Гидрология Литература 1 Михайлов В Н

Гидрология

Литература 1. Михайлов В. Н. , Добровольский А. Д. , Добролюбов С. А. Гидрология. – М. : Высшая школа, 2005. 2. Гидрология и гидротехнические сооружения: Учебник для вузов по спец. "Водоснабжение и канализация" /Под редакцией Г. М. Смирнова. – М. : Высшая школа, 1988. 3. Железняков Г. В. , Неговская Т. А. , Овчаров Е. Е. Гидрология, гидрометрия и регулирование стока. – М. : Колос, 1984. 4. СП 33 101 2003. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. М. : Госстрой России, 2003.

Введение

Гидрология – это наука изучающая свойства воды, процессы, протекающие в водных объектах, к которым относятся с точки зрения водоснабжения реки, водохранилища, озера, моря и подземные источники, зависимость характеристик водных объектов от физико географических факторов. Предметом изучения гидрологии являются водные объекты: q q q q океаны, моря, реки, озера, водохранилища, болота, скопления влаги в виде снежного покрова, ледников, почвенных и подземных вод.

Разделы гидрологии суш гидрология моря или океанология предметом изучения являются все водные объекты, расположенные в пределах суши изучает океаны и моря земного шара и процессы, протекающие в них

Гидрометрия является важнейшей частью гидрологии, в которой изучаются средства и методы изучения величин, характеризующих движение и состояние вод и режим водных объектов. Инженерная гидрология – это раздел гидрологии, изучающий вопросы, связанные с проектированием и строительством гидротехнических сооружений, с изменением режима водотока или водоема после возведения сооружений.

Регулирование стока (искусственное) осуществляется с помощью возведения плотин и создания водохранилищ с целью изменения режима естественного стока для удовлетворения нужд различных отраслей народного хозяйства. Сток регулируется путем накопления воды в водохранилище в период половодья и паводков и расходования воды в период превышения потребления над притоком.

1. ВОДА НА ЗЕМНОМ ШАРЕ

Распространение воды на Земле

n Прерывистая водная оболочка Земного шара носит название гидросферы. n Прерывистость гидросферы объясняется дискретным расположением озер, рек, ледников и других водных объектов в пределах суши. n Гидросфера включает в себя воды Мирового океана и воды суши в жидком и твердом состоянии.

Объем гидросферы Части гидросферы Мировой океан Подземные воды, в том числе зоны активного водообмена Ледники Озера и водохраилища Почвенная влага Пары атмосферы Речные воды Итого Объем воды тыс. км 3 1 370 323 60000 % от общего объема 93, 96 4, 12 4 000 280 85 14 1, 2 1454193 0, 27 1, 65 0, 019 0, 006 0, 001 0, 0001 100

Приблизительное представление о пресноводной части гидросферы Части гидросферы Объем пресной воды, км 3 Ледники 24 000 Подземные воды 4 000 Озера и водохранилища 155000 Почвенная влага 83 000 Пары атмосферы 14000 Речные воды 1 200 Итого 28 253 200 % от данной % от общего части объема гидросферы пресной воды 100 6, 7 55 98 100 - 85 14 0, 6 0, 3 0, 05 0, 004 100

Круговорот воды в природе

Между водными объектами гидросферы – океанами, морями, реками, озерами, болотными и подземными водами земной коры – осуществляется непрерывный водообмен, благодаря которому утрачивается дискретный характер гидросферы.

КРУГОВОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ

Пояснения к рисунку: А 1 – осадки, выпадающие над сушей; А 2 – осадки, выпадающие над океаном; Б 1 – испарение с суши; Б 2 – транспирация растительностью; Б 3 – испарение с озер и рек; Б 4 – испарение с океана; В 1 – инфильтрация воды в почву; В 2 – потребление воды растительностью; В 3 – подземный сток воды в реки и озера; В 4 – подземный сток воды в океан; Г – поверхностный сток в озера и реки.

Основные звенья в круговороте воды: n атмосферное, n океаническое, n материковое, включающее: q q q q литогенное, почвенное, речное, озерное, ледниковое, биологическое, хозяйственное.

Водный баланс

n Соотношение за какой либо промежуток времени прихода, расхода и аккумуляции воды в целом для всей поверхности Земли или для ее крупных регионов называют водным балансом. n Математическое выражение, описывающее водный баланс, называется уравнением водного баланса.

Уравнение водного баланса: n для поверхности Мирового океана (малый круговорот) n для периферийных областей суши, имеющих сток в океан (большой круговорот) n для областей внутреннего стока

n для Земного шара в целом где X – годовая сумма осадков, Z – испарение, Y – сток речных вод за год; индексы при буквенных выражениях обозначают: 0 – океан, l – периферийную часть суши, l, i – области внутреннего стока, g – Земля в целом.

