Шпаргалка по "Гидрология"

1 РЕКА И РЕЧНАЯ СИСТЕМА. БАССЕЙН РЕКИ.

Речная система – совокупность всех рек, впадающих в главную реку.

Гидрографическая сеть – совокупность всех водных объектов в пределах какой-либо территории.

Основные характеристики речной системы:

-длина реки;

-густота речной сети (отношение  длины всех рек территории  и ее площади);

-извилистость (характеризуется  коэффициентом, представляющим отношение  фактической длины к длине  прямослойного соединения начало  и конец учитываемой реки);

-разветвленностьKг=∑l/F – густота

Кразв=L/l – извилистость

Разветвленность выражается отношением суммы длины всех притоков, включая длину главного русла L к длине главного русла l

Кразв=(l1+l2+…+ln+L)/L

«Динамическая ось потока» - линия на плане реки, в каждой точке которой скорость течения реки имеет наибольшее значение в живых сечениях.

Стержень потока – линия, соединяющая точки с наибольшими поверхностными скоростями.

Речной бассейн – часть земной поверхности, включая толщу почвы грунтов, с которой река получает питание.

Основные характеристики речного бассейна:-площадь-форма-уклон-средняя ширина-высота

Форма речного бассейна оказывает влияние одновременность проступания воды замыкающему створу. Форму водосбора характеризуют коэффициент асимметрии, коэффициент развития водораздельной линии и средняя ширина водосбора.

Кас(а)=(Fл-Fпр)/F                          F= R2

 

Коэффициент развития водораздельной линии – отношение длины водораздельной линии к длине окружности круга, площадь которого равна площади водосбора

m=S/S’

Средняя ширина водосбора – отношение площади водосбора к длине реки.

Вср=F/L

Для оценки влияния на сток воды озер, болот, лесов на территории бассейна используют коэффициент озерности, заболоченности и лесистости:

Коз=fоз/F                                  Кбол=fбол/F                           Клес=fлес/F

 

2 ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА  РЕЧНОЙ СТОК

Сток рек зависит от комплекса физико-географических факторов, решающая роль в котором принадлежит климатическим условиям. На речной сток оказывают также существенное влияние рельеф бассейна, его почвенно-геологические условия, растительный покров и гидрографические особенности. 
^ Климатические факторы стока. К основным климатическим характеристикам, влияющим на речной сток, относятся: осадки, испарение, температура воздуха, влажность воздуха и воздушные течения. Осадки и испарение непосредственно определяют величину стока и его распределение во времени. Другие климатические факторы влияют на сток косвенно, увеличивая или уменьшая осадки и испарение. 
Осадки являются одним из основных слагаемых уравнения водного баланса. Чем больше осадков выпадает в бассейне, тем при прочих равных условиях больше воды стекает в реки. 
Осадки, выпадающие в зимний период в виде снега, дают больший сток, чем летние осадки, так как значительная часть последних теряется наиспарение. 
Одно и то же количество осадков, выпавшее при кратковременном интенсивном ливне, дает больший сток, чем если бы эти осадки выпадали в течение длительного периода. 
На сток текущего года оказывают влияние осадки предшествующих лет, которые определяют запасы подземных вод, в бассейне. 
Испарение является составной частью водного баланса. Чем больше испарение с поверхности бассейна, тем меньше речной сток. Различают три вида испарения: с водной поверхности, с поверхности почвы и с растительного покрова (транспирация) Величина испарения зависит от температуры и влажности воздуха, структуры почв, растительного покрова и воздушны течений. 
Температура воздуха оказывает влияние как на величину годового стока, так и на его внутригодовое распределение. 
В районах с жарким климатом большая часть осадков расходуется на испарение, а меньшая – на сток. Например, в Ленинграде и Киеве выпадает приблизительно одинаковое количеств осадков, а речной сток в районе Киева меньше, чем в Ленинградской области почти в 3 раза. 
Влажность воздуха определяет величину испарения. Различают влажность воздуха абсолютную и относительную. А б с о - л ю т н а я в л а ж н о с т ь характеризуется массой паров воды, содержащейся в 1 м3 воздуха. Очевидно, абсолютная влажность воздуха является плотностью ρпнаходящегося в нем пара при парциальном давлении его, отвечающей данной температуре влажного воздуха (Парциальное давление рп или упругость водяного пара есть то давление, которое он создавал бы в безвоздушном пространстве). 
Содержание водяного пара в воздухе не может превышать определенного предела, при котором начинается его конденсация. Масса водяного пара в 1 м3 воздуха, необходимая для полного насыщения воздуха при данной температуре, называется п р е д е л ь н о й в л а ж н о с т ь ю ρн. Чем больше температура воздуха, тем выше его предельная влажность.

