Суточные колебания уровня неглубоких грунтовых вод - реакция на испарение и транспирацию. Днём уровень несколько снижается, а ночью - повышается.

Температурный и гидрохимический режимы грунтовых вод

Температурный режим грунтовых вод.

Формируется под влиянием колебаний температуры воздуха и инфильтрующихся вод. С глубиной многолетние сезонные и суточные колебания температуры грунтовых вод быстро затухают. Положение зоны с постоянной температурой грунтовых вод наиболее высоко у экватора (всего несколько метров), поскольку малы сезонные колебания температуры воздуха. Особенно глубоко зона с постоянной температурой грунтовых вод (до 41 м) располагается в условиях резко континентального климата. Температура воды в верхней части упомянутой зоны в пределах СНГ в меридиональном направлении изменяется от 0 до 20 ⁰С и примерно соответствует средней многолетней температуре воздуха, превышая её на 1-3 ⁰С. На больших глубинах температура возрастает в соответствии с характерным для данной местности геотермическим градиентом. Суточные колебания температуры в провинции кратковременного питания достигают 8-10 ⁰С, в провинции сезонного питания - от 2-5 до 10-12 ⁰С, реже 16-20 ⁰С. В провинции круглогодичного питания суточные колебания составляют от 10 до 20-25 ⁰С, а в наиболее тёплых р-нах - от 15-16 до 30 ⁰С.

Гидрохимический режим грунтовых вод.

В провинции кратковременного питания достигают минимальная минерализация составляет 5-30 мг/л и наблюдается в весеннее и летнее время (результат разбавление талыми водами), максимальная (до 1 г/л) - в предвесеннее время (если нет промерзания). Наиболее характерны ионы HCO₃ ^- и Ca₂⁺.

В провинции сезонного питания и провинции круглогодичного питания существует два типа гидрохимического режима подземных вод.

1. Минимальная минерализация совпадает с максимальным уровнем - весной. Максимальная минерализация в провинции сезонного питания наблюдается в предвесеннее и летнее время, в провинции круглогодичного питания - в летне-осеннее время, совпадая с минимальным уровнем грунтовых вод. Колебания минерализации от 10-400 мг/л в Прибалтике до 20-1000 мг/л в Средней полосе России и 0,2-11 г/л в Прикаспии. С севера на юг растёт содержание ионов SO₄^{2 -} и Na⁺.

2. Характеризуется преобладанием испарения над питанием грунтовых вод, их выпариванием и снижением уровня. В результате происходит накопление солей в зоне аэрации и увеличение минерализации грунтовых вод. В периоды зимнего и весеннего питания инфильтрующиеся воды растворяют эти соли и ещё более повышают минерализацию.Т. е. максимальный уровень и максимальная минерализация совпадают. Преобладают ионы Cl^-, SO₄^2-, Na⁺, Mg²⁺.

На больших глубинах залегания уровня (более 10 м) отмечается особый тип гидрохимического режима грунтовых вод, характеризующийся ничтожными колебаниями минерализации. С глубиной сезонные изменения минерализации и солевого состава затухают во всех трёх провинциях. Специфические колебания уровня, температуры и химического состава испытывают грунтовые воды, гидравлически связанные с водами рек, озёр водохранилищ и т.д.

Свободная поверхность подземных вод.

Зона грунтовых, или фреатических, вод отделена от капиллярной каймы свободной поверхностью. Последняя представляет собой теоретическую плоскость, уровень которой примерно соответствует высоте уровня воды в неглубоком колодце, пройденном в породах зоны насыщения. Если поток грунтовых вод горизонтальный, уровень воды в колодце будет почти совпадать со свободной поверхностью. Однако сам колодец несколько нарушает характер потока и, следовательно, уровень воды в водоносном горизонте. Часто свободную поверхность подземных вод определяют как поверхность, отделяющую капиллярную кайму от зоны насыщения, или как поверхность уровней воды в скважинах, вскрывающих безнапорный водоносный горизонт. Более точно свободная поверхность определяется как поверхность воды в безнапорном водоносном горизонте, у которой гидростатическое давление равно атмосферному. Сущность этого определения хорошо видна на рис. 2.8. Гипотетический манометр А, заполненный водой, расположен выше земной поверхности, причем один конец его открыт и вода в обоих коленах манометра под действием атмосферного давления устанавливается на одном уровне. Манометр Б расположен в сухой скважине, и один его конец соединен с ненасыщенной средой выше капиллярной каймы, что позволяет видеть действие капиллярных сил. Уровень жидкости в открытом конце манометра В находится в пределах капиллярной каймы, поэтому гидростатическое давление в нем ниже атмосферного. Один из концов манометра Г расположен на уровне свободной поверхности, столбики жидкости в его коленах уравновешены, как в манометре А. Следовательно, на свободной поверхности подземных вод гидростатическое давление равно атмосферному. Манометр Д находится ниже свободной поверхности, в нем гидростатическое давление выше атмосферного.

Положение свободной поверхности показано с помощью гипотетических манометров бесконечно малого диаметра, заполненных водой и соединенных с пористой средой за пределами сухой скважины. Манометр Г показывает атмосферное давление и уровень свободной поверхности подземных вод.

Формула Дарси

Формула Дарси - формула, определяющая потери напора или потери давления на гидравлических сопротивлениях:

геологический процесс земной кора

где

· Дh - потери напора на гидравлическом сопротивлении;

· о - коэффициент потерь (коэффициент Дарси);

· V - средняя скорость течения жидкости;

· g - ускорение свободного падения;

· величина называется скоростным напором.

Формула Дарси, определяющая потери давления на гидравлических сопротивлениях, имеет вид:

ДP - потери давления на гидравлическом сопротивлении;

· с - плотность жидкости.

Формула Дарси-Вейсбаха

Если гидравлическое сопротивление представляет собой участок трубы длиной L и диаметром D, то коэффициент Дарси определяется следующим образом:

где л - коэффициент потерь на трение по длине.

