Определение стока реки. Годовой сток воды рек и его внутригодовое распределение

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

K=W/(x*F)* 100%, или K=Y/x *100%.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Литература.

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

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 η - 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 σQ 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

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

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

Модулем стока называют выраженное в литрах (у) количество воды, стекающее в среднем в 1 секунду с площади бассейна реки в 1 км 2:

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

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

Для определения модуля стока нужно знать расход воды и площадь бассейна выше створа, по которому определялся расход воды данной реки. Площадь бассейна реки можно измерить по карте. Для этого применяют следующие способы:

• 1) планирование
• 2) разбивку на элементарные фигуры и вычисление их площадей;
• 3) измерение площади посредством палетки;
• 4) вычисление площадей по геодезическим таблицам

Студентам легче всего использовать третий способ и проводить измерение площади посредством палетки, т.е. прозрачной бумаги (кальки) с нанесенными на нее квадратиками. Имея карту исследуемого района карты в определённом масштабе, можно изготовить палетку квадратами, соответствующими масштабу карты. Предварительно следует оконтурить бассейн данной реки выше определенного створа, а затем наложить карту на палетку, на которую перенести контур бассейна. Для определения площади требуется сосчитать сначала число полных квадратиков, расположенных внутри контура, а затем сложить данные квадратики, частично покрывающие бассейн данной реки. Сложив квадратики и умножив полученное число на площадь одного квадратика, узнаем площадь бассейна реки выше данного створа.

Q - расход воды, л. Для перевода кубических метров в литры умножаем расход на 1000, S площадь бассейна, км 2.

Для определения коэффициента стока реки нужно знать годовой сток реки и объем воды, выпавшей на площади данного бассейна реки. Объем воды, выпавшей на площади данного бассейна легко определить. Для этого нужно площадь бассейна, выраженную в квадратных километрах, умножить на толщину слоя выпавших осадков (тоже в километрах). Например, толщина будет равна р если осадков на данной площади выпало за год 600 мм, то 0" 0006 км и коэффициент стока будет равен:

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

Определение режима стока реки. Для характеристики режима стока реки нужно установить:

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

b) время половодья, если оно бывает;

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

d) продолжительность замерзания реки, если это бывает (по своим личным наблюдениям или же по сведениям, полученным путем опроса).

Определение качества воды. Для определения качества воды нужно узнать, мутная она или прозрачная, годная для питья или нет. Прозрачность воды определяется белым диском (диск Секки) диаметром приблизительно 30 см, подведенным на размеченном лине или приделанным к размеченному шесту. Если диск опускается на лине, то внизу, под диском, прикрепляется груз, чтобы диск не сносило течением. Глубина, на которой этот диск становится невидимым, и является показателем прозрачности воды. Можно диск сделать из фанеры и окрасить его в белый цвет, но тогда груз нужно подвесить достаточно тяжелый, чтобы он вертикально опускался в воду, а сам диск сохранял горизонтальное положение; или фанерный лист можно заменить тарелкой.

Определение температуры воды в реке. Температуру воды в реке определяют родниковым термометром, как на поверхности воды, так и на разных глубинах. Держать термометр в воде нужно в течение 5 минут. Родниковый термометр можно заменить обычным ванновым термометром в деревянной оправе, но, для того чтобы он опускался в воду на разные глубины, следует привязать к нему груз.

Можно определить температуру воды в реке при помощи батометров: батометра-тахиметра и бутылочного батометра. Батометр-тахиметр состоит из гибкого резинового баллона объемом около 900 см 3; в него вставлена трубочка диаметром б мм. Батометр-тахиметр закрепляют на штанге и опускают на разные глубины для взятия воды.

Полученную воду выливают в стакан и определяют ее температуру.

