Уровенный режим рек и гидрологические посты

В естественных условиях уровень воды в реках существенно изменяется с течением времени. Под уровнем воды понимается положение водной поверхности относительно условной плоскости, имеющей постоянную высотную отметку.

Главной причиной колебания уровней воды в реках и водоемах являются колебания стока. С увеличением расхода воды уровни воды растут. В пределах меженного русла до выхода воды на пойму связь между расходами и уровнями является однозначной – каждому значению расхода воды соответствует свое значение уровня воды. Эта зависимость называется кривой расходов. В том случае, если размеры поперечного сечения в створе наблюдений не изменяются во времени, кривая расходов представляет стабильную характеристику гидрологического режима. Эта зависимость имеет нелинейный характер, причем с ростом уровня воды расход растет все быстрее.

Кривая расходов воды является характеристикой конкретного створа реки. Непостоянство размеров русла по длине реки, а также разнообразие русловых форм, приводят к различию между режимом расходов и уровней воды в отдельных пунктах реки. Если под действием текущей воды с течением времени изменяется рельеф дна в створе измерения расходов воды, то в результате изменяется характер связи между расходами и уровнями воды.

В ряде случаев однозначность кривой расходов нарушается. При наступлении высоких уровней воды происходит затопление поймы. На реках с широкими поймами на графике зависимости расхода от уровня воды образуется петля (рис. 3.1).

Существенное нарушение связи между расходами и уровнями воды происходит в зимний период при установлении ледового покрова. В это время появляется дополнительное сопротивление движению воды. Поэтому в зимний период расходы воды всегда меньше, чем летом при соответствующих значениях уровня воды.

Сильное влияние на изменение уровней воды в реке оказывают крупные притоки. В главной реке выше створа впадения притока происходит местное повышение уровней воды – подпор, который распространяется вверх по реке. Его величина и протяженность зависят от соотношения расходов воды. Если уровни воды в главной реке выше, чем в боковом притоке, то в этом случае приток находится в подпоре от реки. Подпор возникает также при возведении подпорных гидротехнических сооружений на реках. Кроме этого, явление подпора наблюдается в естественных условиях в меженный период, когда перекаты подпирают движение воды в вышележащих плесовых лощинах.

В озерах и водохранилищах, и на устьевых участках рек уровни воды изменяются вследствие ветровых нагонов и сгонов. В результате длительного воздействия ветра со стороны моря водные массы перемещаются в направлении устья реки, что приводит к повышению отметок уровня воды в прибрежной области – нагон. На вышележащем участке реки создается подпор, который распространяется вверх по реке на несколько десятков километров. Такова, в частности, природа регулярных наводнений, происходящих в г. Санкт-Петербурге в результате ветровых нагонов в устье р. Невы.

Под воздействием ветров обратного направления в прибрежной области наблюдаются явления сгона воды.

В устьях рек, впадающих в море, на уровни воды влияют приливы и отливы. Эти явления представляют собой периодические колебания уровня моря, которые происходят два раза в сутки, они связаны с изменением взаимного расположения Земли, Солнца и Луны. Колебания уровней воды и другие сопутствующие явления в устьях рек, обусловленные приливами и отливами, аналогичны нагонам и сгонам. Амплитуда колебания уровней воды в северных морях достигает 1-2 метра и более и сильно зависит от характера приустьевого морского побережья. Например, на реке Сев. Двина изменение уровня воды в результате приливно-отливных явлений наблюдается на протяжении 120 км от устья. Во внутренних морях амплитуда этих колебаний составляет 0.1-0.2 метра и не оказывает существенного влияния на судоходные условия в устьях рек.

Наблюдения над уровнями воды ведутся ежедневно в специальных пунктах, которые называются гидрологическими постами. Они заключаются в периодической или непрерывной фиксации высоты уровня в определенных пунктах водного объекта. Уровни, наблюдаемые на гидрологическом посту, выражаются в превышениях над особой плоскостью сравнения, которая называется нулем графика поста. Каждый пост имеет свой нуль графика. Высота уровня над нулем графика обозначается буквой Н. Гидрологические посты оборудуются двумя реперами – основным и контрольным. Реперы являются геодезическими пунктами высотного обоснования, привязанными к государственной высотной сети. Обычно для каждого репера определяется превышение над уровнем моря – над нулем Кронштадского футштока. Реперы, устанавливаемые на гидрологическом посту, закрепляют высоту нуля графика в виде величины превышения репера над плоскостью нуля графика.

В зависимости от водного объекта, на котором оборудован гидрологический пост, последний носит название речной или озерный. Если на речном посту одновременно с уровнями измеряются расходы воды, то такой пост является расходным. Все остальные посты называются уровенными.

