Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Практическое занятие №5
Речной сток и его характеристики. Питание и водный
режим рек
Речная система
Река - естественный водный поток, протекающий постоянно в сформированном им углублении (русле).
Речная долина это созданное водотоком вытянутое углубление на земной поверхности с общим уклоном в сторону текущей воды. Все речные долины имеют склоны и относительно равнинное дно. Дно равнинных древних долин состоит из русла и поймы. Русло самая низкая часть речной долины, выработанная и занятая водным потоком, по которой перемещается основная часть донных наносов и сток воды в межпаводковый период. А часть дна речной долины периодически затопляемая в паводки и половодье называется поймой. Пойма не имеет четких границ на склонах долины, так как высота паводков и половодьев постоянно меняется. Склоны более молодых долин обрывистые или выпуклые, а более древних - вогнутые, а чаще ступенчатые. Ступени склонов называются террасами, они затем переходят в коренной склон к междуречным пространствам. Террасы бывают одиночные или многочисленные в виде ступеней одна над другой, в прошлом каждая терраса была поймой реки.
Начало реки, соответствующее месту, с которого появляется постоянное течение воды в русле называется истоком реки. Истоком реки часто служит родник, озеро, болото, ледник. Место впадения реки в другую реку, озеро, море или океан называется устьем.
Речная система состоит из главной реки и притоков, которые в свою очередь также имеют притоки. Реки впадающие в главную реку, называются притоками первого порядка. Притоки притоков соответственно называются притоками второго, третьего и так далее порядков. Наивысший порядок имеют самые малые реки, представляющие собой неразветвленные притоки. Возможна и обратная классификация притоков.
Речная система характеризуется протяженностью составляющих ее рек, их извилистостью и густотой речной сети. Протяженность рек - суммарная длина всех рек системы, измеряемая по карте крупного масштаба. Степень извилистости реки определяется коэффициентом извилистости - отношение длины реки к длине прямой линии, соединяющей исток и устье. В равнинных условиях русла практически всех рек (кроме отдельных крупных) в плане извилистые. Густота речной сети - отношение суммарной протяженности всех рек рассматриваемой речной сети к занимаемой ею площади. На карте, даже не очень крупного масштаба, видно, что густота речной сети в различных природных зонах неодинакова.
Участок земной поверхности, включая толщу почвогрунтов, с которого вода стекает в одну и ту же речную систему, называется бассейном этой речной системы или водосбором. Бассейны ограничены водоразделами. В горных странах они могут представлять собой линии, в общем совпадающие с гребнями хребтов. На равнинах, особенно плоских и заболоченных , водоразделы четко не выражены. Речные бассейны имеют различные размеры и очень разнообразную форму. Размеры и форма бассейна в значительной степени определяют величину и режим стока рек. Важно также положение речного бассейна, который может находиться в разных климатических поясах и может протягиваться в широтном направлении в пределах одного и того же пояса.
Бассейн реки включает в себя поверхностный и подземный водосборы. Поверхностным водосбором называется участок земной поверхности, с которого вода поступает в данную речную систему. Подземный водосбор образуют толщи почвогрунтов, из которых вода поступает в речную сеть. Поверхностный и подземный водосборы в общем случае не совпадают. Для равнинных рек в зонах активного водообмена площади водосборов поверхностных и подземных вод с некоторыми допущениями принимаются равными. При определении взаимодействия поверхностных и подземных вод необходимо рассчитывать основные характеристики стока, отнесенные к выделенным водосборам. Ниже рассмотрим методику расчета.
Речной сток и его характеристики
Сток воды - сложное явление, возникающее в процессе круговорота воды в природе и представляющее собой движение воды по поверхности земли, в толще почвогрунтов и горных пород. Для характеристики речного стока используют такие показатели как расход воды, модуль стока, объем стока, слой стока и др.
Расход воды Q - это количество воды, протекающее через поперечное сечение потока ω в единицу времени при средней скорости vср
Q=vсрω
Средний годовой расход воды вычисляется по формуле:
Где Qi – среднесуточный расход; n- число суток в году.