Тогда формула Дарси приобретает вид:

или для потери давления:

Последние две зависимости получили название формулы Дарси-Вейсбаха.

Если определяются потери на трение по длине для трубы некруглого поперечного сечения, то D представляет собой гидравлический диаметр.

Следует отметить, что потери напора на гидравлических сопротивлениях не всегда пропорциональны скоростному напору.

Реки

Речная система - совокупность рек, изливающих воды одним общим руслом или системой протоков в море, озеро или другой водоём.

Состоит из главной реки (ствола системы) и притоков первого, второго и следующих порядков. Притоками первого порядка называются реки, непосредственно впадающие в главную реку, второго порядка - притоки притоков первого порядка и т. д. Иногда наименование порядка рек ведётся, наоборот, от мелких рек к главной.

Название речной системы даётся по названию главной реки, которая является обычно наиболее длинной и многоводной рекой в системе

Водораздемл - условная топографическая линия на земной поверхности, разделяющая водосборы двух или нескольких рек, озёр, морей или океанов, направляя сток атмосферных осадков по двум противоположным склонам.

Местность вокруг линии водораздела называется водораздельной территорией. В разные стороны от водораздела идут покатости и уклоны рельефа земной поверхности. В гористых областях водоразделы обычно проходят по гребням гор, на равнинах - на холмистых высотах или даже низменностях. На равнинах водораздел обычно выражен в рельефе нечётко и превращается в плоское водораздельное пространство (или водораздельную территорию), на котором направление стока может быть переменным. Иногда водораздельная территория также называется водоразделом.

Главная водораздельная линия материка, разграничивающая бассейны различных океанов или оконтуривающая крупные бессточные области, называется континентальным водоразделом.

Линию, разграничивающую бассейн тихоокеанского (рек, впадающих в Тихий и Индийский океаны) и атлантического (рек, впадающих в Атлантический и Северный Ледовитый океаны) склонов, называют главным водоразделом Земли.

Центральный водораздел Европейской части России, Русской равнины - Валдайская возвышенность. Из местных болот и озёр, залегающих между холмами и обильно питаемых осадками, дождями и снегами, берут начало главные реки Европейской России, относящиеся к бассейнам разных морей - Волга (Каспийское море), Днепр (Чёрное море), Западная Двина (Балтийское море).

Различают поверхностный и подземный водоразделы.

Бассейн водоёма - территория земной поверхности, с которой все поверхностные и грунтовые воды стекают в данный водоём, включая различные его притоки реки. Чаще всего речь идёт о бассейнах рек.

Бассейн каждого водоёма включает в себя поверхностный и подземный водосборы. Поверхностный водосбор представляет собой участок земной поверхности, с которого поступают воды в данную речную систему или определённую реку. Подземный водосбор образуют толщи рыхлых отложений, из которых вода поступает в речную сеть. В общем случае поверхностный и подземный водосборы не совпадают. Но т.к. определение границы подземного водосбора практически очень сложно, то за величину речного бассейна принимается только поверхностный водосбор.

Возникающие ошибки в результате условного отождествления размеров бассейна и поверхностного водосбора могут оказаться существенными только для малых рек и озёр, а также для более крупных рек, протекающих в геологических условиях, обеспечивающих хороший водообмен между соседними бассейнами (например, карст). Граница между бассейнами отдельных водоёмов проходит по водоразделам.

Бассейны делятся на сточные и бессточные. Бессточными называются области внутриматерикового стока, лишённого связи через речные бассейны с океаном, формы и размеры бассейнов бывают самые различные и зависят от географического положения, рельефа и геологического строения местности. Притоки рек имеют свои небольшие бассейны, общая совокупность которых составляет площадь бассейна главной реки.

Характеристики:

1. Характеристики гидрографической сети - длина реки; извилистость; гидрографическая схема речной сети; продольный профиль и уклон реки;

2. Морфометрические характеристики бассейна - площадь водосбора реки; длина и ширина бассейна; коэффициенты, характеризующие бассейн; график нарастания площади бассейна реки по длине главной реки;

Водосбор - часть земной поверхности, с которой вода поступает в отдельный водоток.

Бассейн каждой реки включает в себя поверхностный и подземный водосборы.

Поверхностный водосбор представляет собой участок земной поверхности, с которого поступают воды в данную речную систему или определённую реку. Подземный водосбор образуют толщи рыхлых отложений, из которых вода поступает в речную сеть. В общем случае поверхностный и подземный водосборы не совпадают. Но т.к. определение границы подземного водосбора практически очень сложно, то за величину бассейна реки принимается только поверхностный водосбор.

Течение - движение воды в русле водотока (реки, канала, ручья). Течение водотоков происходит под действием гравитации за счёт перепадов уровней воды.

В разных частях речных русел наблюдаются различные течения: на речных излучинах наблюдаются прижимные течения, которые затрудняют судоходство; на перекатах наблюдаются; в ухвостьях островов наблюдаются сбойные течения.

Течения водотоков характеризуются скоростью и направлением. План течений определяется на реке с помощью поплавков или гидрологических вертушек. На гидравлических моделях план течений изучается для определения воздействия водного потока на суда и гидротехнические сооружения. План течений рассчитывается разными способами, из которых одних из простых является метод Бернадского: струи распределяются пропорционально глубине потока в определённой степени. Существует множество численных математических двумерных и трёхмерных моделей по построению плана течений.

Течения водотоков отличаются по своему генезису от течений водоёмов, которые образуются за счёт различных причин: ветра, поступления водных масс из притоков, за счёт перекоса водной поверхности из-за разности давлений, плотностной неоднородности водных масс.

Течения реки бывают трёх видов:

1. Верхнее течение.

2. Среднее течение

3. Нижнее течение

Верхнее течение образовывается в вершинах гор при скоплении воды из-за подземных вод и осадков, и оттуда река берёт своё начало.