Батометр-тахиметр нетрудно сделать самому студенту. Для этого нужно купить небольшую резиновую камеру, на нее надеть и привязать резиновую трубочку диаметром б мм. Штангу можно заменить деревянным шестом, разделив его на сантиметры. Штангу с батометром-тахиметром нужно опускать вертикально в воду до определенной глубины, так чтобы отверстие батометра-тахиметра было направлено по течению. Опустив на определённую глубину, штангу необходимо повернуть на 180 и держать примерно 100 секунд для того чтобы набрать воды после чего опять повернуть штангу на 180°. сток вода режим река

Вынимать ее следует так, чтобы из батометра вода не вылилась. Перелив воду в стакан, определяют термометром температуру воды на данной глубине.

Полезно одновременно измерить термометром-пращом температуру воздуха и сравнить её с температурой речной воды, записав обязательно время наблюдения. Иногда разность температуры достигает нескольких градусов. Например, в 13 часов температура воздуха 20, температура воды в реке 18°.

Исследование на определенных участках на определенных характера русла реки. При исследовании участках характера русла реки необходимо:

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

b) при обнаружении порогов и водопадов определить высоту падения;

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

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

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

Общая характеристика реки и ее и с пользование. При общей характеристике реки нужно выяснить:

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

b) степень меандрирования.

Для определения степени меандрирования нужно узнать коэффициент извилистости, т.е. отношение длины реки на изучаемом участке к кратчайшему расстоянию между определенными пунктами исследуемой части реки; например, река А имеет длину 502 км, а кратчайшее расстояние между истоком и устьем всего 233 км, следовательно, коэффициент извилистости:

К - коэффициент извилистости, L - длина реки, 1 - кратчайшее расстояние между истоком и устьем

Изучение меандров имеет большое значение для лесосплава и судоходства;

c) Не отжимания реки конусы выноса, образуемые в устьях притоков реки или производят временные потоки.

Узнать, как используется река для судоходства и сплава леса; если рука несудоходная, то выяснить почему, служит препятствием (мелководная, порожистая, есть ли водопады), есть ли на реке плотины и другие искусственные сооружения; не используется ли река для полива; какие преобразования нужно сделать для использования реки в народном хозяйстве.

Определение питания реки. Нужно выяснить виды питания реки: грунтовое, дождевое, от таяния снега озерное или болотное. Например, р. Клязьма имеет питание, грунтовое, снеговое и дождевое, из них грунтовое питание составляет 19 %, снеговое - 55 % и дождевое - 26 %.

Река изображена на рисунке 2.

м 3

Вывод: В ходе данного практического занятия, в результате расчетов были получены следующие значения, характеризующие сток реки:

Модуль стока?= 177239 л/с*км 2

Коэффициент стока б=34,5 %.

Характеристики годового стока

Сток - это движение воды по поверхности, а также в толще почв и горных пород в процессе ее круговорота в природе. При расчетах под стоком понимается количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо период времени. Это количество воды может быть выражено в виде расхода Q, объема W, модуля M или слоя стока h.

Объем стока W - количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо период времени (сутки, месяц, год и т.п.), - определяется по формуле

W=QT [м 3 ], (19)

где Q - средний расход воды за расчетный период времени, м 3 /с, T - число секунд в расчетном периоде времени.

Так как средний расход воды был вычислен ранее как норма годового стока, объем стока р. Кегеты за год W = 2.39 365,25 24 3600 = 31764096м 3 .

Модуль стока М - количество воды, стекающей с единицы площади водосбора в единицу времени, - определяется по формуле

М=103Q/F [л/(скм2)], (20)

где F - площадь водосбора, км 2 .

Модуль стока р. Кегеты М=10 3 2.39/178 = 13.42 л/(скм 2).

Слой стока h мм - количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо период времени, равное толщине слоя, равномерно распределенного по площади этого водосбора, - определяется по формуле

h=W/(F 10 3)=QT/(F 10 3). (21)

Слой стока для бассейна р. Кегеты h = 31764096/ (178 10 3) = 178.44 мм.