Если рассчитывать средний многолетний расход Q0 (0 – характеристика общего стока), то в формуле Qi - средний годовой расход воды, n- число наблюдений.
Для оценки точности Q0 вычисляется средняя квадратическая погрешность:
Где Сv- коэффициент вариации годового стока; n – число лет наблюдения.
Общий расход воды в реках очень изменчив. Более устойчив он на реках зарегулированных озерами и водохранилищами. На реках умеренного пояса наибольший расход воды приходится на период весеннего половодья, наименьший на летние месяцы.
Модуль стока М0 - количество воды в литрах или кубических метрах, стекающее с 1 км2 площади водосбора F за 1 секунду:
Mo=Qo/F
Средний многолетний объем стока W0 - количество воды ( в кубических метрах) стекаюшее с водосбора за год (сутки, декаду, месяц), W0=Q0T,
где Т - число секунд в году.
Средний многолетний слой стока Y0 - получают при равномреном распределении всего объема стока за год по площади водосбора, вычисляется по формуле
Y0 = W0 / F , мм/год.
Средний многолетний коэффициент стока К0 определяется как отношение высоты слоя стока за какой-либо период к количеству осадков за тот же период Х0 : К0 = Y0 / Х0
Коэффициент стока колеблется от 0 до 1, причем на его значение большое влияние оказывают величина испарения, характер водопроницаемости поверхности водосбора, почвенный покров и геоморфологические факторы.
Модульный коэффициент Ki получают из отношения стока (Qi, Mi, Wi, Yi)за определенный период к его среднему многолетнему значению. (Q0, M0,W0, Y0).
Ki = Qi/Q0 Ki= Mi/ М0
Значение модульного коэффициента в многоводный год больше единицы, в маловодный год - меньше единицы. Среднее значение модульного коэффициента за ряд лет равно единице.
При оценке подземного стока пользуются характеристиками аналогичными поверхностному стоку: Qподз, Wподз, Yподз, Мподз;
Большое значение при оценке подземного стока имеют коэффициенты: А) подземного питания реки
Кпп = (Мподз / М ) 100 % Где М - модуль поверхностного стока.
Б) подземного стока
Кп = (Yподз/ Х ) 100 %
Где Х - количество осадков в бассейне за год.
Естественные ресурсы подземных вод есть величина подземного питания ( расход подземного стока в реку). Оценка естественных ресурсов имеет большое практическое значение в связи с проектированием водозаборов. При расчетах обеспеченности эксплуатационных запасов подземных вод необходимо проверять их восполнимость за счет ествественных ресурсов.
Количество естественных ресурсов подземных вод ( в м3 / сут) для зоны интенсивного водообмена можно вычислить по формуле:
Факторы формирования речного стока
Сток зависит от комплекса физико-географических условий: от климата, почв, геологического строения, активного водообмена, растительность, озер, болот, а также от деятельности людей.
Климат относится к главнейшим факторам формирования стока. Он определяет величину увлажнения, зависящую от количества атмосферных осадков (основной элемент приходной части водного баланса) и от испаряемости (основной показатель расходной части водного баланса). Чем больше количество осадков и чем меньше испаряемость, тем выше должно быть увлажнение и тем значительнее может быть сток. Осадки и испаряемость определяют потенциальные возможности стока. Действительный сток зависит от комплекса условий.
Климат влияет на сток не только непосредственно (через осадки и испаряемость), но и через другие компоненты географического комплекса - через почвы, растительность, рельеф, которые в той или другой степени зависят от климата. Влияние климата на сток как непосредственно, так и через другие факторы проявляется в зональных различиях величины и характера стока. В.А. Троицкий выделил пять гидрологических зон: очень влажная (тундровая); избыточного увлажнения (лесная); переменного увлажнения (лесостепь); полусухая (степная и полупустынная) и сухая (пустынная). Отклонение величин фактического стока от зональных вызывается местными, внутризональными физико-географическими условиями.
