Сток, образуемый атмосферными осадками, выпадающими на поверхность земли, избыток к-рых не успевает испариться и стекает в реки. Режимом речных стоков определяется режим реки в целом - колебания уровней воды, движение наносов (твердый сток), формирование речных русел. Учение о речном стоке - основной раздел гидрологии вод суши.
Территория, с к-рой вода стекает в реку, наз. ее водосбором (бассейном); граница, разделяющая водосборы рек, наз. водоразделом. Существует поверхностный сток, поступающий в реки по оврагам, ручьям, рекам, и подземный сток, образуемый водой, просачивающейся в горные породы, покрывающие земную поверхность. Поверхностный сток разделяется на снеговой - сток талых вод и дождевой. В свою очередь, в стоке талых вод различают равнинно-снеговое питание - весной в р-нах с устойчивой зимой при освобождении от снегового покрова, горно-снеговое питание, -происходящее весной и летом в высоко расположенных частях водосбора, и там же - ледниковое питание. Поверхностный сток характеризуется резкими колебаниями по временам года. Подземный сток отличается устойчивостью.
В зависимости от видов питания в годовом стоковом цикле чередуются периоды высокого и низкого стока - половодье, значительное повышение водности реки, повторяющееся из года в год в определ. время; межень - период низкого стока, когда реки получают преим. грунтовое (подземное) питание; паводки - нерегулярные, обычно кратковременные, иногда очень резкие повышения стока, вызываемые гл. обр. ливнями. Рекам б. ч. терр. СССР свойственно отчетливо выраженное весеннее половодье, сток к-рого близок к 50% годового. На Дальнем Востоке сток весеннего половодья понижается до 30- 40% годового, а в сев. и центральном Казахстане и в предгорьях Ср. Азии - повышается до 90-95%. Грунтовой (подземный) сток, к-рым поддерживаются в реках устойчивые низкие расходы воды, значителен (до 30% годового) в областях с влажным и относительно мягким климатом - на западе Европ. части СССР. В зоне вечной мерзлоты и в засушливых областях Ю.-В. грунтовой сток мал, и реки периодически промерзают и пересыхают. Сезонная неравномерность Р. с. существенно сглаживается проточными озерами (напр., естественно зарегулированные реки - Нева, Ангара и др.).
Речной сток - одна из статей водного баланса суши. Уравнение водного баланса водосбора за нек-рый отрезок времени записывается в виде: сток-осадки - испарение - приращение запасов влаги. Осадки атмосферные включают все виды поступления воды на водосбор: дождь, снег, конденсация на поверхности суши и водоемов, а также в порах грунта. Испарение происходит с поверхности почвы водосбора, со всех водоемов - озер, прудов, рек и т. д., а также путем транспирации (дыхания) растений.
Запасы влаги в водосборе содержатся в виде поверхностной воды (водоемы), снега, льда и подземных вод. Приращение запасов за рассматриваемый отрезок времени может быть положительным и отрицательным. В последнем случае расходуемые запасы влаги увеличивают сток. Пример интенсивного расходования запасов воды - образование весенних половодий за счет таяния накопленного за зиму снега. Колебания запасов влаги в водосборе существенно перераспределяют сток на протяжении годового цикла. При рассмотрении многолетних периодов этими колебаниями можно пренебречь, и уравнение водного баланса приобретает простой вид: сток-осадки - испарение.
Доля атмосферных осадков, превращающихся в речной сток, наз. коэфф. стока. На территории СССР этот коэфф. колеблется от величин, близких к 1,- на Крайнем Севере и в высоких горах, до величин, близких к 0,- в пустынях и засушливых степях. Величина среднего многолетнего стока, поступающего в реки с 1 км2 водосбора, характеризуется высотой слоя стока, обычно выражаемой в мм!год, и нормой стока (средним многолетним модулем стока) - числом литров воды, поступающих в секунду с 1 км2 водосбора. Водоносность различных частей территории СССР характеризуется модулями стока, близкими к 100 л/сек-км2 в высокогорных областях, к 0 - в среднеазиатских пустынях. В центральной части Европ. терр. СССР, в р-не Москвы норма стока равна приблизительно 6 л)сек - км2.
Речной сток непрерывно колеблется. В колебаниях его по сезонам года наблюдается отчетливо выраженный из года в год повторяющийся цикл, напр. для большей части территории СССР характерно весеннее половодье и сравнительно низкий сток в остальное время года, прерываемый дождевыми паводками. В многолетних колебаниях стока определ. периодичности не установлено.
График, изображающий колебания расхода воды в реке на протяжении нек-рого промежутка времени (года, весеннего половодья и т. п.), наз. гидрографом.