В Среднем течении река обычно повышает свою полноводность за счёт притоков.

В Нижнем течении река обычно течёт медленно и плавно, зачастую образовывая извилины.

Ламинарное течение (лат. lamina - пластинка, полоска) - течение, при котором жидкость или газ перемещается слоями без перемешивания и пульсаций (то есть беспорядочных быстрых изменений скорости и давления). Ламинарное течение возможно только до некоторого критического значения числа Рейнольдса, после которого оно переходит в турбулентное. Критическое значение числа Рейнольдса зависит от конкретного вида течения.

Турбулентность (лат. turbulentus - бурный, беспорядочный), Турбулентное течение - явление, заключающееся в том, что при увеличении скорости течения жидкости или газа в среде самопроизвольно образуются многочисленные нелинейные фрактальные волны и обычные, линейные различных размеров, без наличия внешних, случайных, возмущающих среду сил и/или при их присутствии. Для расчёта подобных течений были созданы различные модели турбулентности.

Скорость течения воды - скорость движения слоя воды, измеряемая:

- в океанах - морскими милями в сутки;

- на морях - узлами или метрами в секунду;

- в реках - километрами в час.

Характер и скорости движения жидкости, уклон и форма свободной поверхности, глубина потока зависят от формы сечения русла, его размеров и уклона дна. Уклоны дна таких потоков обычно невелики, поэтому живые сечения в открытых руслах условно принимаются вертикальными и глубина потока измеряется по вертикали.

Для определения средней скорости безнапорного равномерного потока получена формула Шези, в которой в качестве расчетного берется геометрический уклон:

где - коэффициент Шези, рассчитываемый по формулам Маннинга

- Н. Н. Павловского и многим другим (Гангилье-Куттера, И. И. Агроскина и пр.).

В этих формулах:

n - коэффициент шероховатости, определяемый по справочным данным

y - переменный показатель степени:

Расход в сечении русла определяется по формуле

(*)

где K - модуль расхода или расходная характеристика .

Водный режим - изменения во времени расхода воды, уровней воды и объёмов воды в водотоках (реках и других), водоёмах (озёрах, водохранилищах и других) и в других водных объектах (болота и другие).

В районах с тёплым климатом на водный режим рек основное влияние оказывают атмосферные осадки и испарение. В районах с холодным и умеренным климатом также очень существенна роль температуры воздуха.

Различают следующие фазы водного режима: половодье, паводки, межень, ледостав, ледоход.

Половодье - ежегодно повторяющееся в один и тот же сезон относительно длительное увеличение водности реки, вызывающее подъём её уровня; обычно сопровождается выходом вод из меженного русла и затоплением поймы.

Паводок - сравнительно кратковременное и непериодическое поднятие уровня воды, возникающее в результате быстрого таяния снега при оттепели, ледников, обильных дождей. Следующие один за другим паводки могут образовать половодье. Значительные паводки могут вызвать наводнение.

Межень - ежегодно повторяющееся сезонное стояние низких (меженных) уровней воды в реках. Обычно к межени относят маловодные периоды продолжительностью не менее 10 дней, вызванные сухой или морозной погодой, когда водность реки поддерживается, главным образом, грунтовым питанием при сильном уменьшении или прекращении поверхностного стока. В умеренных и высоких широтах различают летнюю (или летне-осеннюю) и зимнюю межень.

Ледостав - период, когда наблюдается неподвижный ледяной покров на водотоке или водоёме. Длительность ледостава зависит от продолжительности и температурного режима зимы, характера водоёма, толщины снега.

Ледоход - движение льдин и ледяных полей на реках.

Неравномерный в течение года режим питания рек связан с неравномерностью выпадения атмосферных осадков, таяния снега и льда и поступления их вод в реки.

Колебания уровня воды вызываются в основном изменением расхода воды, а также действием ветра, ледовых образований, хозяйственной деятельностью человека.

Типичные водные режимы рек различаются по климатическим зонам:

Экваториальный пояс - реки многоводны в течение всего года, сток несколько возрастает осенью; поверхностный сток исключительно дождевого происхождения

Тропическая саванна - водность пропорциональна продолжительности влажного и сухого периодов; преобладание дождевого питания, при этом во влажной саванне половодье продолжается 6-9 месяцев, а в сухой -до трёх; довольно существенный летний сток

Субтропики средиземноморского типа - средняя и низкая водность, преобладает зимний сток

Приокеанические субтропики (Флорида, низовья Янцзы) и прилегающие районы Юго-Восточной Азии - режим определяется муссонами, наибольшая водность летом и наименьшая - зимой

Умеренный пояс Северного полушария - повышенная водность весной (на юге преимущественно за счёт дождевого питания; в средней полосе и на севере - половодье снегового происхождения при более или менее устойчивой летней и зимней межени)

Умеренный пояс в условиях резко континентального климата (Северный Прикаспий и равнинный Казахстан) - кратковременное весеннее половодье при пересыхании рек в течение большей части года

Дальний Восток - режим определяется муссонами, летнее половодье дождевого происхождения.

Районы многолетней мерзлоты - пересыхание рек зимой. На некоторых реках Восточной Сибири и Урала во время ледостава образуются наледи. В Субарктике таяние снежного покрова происходит поздно, поэтому весеннее половодье переходит на лето. На полярных покровных ледниках Антарктиды и Гренландии процессы абляции происходят на периферийных нешироких полосах, в пределах которых образуются своеобразные реки в ледяных руслах. Они питаются исключительно ледниковыми водами в течение кратковременного лета.

Гидрологические наблюдения на постах проводятся за элементами гидрологического режима: уровень воды (8 и 20 часов по местному), расходы воды соответственно ходу уровня, температура воды и ледовые явления, взвешенные и донные наносы на отдельных постах.