Метод водного баланса основан на следующем очевидном равенстве: q для любого объема пространства, ограниченного некоторой произвольной поверхностью, количество воды, вошедшее внутрь этого объема, за вычетом количества воды, вышедшего наружу, должно равняться увеличению (или соответственно уменьшению) количества ее внутри данного объема. Водный баланс речного водосбора отражает важные с точки зрения гидрологии звенья процесса круговорота воды в природе. При анализе воднобалансовых соотношений многие гидрологические явления рассматриваются в их совокупности и взаимодействии.

Приходную часть баланса влаги в рассмат риваемом объеме будут составлять: q q осадки х, выпавшие за рассматриваемый период времени на поверхность выделенного объема; количество влаги z 1, конденсирующейся в почве и на ее поверхности; количество воды w 1, поступившей путем подземного притока; количество воды у1, поступившей на данную площадь через поверхностные водотоки (русловой и склоновый сток).

Расходование влаги из рассматриваемого объема может осуществляться следующими путями: q q q испарение z 2 с поверхности воды, снега, почвы, растительного покрова и транспирация; отток воды w 2 путем подземного стока; стекание воды у2 поверхностными водотоками (русловой и склоновый сток).

Чтобы получить равенство приходной и расходной частей уравнения баланс нужно: q q в левую (приходную) часть уравнения добавить член и 1, характеризующий убыль запасов влаги за рассматриваемый период, в правую (расходную) часть член и 2, характеризующий прибыль запасов влаги.

Уравнение баланса влаги для произвольного контура и произвольного промежутка времени напишется в виде: Уравнение баланса влаги для речного бассейна, для которого можно точно провести линию водораздела, то в этом случае замкнутую линию водосбора будет пересекать только один вытекающий водоток:

Самое общее выражение баланса влаги для речного бассейна можно записать в виде: Применяя это уравнение к бассейну, достаточно большому, можно пренебречь членом w, убывающим с возрастанием площади. Применительно к этому случаю уравнение напишется в виде:

Если применить предыдущее уравнение баланса к периоду гидрологического года, то член ± и будет означать накопление или расходование подземных вод: Применительно к многолетнему периоду, включающему в себя и засушливые и влажные годы, уравнение можно написать: Применительно к бессточному бассейну, не имеющего стока (у = 0), уравнение баланса для многолетнего периода примет следующий вид:

Определения и классификация водных объектов

n n n Мировой океан – это непрерывное водное пространство, занимающее ~71% поверхности Земли (310 млн. км 2). По физико географическим условиям Мировой океан подразделяется на отдельные океаны – крупнейшие части Мирового океана, ограниченные с разных сторон не связанными между собой материками. В свою очередь, в каждом из океанов выделяют моря – более или менее обособленные и достаточно обширные районы океана, обладающие собственным гидрологическим режимом, создающимся под влиянием местных условий и затрудненного водообмена с прилегающими районами океана.

Моря по степени их обособленности от океана и физико географическим условиям делятся на три основные группы: q q q внутренние, которые в свою очередь подразделяют на средиземные и полузамкнутые; окраинные; межостровные.

n n n Заливом часто называют часть моря, вдающуюся в сушу и достаточно открытую для воздействия прилегающих вод. Бухтой называют небольшой залив с устьем уже самого залива, ограниченный островами или полуостровами, несколько затрудняющими водообмен между бухтой и прилегающим водоемом. На севере России глубоко вдающиеся в сушу заливы, в которые обычно впадают реки, называют губами. Извилистые, узкие, глубоко вдающиеся в материк заливы, образовавшиеся в связи с ледниковой эрозией, называют фиордами. Лиманом называют затопленную морем устьевую часть речной долины или балки в результате незначительного опускания суши.

n Лагуной называют: q q n неглубокий водоем, отделенный от моря н результате отложения наносов в виде берегового бара и соединенный с морем узким проливом; участок моря между материком и коралловым рифом или внутри атолла. Проливом называют относительно узкую часть Мирового океана, соединяющую два водоема с достаточно самостоятельными природными условиями.

Озера – это естественные водоемы с замкнутым водообменом, образовавшиеся в результате заполнения водой впадин на поверхности суши. Такую впадину или углубление называют озерной котловиной. n n Озера могут быть сточными и бессточными. По качеству воды озера могут быть пресные и соленые. Озерные котловины могут быть образованы под воздействием эндогенных или экзогенных факторов. Рекой называют водный поток сравнительно больших размеров, как правило, питающийся атмосферными осадками и подземными водами и текущий в разработанном им русле, т. е. наиболее пониженной части речной долины.

n n n Большая река протекает через несколько географических зон. Сюда условно относятся равнинные реки с площадью водосбора больше 50 тыс. км 2. Средняя река протекает в пределах одной географической зоны; это равнинные реки с площадью водосбора в пределах от 2 до 50 тыс. км 2. Малая река, которая в течение года не пересыхает или пересыхает на короткое время, протекают в равнинной местности и имеют площадь водосбора 1… 2 тыс. км 2. В зависимости от условий формирования своего режима реки могут быть: равнинные ; горные ; озерные (протекающие через озера или берущие начало в озере) ; болотные (протекающие через болота или имеющие в составе площади водосбора большой процент болото) ; карстовые (получающие свое питание за счет подземных вод, наполняющие пустоты карста).