Расчеты Речного стока, выполняемые в связи с проектированием гидротехнич. сооружений, опираются на данные о стоке рек, зарегистрированные гидрометрич. наблюдениями. Закономерности, прослеживающиеся в колебаниях стока за прошлый период, служат основой для предвычисления стока на будущее. Состав расчетных характеристик стока и порядок анализа зависят от водохозяйственной задачи. Важнейшие характеристики - средний многолетний расход воды, определяющий общую водоносность водотока, изменчивость годовых объемов стока, сезонное распределение стока, величины миним. и макс, расходов воды. При отсутствии или недостатке наблюдений за стоком рассматриваемой реки используются методы географич. интерполяции гидрологич. характеристик, а также эмпирические зависимости. Результаты таких косвенных расчетов не отличаются высокой достоверностью и точностью.
Режим речного стока с течением времени изменяется под влиянием деятельности человека, преобразующей ландшафт водосбора. Наиболее отчетливо воздействие на сток непосредственно водохозяйственных мероприятий, осуществляемых при посредстве гидротехнич. сооружений. Изменения, вносимые в режим стока, заключаются в перераспределении его между годами и сезонами в результате работы регулирующих водохранилищ, в изъятии из рек воды для водоснабжения, обводнения и орошения, в переброске части стоков в др. бассейны, в потере воды путем испарения с водной поверхности водохранилищ. На режим речного стока влияют также агро- и лесотехнич. мероприятия, проводимые в водосборах,- распашка целины, поперечная пахота, снегозадержание, вырубка лесов, лесонасаждение и др.
Лит.: Крицкий С. Н., Менкель М. Ф., Гидрологические основы речной гидротехники. М.-Л., 1950; Соколовский Д. Л., Речной сток, 2 изд., Л., 1959.
Сток в широком смысле - это главный элемент материкового звена глобального круговорота вещества и энергии. Сток включает поверхностную и подземную части. Поверхностный сток, в свою очередь, состоит из речного стока и стока льда покровных ледников.
Речной сток включает сток воды, сток наносов, сток растворенных веществ и сток теплоты.
Сток воды (водный сток) - это одновременно и процесс стекания воды в речных системах и характеристика количества стекающей воды. Сток воды - один из важнейших физико-географических и геологических факторов; изучение стока воды - главная задача гидрологии суши. Называть сток воды «жидким стоком» не рекомендуется.
Сток наносов - это процесс перемещения наносов в речных системах и характеристика количества перемещающихся в реках наносов. Сток наносов состоит из стока взвешенных наносов (наносов, переносимых в толще речного потока во взвешенном состоянии) и стока влекомых наносов (наносов, переносимых потоком по речному дну во влекомом состоянии). Сток наносов называть «твердым стоком» не рекомендуется.
Сток растворенных веществ - это процесс переноса в речных системах растворенных в воде веществ и характеристика их количества. Растворенные в речных водах вещества - это ионы солей, биогенные и органические вещества, газы и др. Иногда сток растворенных веществ называют ионным стоком или стоком солей (при этом имеется в виду лишь сток растворенных минеральных веществ).
Сток теплоты (тепловой сток) - это процесс переноса вместе с речными водами теплоты и его количественная характеристика .
Очевидно, что главнейшая составляющая речного стока - сток воды, без которого невозможны и другие виды стока. Сток воды - процесс, определяющий все другие виды перемещения вещества и энергии в речных системах, их движущая сила. Сток же наносов, растворенных веществ и теплоты зависит как от стока воды (носителя других компонентов речного стока) и его количественных характеристик, так и от содержания наносов, растворенных веществ и теплоты в единице стока воды.
Об основных природных и антропогенных факторах, определяющих сток воды, уже много говорилось выше, в частности, когда речь шла о питании рек. Это, прежде всего, факторы климатические, а также факторы подстилающей поверхности и хозяйственная деятельность человека. Рассмотрим основные количественные характеристики самого стока воды, применяемые в гидрологии: расход воды, объем стока, слой стока, модуль стока, коэффициент стока, модульный коэффициент.
Главнейшая характеристика стока воды реки - это расход воды , т. е. объем воды, протекающей через поперечное сечение потока в единицу времени (Q , м 3 /с). Измерениями определяют лишь средний расход воды в данном гидрометрическом створе за время измерения (на больших реках это может быть интервал времени, измеряемый часами). Процесс измерения расходов воды на реках довольно трудоемок, и поэтому число измерений в течение года обычно ограничено. Для расчета средних суточных величин расхода воды в практической гидрологии обычно используют графики связи уровней воды и расходов воды. По таким графикам (их называют кривыми расходов, или графиками Q =fiji )) расходы воды могут быть определены по данным об уровнях для любого дня вне зависимости от того, измерялся в этот день сам расход воды или нет. По полученным таким образом средним суточным расходам воды можно построить гидрограф. К числу характерных расходов воды относят расходы различных фаз водного и ледового режима реки, например максимальные (пиковые) расходы воды половодья и паводков, минимальные расходы воды межени, расходы воды в начале весеннего ледохода и т. д.
