Елементи водного режиму і методи спостережень за ними

(По Л. К. Давидову)

Під впливом ряду причин, про які буде сказано нижче, змінюються витрати води в річках, положення рівневої поверхні її ухили і швидкості течії. Сукупна зміна витрат води, рівнів, ухилів і швидкостей течії в часі називається водним режимом, а зміна величин витрат, рівнів, ухилів і швидкостей окремо - елементами водного режиму.

Витратою води (Q) називається то кількість води, яке протікає через дане живий перетин річки в одиницю часу. Величина витрати виражається в м 3 / с. Рівень води (H) - висота поверхні води (в сантиметрах), яка відлічується від деякої постійної площині порівняння.

Спостереження за рівнями і методи їх обробки

Спостереження за коливанням рівня проводяться на водомірних постах (рис. 73) і полягають у вимірі висоти водної поверхні над деякою постійної площиною, прийнятої за початкову, або нульову. За таку площину зазвичай приймають площину, що проходить через позначку трохи нижче найнижчого рівня води. Абсолютну або відносну оцінку цій площині називають нулем графіка, в перевищення над яким і даються всі рівні.

Мал. 73. Свайний водомірний пост (а) і відлік рівня води по переносний рейці (б).

Вимірювання проводяться за допомогою водомірної рейки з точністю до 1 см. Рейки бувають двох типів - постійні і переносні. Постійні рейки прикріплюються до підвалин мостів або до палі, забитої в дно русла біля берега. При пологах берегах і великих амплітудах коливань рівнів спостереження за ними проводяться за допомогою переносної рейки. Для цього в русло річки і на заплаві забивається ряд розташованих в створі паль.

Відмітки головок паль зв'язуються нівелюванням з репером водомірного поста, встановленим на березі, абсолютна або відносна відмітка якого відома. Переносний рейкою, яка встановлюється на головці палі, вимірюють рівень води. Знаючи позначку головки кожної палі, можна висловити все виміряні рівні в перевищеннях над нульовою поверхнею, або нулем графіка. Спостереження на водомірних постах зазвичай проводяться 2 рази на добу - о 8 і 20 годин. У період, коли рівні швидко змінюються, протягом доби проводяться додаткові спостереження через 1, 2, 3 або 6 годин. Для безперервної реєстрації рівнів протягом доби застосовуються самописці рівнів, опис яких можна знайти в підручнику гідрометрії (В. Д. Биков і А. В. Васильєв). Там же можна ознайомитися з автоматичним режимним реєструючим (рівень і температуру води) гідрологічним постом. Перехід до автоматизованої паспортної системи спостережень прискорює отримання гідрологічної інформації та підвищує ефективність її використання.

За даними всіх вимірювань обчислюються середні рівні за кожен день і складаються таблиці щоденних середніх рівнів за рік. У цих таблицях поміщаються, крім того, середні рівні за кожен місяць і за рік і вибираються найвищі і найнижчі рівні за кожен місяць і рік.

Середні, найбільші і найменші рівні називаються характерними рівнями. Дані спостережень за рівнями публікуються в СРСР в спеціальних виданнях - гідрологічних щорічниках. У дореволюційний період ці дані публікувалися в "Відомостях про рівні води на внутрішніх водних путяхУкаіни за спостереженнями на водомірних постах".

За даними щоденних спостережень за рівнями будуються графіки їх коливань, що дають наочне уявлення про рівень режимі за даний рік.

Методи вимірювання швидкостей течії річок

Швидкості течії річок зазвичай вимірюються або поплавками, або гідрометричних вертушками. В окремих випадках величина середньої швидкості для всього живого перетину обчислюється за формулою Шезі. Найпростіші і найбільш часто вживані поплавці виготовляються з дерева. Поплавці скидаються в воду на малих річках з берега, на великих - з човна. За секундоміром визначається час t проходження поплавця між двома сусідніми створами, відстань l між якими відомо. Поверхнева швидкість течії прирівнюється швидкості руху поплавця

Більш точно швидкості течії вимірюються за допомогою гідрометричної вертушки. Вона дозволяє визначати осредненную швидкість течії в будь-якій точці потоку. Вертушки бувають різних типів. В СРСР в даний час рекомендуються до вживання модернізовані гідрометричні вертушки Жестовская і Бурцева ГР-21М, ГР-55, ГР-11.

При вимірюванні швидкостей вертушка на штанзі або тросі опускається в воду на різні глибини так, щоб її лопаті були спрямовані проти течії. Лопаті починають обертатися, і тим швидше, чим більше швидкість течії. Через певний число обертів осі вертушки (зазвичай через 20) за допомогою спеціального пристосування подається світловий або звуковий сигнал. За проміжку часу між двома сигналами визначається число оборотів в секунду.