Очень важное место среди факторов, определяющих речной сток, его поверхностную и подземную составляющие, занимает почвенный покров, играющий роль посредника между климатом и стоком. От свойств почвенного покрова зависят величина поверхностного стока, расход воды на испарение, транспирацию и питание подземных вод. Если почва слабо впитывает воду, поверхностный сток велик, в почве аккумулируется мало влаги, расход на испарение и транспирацию не может быть большим, мало питание подземных вод. При тех же климатических условиях, но при большей инфильтрационной способности почвы поверхностный сток, наоборот, мал, в почве аккумулируется много влаги, расход на испарение и транспирацию велик, обильно питание подземных вод. Во втором из двух описанных случаев величина поверхностного стока меньше, чем в первом, но зато за счет подземного питания он более равномерен. Почва, впитывая воду атмосферных осадков, может удерживать ее и пропускать вглубь за пределы зоны, доступной для испарения. От водоудерживающей способности почв зависит соотношение расхода воды на испарение из почвы и на питание подземных вод. Почва, хорошо удерживающая воду, расходует больше воды на испарение и меньше пропускает в глубь. В результате переувлажнения почвы, обладающей высокой водоудерживающей способностью, поверхностный сток увеличивается. Свойства почв комбинируются по- разному, и это отражается на стоке.
Влияние геологического строения на речной сток определяется восновном водопроницаемостью горных пород и в общем сходно с влияние почвенного покрова. Имеет значение также залегание водоупорных слоев по отношению к дневной поверхности. Глубокое залегание водоупоров способствует сохранению просочившихся вод от расходования на испарение. Геологическое строение влияет на степень зарегулированности стока, на условия питания подземных вод. Влияние геологических факторов менее всех других зависит от зональных условий и в некоторых случаях перекрывает влияние зональных факторов.
Растительность влияет на величину стока и непосредственно и через почвенный покров. Непосредственное ее влияние заключается в транспирации. Речной сток зависит от транспирации так же, как от испарения с почвы. Чем больше транспирация, тем меньше обе составляющие речного стока. Кроны деревьев задерживают до 50% выпавших осадков, которые затем с них испаряются.
Особо необходимо обратить внимание на водоохранную и водорегулирующие роль лесов. В лесах весной происходит замедленное снеготаяние, что способствует просачиванию талых вод и пополнению запасов вод подземных. Кроме того, повышенная шероховатость лесной почвы замедляет стекание дождевой воды и вместе с корневой системой увеличивает инфильтрацию. Следовательно, возможно регулирование речного стока в естественных условиях через задержание в бассейне реки части талых снеговых и дождевых вод. В результате максимальные расходы воды под влиянием лесистости уменьшаются, а минимальные увеличиваются. Такое регулирование стока называется бассейновым.
Леса являются не только водорегулирующим фактором, но и водоохранным. Они поддерживают высокую водность рек и способствуют пополнению запасов грунтовых вод. С увеличением лесистости объем годового стока возрастает.
Структура стока в лесу и в поле различна. В лесу меньше поверхностный сток и больше запасы почвенных и грунтовых вод (подземный сток).
Рельеф - воздействует на сток различно в зависимости от размеров форм. Особо велико влияние гор. С высотой изменяется весь комплекс физико-географических условий (высотная поясность). В связи с этим изменяется и сток. Так как смена комплекса условий с высотой может происходить очень быстро, общая картина формирования стока в высоких горах усложняется. С высотой количество осадков до определенного предела увеличивается, сток в общем возрастает. Особенно заметно увеличение стока на наветренных склонах. Во внутренних частях горных областей сток меньше, чем в периферических. Важное значение приобретает рельеф для формирования стока в связи с распределением снежного покрова. Существенно влияет на сток и микрорельеф. Мелкие впадины рельефа, в которых собирается вода, способствуют ее инфильтрации и испарению.
Уклон местности и крутизна склонов оказывают влияние на интенсивность стока, на его колебания, но не сказываются существенно на величине стока.
Озера, испаряя накапливающуюся в них воду, уменьшают сток и вместе с тем являются его регуляторами. Особенно велика роль больших проточных озер. Количество воды в реках, вытекающих из таких озер, мало изменяется в течение года.