Расходы воды реки подвержены непрерывным изменениям. В гидрологии рек существуют два основных подхода при анализе их изменений. При первом - генетическом - анализируют причины изменения стока, выявляют связь колебаний стока с определяющими, в основном климатическими, факторами. При втором - вероятностном - оценивают вероятность наступления на данной реке тех или иных расходов воды: чем больше отличается расход воды реки в данный момент в большую или меньшую сторону от некоторой средней величины («нормы»), тем меньше вероятность такого явления. В гидрологии разработана целая система специальных методов статистической и вероятностной оценки колебаний речного стока при наличии, недостатке и отсутствии данных наблюдений . В гидрологии широко используют понятие среднего расхода воды за какой-либо интервал времени At (декаду, месяц, сезон, год, ряд лет). Такие расходы воды рассчитывают по формулам вида:
где Qi - средние суточные расходы воды; п - число суток в рассматриваемом интервале времени. Так, например, средний годовой расход воды в обычный (невисокосный) год определяют путем суммирования всех средних суточных расходов воды за год и деления суммы на 365. Точно так же средний многолетний расход воды (его часто называют «нормой стока» и обозначают через Q 0) определяют по формуле:
где Qi - средние годовые расходы воды; N- число лет.
Предполагается, что норма стока представляет собой устойчивую величину, т. е. средняя арифметическая величина, вычисленная за достаточно длительный период, остается постоянной независимо от прибавления новых членов к вариационному ряду. Понятие об устойчивости нормы стока является не совсем верным . Климатические факторы на больших пространствах не остаются неизменными в течение длительных периодов, не только доисторических, но и исторических. Эти колебания носят циклический характер с длительностью циклов около 1800 лет; влажные циклы сменяются засушливыми и на смену последним вновь приходят влажные. Помимо циклических колебаний стока, вызванных циклическими же колебаниями климатических факторов, изменения стока вызываются хозяйственной деятельностью человека. Эти изменения носят обычно односторонне направленный характер. Учитывая циклические колебания стока, принято считать нормой годового стока среднюю арифметическую его величину, вычисленную за длительный период, включающий не менее двух полных циклов колебаний стока. Цикл состоит из двух фаз водности - многоводной и маловодной.
Объем стока воды - это объем воды, прошедшей через данное поперечное сечение речного потока за какой-либо интервал времени. Расход воды поэтому можно считать объемом стока воды за 1 с.
Объем стока воды рассчитывают по формуле:
где W - объем стока, м 3 ; Q - средний расход воды за интервал времени At (Q в м 3 /с, At в с). Для больших рек W часто удобнее выразить в км 3 (особенно если речь идет о годовых величинах).
Слой стока - это количество воды, стекающее с водосбора за какой-либо интервал времени, равное толщине слоя, равномерно распределенного по площади водосбора и выраженного в миллиметрах. Эту величину удобно представлять как количество воды, численно равное толщине слоя, который получится, если объем стока за какой-либо период равномерно распределить по площади бассейна. В зависимости от единиц измерения объема стока рассчитывается следующим образом:
где у - слой стока, мм; F - площадь бассейна, км 2 .
Модуль стока воды - это количество воды, стекающее с единицы площади водосбора в единицу времени. Модуль стока воды обычно обозначают через М, л/(с-км 2), и рассчитывают по формуле:
где Q - любой расход воды (как мгновенный, например максимальный, так и средний за интервал времени At)
Коэффициент стока - отношение величины (объема или слоя) стока к количеству выпавших на площадь водосбора атмосферных осадков, обусловивших возникновение этого стока:
где у и х в мм, 7и1вм 3 или км 3 . Коэффициент стока обычно рассчитывают для средних многолетних величин слоя стока и слоя осадков, либо для гидрологического года. Иногда рассчитывают коэффициент стока и за половодье; в этом случае слой стока за половодье делят на слой воды, складывающийся из атмосферных осадков на период половодья и запасов воды в снежном покрове, накопившемся за предшествующую зиму. Коэффициент стока величина безразмерная, изменяющаяся от 0 до 1.
Модульный коэффициент К может быть получен из отношений:
K,=Q,/Q a =M i /M 0 =W l /W 0 = /у 0 , (2.19)
где соответственно Q h M h W h y t - сток за какой-либо период; Q 0 , М 0 , W 0 , уо - сток за многолетний период, или норма стока. В маловодные годы К К > 1. Характеристики стока могут быть рассчитаны отдельно для подземной и поверхностной составляющих, например модуль поверхностного стока и модуль подземного стока .
В данной статье мы подробно рассмотрим вопрос, что такое годовой сток реки. Также узнаем, что влияет на этот показатель, который определяет полноводность реки. Перечислим самые значительные реки планеты, лидирующие по годовому стоку.
Речной сток
Важнейшей частью всепланетного круговорота воды - этого залога жизни на Земле - являются реки. Движение воды в их сетях происходит под воздействием гравитационного градиента, то есть вследствие перепада высот двух точек земной поверхности. Вода движется из более возвышенной области на более низко расположенную территорию.
Питаемые тающими ледниками, выпадающими осадками, а также подземными водами, вышедшими на поверхность, реки несут свои воды в устье - обычно в одно из морей.