В зависимости от того, в какой степени соответствует режим реки режиму других рек данной географической зоны, различают: q q q реки с зональным режимом, т. е. режим ее соответствует режиму других рек этой зоны; реки с азональным режимом, т. е. ее режим в силу местных условий и особенностей площади ее водосбора отличается от режима других рек этой географической зоны; реки с полизональным режимом – это, как правило, крупные реки, протекающие через несколько географических зон, режим которых формируется под влиянием факторов, свойственных различным географическим зонам.

n n n Половодьем называют ежегодно повторяющиеся в одно и то же время период, характеризующийся продолжительным и высоким подъемом уровня или наибольшей водностью. Паводок в отличие от половодья возникает нерегулярно и характеризуется быстрым, сравнительно непродолжительным подъемом уровня в каком либо фиксированном створе реки и почти столь же быстрым спадом. Меженью называют периоды, характеризующиеся низкой водностью вследствие снижения поступления воды с водосборной площади.

Водохранилищем называют искусственный водоем, создаваемый и целях накопления (хранения) водных запасов и регулирования речного стока. Водные запасы, накопленные в периоды, когда естественный приток превышает потребление, расходуются, когда приток воды не покрывает потребление.

Водные ресурсы России Водные ресурсы Удмуртии Самостоятельно

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕКАХ

Река и ее притоки

n n Река – это водный поток сравнительно больших размеров, как правило, постоянный, текущий в разработанном им русле и питающийся за счет поверхностного и подземного стока. Река, впадающая в океан, море или озеро, называется главной рекой. Реки, впадающие в главную реку, носят название притоков. Речной системой называют совокупность всех рек какой либо территории, сливающихся вместе и выносящих воды через главную реку в океан, море или озеро.

Речная система р. Волга

n n n Место начала реки, с которого она определяется в виде постоянного потока, называют истоком. Место впадения реки в океан, море, озеро или другую реку называют устьем. Различают две основные формы сопряжения речных потоков с морем: дельта и эстуарий. Дельтой называют форму устья реки, которая чаще всего образуется на мелководных участках моря или озера при впадении в них рек, транспортирующих большое количество наносов. При незначительном содержании в реке наносов устье имеет форму эстуария — воронкообразно расширенного устья реки в виде морского залива.

Формы устьев рек: а – дельта; б – эстуарий.

n n n Протяженность - суммарная длина всех рек, составляющих данную систему. Длина реки - расстояние от истока реки до ее устья (км). Степень извилистости характеризуется коэффициентом извилистости: L - длина реки, измеренной на карте, l длина прямой, соединяющей исток и устье.

Примеры извилистости рек: Коэффициент извилистости: I – 1, 0; II – 1, 2; III – 1, 5.

n Речная сеть имеет различную разветвленность, которая зависит : от рельефа местности ; климата ; характера грунтов ; растительного покрова. Коэффициент густоты речной сети определяется отношением суммы длин всех рек бассейна данной реки (включая и пересыхающие) к площади бассейна F:

Речной бассейн

n n n Бассейном называют часть земной территории, с которой вода по поверхности и подземным путем стекает в отдельную реку. Бассейн реки определяют до устьевого створа или любого створа по длине реки. Границами бассейна служат : поверхностный водораздел ; подземный водораздел.

Морфометрические характеристики бассеина: n коэффициент развития водораздельной линии – это отношение длины водораздельной линии Lw к длине окружности круга, имеющего площадь, равную площади бассейна F:

n n n площадь бассейна определяется как площадь горизонтальной проекции территории, ограниченной поверхностным водоразделом; длиной бассейна Lb называют расстояние по прямой от замыкающего створа или устья главной реки до самой удаленной точки бассейна; средняя ширина бассейна (м) равна площади бассейна, деленной на его длину:

n средний уклон между горизонталями ii равен отношению разности отметок горизонталей ΔHi к среднему горизонтальному проложению между ними b i: Средний уклон всей поверхности бассейна ib, m вычисляют как средневзвешенное из значений уклонов частных площадей между горизонталями: где F – площадь бассейна, равная сумме частных площадей.

Физико-географические характеристики бассейна: n n n n n географическое положение, рельеф водосбора, климатические условия, геологическое строение, почвенный и растительный покров, промерзание почвогрунтов, залесенность, озерность, заболоченность, наличие ледников.