К безразмерным характеристикам относятся модульный коэффициент и коэффициент стока.

Модульный коэффициент К представляет собой отношение стока за какой либо конкретный год к норме стока:

К = Q i /Q 0 = W i /W 0 = h i /h 0 , (22)

и для р. Кегеты за рассматриваемый период К меняется от К =1.58 / 2.39= 0.66 для года с минимальным расходом до К = 3.26 / 2.39 = 1.36 для максимального расхода.

Коэффициент стока - отношение объема или слоя стока к количеству выпавших на площадь водосбора осадков х, обусловивших возникновение стока:

Коэффициент стока показывает, какая часть осадков идет на образование стока.

В курсовой работе необходимо определить характеристики годового стока для принятого к рассмотрению бассейна, приняв норму стока из раздела

Внутригодовое распределение стока

Внутригодовое распределение стока рек занимает важное место в вопросе изучения и расчетов стока как в практическом, так и в научном отношении, являясь в тоже время наиболее сложной задачей гидрологических исследований /2,4,13/.

Основные факторы, определяющие внутригодовое распределение стока и его общую величину, - климатические. Они определяют общий характер (фон) распределения стока в году того или иного географического района; территориальные изменения распределения стока следуют за изменением климата.

К факторам, влияющим на распределение стока в течении года относятся озерность, лесистость, заболоченность, размеры водосборов, характер почв и грунтов, глубина залегания грунтовых вод, и т.д., которые в определенной мере должны учитываться в расчетах как при отсутствии, так и при наличии материалов наблюдений.

В зависимости от наличия данных гидрометрических наблюдений применяются следующие методы расчета внутригодового распределения стока:

при наличии наблюдений за период не менее 10 лет: а) распределение по аналогии с распределением реального года; б) метод компоновки сезонов;

при отсутствии или недостаточности (менее 10 лет) данных наблюдений: а) по аналогии с распределением стока изученной реки-аналога; б) по районным схемам и региональным зависимостям параметров внутригодового распределения стока от физико-географических факторов.

Внутригодовое распределение стока обычно рассчитывается не по календарным годам, а по водохозяйственным, начиная с многоводного сезона. Границы сезонов назначаются едиными для всех лет с округлением до месяца.

Расчетная вероятность превышения стока за год, лимитирующие период и сезон назначается в соответствии с задачами водохозяйственного использования стока реки.

В курсовой работе необходимо выполнить расчеты при наличии гидрометрических наблюдений.

Расчеты внутригодового распределения стока методом компоновки

Исходными данными для расчета являются среднемесячные расходы воды и в зависимости от цели использования расчета - заданный процент обеспеченности Р и деление на периоды и сезоны.

Расчет делится на две части:

межсезонное распределение, имеющее наиболее важное значение;

внутрисезонное распределение (по месяцам и декадам, устанавливаемое с некоторой схематизацией.)

Межсезонное распределение. В зависимости от типа внутригодового распределения стока год делится на два периода: многоводный и маловодный (межень). В зависимости от цели использования один из них назначается лимитирующим.

Лимитирующий-это наиболее напряженный с точки зрения водохозяйственного использования период (сезон). Для целей осушения лимитирующим периодом является многоводный; для целей орошения, энергетики-маловодный.

В период включается один или два сезона. На реках с весенним половодьем для целей орошения выделяются: многоводный период (он же сезон) - весна и маловодный (лимитирующий) период, включающий в себя сезоны; лето-осень и зима, причем лимитирующим сезоном при орошении является лето-осень (при энергетическом использовании-зима).

Расчет выполняется по гидрологическим годам, т.е. по годам, начинающимся с многоводного сезона. Сроки сезонов назначаются едиными для всех лет наблюдений с округлением их до целого месяца. Продолжительность многоводного сезона назначается так, чтобы в границах сезона помещалось половодье как в годы с наиболее ранним сроком наступления, так и с наиболее поздним сроком окончания.