Они различаются между собой как протяженностью, густотой и разветвленностью речной сети, так и расходом воды за определенный промежуток времени - тем ее количеством, которое проходит через сечение или створ реки за единицу времени. При этом ключевым параметром будет являться расход воды в створе реки при впадении в устье, так как насыщенность или полноводность меняется в сторону увеличения от истока к устью.
Годовой сток реки в географии - это показатель, для определения которого необходимо учитывать количество воды, стекающей за секунду с квадратного метра рассматриваемой территории, а также отношение расхода воды к объему выпавших осадков.
Годовой сток
Итак, годовой сток реки - это, прежде всего, тот объем вод, который река выбрасывает при падении в свое устье. Можно сказать и немного по-другому. Количество воды, которое проходит за названный период времени через сечение реки в месте ее впадения, - это годовой сток реки.
Определение данного параметра помогает охарактеризовать полноводность той или иной реки. Соответственно, самыми полноводными будут реки с наибольшим показателем годового стока. Единицей же измерения последнего является объем, выраженный в кубических метрах либо кубических километрах, за год.
Твердый сток
При учете величины годового стока необходимо учитывать, что река несет не чистую, дистиллированную воду. В речной воде как в растворенном, так и во взвешенном виде содержится огромное количество твердых веществ. Часть из них - в виде нерастворимых частиц - сильно влияет на показатель ее прозрачности (мутности).
Сток твердых веществ подразделяется на два вида:
- взвешенный - взвесь относительно легких частиц;
- донный - относительно тяжелые частицы, которые влекутся течением по дну к месту впадения.
Кроме того, твердый сток состоит из продуктов выветривания, вымывания, эрозии и т. д. почв, грунтов, горных пород. Показатель твердого стока может достигать, в зависимости от полноводности и мутности реки, десятков, а порой и сотен миллионов тонн (к примеру, Хуанхэ - 1500, Инд - 450 миллионов тонн).
Климатические факторы, определяющие параметр годового речного стока
Климатические факторы, определяющие годовой сток реки, - это, прежде всего, годовое количество выпадающих осадков, площадь водосбора речной системы и испаряемость воды с поверхности (зеркала) реки. Последний фактор напрямую зависит от количества солнечных дней, среднегодовой температуры, прозрачности речной воды, а также от иных многочисленных факторов. Важную роль играет также и то, в какой период времени выпадает наибольшее количество осадков. Если в более жаркое, то это уменьшит годовой сток, и наоборот. Огромную роль играет также влажность климата.
Характер рельефа
Реки, текущие большей частью по равнинной местности, при прочих равных условиях, менее водообильные, чем преимущественно горные реки. Последние по годовому стоку могут превышать равнинные в несколько раз.
Причин тому много:
- горные реки, имеющие гораздо больший уклон, текут быстрее, а значит, у речной воды меньше времени на испарение;
- в горах температура всегда намного ниже, и, стало быть, испарение слабее;
- в горной местности больше осадков и больше наполняемость рек, значит, и выше годовой сток реки.
Это, забегая немного вперед, усиливается тем, что характер грунтов в горной местности обладает меньшим впитыванием, соответственно, больший объем воды приходит к устью.
Характер грунтов, почвенного покрова, растительности
Речной сток в большой степени определяется характером поверхности, по которой река несет свои воды. Годовой сток реки - это показатель, на который в первую очередь влияет характер грунта.
Скальные породы, глина, каменистая почва, песок сильно отличаются пропускной способностью по отношению к воде. Сильно впитывающие поверхности (например, песок, сухая почва) будут радикально уменьшать объем годового стока протекающей по ним реки, в то время как почти непроницаемые для воды типы поверхности (выступающие скальные породы, плотные глины) практически никакого влияния на параметры речного стока оказывать не будут, пропуская речные воды через свою территорию безо всяких потерь.
Крайне важным фактором также является водонасыщенность почв. Так, обильно увлажненные почвы не только не будут «забирать» талую воду во время весеннего снеготаяния, но и способны «делиться» избыточной.
Немаловажным является характер растительного покрова берегов исследуемой реки. Например, те из них, что протекают по лесистой местности, более водообильны, при прочих равных условиях, по сравнению с реками в степной либо лесостепной зоне. В частности, это обусловлено способностью растительности уменьшать общее испарение влаги с земной поверхности.
Крупнейшие реки мира
Рассмотрим реки с наиболее обильным стоком. Для этого предлагаем вашему вниманию таблицу.
| Полушарие | Название реки | Годовой речной сток, тыс. куб. км |
||
| ЮжнаяАмерика | р. Амазонка | |||
| Северное | ||||
| ЮжнаяАмерика | р. Риу-Негру | |||
| Северное | ЮжнаяАмерика | р. Ориноко | ||
| Северное | р. Енисей | |||
| Северное | Сев. Америка | р. Миссисипи | ||
| ЮжнаяАмерика | р. Парана | |||
| Северное | ||||
| ЮжнаяАмерика | р. Токантинс | |||
| р. Замбези | ||||
| Северное | ||||
| Северное |
Проанализировав эту данные, можно понять, что годовой сток рек России, таких как Лена или Енисей, достаточно велик, но он все равно не сравнится с годовым стоком таких мощных полноводных рек как Амазонка или Конго, расположенных в южном полушарии.