По целевому назначению посты подразделяют на опорные и специальные. Опорные посты предназначены для получения характеристик водного объекта в течение длительного времени для обеспечения потребностей различных отраслей народного хозяйства. Они действуют длительное время (постоянно) и находятся в ведении Роскомгидромета – Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Специальные посты организуются различными ведомствами для решения практических задач и действуют обычно непродолжительное время.

По конструкции водомерных устройств посты делятся на реечные, свайные, смешанные, автоматические и передвижные.

Реечный пост представляет собой деревянную или металлическую рейку с делениями, прикрепленную в вертикальном или наклонном положении на откосе гидротехнического сооружения, устое моста, сваях или набережной. Водомерные рейки устанавливают таким образом, чтобы нулевое деление было погружено в воду на 0.5 м ниже самого низкого уровня воды, наблюдаемого в течение года, а верхнее деление было поднято на 0.5 м выше максимального уровня воды (рис. 3.2).

Реечные посты устраивают на реках, каналах и озерах с незначительной амплитудой колебания уровней. При выборе места установки реечного поста должна быть предусмотрена защита рейки от повреждения ледоходом и от навала судов. Обычно водомерные рейки прикрепляются с низовой по течению стороны стенки.

Свайный пост представляет собой систему свай, забитых в русло реки в створе, перпендикулярном направлению течения (рис. 3.3). Опорные постоянные свайные посты оборудуют стандартными металлическими сваями с винтовой нарезкой. Для специальных временных постов обычно применяют деревянные сваи диаметром 20-25 см, в голову которых после установки забивают барочный гвоздь с широкой шляпкой или костыль. Длина свай составляет около 1.5 м. Высота головок свай над поверхностью земли принимается равной 0.1-0.25 м. Нумеруются сваи по порядку, сверху вниз.

Количество свай для устройства поста зависит от угла наклона берегового откоса и амплитуды колебания уровней воды. Расстояние между соседними сваями принимают в пределах от 2 до 5 м, а разность высот головок двух смежных свай – 0.4-0.8 м. Верхняя и нижняя сваи забиваются соответственно на 0.5 м выше максимального и на 0.5 м ниже минимального уровней воды.

Свайные посты используются на равнинных реках со значительной амплитудой колебания уровней воды. Высоту уровня воды в реке на свайном посту измеряют с помощью переносной водомерной рейки. При производстве наблюдений водомерную рейку устанавливают на головку ближайшей к берегу затопленной сваи и по ней производят отсчет уровня.

Смешанный пост представляет собой сочетание реечного и свайного постов. Он устанавливается в створе реки с резким переломом поперечного профиля. Наблюдения по рейке ведут в обрывистой части берега, а по сваям – в пологой.

Автоматический пост применяют в тех случаях, когда в течение суток наблюдаются значительные изменения уровня воды. Основной частью автоматического поста является самописец – прибор для непрерывной записи колебания уровня. Различают два вида устройства такого поста: береговую (рис. 3.4, а) и островную (рис. 3.4, б) установки. Островная установка самописца имеет простую конструкцию и более экономична.

Колебания уровня передаются на самописец посредством уравновешенного поплавка, плавающего на поверхности воды. Запись колебания уровня производится на ленту барабана самописца в виде непрерывной кривой изменения уровня воды во времени.

С целью проверки правильности работы автоматического самописца поблизости устраивают контрольный пост (реечный или свайный). Наблюдения по этому посту эпизодически наносят на ленту самописца в виде контрольных засечек.

Передвижной (баржевый) пост организуется для наблюдения за уровнями воды непосредственно в районе изыскательских работ. Он относится к разряду специальных постов и устанавливается примерно посредине участка, на котором выполняются исследования. Такой пост состоит из рейки или из сваи, забиваемой в дно у берега. При изменении стоянки партии пост устраивается на новом месте. Первое наблюдение на новом посту производится одновременно с последним наблюдением на старом посту.

Наблюдения за колебаниями уровней воды на гидрологических постах производят, как правило, дважды в сутки – в 08 и 20 час по местному времени. При устойчивых уровнях ограничиваются наблюдением один раз в сутки в 08 час утра. В том случае, если уровни в течение суток изменяются значительно, наблюдения производят чаще, 4-8 раз в сутки. Высота уровня измеряется с точностью до 1 см. Для того, чтобы наблюдения за отдельные годы были сопоставимы между собой, показания высоты уровня приводят к нулю графика поста, имеющему постоянную отметку.

На гидрологических постах кроме водомерных наблюдений производят измерения температур воды и воздуха, толщины льда и снега, наблюдения за ветром, волнением, осадками, вскрытием и замерзанием реки.