Речная долина и русло

n n n Реки текут в узких, вытянутых в длину, обычно извилистых пониженных формах рельефа, характеризующихся общим наклоном дна, образованного деятельностью текущей воды. Эти углубления земной коры называют долинами. Основными элементами поперечного профиля зрелой речной долины являются : русло в период межени (низких расходов), правобережная и левобережная поймы, склоны долины, террасы и др.

Схема поперечного профиля долины реки

1 – превышение берега; 2 – бровка левого берега долины; 3 – урез воды; 4 – левый берег; 5 – глубина долины; 6 – уровень половодья; 7 – ширина поймы правого берега; 8 – правый берег; 9 – бровка правого берега; 10 – высота склона; 11 – крутизна склона; 12 – подошва склона; 13 – высота берега; 14 – крутизна берега; 15 – урез воды; 16 – ширина реки в межень; 17 – ширина реки в половодье; 18 – ширина долины; 19 – ширина поймы левого берега; 20 – при русловая часть поймы; 21 – центральная часть поймы; 22 – притеррасная часть поймы.

n n n Русло – наиболее пониженная часть долины, выработанная речным потоком, по которой осуществляются перемещение большей части донных наносов, транспортируемых рекой, и сток воды в междупаводочные периоды. Часть дна долины, которая затапливается в периоды высокой водности, носит название поймы. Линию пересечения поверхности воды в русле с берегом называют урезом воды.

Морфологические элементы участка реки плес–перекат: а – план; б – продольный профиль по фарватеру и поперечные профили русла; 1 верхняя коса (пески); 2 – нижняя коса (пески); 3 –. верхняя плесовая лощина; 4 – то же, нижняя; 5 седловина; 6 – корыто; 7 – напорный скат; 8 – подвалье; 9 – гребень (вал); 10 – фарфатер; 11 – изобаты; 12 – затонская часть нижней плесовой лощимы; 13 – глубина проектная и более; 14 – глубина менее проектной

n n Линия, идущая по наибольшим глубинам в речном русле, носит название фарватера. Сечение потока плоскостью, перпендикулярной динамической оси потока, называют водным сечением потока. Уровень воды – высота поверхности воды, отсчитываемая относительно некоторой постоянной плоскости сравнения. Урез – это линия пересечения свободной поверхности воды с берегом.

Основными морфологическими характеристиками живого сечения: n Шириной живого сечения Вr называют расстояние между урезами правого и левого берегов: n Площадь живого сечения ωr:

n Средняя глубина живого сечения n Максимальная глубина русла по поперечному профилю реки drmax. Смоченный периметр χ представляет собой длину подводного контура поперечного сечения, т. е. длину линии дна между урезами. Гидравлический радиус n n

Продольный профиль реки, поперечный уклон

n Графическое изображение продольного вертикального разреза русла по линии фарватера или по его средней линии с указанием высотного положения свободной поверхности в межень или половодье и линии дна при движении от истока к устью называют продольным профилем реки.

Продольный профиль участка реки: 1 – поверхность воды; 2 – дно реки; h 1 и h 2 – отметки поверхности воды (дна); l – длина участка реки.

n n Разность отметок Δh=h 1 - h 2, взятую с обратным знаком, называют падением свободной поверхности (дна) на выделенном участке реки. Отношение падения Δh к длине данного участка реки определяет уклон поверхности воды (дна):

Питание рек

Три основные вида питания рек: n n n Дождевое питание происходит за счет обложных дождей и ливней, выпадающих в пределах речных водосборов. Снеговое питание обусловлено таянием твердых осадков, аккумулирующихся на земной поверхности в виде снежного покрова. Подземное питание формируется за счет просачивания в верхние слои земли части талых и дождевых вод.

Ледовый режим

n Для практических целей расчет толщины ледяного покрова можно производить по эмпирической формуле: где hi – искомая толщина льда, см; Σt – – сумма отрицательных средних суточных температур воздуха. n При использовании средних месячных температур воздуха формула принимает вид

Движение воды в реках

n n При неравномерном движении уклон, скорости, живое сечение изменяются по длине потока, оставаясь неизменными во времени в данном сечении потока. При неустановившемся движении потока все гидравлические элементы его (уклон, скорость, площадь живого сечения потока) на рассматриваемом участке потока изменяются во времени и по длине.

Эпюра скоростей течения воды по вертикали

Изотахи в открытом русле (а) и подо льдом (б): 1 – уровень воды; 2 – изотахи; 3 – снег; 4 – лед.

Поперечные течения

Циркуляционные течения на прямолинейном участке русла: 1 – план поверхностных и донных струй; 2 – циркуляционные течения в вертикальной плоскости; 3 – винтообразные течения.