28.07.2015
Колебания речного стока и критерии его оценки.
Речным стоком называют перемещение воды в процессе ее кругооборота в природе, когда она стекает по речному руслу. Речной сток определяется количеством воды, протекающим по речному руслу за определенный промежуток времени.
На режим стока оказывают влияние многочисленные факторы: климатические - осадки, испарение, влажность и температура воздуха; топографические - рельеф местности, форма и размеры речных бассейнов и почвенно-геологические, включая растительный покров.
Для любых бассейнов, чем больше осадков и меньше испарение, тем больше сток реки.
Установлено, что с возрастанием площади водосбора продолжительность весеннего половодья также увеличивается, гидрограф же имеет более вытянутую и «спокойную» форму. В легко проницаемых грунтах больше фильтрация и меньше сток.
При выполнении различных гидрологических расчетов, связанных с проектированием гидротехнических сооружений, мелиоративных систем, систем водоснабжения, мероприятий по борьбе с наводнениями, дорог и т. д., определяют следующие основные характеристики речного стока.
1. Расход воды
- это объем воды, протекающий через рассматриваемый створ в единицу времени. Средний расход воды Qcp рассчитывают как среднее арифметическое из расходов за данный промежуток времени Т:
2. Объем стока V
- это объем воды, который протекает через заданный створ за рассматриваемый промежуток времени T
3. Модуль стока M
- это расход воды, приходящийся на 1 км2 площади водосбора F (или стекающей с единицы площади водосбора):
В отличие от расхода воды модуль стока не связан с конкретным створом реки и характеризует сток в целом с бассейна. Средний многолетний модуль стока M0 не зависит от водности отдельных лет, а определяется только географическим положением бассейна реки. Это позволило районировать нашу страну в гидрологическом отношении и построить карту изолиний среднемноголетних модулей стока. Эти карты приводятся в соответствующей нормативной литературе. Зная площадь водосбора какой-либо реки и определив для нее по карте изолиний величину M0, можно установить средний многолетний расход воды Q0 этой реки по формуле
Для близко расположенных створов реки модули стока можно принять постоянными, то есть
Отсюда по известному расходу воды в одном створе Q1 и известным площадям водосборов в этих створах F1 и F2, расход воды в другом створе Q2 может быть установлен по соотношению
4. Слой стока h
- это высота слоя воды, которая бы получилась при равномерном распределении по всей площади бассейна F объема стока V за определенный промежуток времени:
Для среднего многолетнего слоя стока h0 весеннего половодья составлены карты изолиний.
5. Модульный коэффициент стока К
- это отношение любой из выше приведенных характеристик стока к ее среднеарифметическому значению:
Эти коэффициенты могут быть установлены для любых гидрологических характеристик (расходов, уровней, осадков, испарения и т.д.) и для любых периодов стока.
6. Коэффициент стока η
- это отношение слоя стока к слою выпавших на водосборную площадь осадков х:
Этот коэффициент может быть выражен также через отношение объема стока к объему осадков за один и тот же промежуток времени.
7. Норма стока
- наиболее вероятная средняя многолетняя величина стока, выраженная любой из вышеприведенных характеристик стока за многолетний период. Для установления нормы стока ряд наблюдений должен быть не менее 40...60 лет.
Норма годового стока Q0 определяется по формуле
Так как на большинстве водомерных постов число лет наблюдений обычно менее 40, то необходимо проверить, достаточно ли этого числа лет для получения достоверных значений нормы стока Q0. Для этого вычисляют среднеквадратическую ошибку нормы стока по зависимости
Продолжительность периода наблюдений достаточна, если величина среднеквадратической ошибки σQ не превышает 5 %.
На изменение годового стока преимущественное влияние оказывают климатические факторы: осадки, испарение, температура воздуха и т. д. Все они взаимосвязаны и, в свою очередь, зависят от ряда причин, которые имеют случайный характер. Поэтому гидрологические параметры, характеризующие сток, определяются совокупностью случайных величин. При проектировании мероприятий по лесосплаву необходимо знать значения этих параметров с необходимой вероятностью их превышения. Например, при гидравлическом расчете лесосплавных плотин необходимо установить максимальный расход весеннего паводка, который может быть превышен пять раз за сто лет. Эту задачу решают, используя методы математической статистики и теории вероятности. Для характеристики величин гидрологических параметров - расходов, уровней и т. д. используют понятия: частота
(повторяемость) и обеспеченность (продолжительность).