В задании продолжительность сезонов можно принять следующей: весна - апрель, май, июнь; лето-осень - июль, август, сентябрь, октябрь, ноябрь; зима - декабрь и январь, февраль, март следующего года.

Величина стока за отдельные сезоны и периоды определяется суммой среднемесячных расходов (табл. 10). В последнем году к расходу за декабрь прибавляются расходы за три месяца (I, II, III) первого года.

При расчете по методу компоновки внутригодовое распределение стока принимается из условия равенства вероятности превышения стока за год, стока за лимитирующий период и внутри его за лимитирующий сезон. Поэтому необходимо определить расходы заданной проектом обеспеченности (в задании Р=80%) для года, лимитирующих периода и сезона. Следовательно, требуется рассчитать параметры кривых обеспеченности (О 0 , С v и С s) для лимитирующих периода и сезона (для годового стока параметры вычислены выше). Вычисления производятся методом моментов в табл. 10 по схеме, изложенной выше для годового стока.

Определять расчетные расходы можно по формулам:

годового стока

Орасгод = Kр"12Q 0 , (26)

лимитирующего периода

Орасмеж= KрQ0меж, (27)

лимитирующего сезона

Орасло= Kр"Qло (27)

где Kр", Kр, Kр" - ординаты кривых трехпараметрического гамма-распределения, снятые с таблицы соответственно для С v - годового стока. С v меженного стока и С v для лета-осени.

Примечание. Так как расчеты выполняются по среднемесячным расходам, расчетный расход за год требуется умножить на 12.

Одним из основных условий метода компоновки является равенство

Орасгод= Орассез. Однако это равенство нарушится, если расчетный сток за не лимитирующие сезоны определять также по кривым обеспеченности (ввиду различия параметров кривых). Поэтому расчетный сток за не лимитирующий период (в задании - за весну) определяют по разности

Орасвес = Орасгод - Орасмеж, (28)

а за не лимитирующий сезон (в задании-зима)

Орасзим = Орасмеж. - Qло (29)

Расчет удобнее выполнить в форме табл. 10.

Внутрисезонное распределение - принимается осредненным по каждой из трех групп водности (многоводная группа, включающая годы с обеспеченностью стока за сезон Р<33%, средняя по водности 33<Р<66%, маловодная Р>66%).

Для выделения лет, входящих в отдельные группы водности, необходимо суммарные расходы за сезоны расположить по убыванию и подсчитать их фактическую обеспеченность. Так как расчетная обеспеченность (Р=80%) соответствует маловодной группе, дальнейший расчет можно производить для лет, входящих в маловодную группу (табл. 11).

Для этого в. графу «Суммарный сток» выписать расходы по сезонам, соответственные обеспеченности Р>66%, а графу «Годы» - записать годы, соответственные этим расходам.

Среднемесячные расходы внутри сезона расположить в убывающем порядке с указанием календарных месяцев, к которым они относятся (табл. 11). Таким образом, первым окажется расход за наиболее многоводный месяц, последним-за маловодный месяц.

Для всех лет произвести суммирование расходов отдельно за сезон и за каждый месяц. Принимая сумму расходов за сезон за 100%, определить процент каждого месяца А%, входящего в сезон, а в графу «Месяц» записать наименование того месяца, который повторяется наиболее часто. Если повторений нет, выписать любой из встречающихся, но так, чтобы каждый месяц, входящий в сезон, имел свой процент от сезона.

Затем, умножая расчетный расход за сезон, определенный в части межсезонного распределения стока (табл. 10), на процентную долю каждого месяца А% (табл. 11), вычислить расчетный расход каждого месяца.

Орас v = Орасвес А % v / 100% (30)

Полученные данные заносятся в табл. 12 «Расчетные расходы по месяцам» и на миллиметровке строится расчетный гидрограф Р-80% изучаемой реки (рис. 11).

Таблица 12. Расчетные расходы (м3/с) по месяцам