Гидрологический режим рек

При осушении торфяных месторождений реки в большинстве случаев служат водоприемниками, а при противопожарном водоснабжении – водоисточниками. Источником образования и питания рек являются поверхностные и грунтовые воды, стекающие под действием силы тяжести в направлении понижения местности. Процесс формирования реки происходит постепенно. Сначала вода собирается в отдельные струйки, затем в ручьи, а последние, соединяясь, образуют реки. Другими источниками образования и питания рек могут быть болотные массивы, тающие ледники гор, озера.

Место начала реки называется истоком, а место впадения её в озеро, другую реку или море – устьем. При зарождении реки среди болот за исток принимают место с заметным течением. Таким примером может служить исток Волги. Часто истоком бывает место выхода подземных вод, а в некоторых случаях – нижняя тающая часть ледника.

На протяжении от истока до устья река, протекает по извилистому относительно узком и вытянутом углублению земной поверхности, которое называется долиной реки. Речные долины представляют собой узкие, вытянутые в длину, извилистые врезы в земную кору, характеризующимися общим уклоном своего ложа. У долины различают русло и пойму. Наиболее пониженная часть дна долины, выработанная потоком, называется руслом, а часть дна речной долины по одну или обе стороны русла, сложенная наносами, называется поймой. Расстояние между истоком и устьем, измеренное с учетом извилистости, составляет длину реки.

Русло– это часть долины, занятая водой в меженный период, т.е. период низких уровней состояния воды в реке. Пойма– часть долины, затапливаемая водой в период весеннего половодья и во время выпадения обильных дождей в летне-осенний период. Положение русла реки по ширине долины не остается постоянным. Изменение русла в плане зависит от слагающих русло грунтов, уклона, колебаний расхода, смены отложений наносов, кинематики потока и т.д.

В течении длительного периода существования реки такой процесс приводит к образованию на склонах долин ряда террас – более или менее горизонтальных площадок, поднимающихся над уровнем реки небольшим уступом или пологим склоном. Террасы в речных долинах часто проявляются несколькими ярусами, залегающими уступообразно один над другим. Число их бывает невелико – две-три, редко достигает пяти. Различают террасы общие для всей долины и местные, развитые только на ограниченном пространстве.

Современная терраса – пойма, представляющая часть долинного ложа, возникает из прируслового ложа по мере смещения русла реки. Она поднимается над уровнем реки небольшим уступом. В половодье пойма полностью или частично заливается паводковыми водами.

Терраса, возвышающаяся над поймой, называется первой надпойменной террасой. Она имеет небольшую ширину и не затапливается паводковыми водами.

Основными характеристиками гидрологического режима реки являются уровень, скорость и расход реки. Знание этих элементов стока воды в реке имеет большое значение при проектировании и строительстве осушительных систем и гидротехнических сооружений.

Уровень. Уровнем воды называют высоту положения её свободной поверхности относительно постоянной горизонтальной плоскости отсчета. Это одна из главных характеристик открытого потока. Значения уровней определяют габариты проектируемых на водотоках сооружений по высоте; в виде функции уровня Н рассматриваются важнейшие характеристики потока: расход, площадь живого сечения, скорость и др. По уровням строятся графики расходов Q = f(H), скорости V = f(H) и др.

По измерениям уровней накоплен наибольший объем информации. Это объясняется простотой измерения при достаточно высокой точности. Наблюдения за уровнями воды ведут ежедневно. В этих целях на водотоках и водоемах устраивают водомерные посты, которые располагают вблизи населенных пунктов, дорог или других сооружений.

В зависимости от срока действия водомерные посты бывают постоянные и временные. Постоянные или стационарные предназначены для проведения длительных наблюдений за уровнями воды и принадлежат опорной сети управления гидрометслужбы. Их устраивают, как правило, на крупных водотоках, озерах и водохранилищах. Временные посты создают на период проведения изысканий или строительства какого-то сооружения. Временные посты находятся в ведении различных ведомств и организаций.

По конструкции водомерные посты подразделяются на простые, передаточные (дистанционные) саморегистрирующие.

Простые посты, как наиболее часто встречающиеся, подразделяются на реечные и свайные.