Частота показывает, во скольких случаях за рассматриваемый период времени величина гидрологического параметра находилась в определенном интервале. Например, если среднегодовой расход воды в заданном створе реки изменялся за ряд лет наблюдений от 150 до 350 м3/с, то можно установить, сколько раз значения этой величины находились в интервалах 150...200, 200...250, 250...300 м3/с и т. д.
Обеспеченность
показывает, во скольких случаях величина гидрологического элемента имела значения, равные и большие определенной величины. В широком понимании обеспеченность - это вероятность превышения данной величины. Обеспеченность какого-либо гидрологического элемента равна сумме частот вышерасположенных интервалов.
Частота и обеспеченность могут выражаться числом случаев, но в гидрологических расчетах их чаще всего определяют в процентах от общего числа членов гидрологического ряда. Например, в гидрологическом ряду двадцать значений среднегодовых расходов воды, шесть из них имели величину, равную или большую 200 м3/с, это значит, что этот расход обеспечен на 30 %. Графически изменения частоты и обеспеченности изображаются кривыми частоты (рис. 8а) и обеспеченности (рис. 8б).
В гидрологических расчетах чаще используют кривую обеспеченности. Из этой кривой видно, что чем больше величина гидрологического параметра, тем меньше процент обеспеченности, и наоборот. Поэтому принято считать, что годы, для которых обеспеченность стока, то есть среднегодовой расход воды Qг, меньше 50 % являются многоводными, а годы с обеспеченностью Qг больше 50 % - маловодными. Год с обеспеченностью стока 50 % считают годом средней водности.
Обеспеченность водности года иногда характеризуют ее средней повторяемостью. Для многоводных лет повторяемость показывает, как часто встречаются в среднем годы данной или большей водности, для маловодных - данной или меньшей водности. Например, среднегодовой расход многоводного года 10%-ной обеспеченности имеет среднюю повторяемость 10 раз в 100 лет или 1 раз в 10 лет; средняя повторяемость маловодного года 90%-ной обеспеченности также имеет повторяемость 10 раз в 100 лет, так как в 10 % случаев среднегодовые расходы будут иметь меньшие значения.
Годы определенной водности имеют соответствующее наименование. В табл. 1 для них приведены обеспеченность и повторяемость.
Связь между повторяемостью у и обеспеченностью р может быть записана в таком виде:
для многоводных лет
для маловодных лет
Все гидротехнические сооружения для регулирования русла или стока рек рассчитываются по водности года определенной обеспеченности, гарантирующей надежность и безаварийность работы сооружений.
Расчетный процент обеспеченности гидрологических показателей регламентируется «Инструкцией по проектированию лесосплавных предприятий».
Кривые обеспеченности и способы их расчета.
В практике гидрологических расчетов применяются два способа построения кривых обеспеченности: эмпирический и теоретический.
Обоснованный расчет эмпирической кривой обеспеченности
можно выполнить только при числе наблюдений за стоком реки более 30...40 лет.
При расчете обеспеченности членов гидрологического ряда для годового, сезонного и минимального стоков можно использовать формулу Н.Н. Чегодаева:
Для определения обеспеченности максимальных расходов воды применяют зависимость С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля:
Порядок построения эмпирической кривой обеспеченности:
1) все члены гидрологического ряда записываются в убывающем по абсолютной величине порядке;
2) каждому члену ряда присваивается порядковый номер, начиная с единицы;
3) определяется обеспеченность каждого члена убывающего ряда по формулам (23) или (24).
По результатам расчета строят кривую обеспеченности, подобную той, которая представлена на рис. 8б.
Ho эмпирические кривые обеспеченности обладают рядом недостатков. Даже при достаточно длительном периоде наблюдений нельзя гарантировать, что этот интервал охватывает все возможные максимальные и минимальные значения стока реки. Расчетные значения обеспеченности стока 1...2 % не надежны, так как достаточно обоснованные результаты можно получить только при числе наблюдений за 50...80 лет. В связи с этим, при ограниченном периоде наблюдений за гидрологическим режимом реки, когда число лет менее тридцати, или при полном их отсутствии, строят теоретические кривые обеспеченности.
Исследования показали, что распределение случайных гидрологических величин наиболее хорошо подчиняется уравнению кривой Пирсона III типа, интегральное выражение которой является кривой обеспеченности. Пирсоном получены таблицы для построения этой кривой. Кривая обеспеченности может быть построена с достаточной для практики точностью по трем параметрам: среднеарифметическому значению членов ряда, коэффициентам вариации и асимметрии.
Среднеарифметическое значение членов ряда вычисляется по формуле (19).
Если число лет наблюдений менее десяти или наблюдения вообще не проводились, то среднегодовой расход воды Qгcp принимают равным среднему многолетнему Q0, то есть Qгcp = Q0. Величина Q0 может быть установлена при помощи модульного коэффициента K0 или модуля стока M0, определенного по картам изолиний, так как Q0 = M0*F.
