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

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 ? и не более 50000км ? 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 = SQi /n, где

Qi – погодичные значения расхода воды, м?/с;

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

2) коэффициент вариации

Cv = ((S(Кi -1)?) /n) 1/2 , где

Кi – модульный коэффициент, вычисляемый по формуле

Кi = Qi / Qо .

3) коэффициент асимметрии

Cs = S(Кi – 1)?/ (n · Сv?).

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

1) ошибка Qо

s = (Cv /n 1/2 ) ·100%;

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

E = ((1+Cv?) / 2n) 1/2 · 100%,

3) ошибка Cs

e = ((6/n) 1/2 (1+6Cv?+5Cv ( 1/2 / 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 l 1 , l 2 , l 3. Статистики l 2 и l 3 связаны друг с другом и их соотношение меняется от изменения Сv и соотношения Сs/Сv. Статистики вычисляются по формулам:

1) статистика l 1 есть среднее арифметическое ряда наблюдений

l 1 = SQi / n ;

2)статистика l 2

l 2 = S ІgКi /(n – 1);

3) статистика l 3

l 3 = S 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 l 2 и l 3 . На номограммах находим точку пересечения значений статистик l 2 и l 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:

E = (3 / (2n(3+ Cv?))) 1/2 · 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 s, средний многолетний сток Qо?и коэффициент вариации Сv по следующим формулам:

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

Qо ? = Q 50% - s · Ф 50% ,

Сv = s / 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:

s Qо? = (Сv / n 1/2 ) · 100%.

Ошибка коэффициента вариации

E = ((1+ Сv?) / 2n) 1/2 ·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 км? или в делениях палетки).

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.

28.07.2015

Колебания речного стока и критерии его оценки. Речным стоком называют перемещение воды в процессе ее кругооборота в природе, когда она стекает по речному руслу. Речной сток определяется количеством воды, протекающим по речному руслу за определенный промежуток времени.
На режим стока оказывают влияние многочисленные факторы: климатические - осадки, испарение, влажность и температура воздуха; топографические - рельеф местности, форма и размеры речных бассейнов и почвенно-геологические, включая растительный покров.
Для любых бассейнов, чем больше осадков и меньше испарение, тем больше сток реки.
Установлено, что с возрастанием площади водосбора продолжительность весеннего половодья также увеличивается, гидрограф же имеет более вытянутую и «спокойную» форму. В легко проницаемых грунтах больше фильтрация и меньше сток.
При выполнении различных гидрологических расчетов, связанных с проектированием гидротехнических сооружений, мелиоративных систем, систем водоснабжения, мероприятий по борьбе с наводнениями, дорог и т. д., определяют следующие основные характеристики речного стока.
1. Расход воды - это объем воды, протекающий через рассматриваемый створ в единицу времени. Средний расход воды Qcp рассчитывают как среднее арифметическое из расходов за данный промежуток времени Т:

2. Объем стока V - это объем воды, который протекает через заданный створ за рассматриваемый промежуток времени T

3. Модуль стока M - это расход воды, приходящийся на 1 км2 площади водосбора F (или стекающей с единицы площади водосбора):

В отличие от расхода воды модуль стока не связан с конкретным створом реки и характеризует сток в целом с бассейна. Средний многолетний модуль стока M0 не зависит от водности отдельных лет, а определяется только географическим положением бассейна реки. Это позволило районировать нашу страну в гидрологическом отношении и построить карту изолиний среднемноголетних модулей стока. Эти карты приводятся в соответствующей нормативной литературе. Зная площадь водосбора какой-либо реки и определив для нее по карте изолиний величину M0, можно установить средний многолетний расход воды Q0 этой реки по формуле

Для близко расположенных створов реки модули стока можно принять постоянными, то есть

Отсюда по известному расходу воды в одном створе Q1 и известным площадям водосборов в этих створах F1 и F2, расход воды в другом створе Q2 может быть установлен по соотношению

4. Слой стока h - это высота слоя воды, которая бы получилась при равномерном распределении по всей площади бассейна F объема стока V за определенный промежуток времени:

Для среднего многолетнего слоя стока h0 весеннего половодья составлены карты изолиний.
5. Модульный коэффициент стока К - это отношение любой из выше приведенных характеристик стока к ее среднеарифметическому значению:

Эти коэффициенты могут быть установлены для любых гидрологических характеристик (расходов, уровней, осадков, испарения и т.д.) и для любых периодов стока.
6. Коэффициент стока i - это отношение слоя стока к слою выпавших на водосборную площадь осадков х:

Этот коэффициент может быть выражен также через отношение объема стока к объему осадков за один и тот же промежуток времени.
7. Норма стока - наиболее вероятная средняя многолетняя величина стока, выраженная любой из вышеприведенных характеристик стока за многолетний период. Для установления нормы стока ряд наблюдений должен быть не менее 40...60 лет.
Норма годового стока Q0 определяется по формуле

Так как на большинстве водомерных постов число лет наблюдений обычно менее 40, то необходимо проверить, достаточно ли этого числа лет для получения достоверных значений нормы стока Q0. Для этого вычисляют среднеквадратическую ошибку нормы стока по зависимости

Продолжительность периода наблюдений достаточна, если величина среднеквадратической ошибки sQ не превышает 5 %.
На изменение годового стока преимущественное влияние оказывают климатические факторы: осадки, испарение, температура воздуха и т. д. Все они взаимосвязаны и, в свою очередь, зависят от ряда причин, которые имеют случайный характер. Поэтому гидрологические параметры, характеризующие сток, определяются совокупностью случайных величин. При проектировании мероприятий по лесосплаву необходимо знать значения этих параметров с необходимой вероятностью их превышения. Например, при гидравлическом расчете лесосплавных плотин необходимо установить максимальный расход весеннего паводка, который может быть превышен пять раз за сто лет. Эту задачу решают, используя методы математической статистики и теории вероятности. Для характеристики величин гидрологических параметров - расходов, уровней и т. д. используют понятия: частота (повторяемость) и обеспеченность (продолжительность).
Частота показывает, во скольких случаях за рассматриваемый период времени величина гидрологического параметра находилась в определенном интервале. Например, если среднегодовой расход воды в заданном створе реки изменялся за ряд лет наблюдений от 150 до 350 м3/с, то можно установить, сколько раз значения этой величины находились в интервалах 150...200, 200...250, 250...300 м3/с и т. д.
Обеспеченность показывает, во скольких случаях величина гидрологического элемента имела значения, равные и большие определенной величины. В широком понимании обеспеченность - это вероятность превышения данной величины. Обеспеченность какого-либо гидрологического элемента равна сумме частот вышерасположенных интервалов.
Частота и обеспеченность могут выражаться числом случаев, но в гидрологических расчетах их чаще всего определяют в процентах от общего числа членов гидрологического ряда. Например, в гидрологическом ряду двадцать значений среднегодовых расходов воды, шесть из них имели величину, равную или большую 200 м3/с, это значит, что этот расход обеспечен на 30 %. Графически изменения частоты и обеспеченности изображаются кривыми частоты (рис. 8а) и обеспеченности (рис. 8б).

В гидрологических расчетах чаще используют кривую обеспеченности. Из этой кривой видно, что чем больше величина гидрологического параметра, тем меньше процент обеспеченности, и наоборот. Поэтому принято считать, что годы, для которых обеспеченность стока, то есть среднегодовой расход воды Qг, меньше 50 % являются многоводными, а годы с обеспеченностью Qг больше 50 % - маловодными. Год с обеспеченностью стока 50 % считают годом средней водности.
Обеспеченность водности года иногда характеризуют ее средней повторяемостью. Для многоводных лет повторяемость показывает, как часто встречаются в среднем годы данной или большей водности, для маловодных - данной или меньшей водности. Например, среднегодовой расход многоводного года 10%-ной обеспеченности имеет среднюю повторяемость 10 раз в 100 лет или 1 раз в 10 лет; средняя повторяемость маловодного года 90%-ной обеспеченности также имеет повторяемость 10 раз в 100 лет, так как в 10 % случаев среднегодовые расходы будут иметь меньшие значения.
Годы определенной водности имеют соответствующее наименование. В табл. 1 для них приведены обеспеченность и повторяемость.