Гидрологические наблюдения в полевой период комплексных физико-географических исследований производят на малых естественных гидрологических объектах и на колодцах. Большие реки и озера, как правило, хорошо изучены регулярными наблюдениями гидрометеослужбы, и разрозненные замеры случайного сезона мало что могут прибавить к тем систематическим характеристикам, которые уже имеются по этим объектам. К тому же исследования на них слишком специальны и не могут производиться одновременно с комплексным физико-географическим изучением территории, а требуют особой программы, других видов снаряжения, оборудования и средств передвижения.

В то же время наблюдения над малыми объектами почти всегда дают много нового материала, нигде еще не зарегистрированного, или, может быть, повторяют такие же кратковременные и редкие наблюдения гидрометслужбы и тем самым дают более надежную характеристику объекта. Для родников записывают условия выхода вод на поверхность, породу водоносного и нижележащего водоупорного горизонтов, замеряют расход воды. В ручьях и небольших речках замеряют скорость течения и расход, записывают сведения о ширине и глубине водотоков, отмечают следы подъема вод в половодье, характер донных наносов, наличие и видовой состав водных растений.

Для озер описывают форму и глубину, а также донные отложения и растительность.

Во всех случаях фиксируют цвет, запах, мутность, вкусовые качества воды. Разумеется, что водный объект нельзя «вынимать» из окружения, поэтому его характеристику дополняют краткими сведениями о берегах и прилегающей территории, а также о прямом или косвенном антропогенном воздействии.

Внимательному изучению подвергаются колодцы. В них замеряют глубину зеркала воды и дна колодца, определяют качество воды. В отдельных случаях производят пробную откачку для замера дебита. Работа над колодцем, более чем всякая другая, может вызвать недовольство местных жителей. Поэтому необходимо получить на нее разрешение владельца или органа общественной власти.

В зависимости от масштаба работ и программы экспедиции водные источники обследуют сплошь по всей территории (крупный масштаб, мелиоративная ориентация работ) или же выборочно, в наиболее типичных местах. Записи производят в дневниках или специальных бланках, журналах.

Скорость течения воды в реке в разных точках живого сечения неодинакова. Она зависит от глубины и сопротивлений течению, которые возникают в русле и на поймах реки.

Измерение скоростей течения поверхностными поплавками.

Для измерения расхода воды выше и ниже основного гидрометрического створа на равных расстояниях разбивают дополнительно два створа. С таким расчетом, чтобы продолжительность хода поплавков между верхним и нижним створами была не мене 20 с.. В 5-10 м выше верхнего створа разбивают пусковой створ, обозначая его вехами на берегах; он служит для запуска поплавков. Остальные створы также закрепляются вехами.

Измерение скоростей течения поплавками производят в такой последовательности:

1. на пусковом створе с берега забрасывают в реку последовательно 20 - 25 поплавков так, чтобы они прошли через основной створ приблизительно равномерно по всей ширине реки;

2. при прохождении каждого поплавка через створы наблюдатели дают сигналы; продолжительность хода каждого поплавка от верхнего до нижнего створа определяется по секундомеру;

3. на основном створе, в момент пересечения его поплавком отмечают расстояние от постоянного начала до поплавка в створе; делается это путем наблюдения с берега при наличии перетянутого через реку размеченного троса.

Измерение скоростей течения с помощью гидрометрической вертушки.

Сущность работы вертушкой заключается в измерении скоростей течения в отдельных точках живого сечения реки. Вертушка погружается на разные глубины на штанге или тросе на каждой из выбранных вертикалей, называемых скоростными Если дно плавное и симметричное, то вертикали распределяются равномерно по всей ширине реки (через одну промерную вертикаль), в местах резких переломов дна назначаются дополнительные скоростные вертикали.

На каждой вертикали скорости определяют в нескольких точках, чтобы можно было получить более правильное значение средней скорости для всей данной вертикали. При открытом русле применяются пятиточечный способ (у поверхности; 0,2Н', 0,6Н; 0,8/7 и вблизи дна), трех точечный (0,2Н; 0,6Н; 0,8Я), двухточечный (0,2Н и 0,8Д) и одноточечный (0,6Я). Средняя продолжительность наблюдения в точке должна быть не менее 120 с

Измерение скоростей течения в точках вертикали производится следующим образом. Вычисляют доли полученных глубин (в зависимости от принятого способа) и устанавливают вертушку сначала на поверхности, а потом в остальных точках вертикали. При работе с вертушкой на штанге, в условиях быстрого течения, вертушку при погружении заносят несколько вперед, учитывая возможный снос штанги в момент ее установки. В точке наблюдений вертушка устанавливается так, чтобы ось ее была перпендикулярна гидроствора.

Методы измерения расходов воды.

Измерение расхода воды гидрометрической вертушкой

Многоточечный (детальный) способ предусматривает измерение расхода воды по увеличенному против обычного числу скоростных вертикалей 10-15 с измерением скорости в 5-10 точках (пов.;0,2;0,6;0,8;дно-при свободном русле; пов.;0,2;0,4;0,6;0,8;дно-при несвободном русле) на каждой вертикали. Многоточечный способ даёт наиболее точное значение расхода.

Основной способ, когда число скоростных вертикалей уменьшается в 1.5-2 раза по сравнению с детальным, а скорости течения измеряются в 2-3 точках на каждой вертикали.

Интеграционный способ по вертикалям применяется при глубинах более 1 м и скоростях течения более 0.2 м/с. Измерение производится с помощью интегральной установки ГР-101.

Ускоренный способ применяется при быстрых изменениях уровня за время измерения расхода воды при интенсивной деформации русла, при наличии переменного подпора и в других неблагоприятных условиях.

Сокращенные способы предусматривают измерение расхода воды по средней скорости на 1-2 репрезентативных вертикалях или единичной скорости в точке 0.2 её рабочей глубины.

Измерение расхода воды поплавками

Измерения поверхностными поплавками. Точность поплавочных измерений существенно ниже, чем вертушечных. При интенсивном ледоходе, когда вертушечные измерения становятся невозможными, а в качестве поплавков служат отдельные льдины.

