Тема: Гидрология суши. Гидрофизические поля Черного моря

Цель:Закрепить и проверить знания студентов, полученные на лекционных и практических занятиях

Время:2 часа

Контрольные вопросы

1. Особенности гидрофозических полей Черного моря.

2. Особенности гидрохимических полей Черного моря.

3. Характеристика Основного Черноморского течения.

4. Защитные гидротехнические сооружения.

5. Сероводородная зона Черного моря, сульфатредукция.

6. Особенности гидрологии Черного моря.

7. Особенности гидрологии Азовского моря.

8. Циркуляция вод в Черном море.

9. Роль сгонно-нагонных колебаний в гидрохимическом режиме Черного моря.

10. Гидрологические исследования, цель, объект.

11. Основные исследуемые гидрологические элементы.

12. Приборы, используемые в гидрологических исследованиях.

13. Методы исследования оптических характеристик воды.

14. Биолюминесценция в море.

15. Проблема загрязнения гидросферы

16. Зоны концентрирования загрязняющих веществ в морях и пресноводных

водоемах, их накопление в донных отложениях.

17. Эвтрофикация водоемов.

18. Гидрохимический и гидробиологические режимы водоемов (заморы и гипоксия).

19. Основные закономерности распределения загрязняющих веществ в Мировом океане.

20. Основные характеристики водохранилища.

21. Практическое значение батиграфических кривых.

22. Срок заиления водохранилища, его зависимость от определенных факторов.

23. Расчет мертвого объема водохранилища, его практическое значение.

24. Озера, характеристики и особенности гидрологического режима.

25. Продольный профиль реки, водный баланс бассейна реки.

26. Фазы водного режима: половодье, паводки, межень. Классификация рек по водному режиму.

27. Речной сток и его составляющие.

28. Опасные природные явления, обусловленные динамикой подземных вод и техногенные факторы, способствующие их перерастанию в катастрофы.

29. Водный баланс и гидрологический режим болот, влияние их осушения на речной сток.

30. Экологическая эффективность морской экосистемы.

31. Характеристики режима реки.

32. Определение скорости потока. Формула Шези.

33. Расчет расхода воды в реке.

34.Кривая расходов, практическое значение.

35. Гидрограф, принцип построения.

36. Схема разбивки гидрографа, типы питания рек.

Литература

1. Конспект лекций по дисциплине «Гидрология».

2. Великанов М.И.Гидрология суши, Л.: Гидрометиздат, 1953.

3. Метеорология, гидрология вод суши и океана, Под ред. Алехина. Л.: «Гидрометеоиздат»,1970.

4. Пясковский Р.В., Померанец К.С. Наводнения. Математическая теория и предсказания, Л.: Гидрометеоиздат, 1982.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №1-2

Тема: Расчет расхода воды в реках, построение гидрографа.

Цель:1.Ознакомиться с основным методом гидрологического анализа;

2.Рассчитать по предложенным данным расход воды в реке;

3. Научиться строить и анализировать гидрограф.

Время:2часа

Методика выполнения

Расход воды и его изменения во времени – это одна из основных характеристик режима реки. Знать величину расхода воды важно при определении влияния сброса промышленных и бытовых вод на водные объекты – реки, моря, озера, т.к. расход воды учитывается при расчете разбавления сточных вод поверхностными водами. На основе этого рассчитывается коэффициент разбавления сточных вод. В свою очередь коэффициент разбавления используется для расчетов нормативов ПДС сточных вод. Постановлением КБ Министров №1100 от 16.08.96г. установлен порядок разработки нормативов ПДС. Чем больше коэффициент разбавления, тем будет меньше влияние сброса на водный объект. Чем больше воды в реке, тем меньше влияние на нее сброса.

Водность реки определяется площадью водосбора и количеством осадков, т.е. климатическим фактором.

Одним из важнейших элементов режима реки является ее уровень.