Коэффициент вариации
Cv характеризует изменчивость стока или степень колебания его относительно среднего значения в данном ряду, он численно равен отношению среднеквадратической ошибки к среднеарифметическому значению членов ряда. На величину коэффициента Cv оказывают существенное влияние климатические условия, тип питания реки и гидрографические особенности ее бассейна.
При наличии данных наблюдений не менее чем за десять лет коэффициент вариации годового стока вычисляют по формуле
Величина Cv меняется в широких пределах: от 0,05 до 1,50; для лесосплавных рек Cv = 0,15...0,40.
При коротком периоде наблюдений за стоком реки или при их полном отсутствии коэффициент вариации
можно установить по формуле Д.Л. Соколовского:
В гидрологических расчетах для бассейнов с F > 1000 км2 также используют карту изолиний коэффициента Cv, если суммарная площадь озер не более 3 % площади водосбора.
В нормативном документе СНиП 2.01.14-83 для определения коэффициента вариации неизученных рек рекомендуется обобщенная формула К.П. Воскресенского:
Коэффициент асимметрии Cs
характеризует несимметричность ряда рассматриваемой случайной величины относительно ее среднего значения. Чем меньшая часть членов ряда превышает величину нормы стока, тем больше величина коэффициента асимметрии.
Коэффициент асимметрии может быть рассчитан по формуле
Однако эта зависимость дает удовлетворительные результаты только при числе лет наблюдений n > 100.
Коэффициент асимметрии неизученных рек устанавливается по соотношению Cs/Cv для рек-аналогов, а при отсутствии достаточно хороших аналогов принимаются средние отношения Cs/Cv по рекам данного района.
Если невозможно установить отношение Cs/Cv по группе рек-аналогов, то значения коэффициента Cs для неизученных рек принимаются по нормативным соображениям: для бассейнов рек с коэффициентом озерности более 40 %
для зон избыточного и переменного увлажнения - арктической, тундровой, лесной, лесостепной, степной
Для построения теоретической кривой обеспеченности по приведенным выше трем ее параметрам - Q0, Cv и Cs - пользуются методом, предложенным Фостером - Рыбкиным.
Из выше приведенного соотношения для модульного коэффициента (17) следует, что средняя многолетняя величина стока заданной обеспеченности - Qp%, Мр%, Vp%, hp% - может быть рассчитана по формуле
Модульный коэффициент стока года заданной обеспеченности определяется по зависимости
Определив ряд любых характеристик стока за многолетний период различной обеспеченности, можно по этим данным построить и кривую обеспеченности. При этом все расчеты целесообразно вести в табличной форме (табл. 3 и 4).
Способы расчета модульных коэффициентов.
Для решения многих водохозяйственных задач необходимо знать распределение стока по сезонам или месяцам года. Внутригодовое распределение стока выражают в виде модульных коэффициентов месячного стока, представляющих отношения среднемесячных расходов Qм.ср к среднегодовому Qг.ср:
Внутригодовое распределение стока различно для лет разной водности, поэтому в практических расчетах определяют модульные коэффициенты месячного стока для трех характерных лет: многоводного года 10%-ной обеспеченности, среднего по водности - 50%-ной обеспеченности и маловодного - 90%-ной обеспеченности.
Модульные коэффициенты месячного стока можно установить по фактическим знаниям среднемесячных расходов воды при наличии данных наблюдений не менее чем за 30 лет, по реке-аналогу или по типовым таблицам распределения месячного стока, которые составлены для разных бассейнов рек.
Среднемесячные расходы воды определяют, исходя из формулы
(33): Qм.cp = KмQг.ср
Максимальные расходы воды. При проектировании плотин, мостов, запаней, мероприятий по укреплению берегов необходимо знать максимальные расходы воды. В зависимости от типа питания реки за расчетный максимальный расход может быть принят максимальный расход воды весеннего половодья или осеннего паводка. Расчетная обеспеченность этих расходов определяется классом капитальности гидросооружений и регламентируется соответствующими нормативными документами. Например, лесосплавные плотины Ill класса капитальности рассчитываются на пропуск максимального расхода воды 2%-ной обеспеченности, а IV класса - 5%-ной обеспеченности, берегоукрепительные сооружения не должны разрушаться при скоростях течения, соответствующих максимальному расходу воды 10%-ной обеспеченности.
Способ определения величины Qmax зависит от степени изученности реки и от различия между максимальными расходами весеннего половодья и паводка.
Если имеются данные наблюдений за период более 30...40 лет, то строят эмпирическую кривую обеспеченности Qmax, а при меньшем периоде - теоретическую кривую. В расчетах принимают: для весеннего половодья Cs = 2Сv, а для дождевых паводков Cs = (3...4)CV.
Поскольку наблюдения за режимом рек ведутся на водомерных постах, то обычно кривую обеспеченности строят для этих створов, а максимальные расходы воды в створах расположения сооружений рассчитывают по соотношению
Для равнинных рек максимальный расход воды весеннего половодья заданной обеспеченности р% вычисляют по формуле
Значения параметров n и K0 определяются в зависимости от природной зоны и категории рельефа по табл. 5.
