Файл: Богословский, Б. Б. Основы гидрологии суши. Реки, озера, водохранилища.pdf

Заменив в формуле (6) R через Нср, получим

^Ср == С ф Я с р / .

Сопротивление движению воды, связанное с трением о дно и берега, уменьшает скорость течения. Поэтому в живом сечении русла правильной формы скорость течения от середины потока к берегам и от поверхности ко дну уменьшается. Распределение скоростей по вертикали изображается в виде эпюры скоростей

Рис. 10. Эпюры скоростей течения на вертикалях (а) и изо-

верхности воды. Некоторое уменьшение скорости течения в по­ верхностном слое воды обусловлено трением движущейся воды и воздуха, у дна — трением о грунт.

Ледяной покров создает дополнительное трение поверхност­ ного слоя воды о лед, скорости течения уменьшаются, распреде­ ление их по вертикали меняется: максимальные скорости рас­ полагаются глубже, чем при открытой поверхности воды. Если река покрыта кристаллическим льдом, максимальная скорость течения наблюдается на глуоине около 0,3—0,4 Я от .поверхно­ сти, при шуге — около 0,6 Я (см. рис. 10, а).

В гидрометрической практике скорости течения обычно из-

46

меряются гидрометрическими вертушками или поверхностными поплавками. Наиболее точен первый способ, позволяющий опре­ делять скорость в любой точке потока. Гидрометрическая вер­ тушка состоит из лопастного винта, вращающегося на оси, кор­ пуса, счетно-контактного устройства и хвоста.

Вертушка опускается в реку на металлическом стержне (штанге) при глубине реки до 3 м и на тросе с помощью лебед­ ки при больших глубинах. Лопастной винт вращается в резуль­ тате воздействия на него движущегося потока. Количество обо­ ротов винта фиксируется счетно-контактным устройством.

Большинство современных вертушек снабжено электриче­ ской сигнализацией. Вертушка включается в цепь электрическо­ го тока, питающегося от батареи (1,5—2 В). Через определенное число оборотов (в наиболее распространенных у нас вертушках через 20) при помощи контактного устройства цепь замыкается на звонок или лампочку. Промежутки между сигналами фикси­ руются по секундомеру и определяется число оборотов винта в секунду. При выходе с завода вертушка тарируется, т. е. опреде­ ляется зависимость между числом оборотов винта в секунду (п) и скоростью течения (о) в метрах в секунду. Зависимость изо­ бражается в виде тарировочной кривой или таблицы, по которой производится пересчет.

Измерение скоростей поверхностными поплавками приме­ няется обычно при рекогносцировочных исследованиях или в слу­ чаях, когда невозможно измерить вертушками (ледоход, засо­ ренность русла и т. п.). Этот способ прост, не требует специаль­ ного оборудования. В качестве поплавков обычно используются деревянные кружки диаметром 10—15 и толщиной 3—4 см. При помощи секундомера определяется время (t) прохождения бро­ шенным в реку поплавком расстояния (L) между двумя закре­ пленными поперечниками (створами). Места прохождения поплавками створов отмечаются по натянутому над водой попе­ рек реки размеченному тросу или засечками с берега. Скорость определяется по зависимости v = L/t.

Основной недостаток этого метода состоит в том, что с его помощью можно измерять только скорость в поверхностном слое. Кроме того, результаты измерения сильно зависят от на­ правления и скорости ветра.

4. Расходы воды

Основным показателем водности реки, определяемым в ре-^ зультате непосредственных измерений, являются р а с х о д в о д ы (Q, м3/с) — количество воды, проходящее через живое сечение потока в единицу времени:

47

Скорости течения для определения расхода воды измеряют­ ся гидрометрическими вертушками или поверхностными поплав­ ками. Площадь -живого сечения вычисляется по данным проме­

ров1.

При измерении скоростей течения гидрометрической вер­ тушкой в гидрометрическом створе (гидростворе), в котором производится определение расхода воды, намечаются скорост­ ные вертикали. На каждой вертикали скорости измеряются в за­ висимости от глубины реки в одной или нескольких точках. Затем по соответствующим формулам, приводимым в курсах гидрометрии, вычисляются средние скорости на вертикалях и между вертикалями. Определяются площади живого сечения ■между промерными точками и путем суммирования их площади между скоростными вертикалями. Произведение средней скоро­ сти между вертикалями на площадь сечения между нами равно расходу воды между вертикалями, а сумма этих расходов — расходу воды ,во всем живом сечении:

Q = 2/3 цср1 и)0 -f- цср1 «ц -ф цср2“2 + ••• + 2/3 v cpnсо„,

где vcpl, vcp2, ..., vcpn— средние скорости течения между ско­ ростными вертикалями;

о)2, ..., —-площади -живого сечения между эти­ ми вертикалями;

“о и “л — площади живого сечения между край­ ними вертикалями и берегами.