Измерение расхода воды глубинными поплавками и поплавками-интеграторами

Поплавки этого вида используются для измерения сравнительно малых скоростей течения (до 0,15-0,20 м/с), когда вертушечные измерения мало надежны.

Измерение расхода воды гидравлическим способом

Используется когда измерить расход воды другими способами не представляется возможным. Расход воды вычисляется по формуле

Q=VсрF, Vср=C RJ,

где R-гидравлический радиус; J-продольный уклон; C-скоростной коэффициент или коэффициент Шези C=1/nR x-1,5 n при R<1 м;x-1,3 n при R>1 м.

Наблюдения за уровнями рек

Результаты наблюдений за уровнями позволяют установить зоны и продолжительность затопления отдельных участков речной долины, скорость продвижения паводочной волны вдоль по реке (в том случае, если «а реке имеется не менее двух водомерных постов) и сделать выводы об общем характере изменения водности реки в течение года в многолетнем периоде, о наиболее высоких половодьях и т. д.

Среди этих так называемых характерных уровней наибольший практический интерес представляют уровни: 1) наивысший годовой, 2) весеннего ледохода, 3) осеннего ледохода, 4) летних и осенних паводков, 5) наинизший летний и зимний.

Речной сток - перемещение воды в виде потока по речному руслу.

Происходит под действием гравитации. Является важнейшим элементом круговорота воды в природе, с помощью которого происходит перемещение воды с суши в океаны или области внутреннего стока. Количественное значение стока в единицу времени называется расходом воды.

В гидрологии под речным стоком обычно подразумевается объём стока - объём воды, прошедшей через определённый створ в единицу времени, чаще всего год. Объединяет поверхностный сток (образующийся в результате осадков и снеготаяния) и подземный сток, формируемый за счет грунтовых вод. Речной сток за год является объективным показателем для определения полноводности реки.

Главной характеристикой речного стока являются расходы воды.

Все остальные характеристики речного стока, по сути, являются производными от соответствующих расходов воды. Рассмотрим наиболее часто употребляемые характеристики речного стока.

Объем стока W (м³, км³) - количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо интервал времени (сутки, месяц, год и т. д.).

Модуль стока М (л/с * км²) или q[м³/c * км²)] -количество воды, стекающей с единицы площади водосбора в единицу времени.

Слой стока h (мм) - количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо интервал времени, равное толщине слоя, равномерно распределенного по площади этого водосбора.

Коэффициент стока - отношение слоя стока к количеству выпавших на площадь водосбора осадков, обусловивших возникновение стока.

Годовой сток подсчитывается в умеренном климате за гидрологический год, начинающийся осенью (1 октября или 1 ноября), когда запасы влаги в речных бассейнах, переходящие из одного года в другой, малы.

Для измерения скорости течения используют два вида приборов: электрические и механические. Во многих измерениях течений как механических, так и электрических датчиком скорости течения служит вращающаяся на оси крыльчатка, а датчиком направления-магнитный компас. Все эти приборы основаны на измерении числа оборотов крыльчатки за определенный промежуток времени. Это делается с помощью механического (вертушка Экмана) или электрического (измеритель течений Робертса) счетчика. В последнее время широко используются ротор Савокиуса, обороты которого регистрируются электрическим счетчиком, и буквопечатающая вертушка Алексеева. В вертушке Алексеева запись ведется на ленте с помощью специального устройства через определенное количество оборотов вертушки.

В практике лимнологов для определения скорости течения используются также термометры сопротивления-термогидрометры, основанные на изменении сопротивления термопар в зависимости от скорости водного потока, омывающего эти датчики. В последнее время появились усовершенствованные электрические записывающие измерители скорости и направления течений-АЦИТ.

Чтобы установить характер связи между расходами и уровнями, необходимо тщательно проверить и проанализировать исходные материалы. К ним относятся: 1) таблица «Измеренные расходы воды» (ИРВ); 2) таблица «Ежедневные уровни воды» (ЕУВ); 3) совмещенные профили поперечных сечений по гидрометрическому створу; 4) план участка поста; 5) поперечный профиль по гидроствору до уровня высоких вод; 6) техническое дело поста; 7) литературные и архивные материалы, характеризующие режим реки на участке гидрометрического створа.

Определение расходов воды на ГЭС

Учет расхода воды через гидротурбину по средней нагрузке гидроагрегата (делением суточной выработки на число часов его работы) расчитывается когда гидроагрегат работает с постоянной нагрузкой в течение суток и КПД его не меняется.

где Q - среднесуточный расход воды, м3/с;

N - среднесуточная мощность гидроагрегата, кВт;

Нp - среднесуточный рабочий напор, м;

h - КПД гидроагрегата для среднесуточных значений N и Нр.

Поглрешности:

Суммарная погрешность среднесуточного расхода sQ определяется выражением

При пользовании натурными эксплуатационными характеристиками погрешность составит:

При расчете по заводским характеристикам погрешность будет:

Пропуск расчетного расхода воды для основного расчетного случая должен обеспечиваться, как правило, при нормальном подпорном уровне (НПУ) верхнего бьефа через:

· эксплуатационные водосбросные устройства при полном их открытии;

· все гидротурбины ГЭС;

· другие водопропускные сооружения при нормальном режиме их эксплуатации.

Нагрузки и воздействия, соответствующие основному расчетному случаю, необходимо учитывать в составе основного сочетания нагрузок согласно п. 2.8.

Пропуск расходов воды основного расчетного случая, в том числе через нерегулируемые водосбросы (без затворов), допускается осуществлять и при уровнях верхнего бьефа, отличающихся от НПУ. Нагрузки и воздействия, соответствующие уровням выше НПУ, следует учитывать в составе основного сочетания нагрузок и воздействий, а для сооружений, предназначенных для борьбы с наводнениями, - при соответствующем обосновании в составе особого сочетания нагрузок и воздействий.