Циркуляционные течения на изогнутом участке русла: 1 – план поверхностных и донных струй; 2 – циркуляционные течения в вертикальной плоскости; 3 – винтообразные течения.

3. РЕЧНОЙ СТОК И ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

Основные характеристики стока

Поверхностный сток делят на: q q склоновый, происходящий по склонам местности, русловой, происходящий по руслам рек и временных водотоков.

Характеристики для количественной оценки речного стока: n n Расход воды Q (м 3/с) — количество воды, протекающее через поперечное сечение потока (живое сечение потока) в секунду. Объем стока W м 3 или км 3 — количество воды, протекающее в русле реки через данный замыкающий створ за промежуток времени Т суток: где Q — средний расход в м³/с за время Т суток; 86400 — число секунд в сутках.

n Модуль стока М л/(с*км 2) — количество воды, стекающей с единицы площади в единицу времени: где F — водосборная площадь, в км². n Слой стока Y — слой воды в миллиметрах, равномерно распределенной по площади F и стекающей с водосбора за некоторый промежуток времени Т суток: n Слой стока за год в миллиметрах:

n Коэффициент стока — отношение величины слоя стока с данной площади за некоторый промежуток времени к величине слоя атмосферных осадков, выпадающих на эту площадь за тот же промежуток времени, т. е = Y/X, 0 ≤ ≤ 1.

n n Годовым стоком называют количество воды, стекшее с данного бассейна за год. Норма стока – это средние значения годового стока за многолетний период, включающий несколько полных (не менее двух) циклов колебаний водности реки при неизменных географических условиях и одинаковом уровне хозяйственной деятельности в бассейне реки. Максимальным стоком (высоким стоком) называют объем или слой стока за время прохождения основной волны половодья или за период наибольшего дождевого паводка. Минимальным стоком (низким стоком) называют наименьший сток рек, наблюдающийся в межень (летнюю или зимнюю).

Обеспеченность гидрологических характеристик

n n n Средние годовые расходы обрабатываемого ряда наблюдений располагаются не в календарной последовательности, а в порядке убывания, формируя статистический ряд данных (без привязки к дате). Такой ряд значений характеристики за ограниченный период наблюдений рассматривается как выборка (часть) из более длинного ряда (генеральной совокупности), расположенного в таком же порядке. Разность между наибольшим (xmax) и наименьшим (xmin) значениями в ряду по убыванию представляет амплитуду или варьирование величин в ряду.

Гистограммой распределения Кривая повторяемости

n n Гистограмма распределения рассматриваемой переменной величины показывает, что число членов (частота) в интервалах увеличивается с обеих сторон по мере приближения к среднему интервалу, т. е. увеличивается повторяемость. Наименьшее число членов ряда попадает в первый и последний интервалы, что соответствует закону больших чисел, по которому чем больше отклонение какого либо значения в данном ряду от среднего, тем меньше вероятность появления такой величины.

n n При бесконечном увеличении числа интервалов с бесконечным уменьшением каждого интервала ступенчатая гистограмма распределения превращается в плавную кривую распределения вероятностей, которую называют кривой повторяемости. Последовательным суммированием относительных частот в пределах выделенных интервалов начиная от наибольшего значения получают суммарную (интегральную) кривую распределения вероятностей, которую называют кривой обеспеченности.

Схема построения по кривой распределения вероятностей кривой обеспеченности

n Для статистического ряда исходных данных вероятность превышения или обеспеченность характеристики Рm (%), занимающей m е место в ряду, равна n С увеличением числа лет наблюдений (в пределе до бесконечности) получают теоретическую вероятность превышения исследуемой величины Р (%):

n Нормами по определению расчетных гидрологических характеристик рекомендуется вести расчет эмпирической ежегодной вероятности превышения по формуле: n Определение повторяемости характеристики по ее расчетной обеспеченности производится по формулам:

Особенности расчета максимального стока

n n Максимальным расчетным расходом называют расход, на пропуск которого рассчитывают водопропускные и водосбросные отверстия гидротехнических сооружений, мостовые отверстия и т. д. Все постоянные сооружения разбиты по капитальности на четыре класса; I, III и IV; для них принимаются соответственно обеспеченности 0, 01, 0, 5 и 1, 0%.

Максимальные расходы разделяют по их происхождению на: q q q максимумы, формирующиеся от снеготаяния (с учетом возможной составляющей от дождя), максимумы, формирующиеся от дождей (с учетом возможной составляющей от снеготаяния), максимумы, смешанные, которые рассчитывают раздельно.

Для практических целей оценка продолжительности имеющегося ряда наблюдений, достаточного для проведения расчетов, может быть произведена по приближенной зависимости где Nmin —минимальная длина ряда, годы; Р% —вероятность превышения (в долях единицы) вычисляемого расхода воды KCv = 2. . . 3 в зависимости от коэффициента вариации.

