Лекция N10

Cодержание: Типы питания рек. Фазы водного режима. Гидрографы стока воды.

Классификация по видам водного питания. Физико-географические

и антропогенные факторы, влияющие на распределение стока

в году. Методы определения внутригодового распределения стока

при наличии многолетних данных.

Типы питания рек. Основной источник питания всех рек на земном шаре - атмосферные осадки. Часть осадков аккумулируется на поверхности Земли в виде снежного покрова. Снег, накопившийся в более высоких горах, в отдельные годы стаивает не весь, тем самым пополняет запасы вечных снегов и дает начало ледникам. Талые воды этих снегов и ледников являются еще одним источником питания рек. Грунтовые и подземные воды являются также источником питания рек.

Таким образом существует четыре источника питания рек - дожди, снежный покров, высокогорные снега и ледники и подземные воды.

Количество воды, которое получают реки от того или иного источника питания, различны в различных районах и меняется в различные сезоны года. Эти различия зависят главным образом от климатических условий.

А.И. Воейковым все реки разделяются на следующие типы (или классы):

Тип А. Реки, получающие воду от таяния снега на равнинах и на невысоких горах (до 100 м).

Тип В. Реки, получающие воду от таяния снега в горах.

Тип С. Реки, получающие воду от дождей и имеющие половодье в летнее время.

Тип Д. Реки, у которых половодье происходит вследствие таяния снега весной или в начале лета.

Тип Е, F. Вода доставляется дождями.

Тип Y. Отсутствие рек и вообще постоянных водотоков вследствие сухости климата.

Тип Н. Страны, где дождливое время коротко и реки имеют воды тогда и несколько времени после.

Тип I. Страны без рек, вследствие того, что они сплошь покрыты снегом и ледниками.

Фазы водного режима. Годовой цикл водного режима рек можно подразделить на несколько характерных частей, называемых фазами водного режима. Число, продолжительность и характерные особенности водного режима определяется условиями питания и изменением этих условий в течение года.

Основными фазами водного режима являются половодье, межень летняя и зимняя, фаза осенних дождевых паводков, вызываемых обложными дождями. Число фаз может быть неодинаковым для различных рек и колеблется от двух до четырех.

Половодьем называется ежегодно повторяющееся приблизительно в один и тот же сезон года длительное и значительное увеличение водности рек, вызывающее подъем ее уровня.

Весеннее половодье представляет собой основную фазу водного режима рек чисто снегового, преимущественно снегового и смешанного с преобладанием снегового типа питания.

Основным элементом весеннего половодья является, начало и конец половодья, его продолжительность, максимальный расход и уровень продолжительности подъема и спада и объем стока.

Летнее половодье Связано с прохождением обильных летних дождей и спадом волны весеннего половодья.

Летняя межень. После окончания весеннего половодья на равнинных реках наступает межень, в течение которой основным источником питания рек являются подземные воды и дожди летнего периода.

Фазы осенних дождевых паводков. Обложные дожди осеннего периода, выпадающие на водосборе бассейна рек вызывают подъем уровней и нарастание расходов.

Зимняя межень. Зимняя межень в основном совпадает с периодом ледостава. Исключение составляют лишь реки районов с теплым климатом и реки горных районов. Период зимней межени - сезон пониженного стока. В это время реки переходят на питание за счет подземных и грунтовых вод.

Гидрограф стока воды. Календарные последовательности изменения стока реки называется гидрографом. Гидрограф дает полное представление о внутригодовом распределении стока. Генетический анализ формы гидрографа дает возможность количественно оценить долю различных видов питания рек в годовом объеме стока.

Различают гидрограф за конкретный год, расчетный гидрограф, типовой гидрограф и единичный гидрограф.

Классификация по видам водного питания. Основываясь на особенности водного режима рек СССР Б.Д. Зайков разработал классификацию рек страны по характеру водного режима. По Зайкову все реки СССР делятся на три группы: а) реки с половодьем, б) реки с половодьем в летнее время года и в) реки с паводочным режимом.

На территории России наиболее распространены реки с весенним половодьем. В зависимости от характера половодья и режима расходов в остальное время года В.Д. Зайков подразделяет первую группу рек на пять типов: казахстанский, восточноевропейский, западносибирский, восточносибирский и алтайский. К группе рек с половодьем в летнее время года относятся реки двух типов: дальневосточного и тяншанского.

Третью группу рек Б.Д. Зайков разделяет на три типа: причерноморский, крымский, северокавказский.

Другой вид классификации предложил М.И. Львович. В основу своей классификации Львович заложил два признака: тип питания рек и сезонное распределение стока.

Количественная оценка питания произведена путем расчленения гидрографов (снеговое, дождевое, ледниковое и грунтовое). В тех случаях, когда один из типов (источников) питания имеет более 80% годового стока. Соответственно этому типу придается исключительное значение, а остальные типы не учитываются.