Уровень воды в реке – это высота свободной поверхности воды над некоторой условной поверхностью. Изменения уровня вдоль реки, взятые по отношению к некоторой условной плоскости, дают нам продольный профиль реки, изменение уровня, расхода и скорости обычно идут параллельно, в более или менее строгой связи.

Оценку степени водности потока в различные периоды времени проводят путем определения расхода воды.

Расход воды может быть определен непосредственно путем измерения скорости течения и площади живого сечения. Измерение скоростей течения в реке является одним из основных видов гидрометрических работ и ведется на гидрологических постах, станциях и створах. Знание скоростей течения важно также для судоходства и лесосплава, при строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений на реках (плотин, мостов, водозаборов и т.д.) поток воды всегда распадается на ряд струй, имеющих различные скорости движения и образующих завихрения и вертикальные циркуляции. Характер и распределения скоростей внутри речного потока определяется уклоном дна, рельефом речного бассейна и дна реки, кривизной русла, наличием препятствий на дне реки (водной растительности, наносов и др.). Скорости течения измеряют на гидрологическом створе, в котором различают промерные и скоростные вертикали. Прямое измерение скорости течения может быть проведено при помощи поплавков, гидрологических вертушек, гидрометрических трубок, лазерных, электромагнитных, ультразвуковых измерителей потока. Наиболее часто в гидрометрии применяют приборы, в которых скорость потока влияет на приборы, в которых скорость потока влияет на количество оборотов ротора (вращающейся части). Такую вертушку опускают на необходимую глубину на металлической штанге или тросе и измеряют скорость течения в отдельных точках потока на выбранных скоростных вертикалях.

Измерение скоростей течения в поверхностном слое осуществляется с помощью поверхностных поплавков или гидрометрических шестов.

Для определения поверхностной скорости по длине реки разбивают 3-4 створа, причем участок, на котором проводятся измерения должен быть прямолинейным, а время прохождения поплавка между двумя створами должно составлять не менее 30 секунд. Скорость движения поплавка v (в м/с) рассчитывается путем деления расстояния между створами L (в метрах) на время движения поплавка от верхнего створа к нижнему t_с (в секундах). Измерение следует повторить для 8-10 поплавков и вывести среднее значение t_ср. Тогда V_ср.= L/ t_ср.

При отсутствии фактических измерений, но при наличии данных о поперечном сечении средняя скорость потока может быть рассчитана по формуле Шези:

V= C ,

где R – гидравлический радиус потока;

I - продольный уклон водной поверхности;

C – скоростной коэффициент Шези.

Если есть данные о строении поперечного сечения русла реки, то при сечении, близком к прямоугольному, формула Шези имеет вид: V_ср.=С ,где R=h_ср.

Расход воды в реке – это количество воды, протекающей в единицу времени через данное живое сечение реки (м³/сек).

Расход воды в реке рассчитывается по формуле:

Q= F х V_ср

где Q – расход воды;

F – площадь живого сечения реки;

V_ср – сердняя скорость течения реки.

Живое сечение реки – это площадь поперечного сечения реки, в которой обнаруживается течение. Течение реки может не обнаруживаться, когда река пересыхает, что характерно, например, для горных рек Крыма. Следовательно, площадь живого сечении и расход воды зависят от уровня воды в реке и изменяются по сезонам.

Расход воды за длительное время, сезон, год – называется стоком реки. Но часто зависимость расхода воды от уровня воды в реке нарушается, вследствие:

1. Переменного подпора, т.е. засорения, заиливания русла реки, изменения скорости потока.

2. Зарастания русла.

3. В результате деформаций русла (размыв,намыв). В результате намыва дно русла поднимается – для пропуска не изменившегося расхода воды, требуется более высокий уровень воды.

Для предотвращения или ликвидации этих изменений существуют мероприятия, направленные на вывод речных экосистем из состояния кризиса, которые проводятся непосредственно в русле и в водном потоке:

1. Поддержание благоприятного гидрологического режима для экосистем (расходов реки, скоростей течения), что достигается регулированием стока, прудами и водохранилищами.

2. Регулирование или изменение формы русла – расчистка от мусора и наносов.