При проектировании сооружений первого класса водопропускные отверстия рассчитывают на пропуск расхода, полученного прибавлением к максимальному расчетному расходу обеспеченностью Р = 0, 01 %, определенному по кривой обеспеченности гарантийной поправки:

Гарантийную поправку назначают для учета возможности совпадения периода наблюдений за максимальным стоком реки с относительно низкими половодьями и паводками: где а — коэффициент, характеризующий гидрологическую изученность реки (а=1, 0 для изученных рек, а=1, 5 для слабоизученных); Ер% — случайная средняя квадратическая ошибка расчетного расхода воды Р% = 0, 01; nb — число лет наблюдений с учетом приведения к многолетнему периоду.

Особенности расчета минимального стока

В строительном проектировании водохозяйственных сооружений минимальный расчетный расход определяют в зависимости от принадлежности объекта к той или иной отрасли народного хозяйства главным образом в диапазоне обеспеченностей 75. . . 97%. Основными расчетными характеристиками минимального стока являются: n минимальный среднесуточный расход, n минимальный средний месячный расход за календарный месяц или за 30 суток с наименьшими расходами воды. n

5. ГИДРОМЕТРИЯ

Гидрометрия изучает средства и методы изучения величин, характеризующих движение и состояние вод и режим водных объектов. Задачи гидрометрии: n разработка приборов и методов количественного определения различных характеристик; n систематическое изучение гидрологического режима водных объектов для получения многолетних рядов наблюдений за: q уровнями, q скоростями течений, q элементами волн, q расходами и стоком воды и наносов, q температурным режимом, q распределением плотности, q химическим составом воды, q ледовыми явлениями и т. д.

Задачи инженерной гидрометрии: q организация и наблюдение за режимом водных объектов при строительстве и эксплуатации различных инженерных сооружений, влияющих на естественный режим водоемов. Гидрометрия подразделяется на: q q q гидрометрию атмосферных вод, гидрометрию океанов и морей, озер и водохранилищ, гидрометрию рек, подземных вод и т. д.

Состав основных гидрометеорологических работ на реках и водоемах: q q q q q наблюдения за уровнем и его колебаниями; промерные работы для изучения глубин и рельефа дна водных объектов; наблюдения за уклонами водной поверхности (на реках); наблюдения за температурой воды, замерзанием и вскрытием водоемов, состоянием ледяного покрова; измерение скоростей и направлений течений; наблюдение за цветом, прозрачностью, плотностью и химическим составом воды; измерение параметров волнения; определение расхода и стока воды и наносов; определение механического и петрографического состава наносов и донных отложений.

Измерение уровней

Уровень воды – это высотное положение поверхности воды в данной точке относительно условной горизонтальной неизменной по высоте плоскости отсчета. Основные отсчеты положения уровня в обычных условиях снимаются: q q на реках дважды в сутки — в 8 и 20 ч; на морях четыре раза — в 3, 9, 15 и 21 ч.

Место, оборудованное для наблюдения за уровнем, называют водомерным постом. Водомерные посты в зависимости от срока их действия могут быть: n постоянными и временными. По своей конструкции водомерные посты, могут быть: q q простыми (реечные, свайные и свайно реечные); передаточными. Передаточные делятся на посты с: q q неавтоматическими отметчиками уровня воды; автоматическими отметчиками уровня воды.

Свайный водомерный пост (а) и отсчет уровня воды по переносной рейке (б).

Схема устройства самописца уровня

Промерные работы

Глубиной реки, моря и т. д. называют расстояние по вертикали от поверхности воды до дна. Цели промерных работ: q q q гидрографические исследования объектов, гидрометрические работы, для нужд судоходства, проектирование и эксплуатация различных гидротехнических сооружений, в связи с выправительными и берегозащитными работами на реках, озерах, водохранилищах и морях.

При измерении глубин применяют: q q механический способ, акустический способ. При механическом способе используют: q q q наметку, лот ручной, лот механический.

Схема измерения глубины эхолотом: Глубину воды d (м) вычисляют по формуле: 1 — вибратор излучатель; 2 — вибратор приемник; 3 забортное устройство; 4 — кабели.

Измерения глубин ведут: q q q по поперечникам, по продольникам, косым галсам.

Измерение скоростей течения воды

Способы измерения течений могут быть разделены на две группы: q q способы поплавочные, при которых для определения течения наблюдают за движением плавающих предметов, естественных или искусственных (поплавков), способы вертушечные, при которых скорость течения определяют в фиксированной точке с помощью неподвижно установленных приборов по измерению давления потока воды на лопастные винты этих приборов.