^ Рельеф бассейна. Рельеф бассейна оказывает большое влияние на осадки и испарение. С повышением высоты местности увеличивается количество осадков и уменьшается испарение. Существенное значение имеет ориентация горного склона, на котором расположен речной бассейн. Осадков выпадает больше на склоне действия влажных ветров. 
Вода стекает в реки по склонам местности. Чем круче эти склоны, тем скорость стекания воды выше, тем меньшее ее количество теряется на испарение и просачивание в грунт. Поэтому горный рельеф способствует увеличению стока. 
^ Почвенно-геологические условия. Почвенно-геологическое строение бассейна определяет возможность фильтрации воды в грунт и характеризует условия стекания ее в реки подземным путем. Легко проницаемые грунты (песчаные, галечниковые и др.) задерживают выпавшие осадки и тем самым уменьшают поверхностный сток. В то же время они способствуют более равномерному питанию реки в течение года за счет увеличения запаса грунтовых вод. 
Существенное влияние на сток оказывают гидрогеологические условия. Если русло реки врезано в местность на небольшую глубину и не достигает водоносных пластов, питание реки будет ограничено поверхностными и неглубоко залегающими подпочвенными водами. 
В карстовых породах могут наблюдаться утечки воды из русла реки, вплоть до ее полного исчезновения. 
^ Растительный покров. Влияние растительности на речной сток проявляется разнообразно. Травяная растительность уменьшает поверхностный сток за счет большей фильтрации воды в грунт и увеличения потерь воды на испарение и транспирацию. Если расходование влаги на транспирацию растениями превышает поступление воды в грунт за счет большей фильтрации растительных почв, наличие растительности уменьшает не только поверхностный сток, но и подземный. 
Лес оказывает в большинстве случаев положительное влияние на речной сток; увеличивается количество осадков, уменьшается испарение с почвы, более медленно тают снега и др. Отрицательное влияние леса на сток сказывается в увеличении потерь влаги на транспирацию и испарение с крон деревьев. 
^ Гидрографические особенности бассейна. На речной сток оказывают влияние размеры и форма водосборной площади, густота речной сети, наличие озер и болот в бассейне и другие гидрографические особенности. 
Влияние размеров водосборной площади сказывается заметно на внутригодовом распределении стока, особенно на формировании весеннего половодья и дождевых паводков. Чем больше площадь бассейна, тем сток реки распределяется в течение года более равномерно; половодье и паводки становятся более продолжительными, но относительно менее интенсивными. 
Вытянутая форма бассейна и равномерное распределение притоков по длине реки способствуют удлинению периода весеннего половодья и уменьшению максимальных расходов воды. Густая речная сеть увеличивает сток, так как благодаря сокращению времени стекания воды потери влаги на испарение уменьшаются. 
В озерах скапливается значительная часть воды, поступающая с бассейна в период весеннего половодья, за счет чего весенний сток рек уменьшается, а меженний – увеличивается. 
Определенное регулирующее влияние на сток оказывает и заболоченность речного бассейна. Сток весеннего половодья с заболоченных земель растягивается во времени и становится более равномерным. Однако на болотах испарение с поверхности бассейна более интенсивное. Поэтому увеличения меженнего стока с заболоченного бассейна может и не наблюдаться.

 

3 РЕЧНЫЕ НАНОСЫ И ТВЕРДЫЙ  СТОК. РУСЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ.

