теплового баланса можно представить в следующем виде: R ± LE ± P + Qпр – Qст ± Qл ± ΔQв ± ΔQг = 0, где R – радиационный баланс; LE – потери тепла на испарение или приход его при конденсации водяного пара на поверхность водоема (L – удельная теплота испарения; E – испарение); P – потери или приход тепла в результате турбулентного теплообмена поверхности воды с атмосферой; Qпр, Qст – тепло, приносимое притоком речных вод в водоем и теряемое со стоком из водоема; Qл – тепло, затрачиваемое на таяние льда или выделяемое при льдообразовании; ΔQв и ΔQг – изменения количества тепла (теплозапаса) за расчетный период в водной массе и донных отложениях. Почти вся поглощенная водой солнечная радиация аккумулируется в самом верхнем слое водоемов, мощность которого связана с оптическими свойствами воды – прозрачностью и цветностью – и обычно не превышает 1 м. Перемещение тепла в глубины водоемов может практически осуществляться только при различных видах движения вод, так как молекулярная теплопроводность воды ничтожно мала. Весеннее нагревание начинается с перехода теплового баланса к положительным значениям и заканчивается переходом температуры водоема через температуру наибольшей плотности (для пресных вод 4 оС), после чего начинается летнее нагревание, завершающееся годовым максимумом температуры. Осеннее охлаждение продолжается от годового термического максимума до перехода температурой воды через температуру наибольшей плотности, знаменующего начало зимнего охлаждения. Расчет стока воды. Расчет стока воды рек производится на основе измеренных расходов воды и ежедневных уровней воды путем установления зависимости между ними. Вычисление стока выполняется, как правило, за год. Внутри годового цикла обычно выделяют отдельные периоды, для которых сток вычисляется различными методами (период ледостава, период развития водной растительности и др.). Между расходами протекающей в реке воды и уровнем существует определенная гидравлическая зависимость, которая в общем случае приобретает очень сложный вид. Особенно сложной эта зависимость становится при неустановившемся движении воды в деформируемом, заросшем или зашугованном русле реки. В гидрологии принято определять зависимость Q = f(H), т.е. зависимость расходов от уровней, хотя физически независимым переменным является расход воды, а уровень – функцией. Так принято потому, что измерения уровней на гидрологических постах производятся ежедневно в стандартные сроки, а измерения расходов вследствие большой трудоемкости – значительно реже. Частота измерения расходов различна для разных сезонов года. В межень измеряют один раз в 7-10 суток, в половодья и паводки производят учащенные измерения в зависимости от амплитуды колебания уровня. При устойчивом ледоставе расходы измеряют через 10-20 суток. Построение кривых расходов. Для построения кривой расходов служат значения измеренных расходов и соответствующие им уровни воды, т.е. используется столько точек, сколько расходов воды было измерено в течение года. Зависимость Q = f(H) может выражаться графически в виде одной плавной кривой. В этом случае определенному значению уровня соответствует одно определенное значение расхода воды. Такая зависимость называется однозначной. При этом понимается, что это приближенная однозначная зависимость, так как точки измеренных расходов всегда ложатся на графике с некоторым разбросом, что связано как с погрешностями измерений расходов и уровней, так и других причин. Однозначная кривая расходов всегда направлена выпуклостью вверх. Во многих случаях зависимость Q = f(H) приобретает весьма сложный вид. Это объясняется влиянием различных причин: 1) неустановившееся движение воды; 2) ледяные образования в русле; 3) зарастание русла водной растительностью; 4) неустойчивость русла – размывы и аккумуляция наносов; 5) переменный подпор. В подобных случаях однозначная зависимость нарушается: одному и тому же уровню соответствуют разные расходы воды. Такая связь уровней и расходов называется неоднозначной. Перед тем как приступить к построению кривой расходов, необходимо проанализировать исходные материалы. Расходы, измеренные детальным способом вертушкой, наиболее достоверны и являются опорными. При анализе исходных материалов обращают внимание на обстановку работ при измерении расходов, так как, например, ветер, малые скорости течения, косоструйность и т.д. могут вызвать погрешности измерений. Для построения кривой расходов в координатной системе наносят на график точки измеренных расходов. Кривую расходов проводят на глаз плавной линией по середине полосы рассеивания точек расходов, измеренных при свободном состоянии русла, т.е. при отсутствии ледяного покрова и водной растительности. На том же чертеже проводятся кривые площадей живого сечения ω = f(H) и средних скоростей v = f(H). Для их построения используется та же шкала уровней по оси ординат, что и для кривой расходов. Экстрапаляция кривых расходов. Для створов, у которых отсутствует пойма или имеется неширокая и ровная пойма, применяется несколько способов экстраполяции. Экстраполяция кривой расходов непосредственным продолжением. Этот способ применяют в случаях, если не обоснованная измерениями часть кривой расходов не превышает 10 % амплитуды уровней. В этом случае кривую расходов продолжают в том же направлении на глаз до отметки наивысшего уровня. Экстраполяция кривой расходов по элементам расхода. Этот способ заключается в том, что раздельно экстраполируют кривые площадей и средних скоростей, а затем по ним продлевают кривую расходов. Кривую площадей продолжают вверх, определяя площади живого сечения по поперечному профилю створа при заданных уровнях. Кривую средних скоростей экстраполируют непосредственным продолжением на глаз. Если не обоснованная измеренными расходами часть амплитуды уровней составляет 15 – 20 %, а русло реки при высоких уровнях имеет более сложную конфигурацию и переменную шероховатость, то применяют другие способы экстраполирования. Экстраполяция с помощью формулы Шези. Такую экстраполяцию производят только при наличии измеренных уклонов водной поверхности. Формула Шези применяется для вычисления средней скорости течения  где С – коэффициент Шези; R – гидравлический радиус; I – уклон |