Климатология и метрология

Метеорология - наука об атмосфере Земли. Климатология - раздел метеорологии, изучающий динамику изменения средних характеристик атмосферы за какой-либо период - сезон, несколько лет, несколько десятков лет или за более длительный срок.

Атмосферное давление - давление атмосферы на все находящиеся в ней предметы и Земную поверхность. Атмосферное давление создаётся гравитационным притяжением воздуха к Земле.

Нормальным атмосферным давлением называют давление в 760 мм рт.ст. на уровне моря при температуре 15°C. Атмосферное давление уменьшается по мере увеличения высоты, поскольку оно создаётся лишь вышележащим слоем атмосферы.

Температура воздуха.

Температура воздуха в каждой точке атмосферы непрерывно меняется; в разных местах Земли в одно и то же время она также различна. У земной поверхности температура воздуха варьируется в довольно широких пределах: крайние её значения, наблюдавшиеся до сих пор, +58 и около ?90?. С высотой температура воздуха меняется в разных слоях и случаях по-разному. В среднем она сначала понижается до высоты 10-15 км, затем растёт до 50-60 км, потом снова падает и т. д.

· Активная температура - температура воздуха, больше чем биологический минимум на протяжении всего периода вегетации.

· Максимальная температура - самая высокая температура воздуха, почвы или воды на протяжении определённого промежутка времени.

· Минимальная температура - самая низкая температура воздуха, почвы или воды на протяжении определённого промежутка времени.

Водяной пар - газообразное состояние воды. Содержится в тропосфере.

Образуется молекулами воды при ее испарении. При поступлении В.п. в воздух он, как и все другие газы, создаёт определённое давление, называемое парциальным. Оно выражается в единицах давления - паскалях. Водяной пар может переходить непосредственно в твёрдую фазу - в кристаллы льда. Количество водяного пара в граммах, содержащегося в 1 кубическом метре, называют абсолютной влажностью воздуха.

Влажность - показатель содержания воды в физических телах или средах. Относительная влажность характеризует содержание влаги относительно максимального количества влаги, которое может содержаться в веществе в состоянии термодинамического равновесия. Обычно относительную влажность измеряют в процентах от максимума.

Относительная влажность очень высока в экваториальной зоне (среднегодовая до 85 % и более), а также в полярных широтах и зимой внутри материков средних широт. Летом высокой относительной влажностью характеризуются муссонные районы. Низкие значения относительной влажности наблюдаются в субтропических и тропических пустынях и зимой в муссонных районах (до 50 % и ниже).

Ветер - поток воздуха в горизонтальном направлении. На Земле ветер является потоком воздуха, который движется преимущественно в горизонтальном направлении.

Ветер вызывается разницей между давлениями между двумя разными воздушными областями. Если существует ненулевой барический градиент, то ветер движется с ускорением от зоны высокого давления в зону с низким давлением. Важным фактором, который говорит о перемещениях воздуха, является его трение об поверхность, которая задерживает это движение и заставляет воздух двигаться в сторону зон с низким давлением.

Турбулентный обмен.

Особенность атмосферных течений, состоящая в том, что мгновенные скорости отдельных количеств воздуха (более крупных, чем молекулы) испытывают нерегулярные, случайные флюктуации. К средней скорости переноса воздуха присоединяются, таким образом, дополнительные флюктуационные скорости элементов турбулентности, по-разному ориентированные и находящиеся в быстром изменении.

В результате атмосферного течения происходит быстрая турбулентная диффузия, создающая турбулентный обмен свойств воздуха в вертикальном направлении, намного превосходящая молекулярную диффузию.

Радиация в атмосфере.

Проходя сквозь атмосферу, солнечная радиация частично рассеивается атмосферными газами и аэрозольными примесями к воздуху и переходит в особую форму рассеянной радиации. Частично же она поглощается молекулами атмосферных газов и примесями к воздуху и переходит в теплоту, идет на нагревание атмосферы.

Солнечная радиация, доходящая до места наблюдения в виде пучка параллельных лучей, исходящих непосредственно от солнечного диска. При измерениях к ней присоединяется также рассеянная радиация околосолнечной области неба в телесном угле порядка 10°.

Всю солнечную радиацию, приходящую к земной поверхности - прямую и рассеянную - называют суммарной радиацией. Таким образом, суммарная радиация

Q = S ? sin h + D,

где S - энергетическая освещенность прямой радиацией,

D - энергетическая освещенность рассеянной радиацией,

h - высота стояния Солнца.

Радиационный баланс - разность между суммарной солнечной радиацией, поглощенной земной поверхностью, и эффективным излучением Земли.

Радиационный баланс - важнейший компонент теплового баланса земной поверхности.

R=(I+i)(I-a)-(Es- дEo)

где I-прямая и i - рассеянная солнечная радиация, б - альбедо поверхности, Es - собственное излучение поверхности, Еа - встречное излучение атмосферы, д - относительный коэффициент поглощения длинноволновой радиации земной поверхностью.

Радиационный баланс земной поверхности может быть положительным и отрицательным. В суточном ходе переход от положительных значений к отрицательным или обратно наблюдается при высотах солнца 10-15°. Месячные, сезонные и годовые его значения (суммы) меняются в широких пределах; годовые от +140 ккал/см2·год и более в тропических океанах и до отрицательных значений в Антарктиде и в глубине Арктики.

Парниковый эффект - повышение температуры нижних слоёв атмосферы планеты по сравнению с эффективной температурой, то есть температурой теплового излучения планеты, наблюдаемого из космоса.

Степень влияния парникового эффекта на приповерхностные температуры планет (при оптической толщине атмосферы < 1) зависит от оптической плотности парниковых газов и, соответственно, их парциального давления у поверхности планеты. Таким образом, парниковый эффект наиболее выражен у планет с плотной атмосферой.