Мертвое пространство при вычислении расхода исключается из площади сечения русла.

Для вычисления -средних скоростей течения на вертикалях и расхода воды можно использовать эпюры скоростей на верти­ калях (см. рис. 10, а). Площадь, заключенная между осями ко­ ординат и кривой изменения -скорости течения по вертикали на эпюре, изображает в масштабе чертежа элементарный расход воды (q, м2/с), проходящий через вертикаль. Частное от деле­ ния элементарного расхода q на глубину вертикали Я равно средней скорости на вертикали. Отложив на рис. 10, б вверх от -линии поверхности воды векторы элементарных расходов и сое­ динив их концы плавной кривой, получим эпюру элементарных расходов воды в живом сечении. Площадь, ограниченная эпю­ рой и линией поверхности воды на рис. 10, б, изображает в мас­ штабе чертежа расход воды Q.

Между уровнями и расходами воды существует определен­ ная зависимость. При увеличении уровня (за исключением слу­

Q=f(H). Аналогично строятся и кривые зависимости площади

48

определять расходы воды по данным об уровнях, полученным на водомерном посту, не прибегая к дорогостоящим и трудоем­ ким измерениям скоростей течения. Кривые расходов должны строиться по многолетним данным измерений расходов и охва­ тывать по возможности всю амплитуду колебаний уровня.

нм

Рис. 11. Кривые зависимостей расходов воды (Q), площадей жи­ вого сечения («) и средних скоростей течения ( нср) от уровня воды (Я)

по которым можно вычислить средние расходы за декаду, месяц, сезон, год как для конкретного года, так и для многолетнего пе­ риода. Так же, как и при изучении уровня воды, выделяются ха­ рактерные расходы, определяется повторяемость и обеспечен­ ность (См. параграф «Уровни воды»).

Изменение расхода воды во времени изображается в виде хронологического графика колебаний расходов — г и д р о г р а ­ фа (рис. 12). Гидрограф строится по ежедневным расходам во­ ды, определенным по кривой Q = f (Я). Гидрографы строятся как для отдельных лет, так и осредненные за многолетний пери­ од, а также типовые, построение которых аналогично построе­ нию типовых графиков колебаний уровней воды.

5. Питание рек

Реки питаются водами атмосферных осадков, выпадающих на поверхность бассейна. Дождевые и талые снеговые воды частью испаряются, частью стекают по поверхности водосбора в речную сеть. Некоторая доля их просачивается в почвы и грун­ ты, пополняя запасы подземных вод. Подземные воды, дренируе­ мые речными долинами и руслами, также питают реки. В высо­ когорных и полярных районах реки, кроме того, питаются талы­

т. е. пополняется водами различного происхождения, но, как правило, один из источников питания преобладает над другими. Так, в питании большинства рек Европейской части СССР основ­ ную роль играют талые снеговые воды, дающие большую часть годового стока — количества воды, проходящего по реке за год. Значительно меньше в их питании участие дождевых (летние и осенние паводки),и подземных вод.

Подземное питание рек происходит главным образом вода­ ми зоны интенсивного надообмена, в которой выделяются два вида подземных вод. Первый из них — почвенные воды и грун­ товые воды верхних горизонтов, связанные с дневной поверхно­ стью; второй — грунтовые .воды глубоких горизонтов, связанные с дневной поверхностью на ограниченных участках, и напорные воды, дренируемые речной сетью. В связи с этим выделяется п о ч в е н н о-г р у н т OiB о е питание рек, малоустойчивое и под­ верженное колебаниям в связи с ходом метеорологических эле­ ментов, и г л у б о к о е подземное питание, значительно более устойчивое. Последнее на гидрографах выделяется линией, про­ ходящей по отметкам устойчивых низких расходов межени (см.

рис. 12).

Доля подземного питания в годовом стоке на территории-

СССР варьирует, уменьшаясь от 40—60% в лесной зоне до 0— 10% в пустынной. На большей части территории (примерно 60% площади СССР) преобладает снеговое питание, значение которого в годовом стоке возрастает с 30—50% на северо-западе и западе лесной зоны до 90—100% в полупустынной зоне в свя­ зи с более глубоким залеганием подземных вод и потерями дож­ девых вод на испарение. Преобладание дождевого питания' характерно для рек Дальнего Востока, Забайкалья, Крыма, Чер­ номорского побережья Кавказа, части Закавказья. Значение лед­ никового питания в годовом стоке невелико (не более 50% даже

ввысокогорных частях бассейнов), но оно играет большую роль

вводном режиме рек и обводнении территорий предгорий, так как максимальные расходы воды приходятся на период вегета­ ции.

51