I категория - реки, расположенные в пределах холмистых и платообразных возвышенностей - Среднерусская, Струго-Красненская, Судомская возвышенности, Среднесибирское плоскогорье и др.;
II категория - реки, в бассейнах которых холмистые возвышенности чередуются с понижениями между ними;
III категория - реки, большая часть бассейнов которых располагается в пределах плоских низменностей - Молого-Шекснинская, Мещерская, Белорусское полесье, Приднестровская, Васюганская и др.
Значение коэффициента μ устанавливается в зависимости от природной зоны и процента обеспеченности по табл. 6.
Параметр hp% вычисляют по зависимости
Коэффициент δ1 рассчитывают (при h0 > 100 мм) по формуле
Коэффициент δ2 определяют по соотношению
Расчет максимальных расходов воды весеннего половодья ведется в табличной форме (табл. 7).
Уровни высоких вод (УВВ) расчетной обеспеченности устанавливаются по кривым расходов воды для соответствующих значений Qmaxp% и расчетных створов.
При приближенных расчетах максимальный расход воды дождевого паводка может быть установлен по зависимости
В ответственных расчетах определение максимальных расходов воды следует проводить в соответствии с указаниями нормативных документов.
Водные ресурсы составляют национальное богатство нашей страны. По суммарному годовому стоку Россия занимает одно из ведущих мест в мире.
Для выполнения расчетов водопотребления, распределения водных ресурсов между различными отраслями народного хозяйства и при решении других практических задач в гидрологии используются следующие количественные характеристики стока.
Объем стока W , м 3 – это количество воды, протекающее через рассматриваемый створ водотока за какой либо период времени Т . Наибольший интерес представляет объем годового стока, для которого Т=31.56 10 6 с .
Слой стока y, мм – количество воды, стекающей с водосбора за какой либо промежуток времени, выраженное в виде слоя, равномерно распределенного по площади бассейна.
Расход
воды
Q,
м
/c
– объем воды, протекающей через поперечное
сечение потока (живое
сечение
) за
единицу времени. Средний расход воды
за время Т
определяется выражением
(2.7)
Модуль
стока М, л/c/км
– есть частное от деления расхода воды
на площадь водосборного бассейна. Модуль
стока показывает, какой объем воды
стекает с единицы площади водосбора за
единицу времени
(2.8)
Коэффициент
стока
– отношение слоя стока к слою осадков
(2.9)
Из этих характеристик в практике инженерных расчетов наиболее широко применяются расход воды Q и норма стока W о – средний за многолетие годовой объем стока. Измерения стока, выполняемые на реках длительное время (более 100 лет ), показывают, что его величина подвержена значительным колебаниям. При этом расход воды в реке изменяется как в течение календарного года – т.е. существует внутригодовое распределение стока, так и из года в год. Первый вид колебания стока обусловлен в основном питанием реки и будет рассмотрен ниже.
Режим стока определяется климатом и группой физико-географических факторов. К ним относятся рельеф, почвенно-грунтовый и растительный покров, наличие озер и болот на территории бассейна. В последнее время сток испытывает все большее влияние человеческой деятельности.
Основным фактором формирования стока являются климатические условия. Размеры стока и его изменения в течение года и за многолетний период в основном определяются количеством осадков, испарением, влажностью воздуха и др. В областях избыточного увлажнения осадки имеют определяющее значение в формировании годового стока (р. Нева имеет коэффициент стока 0.70 ). В районах со значительным испарением зависимость стока от осадков выражается слабее (р. Дон – коэффициент стока 0.16 ).
Ежегодно речной сток проходит один и тот же цикл изменений. Между тем, даты наступления фаз колебаний и значения расходов воды изменяются в многолетнем ряду. Изменяется вместе с ними годовой объем стока. Эти колебания обусловлены значительным числом факторов и сток может рассматриваться как случайный процесс. Для определения характерных расходов воды – максимального, минимального и среднегодового используется аппарат математической статистики.
Влияние человеческой деятельности – антропогенное воздействие на природу приводит к нарушению естественных процессов формирования стока. Водохранилища вносят сильные изменения во внутригодовое распределение стока. Однако при этом уменьшается также средний годовой сток за счет испарения с поверхности воды. Наиболее ощутимо изменение годового стока после создания водохранилищ в засушливых районах. Еще больше потери стока в районах орошаемого земледелия. Сток снижается в результате коммунального и промышленного водоснабжения, а также за счет агротехнических и лесомелиоративных мероприятий.
В настоящее время особую тревогу вызывает не ограниченность водных ресурсов в целом по стране, а резкое ухудшение качества воды. Ответственность за это несут практически все водопользователи: промышленность, транспорт, сельское хозяйство и другие отрасли. Поэтому проблема обеспечения человека чистой водой и проблема сохранения фауны рек, озер и морей приобрели сейчас глобальный характер. Охрана водных ресурсов является одной из важнейших задач в охране окружающей среды.