Сильное влияние на сток оказывает хозяйственная деятельность людей, вносящая большие изменения в природные комплексы. Велико значение воздействия людей на почвенный покров. Чем больше распаханных пространств, тем большая часть атмосферных осадков просачивается в почвогрунт, увлажняя почву и питая подземные воды, тем меньше их стекает по поверхности. Примитивное земледелие вызывает обесструктуривание почв, снижение их способности усваивать влагу, а следовательно, увеличение поверхностного стока и ослабление питания подземного. При рациональном земледелии возрастает инфильтрационная способность почв со всеми вытекающими из этого последствиями.
Воздействие на сток мероприятий по задержанию снега, направлено на увеличение влаги, поступающей в почву.
Регулирующиее влияние на речной сток оказывают искусственные водохранилища. Уменьшает сток расход воды на орошение и водоснабжение.
Питание и водный режим рек
Поступление воды в реки обусловлено круговоротом воды на земном шаре. Но это самая общая формулировка. Практически необходимо знать более детально, каким образом вода поступает в реки и каково происхождение вод, определяющих водоносность рек в конкретных природных условиях. Совокупность факторов, обусловливающих водоносность рек, называется питанием рек. Различают дождевое, снеговое, подземное и ледниковое питание. Если источники питания проявляются совместно, например снеговое и дождевое, его называют смешанным питанием. Существенная разница между видами питания заключается в том, что время от выпадения осадков до непосредственного их участия в формировании расходов воды в реках весьма различно. Наиболее быстро реагируют реки на выпавшие в бассейне жидкие осадки. Твердые осадки только иногда стаивают за несколько часов, например на территории Западной Европы. В северной части Сибири они могут лежать более 6 месяцев. Твердые осадки в горах выше снеговой линии могут лежать десятки лет и более. Время попадания подземных вод в речную сеть также изменяется от дней до многих лет. Подземное питание отличается наибольшей устойчивостью во времени и обеспечивает практически непрерывный сток воды в реках. Поэтому подземный сток имеет особую практическую значимость.
Роль того или иного источника питания, их сочетание и распределение во времени зависят главным образом от климатических условий. Так, например, в странах с жарким климатом снеговое питание отсутствует, не питают реки и глубоко залегающие грунтовые воды и единственным источником питания оказывается дождевое. В холодном климате основное значение в питании рек приобретают талые воды, а зимой грунтовые. В умеренном климате сочетаются различные источники питания.
В зависимости от питания количество воды в реке изменяется. Изменение во времени уровней, расходов и объемов воды в водных объектах и почвогрунтах называется водным режимом. В данном случае водными объектами являются реки.
Главная количественная характеристика водного режима рек - гидрограф - хронологический график изменения расходов воды в данном сечении водотока. Весьма часть в качестве характеристики водного режима рек используют также хронологические графики изменения уровней воды, иначе называемые графиками колебания уровней воды. Связь между уровнями и расходами воды может быть однозначной и неоднозначной. В последнем случае графики колебания уровней могут представлять самостоятельный интерес, например, во время ледовых явлений на реках, когда уровни могут изменяться ( при неизменном расходе воды) вследствие скопления льда в русле реки.
Часть гидрологического года, в пределах которого режим реки характеризуется общими чертами его формирования и проявления, обусловленными сезонными изменениями климата, называется гидрологическим сезоном: Сезонные изменения климата оказывают непосредственное влияние на питание рек, а следовательно, и на форму гидрографов. Различают весенний, летне-осенний и зимний гидрологические сезоны. Изучение формы гидрографов разных рек за многие годы позволило выделить характерные периоды повышенных и пониженных расходов воды и установить последовательность их чередования. Объем годового стока может изменяться от года к году, но характерные периоды (фазы) режима рек, зависящие от условий питания, в основном сохраняются. В связи с этим введено понятие «фаза водного режима» - характерное состояние водного режима реки, повторяющееся в определенные гидрологические сезоны в связи с изменением условий питания. Основными фазами водного режима рек являются половодье, паводок, межень.