Если вклад данного типа питания колеблется от 50 до 80% годового стока, то ему придается преимущественное значение. И, наконец, когда ни один из типов питания не превышает 50%, река относится с смешанному питанию.

Физико-географические и антропогенные факторы, влияющие на распределение стока в году. Формирование речного стока происходит под действием многих причин, среди которых выделяют основные и дополнительные.

Основным фактором, определяющим величину стока и его распределение во времени и по территории является климат. Из всех климатических факторов наибольшую роль играют осадки и испарение, которые непосредственно входят в уравнение водного баланса. Другие климатические факторы, такие как температура, влажность воздуха и скорость ветра хотя в балансе вод речного бассейна непосредственно не принимают участия, но они влияют на осадки и испарение.

К числу дополнительных физико-географических факторов, влияющих главным образом на распределение стока в году входит рельеф, почвенно-геологические условия, растительность, густота речной сети, озерность, заболоченность и др.

На формирование стока также имеет большое влияние хозяйственная деятельность человека. Так например, создание водохранилищ вызывает увеличение расходной части водного баланса речного бассейна (испарения и аккумуляции), что связано с уменьшением речного стока. Орошение, создавая совершенно новые условия водного режима почвы, вызывает усиленные безвозвратные потери на испарение и транспирацию и тем самым уменьшает величину стока рек. Поверхностный сток может значительно изменяться вследствие влияния различных агротехнических мероприятий и гидротехнических сооружений. При помощи этих мероприятий изменяются не только величины стока, но и его распределение во-времени и в пространстве.

Методы определения внутригодового распределения стока при наличии многолетних данных. При расчете внутригодового распределения стока применяют следующие методы: водного баланса, компоновки и реального года.

Метод водного баланса. Этот метод наиболее обоснован с генетической точки зрения. Из уравнения водного баланса следует, что

(1)

где х - осадки, мм; z - суммарное испарение, мм; u - аккумуляционный член, учитывающий накопление и стаивание снега и льда, накопление и расходование почвенных и грунтовых вод, изменение запасов воды в русле, пойме, водоемах и поверхности водосбора, мм.

В практике инженерных гидрологических расчетов внутригодового распределения стока этот метод широко не применяют.

Метод компоновки. Этот метод предложен Г.И. Швецом для рек Украины и внедрен в практику проектирования для любых физико-географических условий В.Г. Андреяновым. Рекомендуется для расчета внутригодового распределения стока воды при наличии данных гидрометрических наблюдений за период не менее 15 лет, в который должны входить маловодные, многоводные и средневодные годы.

Расчет по методу компоновки делится на две части: межсезонное распределение. Имеющее наиболее важное значение и рассчитываемое более точно; внутрисезонное распределение (по месяцам и декадам), устанавливается приближенно с некоторой схематизацией.

Межсезонное распределение стока не остается постоянным из года в год. Его исследование и расчет можно выполнять методами математической статистики. Незначительными коррелятивными связями между сезонным стоком смежных лет пренебрегают.

При расчете межсезонного распределения стока год обычно делят на два основных периода: многоводный и маловодный. С целью детализации межсезонного распределения, необходимой для практических задач проектирования, один из периодов можно разделить, в свою очередь, на два сезона. Всего в году должно быть не более трех сезонов.

В зависимости от типа внутригодового распределения стока и целей его использования один из периодов принимают за лимитирующий. Лимитирующий - это критический период, в котором естественный сток лимитирует водопотребление, то есть создаются наиболее неблагоприятные условия для работы водохозяйственной установки. Внутри лимитирующего периода выделяют лимитирующий сезон. Так, для рек с весенним половодьем, используемых для орошения, лимитирующий период - межень, а лимитирующий сезон - летне - осенний. При энергетическом использовании таких рек лимитирующий период - также межень, а лимитирующий сезон - зима. Для рек с летним половодьем при ирригационном использовании их за лимитирующий период принимают маловодный период, включающий осень, зиму и весну, а за лимитирующий сезон - весну. При проектировании осушения или мероприятий по борьбе с наводнениями лимитирующим будет многоводный год.

Расчет внутригодового распределения стока ведут не по календарным, а по водохозяйственным годам, которые начинаются с многоводного периода. Сроки сезонов назначают едиными для всех лет ряда наблюдений, округляя их до целого месяца. Продолжительность многоводного сезона следует назначать так, чтобы в принятых границах помещалось фактическое половодье за все годы как с наиболее ранним сроком его наступления, так и с наиболее поздним сроком окончания.

Сток за отдельные сезоны и периоды года выражают либо суммой среднемесячных расходов воды, либо слоем. Например, если весенний периодвключает март, апрель и май, то, суммируя расходы за эти месяцы и каждому году имеющегося ряда наблюдений, получают ряд значений стока за весенний период.