Реечный водомерный пост (рис. 1.1) применяют на реках, каналах и др. водных объектах с небольшой амплитудой колебаний уровней. Он состоит из одной или нескольких реек, закрепленных к сваям, устоям и быкам мостов или другим гидротехническим сооружениям. Рейку устанавливают так, чтобы нулевое деление находилось на 0,25-0,5 м ниже уровня УНВ, а верх – на 0,5 м выше УВВ. Высоту уровня воды на реечном посту измеряют от нуля рейки. Для сравнимости наблюдений на различных постах нуль рейки связывают нивелировочным ходом с ближайшим репером

1 – рейка, укрепленная на

свае;

2 – защита рейки от льда и

др.плавающих предметов;

УНВ– уровень наинизших

вод;

УВВ – уровень высоких

вод

Рис. 1.1. Реечный водомерный пост

.

Свайные водомерные посты (рис. 1.2) устанавливают при пологих берегах и больших амплитудах колебаний уровня воды в водотоке или водоеме. Первую сваю устанавливают на берегу выше УВВ, а последнюю – ниже УНВ. Отметки головок свай различаются не более чем на 0,5-0,7 м, а на очень пологих берегах – на 0,2-0,4 м. Головки свай привязывают к отметке ближайшего репера. Уровни воды отсчитывают по переносной рейке, которую устанавливают на ближайшую сваю, находящуюся под водой. На постоянных водомерных постах снятие отчетов производится, как правило, два раза в сутки. В период половодья – чаще.

Рис. 1.2. Свайный водомерный пост: №1, №2, №3, №4, №5 – сваи для установки водомерных реек.

Для автоматических записей колебаний уровня воды на водомерных постах могут устанавливаться самописцы. Наибольшее распространение получил самописец уровня «Валдай».

Результаты наблюдений за уровнями воды записывают в специальный журнал. По этим данным сначала вычисляют среднесуточные уровни и все данные заносят в годовую таблицу уровней. Затем по данным годовой таблицы строят три графика: колебаний (рис. 1.3), повторяемости и обеспеченности уровней (табл.1.1 и рис. 1.4).

Рис. 1.3. График колебаний уровней воды в водотоке

В водном режиме рек можно выделить несколько характерныхфаз.

Половодье – повторяющаяся ежегодно в один и тот же сезон фаза наибольшей водности с длительном периодом высоких уровней, вызываемая таянием снега на равнинах.

Паводок– кратковременная фаза высокой водности реки, которая может многократно повторяться в различные сезоны с интенсивным выпадениям дождей или таянием снега во время оттепелей.

Межень- длительная маловодная фаза, возникающая ежегодно в один и тот же сезон из-за уменьшения питания реки. Характерна длительным стоянием низкого уровня воды. В период межени в речном стоке преобладают подземные воды, дренируемые руслами водотоков.

Повторяемость уровня (частота) – это количество дней (или в абсолютных единицах или в %), в течение которых уровни воды находились в пределах того или иного интервала.

Обеспеченность (или продолжительность) уровня - это часть дней, в течение которых уровни воды находились не ниже того или иного горизонта. В математическом понимании обеспеченность гидрологической величины (уровня, расхода, стока) – это вероятность того, что данное значение гидрологической величины может быть превышено среди совокупности всех возможных её значений. Например, если мы говорим, что обеспеченность уровня воды в реке 120 см равна 25%, то это значит, что в течении 25 лет из 100 уровень воды в реке не опустится ниже 120 см (т. е. будет равен 120 см или будет выше 120 см).

Для построения графиков повторяемости и обеспеченности ежедневные уровни воды разбивают на интервалы, величина которых зависит от амплитуды колебаний уровней. По годовой таблице ежедневных уровней вычисляют число дней стояния уровня в каждом интервале и результаты заносят в таблицу. Суммируя число дней в каждом интервале, определяют повторяемость уровня в днях и процентах.

Таблица 1.1

Повторяемость и обеспеченность уровней.

Рис. 1.4. График повторяемости (1) и обеспеченности (2) уровней воды в водотоке

Обеспеченность уровня в каждом интервале определяют путем сложения с нарастающим итогом от верхнего интервала к нижнему количества дней повторяемости. По данным таблицы строят графики повторяемости и обеспеченности. При этом на оси абсцисс откладывают дни и проценты, а на оси ординат уровень. Эти графики дают возможность наглядно показать, какое количество дней уровни воды находились в пределах того или иного интервала (графики повторяемости) и продолжительность этого уровня (график обеспеченности). По этим графикам определяют бытовой (или меженный) горизонт (наиболее часто повторяющийся уровень) и уровни воды любой обеспеченности. Все эти параметры необходимы при решении задач, связанных с определением пропускной способности реки, каналов, гидротехнических сооружений, площади затопления.