Речными наносами называют твердые минеральные частицы вне зависимости от крупности, которые переносятся русловым потоком и при определенных условиях образуют русловые и пойменные отложения. Речные наносы образуются главным образом в результате водной эрозии, т. е. разрушения поверхности земли под действием текущих вод. Водная эрозия может быть склоновая и русловая. Склоновая эрозия представляет собой процесс разрушения и смыва продуктов разрушения со склонов площади бассейна дождевыми и талыми водами. Интенсивность склоновой эрозии зависит от количества осадков, состава почвогрунтов, рельефа местности, густоты овражно-балочной системы бассейна, характера и количества растительности, степени и видов хозяйственного использования площади. Часть продуктов разрушения не попадает в реку, так как задерживается в понижениях земной поверхности, в оврагах и суходолах. В южных районах, где сухой климат, растительность бедна, почвы меньше содержат гумуса, эрозия протекает более активно, чем в районах достаточного увлажнения.

Донными наносами(твердый сток) называют совокупность частиц, как правило, наиболее крупных (крупный песок, гравий, галька), которые в процессе своего движения под воздействием потока воды не отрываются от дна или отрываются на очень короткое время. 
В соответствии с этим донные наносы могут быть разделены на влекомые, которые перемещаются по дну скольжением и качением, и на полувзвешенные, которые перемещаются скачками (сальтируют), приподнимаясь над дном на расстояние одного по-Рядка со своим размером. Обычно в речной гидравлике различают наносы рельефообразующие — это главным образом донные ианосы, и транзитные, которые представлены в основном взвешенными наносами.

Совокупность процессов, обусловливающих взаимодействие между водным потоком и руслом, называют русловым процессом. Воздействию потока на русло противостоит обратное воздействие русла на поток. В каждый момент времени скоростное поле потока определяется формой русла. В условиях размываемого русла, там, где скорости больше размывающих, происходит углубление русла и скорости падают, а там, где скорости меньше размывающих, происходит отложение наносов, т. е. обмеление русла, и возрастание скорости. Таким образом, поток деформирует русло, которое изменяет скоростную структуру потока. Русловый процесс в естественных условиях зависит от расхода воды и его изменения во времени, расхода наносов и их крупности, а также определяется рельефом местности, структурой коры выветривания, расположением геологических пластов, характером и мощностью растительности. Естественный русловый процесс может изменяться под воздействием хозяйственной деятельности: строительства русловыпра-вительных сооружений, мостов, при возведении плотин и т. п. Гидротехническое строительство приводит к изменению, как правило, стеснению живого сечения реки, изменению водности на отдельных участках реки, перераспределению внутригодового стока — снижению расходов в половодье и увеличению расходов в межень, изменению шероховатости берегов при их укреплении или строительстве продольных или поперечных русловьшравительных сооружений. Предусмотреть при этих изменениях возможное поведение потока возможно только в случае достаточной изученности русловых процессов. Строительство гидротехнических сооружений без учета направленности руслового процесса может привести к нежелательным последствиям.

К необратимым (или многолетним) деформациям русла относятся его переформирования, когда река приспосабливается к коренным изменениям в процессе своего векового развития и в результате хозяйственной деятельности человека; разработка продольного профиля реки вогнутой формы, что обеспечивает транзит наносов; эрозия коренных берегов; смещение русла в плане или параллельное или в виде меандрирования (см. ниже); образование рукавов на пойме. 
С обратимым (или сезонным) деформациям относятся намывы и размывы перекатов, наблюдающиеся при чередовании меженей и половодий, при этом изменяются высотные отметки, иногда в достаточно широких пределах — до 3...4 м и более; смещение вниз по течению плоских гряд, побочней и осередков.

Тип руслового процесса зависит от расхода воды. При этом меняются гидравлические характеристики потока: скорость течения, глубина, уклон свободной поверхности, что вызывает смену русловых форм; структура потока: по ширине наблюдаются струи разного масштаба, меняется турбулентность потока — все это приводит к формированию различных русловых форм не только по длине, но и по ширине реки; развивается меандрирование или промываются рукава — река меняет свои очертания в плане.