3. Устройство биологических плато. Сообщества высших водных растений используются в качестве биофильтров для очистки вод от загрязняющих примесей.

Т.к. составные элементы расхода – площадь живого сечения F и средняя скорость течения V_ср являются функциями уровня воды, то очевидно, что Q=f(H). Эта функция получается путем измерения расходов при различных уровнях воды в реке и подбором плавной кривой, проходящей через группы точек, соответствующих отдельным измерениям.

Такая зависимость, изображенная графически носит название Кривой зависимости уровней от расходовили Кривой расходов.

Рис.1 Кривая расходов

Кривая расходов имеет большое практическое значение, построив ее на основании сравнительно небольшого числа расходов, измеренных в пределах амплитуды колебаний уровней, можно очень просто получить величины расходов воды, не производя непрерывно их измерения.

Имея данные с водомерных постов, возможно построение графика изменения расхода воды во времени - гидрографа.

Рис.2 Гидрограф р. Салгир, г. Симферополь

Площадь бассейна 321 км², Q_ср.год= 1,24 м³/сек.

Водомерный пост устанавливается на реке, наблюдения водомерных постов наносятся на графики. Причем кривые различных годов наносятся обычно на одном и том же графике, что дает возможность быстрого и наглядного сравнения режима реки за ряд лет. Гидрограф показывает зависимость расхода воды от времени. Если есть данные о среднемесячных расходах мы можем построить годовой гидрограф.Если такие гидрографы имеются за несколько лет, то по ним можно составить типовой или нормальный гидрограф(строится на основе данных водомерных постов), характеризующий данный бассейн.

Рис.3 Типовой гидрограф

Методика составления нормального гидрографа основана на том, что все характерные точки графика расходов должны быть осреднены как по абциссе х (время), так и по ординате (расход) у. Нормальный гидрограф выявляет основные закономерности распределения речного стока и важен для теоретического анализа связи между гидрологическим режимом и климатом, дает наглядную картину хода половодья или паводков вдоль реки. Графики водомерных постов дают ответы на целый ряд вопросов гидрологического характера.

Годовое распределение стока любой реки слагается из элементов:

1. Период накопления воды в виде снега. Сток в это время осуществляется за счет запасов грунтовых вод и во время оттепели.

2. Период стаивания снега, ледников /снеговое половодье/.

3. Период распространения дождей по всему бассейну.

4. Период полного отсутствия дождей или такое их количество, которое способно покрыть лишь потребность растительного покрова.

Для количественной оценки доли каждого из источников питания применяют схему расчленения гидрографа.

Рис.4 Расчленение гидрографа р.Днепр у г.Киева по источникам питания

Эта схема дает довольно отчетливое представление о роли каждого из источников питания в суммарном режиме реки. В общем, принимается, что грунтовое питание характеризуется плавной кривой, проходящей через ординату последнего зимнего расхода воды, предшествующего весеннему половодью, далее через ординаты летней межени (за исключением всех пиков, образуемых временными атмосферными осадками) и далее через ординаты начала и конца осеннего паводка (если таковой имеется) к ординате зимнего режима. Грунтовое питания - повышенные части гидрографа, причем некоторые из них явно относятся к снеговому половодью, другие к дождям, таяние ледников в горах – ледниковое. Основным питанием для каждой реки является то, которое составляет более 50 % от суммарного годового стока. Таким образом, можно сделать вывод, что река Салгир относится к реке со смешанным питанием - дождевое-снеговое.

Анализируя гидрограф можно сделать вывод, что есть два периода:

Первый – характеризуется повышенным уровнем воды и частыми паводками - выпадение нитенсивных дождей зимой и оттепели весной – таяние снега, накопившегося в Крымских горах за зиму.

Второй – низкий уровень и пересыхание с мая по октябрь.

Вообще же горные реки Крыма пересыхают на длительное время или переходят в карстовые потоки. На этом фоне бывают интенсивные кратковременные паводки (несколько часов), достигающие иногда значительной высоты.