Фаза водного режима реки, ежегодно повторяющаяся в данных климатических условиях в один и тот же сезон, характеризующаяся наибольшей водностью, высоким и длительным подъемом уровня воды и вызываемая снеготаянием или совместным таянием снега и ледников называется половодье. Различают половодья весеннее, весенне-летнее и летнее. В определении понятия «половодье» делается акцент на его снеговое происхождение. Однако в гидрологической литературе половодьем называют и повышение водности рек в муссонных и тропических зонах, вызванное летними дождями. В связи с этим правильнее считать, что половодье вызывается главным источником питания и проявляется в основном один раз в год. Фаза водного режима реки, которая может многократно повторяться в различные сезоны года, характеризуется интенсивным, обычно кратковременным увеличением расходов и уровней воды называется паводком. Начало и конец половодья и паводка определяются по форме гидрографа.
Половодья и паводки могут быть настолько значительными по интенсивности подъема уровня воды, по высоте и степени затопления территории, что могут вызывать стихийные бедствия, разрушение сооружений, нарушение работы автомобильных и железных дорог и др.
Затопление территории водой, являющееся стихийным бедствием, называют наводнением. Интенсивное увеличение питания рек, - не единственная причина наводнений. Наводнение может быть вызвано стеснением водного сечения реки льдом, ветровым нагоном воды в устье реки со стороны моря, прорывом гидротехнических сооружений.
Фаза водного режима реки, ежегодно повторяющаяся в одни и те же сезоны, характеризующаяся малой водностью, длительным стоянием низкого уровня и возникающая в следствии уменьшения питания рек, называется меженью. Питание многих рек существенно уменьшается летом и зимой, поэтому различают летнюю и зимнюю межень.
Обеспеченность и повторяемость речного стока
Имеющиеся ряды наблюдений над стоком и другими факторами не настолько продолжительны, чтобы непосредственно из них можно было бы установить величины стока редкой повторяемости. Производя количественную оценку поверхностного стока, необходимо установить статистическую закономерность колебания стока во вермени (внутри ряда наблюдений), применяя методы теории вероятности.
Рассмотрим ряд лет n, в течение которых при соблюдении некоторых условий изучаемое явление А (например, модуль стока) может наблюдаться, не наблюдаться или повторяться несколько раз.
Вероятность - мера оценки достоверности появления того или иного события. Вероятность появления рассматриваемой величины Р(А) равна отношению числа случаев, благоприятствующих появлению рассматриваемого события m, к общему числу случаев n.
Р(А) = m/n.
Вероятность появления достоверного события изменяется от 1 до 100%, вероятность невозможного события равна нулю.
Обеспеченность - какой - либо величины исследуемого ряда называется вероятность того, что рассматриваемое значение может быть превышено среди совокупности всех возможных ее значений.
Обеспеченностью годового стока Р может быть названо среднее число лет (выраженное в процентах от общего числа лет), в течение которых годовой сток будет равен данному или больше его.
Повторяемость - какой-либо величины, например годового стока, называется число лет N , в течение которых годовой сток повторяется в среднем один раз. Связь между обеспеченностью и повторяемостью может быть представлена следующими соотношениями:
а) при обеспеченности Р< 50%, N= 100/Р
б) при обеспеченности Р > 50%, N = 100/(100-Р)
При достаточно продолжительных и репрезентативных рядах расчеты годового расхода воды заданной обеспеченности рекомендуется производить по кривым обеспеченности По оси абсцисс такой кривой откладывается Р%, по оси ординат одна из гидрологических характеристик ( это могут быть модуль стока, слой стока, расход воды или модульный коэффициент). Кривая обеспеченности - интегральная кривая, показывающая вероятность превышения ( в процентах или долях от единицы) данной гидрологической характеристики среди общей совокупности ряда. Кривые обеспеченности могут быть построены в виде эмпирических (наблюдаемых) и аналитических (теоретических) кривых.
Эмпирическая кривая строится по ряду наблюдений и всегда им ограничена, поэтому для определения значений редкой обеспеченности необходимо провести расчеты для построения аналитической кривой на основе данных фактического ряда. Таким образом, аналитические кривые обеспеченности применяются для сглаживания и экстраполяции эмпирических точек. В настоящее время за основу приняты биномиальная кривая обеспеченности и кривая трехпараметрического гамма- распределения. Трехпараметрическое гамма-распределение является более гибким, чем биномиальное.