Распределение стока по сезонам компонуется (проектируется) на основе следующего положения: обеспеченности стока за год Q_r, за лимитирующий период Q_л.п. лимитирующий сезон Q_л.с. принимаются одинаковыми и равными заданной (расчетной), то есть

(2)

Значения стока расчетной обеспеченности за год, лимитирующие период и сезон, определяют по кривым обеспеченности (аналитическим или эмпирическим), причем их параметры устанавливают одним из рассмотренных ранее методов (наибольшего правдоподобия, моментов, графоаналитическим). Расчетная обеспеченность назначается в соответствии с нормами проектирования в зависимости от целей использования стока. Таким образом вычисляют:

(3)

(4)

(5)

где Q_{p r,} Q_{p л.п,} Q_{p л.с - расходы расчетной обеспеченности соответственно за год, лимитирующие период и сезон, м}³/с; К_{p r,} К_{p л.п,} К_{p л.с - ординаты кривой обеспеченности соответствующего годового стока, лимитирующих периода и сезона; л.п,} -среднемноголетние значения стока соответственно за год, лимитирующий период и сезон, _м³/с.

В связи с различием в степени изменчивости стока по сезонам и за год (различием С_v) и существованием коррелятивной связи между значениями сезонного стока сумма сезонных стоков не равна годовому стоку той же обеспеченности. Поэтому в методе компоновки сток не лимитирующего периода определяют как разность между стоком за год и лимитирующего периода:

(6)

Аналогично вычисляют расчетный сток и за не лимитирующий сезон:

(7)

Таким образом, в результате расчета межсезонного распределения стока получают расчетные значения стока за год и за каждый сезон.

Внутригодовое распределение стока зависти от водности сезона. Поэтому расчет внутри сезонного распределения выполняют отдельно для следующих групп: многоводной, к которой относится сток с обеспеченностью p< 33%, средней - с обеспеченностью от 33 до 66% и маловодной - с обеспеченностью р>66%.

Для периода межени определяют помесячное распределение стока. При половодье ввиду значительной внутримесячной неравномерности стока рекомендуется ввести расчет по декадам.

Для каждого сезона значения стока располагают в порядке убывания и вычисляют их эмпирическую обеспеченность. В соответствии с ней ряд сезонных значений стока разбивают на группы водности с примерно одинаковым числом членов ряда в каждой группе.

Затем для каждой группы водности посезонно суммируют месячные (декадные) расходы за все годы, входящие в соответствующую группу, определяя суммарный сток за сезон. Также посезонно за каждый год составляют ранжированный (по убыванию) ряд месячных расходов с указанием календарных месяцев, к которым они относятся, и подсчитывают суммы расходов за соответствующий месяц. Путем деления полученных сумм расходов за каждый месяц на сумму расходов за сезон устанавливают среднее для данной группы водности относительное распределение стока по месяцам внутри сезона в процентах от суммарного стока за этот сезон. Этот месячный сток относят к тому календарному месяцу, который встречается наиболее часто.

Умножая процентное распределение стока внутри сезона на расчетный сток за соответствующий сезон, получают значения месячный (декадных) расходов воды для года расчетной обеспеченности. Полученное таким образом распределение стока по каждому сезону для каждой группы водности и принимается за расчетное внутригодовое распределение стока.

Метод реального года. Этот метод, также как и метод компоновки, рекомендуется применять при наличии данных гидрометрических наблюдений за период не менее 15 лет. Он состоит в том, что из числа фактических гидрографов в качестве расчетного выбирают тот, у которого обеспеченности годового стока, лимитирующего периода и сезона, а также минимального (или максимального) месячного расхода, близки к расчетной обеспеченности, заданной условиями проектирования.

Отклонения обеспеченностей значений стока от требуемой должны быть не более 20%.

Расчеты выполняют в такой последовательности.

Для всего периода наблюдений подсчитывают суммы месячных расходов воды за год, лимитирующие периоды и сезон, а также минимальный (для маловодного года) или максимальный (для многоводного года) месячный расход. Полученные значения располагают в порядке убывания, вычисляют их эмпирическую обеспеченность (в процентах) по формуле

(8)

и указывают водохозяйственные годы, к которым они относятся.

Из рассматриваемого ряда лет выбирают год, в котором обеспеченности годового стока и стока за лимитирующие период и сезон, а также минимального или максимального расхода наиболее близки друг к другу и одновременно близки к заданной (расчетной) по условиям проектирования обеспеченности.

Для выбранного года устанавливают относительное распределение стока по месяцам и сезонам (в % годового стока). Умножая расчетный годовой сток Q_{p%, найденный по кривой обеспеченности, на процентную долю каждого месяца, вычисляют расчетный расход каждого месяца. Полученное таким образом распределение стока, приведенное к году заданной обеспеченности, принимают в качестве расчетного распределения.}