Суммарная энергия солнечного излучения, поглощаемого в единицу времени планетой радиусом R и сферическим альбедо A равна:

где - солнечная постоянная, и - расстояние до Солнца.

Причины изменения температуры воздуха

· изменение размеров и взаимного расположения материков и океанов,

· изменение светимости солнца,

· изменения параметров орбиты Земли,

· изменение прозрачности атмосферы и ее состава в результате изменений вулканической активности Земли,

· изменение концентрации парниковых газов (СО2 и CH4) в атмосфере,

· изменение отражательной способности поверхности Земли (альбедо),

· изменение количества тепла, имеющегося в глубинах океана.

Изменение температуры воды во времени. Изменение интенсивности теплового потока, поступающего в воду, и расходования полученною тепла в течение суток и года, вызывает соответствующие колебания температуры воды.

Суточный ход температуры воды наиболее четко выражен в теплую часть года. Основным фактором, определяющим амплитуду суточных колебаний температуры воды, является водность реки: чем больше водность реки, тем меньше суточная амплитуда. Кроме водности, амплитуда колебаний температуры воды зависит также от широты места. Меньшая амплитуда на северных реках является следствием того, что в этих районах в весенне-летний период ночь коротка и, следовательно, нет условий для большого ночного охлаждения. Суточные амплитуды колебания температуры воды в значительной степени зависят от условий погоды: при ясной погоде они больше, при пасмурной - меньше.

Годовой ход температуры воды характеризуется следующими особенностями. В течение зимних месяцев температура воды весьма мало отличается от 0°С и практически принимается равной 0°С.

Влияние суши и моря на распределение температуры по ширине.

В зависимости от того, формируется ли климат в основном под влиянием океана или суши, его называют морским или континентальным. Морские климаты характеризуются существенно меньшими средними годовыми амплитудами температур (более теплая зима и более прохладное лето) по сравнению с континентальными.

Влияние рельефа на распределение температуры по ширине.

В нижних слоях атмосферы температура понижается примерно на 0,65° C с подъемом на каждые 100 м; в районах с длинной зимой температура это происходит немного медленнее, особенно в нижнем 300-метровом слое, а в районах с длинным летом - несколько быстрее. Наиболее тесная связь между средними температурами и высотой наблюдается в горах. Поэтому изотермы средних температур, например, таких районов, как Колорадо, в общих чертах повторяют рисунок горизонталей топографических карт.

Влагооборот.

Влагооборот на Земле, непрерывный процесс перемещения воды в географической оболочке Земли, сопровождающийся её фазовыми преобразованиями. Слагается главным образом из испарения воды, переноса водяного пара на расстояние, его конденсации, выпадения облаков, просачивания выпавшей воды - инфильтрации и стока. Вода испаряется с поверхности водоёмов, почвы и растительности и поступает в атмосферу в виде водяного пара. В атмосфере водяной пар путём турбулентной диффузии распространяется вверх, а воздушными течениями переносится из одних мест Земли в другие. При понижении температуры влажного воздуха как адиабатически (см. Адиабатный процесс), так и вследствие отдачи тепла водяной пар конденсируется, переходя в жидкое или твёрдое состояние; образуются облака и туманы. Частично процесс конденсации водяного пара приводит к возникновению наземных гидрометеоров. Облака также переносятся воздушными течениями. При выпадении осадков из облаков вода возвращается на поверхность Земли, вновь испаряется и т.д. При этом часть выпавшей на сушу воды посредством стока переходит в водоёмы. Наряду с теплооборотом и общей циркуляцией атмосферы, В. является одним из основных климатообразующих процессов.

Вода в газообразном состоянии - водяной пар, являясь важной составной частью атмосферного воздуха, в атмосферу попадает за счет испарения с поверхности океанов и других водоёмов, влажной почвы и вследствие транспирации воды растениями. Поступление воды с поверхности водоемов и почвы называют физическим испарением, а испарение и транспирацию вместе - суммарным испарением. Процесс испарения поддерживается затратой тепла и наличием влаги и состоит в том, что отдельные молекулы воды отрываются от водяной поверхности или влажной почвы и переходят в воздух как молекулы водяного пара. В воздухе они быстро распространяются вверх и в стороны от источника испарения. Это происходит в результате молекулярной диффузии, общего переноса и турбулентной диффузии. Одновременно с отрывом молекул от поверхности воды или почвы происходит и обратный процесс их перехода из воздуха в воду и почву. Если достигается состояние подвижного равновесия, когда возвращение молекул становится равным их отдаче с поверхности, то испарение прекращается. Такое состояние называют насыщением, водяной пар в этом состоянии - насыщающим, а воздух, содержащий насыщающий пар - насыщенным. Упругость насыщения растет с температурой. Это значит, что при более высокой температуре воздух способен содержать больше водяного пара, чем при более низкой температуре.

Транспирация (от транс… и лат. spiro - дышу, выдыхаю), испарение воды растением.

Географическое распределение влагосодержания (давления, водяного пара, абсолютной и относительной влажности) зависит:

· от испарения в каждом данном районе,

· от переноса влаги воздушными течениями из одних мест Земли в

другие,

· от распределения температуры воздуха на поверхности.

Влагосодержанием на суше обладают области экваториальных лесов, где к испарению прибавляется транспирация. Влажность, как и температура, убывает с широтой. Она также ниже над материками, выше над океанами. Над нутренними холодными районами Центральной и Восточной Азии, где зимой температуры особенно низки, возникают области особенно низкого давления водяного пара - меньше 0,1 гПа. Еще более низкие значения наблюдаются во внутренних районах Антарктиды. Наиболее отчетливо связь влагосодержания с емпературой проявляется зимой. Летом, над сухими внутренними районами суши температуры могут быть значительными, а содержание водяного пара очень мало. Над океанами зональность характеристик влагосодержания отчетливо проявляется во все сезоны года.