Постороение эмпирической кривой обеспеченности
Для построения эмпирической кривой обеспеченности необходимо заполнить следующую таблицу:
|
№ |
Год |
Среднегодовой расход воды Q |
В убывающем порядке Q |
Вероятность превышения Р% |
Модульный коэффициент |
Значение вероятности превышения Р% эмпирических точек годовых величин стока расчитывают по формуле:
Р= [(m-0.3)/ (n+0.4)] * 100%, где m - порядковый номер члена ряда величин стока, расположенный в убывающем порядке, n - общее число членов ряда.
Модульный коэффициент К расчитывают по формуле: К= Qi/Qo, где
Qi величина среднегодового расхода воды, Q0 - величина среднего многолетнего стока , расчитанная по формуле :
Кривые обеспеченности ( эмпирическая и аналитическая ) строятся на клетчатках вероятности. Для построения клетчаток шкалу обеспеченности или шкалу гидрологических характеристик трансформируют таким образом, чтобы в прямоугольных координатах кривая обеспеченности выражалась прямой линией. На осях координат против соответствующих делений выписывают числовые значения обеспеченности и гидрологических характеристик. В гидрологических расчетах используют два типа клетчаток: клетчатка вероятности для кривых с умеренной ассиметричностью (вертикальная ось равномерна) и клетчатки вероятности для кривых со значительной ассиметричностью (обе оси с неравномерной шкалой). Клетчатки вероятности даны в приложении.
Для выбора клетчати вероятности необходимо расчитать Cv - коэффициент изменчивости или вариации ряда, он равен отношению среднего квадратичного отклонения к среднему арифметическому значению:
При С v < 0,5 наиболее целесообразно использовать клетчатку вероятности с умеренной ассиметричностью, при Cv > 0,5 - со значительной ассиметричностью.
На выбранную клетчатку вероятности нанести, рассчитанные (см. таблицу) для построения эмпирической кривой точки. По оси абсцисс откладывают обеспеченность Р %, по оси ординат модульный коэффициент К. По точкам кривая не проводится.
2. Посторение аналитической кривой обеспеченности.
Параметрами аналитической кривой являются среднее значение исследуемой величины Q0 , коэффициент вариации - Cv и коэффициент ассиметрии - CS . Методы построения кривых обеспеченности различны и зависят от значения Cv Мы рассмотрим расчет параметров графоаналитическим методом, он используется только для построения биномиальной кривой обеспеченности при любом значении коэффициента вариации.
По сглаженной эмпирической кривой обеспеченности определить величины годовых расходов воды Q соответствующие обеспеченности Р= 5;50;95 %.
Коэффициент скошенности S вычислить по формуле: S= (Q5 + Q95-2Q50 ) / (Q5 -Q95)
Величину коэффициента ассиметрии Cs , разность нормированных отклонений Ф5%-Ф95% и нормированное отклонение Ф50 определяют исходя из S по таблице.
Среднее квадратичное отклонение σ графоаналитическим методом рассчитывется по формуле:
σ = (Q5% -Q95%) / (Ф5%-Ф95% ).
Величина среднего многолетнего расхода воды Q0 графоаналитическим методом определяется по формуле:
По данным таблицы на клетчати вероятности строят биномиальную аналитическую кривую обеспеченности.
Зная модульный коэффициент можно найти расход воды заданной обеспеченности по формуле Qp =Кр Q0
Задание 1. Индивидуальное задание
Подготовьте комплексную физико-географическую характеристику одной из рек России по следующему плану:
1.Географическое положение, конфигурация, очертания береговой линии и типы берегов, устье реки.
2.Происхождение. Рельеф дна, глубины. Полезные ископаемые.
3.Физико-химические свойства вод (температура, прозрачность, динамика).
4.Климатическая характеристика области, где расположена река.
5.Особенности органического мира. Биологические ресурсы реки, их потенциал и использование.
6.Экологическое состояние реки. Позитивные и негативные последствия антропогенного воздействия.