Схема измерения скоростей течения воды поверхностными поплавками: 1 — пусковой створ; 2 — верхний створ; 3 — главный створ; 4 — нижний створ; 5 — магистраль

Устройство гидрометрической вертушки

Распределение скоростей и расходов в живом сечении безнапорного потока: а — изотахи, распределение скоростей и расходов; б — эпюра скоростей

Определение расходов воды

Схема к вычислению расхода воды. а — модель расхода, б — частичный расход

Общий расход Q: где К — переменный параметр, зависящий от характера берега и изменяющийся от 0, 7 до 0, 9.

Гидрограф

n n Измерение расхода наносов и содержание растворенных в воде веществ. Наблюдения за ледовым режимом. Обобщенные методы расчетов регулирования стоков. Регулирование водохранилищами стока половодий и паводков. Самостоятельно.

7. ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

Гидроузел – это комплекс гидротехнических сооружений для решения основных вопросов в области водоснабжения и водоотведения. В соответствии с назначением различают следующие гидроузлы: q q энергетические, транспортные, водозаборные, водохранилищные (регулирующие сток).

Гидротехнические сооружения классифицируют по основным признакам: q q категориям надежности (срокам службы и капитальности) и целевому назначению, по специфическим признакам, например по их конструкции, месту расположения и т. п. По срокам службы гидротехнические сооружения делят на: q постоянные: n n q основные, второстепенные; временные.

Основные гидротехнические сооружения: n n n n плотины, дамбы, водозаборные сооружения, судоходные, деривационные, магистральные и оросительные каналы, водосбросные сооружения, туннели, трубопроводы, коллекторы, различные типы бассейнов, резервуаров и емкостей, накопители отходов промышленных производств, n n n n регуляционные (выправительные) сооружения, здания гидроэлектростанций, шлюзы, судоподъемники и причалы, насосные станции, охлаждающие устройства в системах оборотного водоснабжения, рыбопропускные и рыбозаградительные сооружения.

Второстепенные гидротехнические сооружения: q q временные причалы, перемычки, отводные каналы, ремонтные затворы и др.

Постоянные гидротехнические сооружения в соответствии с требованиями СНи. П 2. 06. 01 86 по капитальности делят на четыре класса.

n n Класс второстепенных гидротехнических сооружений принимают на единицу меньше класса основных гидротехнических сооружений. Категорию надежности подачи воды в централизованные системы водоснабжения устанавливают в соответствии с требованиями СНи. П 2. 04. 02 84*. Категория системы водоснабжения Обеспеченность минимальных среднемесячных расходов воды поверхностных источников, % Длительность снижения подачи воды на хозяйственнопитьевые нужды не более 30 % расчетного расхода, не более, сут. Перерыв в подаче воды, не более I 95 3 10 мин. II 90 10 6 ч. III 85 15 24 ч.

Общие гидротехнические сооружения делят по назначению на: q q водонапорные, берегозащитные и регуляционные или выправительные сооружения, водоподводящие, водосбросные и водопропускные сооружения. Специальные гидротехнические сооружения делят на: q q q сооружения водного транспорта, лесосплавные, использования водной энергии, сооружения мелиоративных систем, рыбного хозяйства, водоснабжения и водоотведения.

n n n Верхний бьеф – это акватория перед плотиной выше по течению. Нижний бьеф – это водоток за плотиной ниже по течению. Напорная грань – это откос плотины со стороны верхнего бьефа. Низовая грань – это откос со стороны нижнего бьефа. Гребень плотины – верх плотины. Подошва плотины – основание плотины.

n n n Пороги — это стенки высотой до 1, 5 м в русле реки, заглубленные в размываемый грунт дна. Запруды — небольшие плотины высотой от 1, 5 до 3 м. Продольные дамбы представляют собой значительные по длине земляные сооружения, возводимые с целью регулирования русл реки, защиты территории от затопления, ограждения каналов и т. д.

Плотины разделяют на две основные группы: q q водоподъемные (или русловые), водохранилищные. По высоте плотины делят на: q q низкие, средней высоты, высокие, сверхвысокие. Земляные плотины считаются: q q q низкими с напором до 15 м, средней высоты с напором от 15 до 50 м, высокие с напором более 50 м.

Каменно земляные и каменные плотины считаются: q q низкими с напором до 20 м, средней высоты с напором от 20 до 70 м, высокими с напором от 70 до 150 м, сверхвысокими с напором более 150 м. Гидроузлы по высоте классифицируются: q q q низконапорные с подпором до 10 м, средненапорные с подпором от 10 до 40 м, высоконапорные с напором свыше 40 м.

По способу пропуска воды плотины делят на глухие и водосливные. Плотины по материалам, из которых их возводят, подразделяют на: q q q q грунтовые (земляные, каменно земляные, каменные), бетонные, железобетонные, деревянные, металлические, тканевые, комбинированные.