 

4 ПРИМЕНЕНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ  МЕТОДОВ В ГИДРОЛОГИИ. ПОРЯДОК  ВЫЧИСЛЕНИЯ РАСЧЕТНОГО РАСХОДА  ВОДЫ ЗАДАННОЙ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ  ПРИ НАЛИЧИИ ДАННЫХ ГИДРОМЕТРИЧЕСКИХ  НАБЛЮДЕНИЙ.

Гидрологические явления и процессы в основном представляют результат действия большого числа факторов. Выяснение закономерностей формируется как следствие многофакторных связей, возможно только статистическими методами. Использование статистических методов в гидрологических расчетах основывается на том, что гидрологические характеристики рассматриваются как совокупность случайных величин.

Случайными считают какие-либо значения одной и той же величины, последовательность появления которой не свзяано с появлением предыдущих значений этой же величины. Теоретическим основанием являются так называемые предельные теоремы теории вероятности, основными положениями которой являются:

1. Закон больших чисел, показывающий, что при очень большом числе случайных однородных явлений их средний результат практически перестает быть случайным и может быть предсказан с достаточной степенью определенности.
2. Центральная предельная теорема, согласно которой явления, возникающие под действием суммы или произведения большого числа независимых случайных факторов образует случайную совокупность, подчиняющейся определенным статистическим законам.

Одной из важнейших величин, определяемых при гидрологических расчетах, является обеспеченность гидрологической характеристики. Это есть вероятность превышения ее (характеристики) над всеми ее возможными значениями или вероятность того, что рассматриваемое значение может быть превышено.

Если ряд гидрологических характеристик расположить в порядке убывания, то обеспеченность m-ного члена  ряда, состоящего из n-членов,  определяется по формуле:Р=(m/n)×100%

 

По этой формуле обеспеченность последнего члена ряда равна 100%, поэтому в гидрологических расчетах вводятся поправки, учитывающие асимптотическое приближение обеспеченности к 100%. Рекомендуется при расчетах эмпирической обеспеченности максимальных расходов применять формулу Крицкого-Менкеля (до 10%):Р=(m/n+1)×100%

А для расчета годового и минимального стока – формулу Чегодаева:Р=(m-0,3/n+0,4)×100%

Имея ряд наблюдений по годовым, максимальным и минимальным расходам можно вычислить эмпирическую обеспеченность каждого члена ряда и построить кривую эмпирической обеспеченности. Однако, эмпирическая кривая обеспеченности не дает возможности решать вопросы о расходах за пределами имеющихся наблюдений. Поэтому для экстраполяции эмпирической кривой обеспеченности строят теоретическую кривую, предварительно определяясь с ее параметрами: Q0, Cv, CS.

 

5 ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ГИДРОМЕТРИЧЕСКИХ  РАБОТ. ОБОРУДОВАНИЕ, ПРИМЕНЯЕМОЕ ДЛЯ  ИХ ВЫПОЛНЕНИЯ.

К задачам гидрометрии относятся измерения: уровней, глубин, рельефа дна и свободной поверхности потока; напоров и давлений; скоростей и направлений течения жидкости; пульсаций скоростей и давлений; элементов волн;

гидравлических уклонов; мутности потока (концентрации наносов); расходов воды, наносов и гидросмеси; элементов, характеризующих термический и ледовый режим потоков и др.

К основным гидрометрическим работам на реках, озерах, водохранилищах относятся:

· обустройство гидрологического поста и организация регулярных изме- рений уровня и температуры воды, мутности воды, рН и минерализации, наблюдения за атмосферными явлениями и погодой в течение всего периода практики;

· нивелирование поперечного профиля долины и вычисление максимального расхода воды за половодье текущего года;

· геодезическая съемка участка реки и измерение глубин с засечками традиционными методами;

· измерение глубин с определением местоположения промерных точек с применением GIS-технологий, построение плана участка русла в изобатах и горизонталях;

· определение истинного положения гидрометрического створа с помощью измерителя направления течений и поверхностными поплавками;

· измерение расхода воды в реке с помощью измерителя скорости потока

(ИСП) и поверхностными поплавками;

· измерение расхода взвешенных и влекомых наносов;

· гидробиологическое обследование участка реки;