Связь между повторяемостью у и обеспеченностью р может быть записана в таком виде:
для многоводных лет

для маловодных лет

Все гидротехнические сооружения для регулирования русла или стока рек рассчитываются по водности года определенной обеспеченности, гарантирующей надежность и безаварийность работы сооружений.
Расчетный процент обеспеченности гидрологических показателей регламентируется «Инструкцией по проектированию лесосплавных предприятий».
Кривые обеспеченности и способы их расчета. В практике гидрологических расчетов применяются два способа построения кривых обеспеченности: эмпирический и теоретический.
Обоснованный расчет эмпирической кривой обеспеченности можно выполнить только при числе наблюдений за стоком реки более 30...40 лет.
При расчете обеспеченности членов гидрологического ряда для годового, сезонного и минимального стоков можно использовать формулу Н.Н. Чегодаева:

Для определения обеспеченности максимальных расходов воды применяют зависимость С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля:

Порядок построения эмпирической кривой обеспеченности:
1) все члены гидрологического ряда записываются в убывающем по абсолютной величине порядке;
2) каждому члену ряда присваивается порядковый номер, начиная с единицы;
3) определяется обеспеченность каждого члена убывающего ряда по формулам (23) или (24).
По результатам расчета строят кривую обеспеченности, подобную той, которая представлена на рис. 8б.
Ho эмпирические кривые обеспеченности обладают рядом недостатков. Даже при достаточно длительном периоде наблюдений нельзя гарантировать, что этот интервал охватывает все возможные максимальные и минимальные значения стока реки. Расчетные значения обеспеченности стока 1...2 % не надежны, так как достаточно обоснованные результаты можно получить только при числе наблюдений за 50...80 лет. В связи с этим, при ограниченном периоде наблюдений за гидрологическим режимом реки, когда число лет менее тридцати, или при полном их отсутствии, строят теоретические кривые обеспеченности.
Исследования показали, что распределение случайных гидрологических величин наиболее хорошо подчиняется уравнению кривой Пирсона III типа, интегральное выражение которой является кривой обеспеченности. Пирсоном получены таблицы для построения этой кривой. Кривая обеспеченности может быть построена с достаточной для практики точностью по трем параметрам: среднеарифметическому значению членов ряда, коэффициентам вариации и асимметрии.
Среднеарифметическое значение членов ряда вычисляется по формуле (19).
Если число лет наблюдений менее десяти или наблюдения вообще не проводились, то среднегодовой расход воды Qгcp принимают равным среднему многолетнему Q0, то есть Qгcp = Q0. Величина Q0 может быть установлена при помощи модульного коэффициента K0 или модуля стока M0, определенного по картам изолиний, так как Q0 = M0*F.
Коэффициент вариации Cv характеризует изменчивость стока или степень колебания его относительно среднего значения в данном ряду, он численно равен отношению среднеквадратической ошибки к среднеарифметическому значению членов ряда. На величину коэффициента Cv оказывают существенное влияние климатические условия, тип питания реки и гидрографические особенности ее бассейна.
При наличии данных наблюдений не менее чем за десять лет коэффициент вариации годового стока вычисляют по формуле

Величина Cv меняется в широких пределах: от 0,05 до 1,50; для лесосплавных рек Cv = 0,15...0,40.
При коротком периоде наблюдений за стоком реки или при их полном отсутствии коэффициент вариации можно установить по формуле Д.Л. Соколовского:

В гидрологических расчетах для бассейнов с F > 1000 км2 также используют карту изолиний коэффициента Cv, если суммарная площадь озер не более 3 % площади водосбора.
В нормативном документе СНиП 2.01.14-83 для определения коэффициента вариации неизученных рек рекомендуется обобщенная формула К.П. Воскресенского:

Коэффициент асимметрии Cs характеризует несимметричность ряда рассматриваемой случайной величины относительно ее среднего значения. Чем меньшая часть членов ряда превышает величину нормы стока, тем больше величина коэффициента асимметрии.
Коэффициент асимметрии может быть рассчитан по формуле

Однако эта зависимость дает удовлетворительные результаты только при числе лет наблюдений n > 100.
Коэффициент асимметрии неизученных рек устанавливается по соотношению Cs/Cv для рек-аналогов, а при отсутствии достаточно хороших аналогов принимаются средние отношения Cs/Cv по рекам данного района.
Если невозможно установить отношение Cs/Cv по группе рек-аналогов, то значения коэффициента Cs для неизученных рек принимаются по нормативным соображениям: для бассейнов рек с коэффициентом озерности более 40 %

для зон избыточного и переменного увлажнения - арктической, тундровой, лесной, лесостепной, степной

Для построения теоретической кривой обеспеченности по приведенным выше трем ее параметрам - Q0, Cv и Cs - пользуются методом, предложенным Фостером - Рыбкиным.
Из выше приведенного соотношения для модульного коэффициента (17) следует, что средняя многолетняя величина стока заданной обеспеченности - Qp%, Мр%, Vp%, hp% - может быть рассчитана по формуле

Модульный коэффициент стока года заданной обеспеченности определяется по зависимости

Определив ряд любых характеристик стока за многолетний период различной обеспеченности, можно по этим данным построить и кривую обеспеченности. При этом все расчеты целесообразно вести в табличной форме (табл. 3 и 4).