По условиям пропуска строительных и эксплуатационных расходов воды грунтовые плотины подразделяют на: q q q глухие, фильтрующие, переливные. Земляные плотины по способу производства работ делят на: q q q насыпные, намывные, полунамывные.

По конструкции земляные плотины делят на: q q плотины из однородных материалов, таких, как суглинок, супесь, песок (а), плотины с экраном, расположенным по верховому напорному откосу и выполняемые обычно из суглинка, глины или торфа и реже из асфальтобетона или полимерных материалов (б). плотины с водонепроницаемым ядром выполняют из глинистых материалов однородными или с диафрагмой из бетона, железобетона или металла (в). плотины смешанного типа выполняют из разнородных грунтов (г, д, е). .

Типы намывных плотин: n из однородных грунтов без внутреннего ядра; n из неоднородных грунтов, в которых водонепроницаемое ядро создается из наиболее мелких частиц; n полунамывные плотины.

n n Каменно земляные плотины возводят из грунтов различной крупности. Противофильтрационные устройства (экраны и ядра) выполняют из грунтового материала. Каменные плотины возводят из крупнообломочного материала с противофильтрационными устройствами из дерева, бетона, асфальтобетона, металла или полимерных пленок.

По способу производства работ каменные плотины делят на: q q насыпные, набросные, взрывонабросные, из сухой кладки камня.

По конструкции бетонные и железобетонные плотины различают: n гравитационные, n облегченные гравитационные: q q n n с расширенными швами у основания, с продольной полостью у основания, с экраном на напорной грани, с анкеровкой у основания. контрфорсные, арочные плотины.

Водозаборные сооружения подразделяют на: q q q городские, промышленные, оросительные и т. д. Водозаборные сооружения разделяют: q по виду источника: n n q по способу отбора вод: n n q речные, озерные, водохранилищные и морские; бесплотинные и плотинные; по надежности подачи воды в зависимости от категории водопотребителя – на три категории.

Затворы по положению относительно уровня верхнего бьефа делят: q q на поверхностные и донные; по назначению: на основные, ремонтные и аварийные, по материалу: на стальные, из алюминиевых сплавов, железобетонные, деревян ные, тканевые; по способу передачи давления воды на плотину: на передающие давление на быки и устои плотины или на флютбет плотины и передающие давление на элементы плотины.

По способу перекрытия водосливного отверстия различают: цельные затворы (перекрывающие все отверстие) и n затворы, перекрывающие отверстие по частям (по высоте или ширине пролета). n По способу движения различают: на затворы с поступательным движением (скользящие, колесные и катковые), с вращательным движением, перекатываемые и плавучие. n По способу привода различают: с механическим приводом, гидравлическим приводом.

Каналы по назначению разделяют на: q q q энергетические, судоходные, водопроводные, оросительные, осушительные, обводнительные, подводящие, сбросные, рыбоходные, лесосплавные, комплексные.

Берегозащитные сооружения предназначены для защиты берегов рек, озер, водохранилищ и морей от размыва и разрушения волнением (волновая абразия), течениями и льдом. По характеру взаимодействия с волнением, течением и потоком наносов их подразделяют : n n n на волноотбойные, волногасящие, пляжеудерживающие. По сроку службы берегозащитные сооружения делят : n n постоянные, временные.

По расположению относительно уреза воды берегозащитные сооружения могут быть : n n поперечными, продольными.

Регуляционные сооружения классифицируют по различным признакам и делят: q q q q по срокам службы — на сооружения долговременного и кратковременного действия; по характеру регулирования— паводкового и меженного регулирования; по соотношению максимального уровня воды и отметки гребня сооружения — на затопляемые и незатопляемые; по сквозности — на глухие и сквозные; по типу строительных материалов — на каменно набросные, свайные, грунтовые, каменно хворостяные, и др. ; по конструкции — на тяжелые и легкие; по расположению относительно уреза воды — на продольные и поперечные, изменяющие направление и характер течения.

Накопители по назначению делят на: q q q золоотвалы тепловых электростанций, хвостохранилища обогатительных фабрик цветной и черной металлургии, накопители производственных сточных вод, шламонакопители, отстойники промышленных предприятий и го родских очистных сооружений, гидроотвалы вскрышного грунта, пруды отстойники, нефтенакопители, иловые и песковые площадки, площадки для обезвоживания и накопления осадка водопроводных очистных сооружений, пруды испарители.

По условиям складирования накопители разделяют на: q q намывные, емкость которых создается непрерывным намывом ограждающих дамб, наливные, емкость которых создается заранее путем обвалования территории дамбами. По расположению на местности в зависимости от ее рельефа накопители делят на: q q q q балочно овражные, косогорные, равнинные, пойменные, подводные, котлованные, котловинные.