Абсолютная влажность воздуха соответствует ходу температуры - она увеличивается от полюсов к экватору, составляя на 70-600 3 г/м3 и до 19 г/м3 на экваторе. Зимние значения абсолютной влажности во всех широтах меньше летних. В среднем годовом для всей Земли абсолютная влажность у земной поверхности составляет 11 г/м3 , что составляет около 1% от общей плотности воздуха у земной поверхности.

Облака

В результате конденсации внутри атмосферы возникают скопления продуктов конденсации, их называют облаками. Размеры облачных элементов - капелек и кристаллов настолько малы, что их удельный вес уравновешивается силой трения. Турбулентное движение воздуха приводит к тому, что эти капельки и кристаллы длительное время находятся взвешенными в воздухе, смещаясь то вниз, то вверх с элементами турбулентности. Облака переносятся воздушными течениями. Если относительная влажность воздуха, содержащего облака, снижается, то облака испаряются. По своему строению облака делятся на три класса: водяные (капельные) облака, состоящие только из капелек; смешанные облака, состоящие из смеси переохлаждённых капелек и ледяных кристаллов при умеренных отрицательных температурах; ледяные (кристаллические) облака, состоящие только из ледяных кристаллов при достаточно низких температурах.

10 основных родов облаков:

1. Перистые; 2. Перисто-кучевые; 3. Перисто-слоистые; 4. Высоко-кучевые;

5. Высоко-слоистые; 6. Слоисто-дождевые; 7. Слоисто-кучевые; 8. Слоистые 9. Кучевые; 10. Кучево-дождевые.

Микроклимат - особенности климата на небольших пространствах, измеряемых километрами или десятками километров и обусловленные особенностями местности (лес, поле, поляна, болото, берег, водоём, направление склона, защищённость от ветров и т.п.).

Для большинства наземных организмов, особенно мелких, не столько важен климат района, сколько условия их непосредственного обитания. Очень часто местные элементы среды (рельеф, экспозиция, растительность и т.д.) так изменяют в конкретном участке режим температур, влажности, света, движения воздуха, что он значительно отличается от климатических условий местности. Такие модификации климата, складывающиеся в приземном слое воздуха, называются микроклиматом. В каждой зоне микроклимат очень разнообразен. Можно выделить микроклиматы очень небольших участков.

Рельеф местности и свойства грунта - также условия жизни наземных организмов и, в первую очередь, растений. Свойства земной поверхности, оказывающие экологическое воздействие на ее обитателей, объединяются «эдафическими факторами среды» (от греческого «эдафос» - «почва»).

Микроклимат города.

Большой современный город сильно влияет на климат. Он формирует свой местный климат, а на отдельных его улицах и площадях создаются своеобразные микроклиматические условия, определяемые городской застройкой, покрытием улиц, распределением зеленых насаждений и др. Большой город, особенно с сильно развитой промышленностью, загрязняет атмосферу над собой, увеличивает ее мутность и тем самым уменьшает приток солнечной радиации.

Крыши и стены домов, мостовые и другие элементы города, поглощая радиацию, нагреваются в течение дня сильнее, чем почва и трава, и отдают тепло воздуху, особенно вечером. Поэтому температуры воздуха в городах в 70-80% случаев выше, чем в сельской местности.

Система городских улиц и площадей приводит к изменениям направления ветра в городе. Ветер преимущественно направляется вдоль улиц. В общем скорость ветра в городе ослабевает, но в узких улицах усиливается; на улицах и перекрестках легко возникают пыльные вихри и поземки.

При устойчивой стратификации атмосферы, в особенности при инверсиях температуры, дым может накапливаться в приземном слое атмосферы в таком количестве, что оказывает вредное физиологическое воздействие.

Под влиянием примесей, концентрация которых в воздухе городов резко увеличена, в городах чаще (в 2-3 раза) наблюдается дымка, т.е. условия видимости менее 10 км. Углеводороды и азотистые соединения, выбрасываемые, в первую очередь, автотранспортом, под влиянием облучения солнечной радиации нередко, особенно в низких широтах, претерпевают химические изменения и приобретают коричневую окраску. Так возникает явление, называемое фотохимическим смогом, которое оказывает особенно вредное воздействие на человека (прежде всего на глаза), животных и растительность.

На микроклимат леса оказывает влияние и его структура.

Полнота, сомкнутость лесного насаждения влияют прежде всего на проникновение в него холодного или теплого воздуха, ветра и других факторов, влияющих на распределение температур. Микроклимат особенно необходимо учитывать при ориентации и выборе типов рубок.

На обширных площадях вырубок растения днем получают в общем-то больше тепла, но весной им больше угрожают заморозки. Поэтому надо знать оптимальное отношение ширины (Ш) вырубки к высоте (В) окружающей стены леса. Критическим (предельным) отношение Ш/В считается равным 1,5, опасным для заморозков - 2,0. Наконец, отметим, что микроклимат лесной опушки имеет особенности, переходные между микроклиматом леса и полем. Он зависит от направления и экспозиции стены леса, от господствующих ветров и т. д. Понятно, что наибольшая продолжительность солнечного сияния в этом случае будет в середине лета на южной и юго-западной опушках. Свой температурный режим имеют лесосеки в зависимости от их направления.

Микроклимат пересеченной местности.

Мезо- и микрорельеф земной поверхности, т.е. неровности поверхности с разностями высот порядка метров или десятков метров, влияет на микроклимат (и местный климат) в основном так же, как крупномасштабный рельеф влияет на общие условия климата.

Основная роль в микроклимате пересеченной местности принадлежит экспозиции, т.е. ориентировке склонов относительно стран света, а также формам рельефа. Приток солнечной радиации на ориентированные по-разному склоны холмов существенно различен. Поэтому склоны разной экспозиции прогреваются по-разному, что в свою очередь сказывается на температуре воздуха и может отразиться на характере растительности, сроках зацветания и др.