Способы расчета модульных коэффициентов. Для решения многих водохозяйственных задач необходимо знать распределение стока по сезонам или месяцам года. Внутригодовое распределение стока выражают в виде модульных коэффициентов месячного стока, представляющих отношения среднемесячных расходов Qм.ср к среднегодовому Qг.ср:

Внутригодовое распределение стока различно для лет разной водности, поэтому в практических расчетах определяют модульные коэффициенты месячного стока для трех характерных лет: многоводного года 10%-ной обеспеченности, среднего по водности - 50%-ной обеспеченности и маловодного - 90%-ной обеспеченности.
Модульные коэффициенты месячного стока можно установить по фактическим знаниям среднемесячных расходов воды при наличии данных наблюдений не менее чем за 30 лет, по реке-аналогу или по типовым таблицам распределения месячного стока, которые составлены для разных бассейнов рек.
Среднемесячные расходы воды определяют, исходя из формулы

(33): Qм.cp = KмQг.ср

Максимальные расходы воды. При проектировании плотин, мостов, запаней, мероприятий по укреплению берегов необходимо знать максимальные расходы воды. В зависимости от типа питания реки за расчетный максимальный расход может быть принят максимальный расход воды весеннего половодья или осеннего паводка. Расчетная обеспеченность этих расходов определяется классом капитальности гидросооружений и регламентируется соответствующими нормативными документами. Например, лесосплавные плотины Ill класса капитальности рассчитываются на пропуск максимального расхода воды 2%-ной обеспеченности, а IV класса - 5%-ной обеспеченности, берегоукрепительные сооружения не должны разрушаться при скоростях течения, соответствующих максимальному расходу воды 10%-ной обеспеченности.
Способ определения величины Qmax зависит от степени изученности реки и от различия между максимальными расходами весеннего половодья и паводка.
Если имеются данные наблюдений за период более 30...40 лет, то строят эмпирическую кривую обеспеченности Qmax, а при меньшем периоде - теоретическую кривую. В расчетах принимают: для весеннего половодья Cs = 2Сv, а для дождевых паводков Cs = (3...4)CV.
Поскольку наблюдения за режимом рек ведутся на водомерных постах, то обычно кривую обеспеченности строят для этих створов, а максимальные расходы воды в створах расположения сооружений рассчитывают по соотношению

Для равнинных рек максимальный расход воды весеннего половодья заданной обеспеченности р% вычисляют по формуле

Значения параметров n и K0 определяются в зависимости от природной зоны и категории рельефа по табл. 5.

I категория - реки, расположенные в пределах холмистых и платообразных возвышенностей - Среднерусская, Струго-Красненская, Судомская возвышенности, Среднесибирское плоскогорье и др.;
II категория - реки, в бассейнах которых холмистые возвышенности чередуются с понижениями между ними;
III категория - реки, большая часть бассейнов которых располагается в пределах плоских низменностей - Молого-Шекснинская, Мещерская, Белорусское полесье, Приднестровская, Васюганская и др.
Значение коэффициента m устанавливается в зависимости от природной зоны и процента обеспеченности по табл. 6.

Параметр hp% вычисляют по зависимости

Коэффициент d1 рассчитывают (при h0 > 100 мм) по формуле

Коэффициент d2 определяют по соотношению

Расчет максимальных расходов воды весеннего половодья ведется в табличной форме (табл. 7).

Уровни высоких вод (УВВ) расчетной обеспеченности устанавливаются по кривым расходов воды для соответствующих значений Qmaxp% и расчетных створов.
При приближенных расчетах максимальный расход воды дождевого паводка может быть установлен по зависимости

В ответственных расчетах определение максимальных расходов воды следует проводить в соответствии с указаниями нормативных документов.