Вертушки таріруется в спеціальних лабораторіях або на заводах, де вони виготовляються, т. Е. Встановлюється залежність між числом оборотів лопаті вертушки в секунду (n об / с) і швидкістю течії (v м / с). З цієї залежності, знаючи п, можна визначити v. Вимірювання вертушкою виробляються на кількох вертикалях, в декількох точках на кожній з них.

Методи визначення витрат води

Витрата води в даному живому перерізі може бути визначений за формулою

де v - середня швидкість для всього живого перетину; w - площа цього перерізу. Остання визначається в результаті промірів глибин русла річки по поперечному створу.

За наведеною формулою витрата обчислюється лише в тому випадку, якщо швидкість визначена за формулою Шезі. При вимірюванні швидкостей поплавками чи вертушкою на окремих вертикалях визначення витрати проводиться інакше. Нехай в результаті вимірів відомі середні швидкості для кожної вертикалі. Тоді схема обчислення витрат води зводиться до наступного. Витрата води можна представити у вигляді обсягу водяного тіла - моделі витрати (рис. 76 а), обмеженого площиною живого перетину, горизонтальною поверхнею води і криволінійною поверхнею v = f (H, В), яка б показала зміна швидкості по глибині і ширині потоку. Цей обсяг, а отже, і витрата виражається формулою

Так як математично закон зміни v = f (H, В) невідомий, витрата обчислюється наближено.

Мал. 76 Схема до обчислення витрат води. а - модель витрати, б - частковий витрата.

Модель витрати можна розділити вертикальними площинами, перпендикулярними площі живого перетину, на елементарні обсяги (рис. 76 б). Загальний витрата обчислюється як сума часткових витрат AQ, кожен з яких проходить через частину площі живого перетину wi, укладену між двома швидкісними вертикалями або між урізу і найближчій до нього вертикаллю.

Таким чином, загальна витрата Q дорівнює

де К - змінний параметр, що залежить від характеру берега і змінюється від 0,7 до 0,9. При наявності мертвого простору K = 0,5.

Середня швидкість для всього живого перетину при відомому витраті води Q обчислюється за формулою vcр = Q / w.

Для вимірювання витрат води застосовуються і інші методи, наприклад на гірських річках використовується метод іонного паводка.

Докладні відомості щодо визначення та обчислення витрат води викладаються в курсі гідрометрії. Між витратами води і рівнями існує певна залежність Q - f (H), відома в гідрології як крива витрат води. Подібна емпірична крива представлена ​​на рис. 77 а.

Вона проведена по виміряним витратам води в річці в період, вільний від льоду. Точки, що відповідають зимовим витрат води, лягають вліво від річної кривої, так як витрати, виміряні при льодоставі Qзім (при одній висоті стояння рівня), менше літніх Qл. Зменшення витрат є наслідком збільшення шорсткості русла при льодових утвореннях і зменшення площі живого перетину. Співвідношення між Qзім і Qл. виражається перехідним коефіцієнтом

не залишається постійним і змінюється в часі зі зміною інтенсивності льодових утворень, товщини льоду і шорсткості його нижньої поверхні. Хід змін Кзім = f (Т) від початку замерзання до розкриття показаний на рис. 77 б.

Крива витрат дозволяє визначати щоденні витрати води річки по извест-ним рівнями, що спостерігаються на водомірних постах. Для періоду, вільного від льоду, користування кривої Q = f (H) не викликає ускладнень. Щоденні витрати при льодоставі або інших льодових утвореннях можна визначити за допомогою тієї ж кривої Q = f (H) і хронологічного графіка Kзім = f / (T), з якого знімаються значення Кзім на потрібну дату:

Існують і інші способи визначення зимових витрат, наприклад по "зимової" кривої витрат, якщо її вдається побудувати.

Однозначність кривої витрат води в ряді випадків порушується і в період, вільний від льоду. Найбільш часто це спостерігається при нестійкому руслі (намив, розмив), а також при виникненні змінного підпору, викликаного розбіжністю ходу рівнів цієї річки і її притоки, роботою гідротехнічних споруд, зарастанием русла водною рослинністю та іншими явищами. У кожному з цих випадків вибираються ті чи інші способи визначення щоденних витрат води, що викладаються в курсі гідрометрії.

За даними щоденних витрат води можна обчислити середні витрати за декаду, місяць, рік. Середні, найбільші і найменші витрати за даний рік або за ряд років називаються характерними витратами. За даними щоденних витрат будується календарний (хронологічний) графік коливань витрат води, званий гидрографом (ріс.78).

Мал. 78. Гидрограф.