Основные характеристики водности рек

Введение

Гидрология — это наука, изучающая природные воды, явления и процессы, в них протекающие. Предмет изучения гидрологии – все виды вод гидросферы в океанах, морях, реках, озерах, водохранилищах, болотах, почвенные и подземные воды. Делится на океанологию и гидрологию суши. Исследует круговорот воды в природе, влияние на него деятельности человека и управление режимом водных объектов и водным режимом отдельных территорий; проводит анализ гидрологических элементов для отдельных территорий и Земли в целом; дает оценку и прогноз состояния и рационального использования водных ресурсов; пользуется методами, применяемыми в географии, физике и других науках.  
 Вода — основная среда, обеспечивающая обмен веществ и развитие организмов. С древнейших времен жизнь человека и развитие культуры связаны с водой. Она широко используется в промышленности, энергетике, сельском и рыбном хозяйстве, в медицине и т. д.

Гидрология суши - наука, изучающая поверхностные воды суши: реки, озера, водохранилища, болота и ледники; раздел гидрологии. Гидрология суши по объектам изучения подразделяется на гидрологию рек (учение о реках - потамологию), лимнологию (озероведение), болотоведение.

Целью гидрологии является изучение гидрологических процессов как факторов воздействия на земельные ресурсы. В задачи гидрологии входит: рассмотрение основных гидрологических понятий; изучение законов и закономерностей гидрологических процессов; нахождение элементов управления водными ресурсами; определение основных расчетных гидрологических характеристик и т.д.

В данной работе рассмотрены основные гидрологические характеристики реки Ушаковка, разными методами рассчитано испарение с суши и водной поверхности, найден расход воды реки Ушаковка в пункте Добролет, рассчитан годовой сток.   

1 Основные характеристики водности рек

 
 Цель: изучить и определить основные характеристики речного бассейна, связанные с ее гидрологическим режимом.

Задачи: 
1. Освоить основные понятия гидрологических характеристик бассейна реки. 
2. Изучить основные характеристики, отображающие водный режим реки. 
 Исходные данные:  река и пункт наблюдений (Ушаковка - Добролет), площадь водосбора (F = 322 км²), норма стока  (Q = 2,3 м³/с), высота годового слоя осадков (x = 420 мм).

Требуется:

1) описать гидрологические  особенности реки (питание реки, где берёт начало, площадь, куда  впадает, высота водосбора, уклон  реки, норма стока, как комбинируется  сток реки от года к году);

2) вычислить модуль стока;

3) определить слой стока;

4) рассчитать объём годового  стока;

5) коэффициент стока.

 Характеристика реки Ушаковка

Ушако́вка — река на юге Иркутской области, правый приток Ангары. Образуется в результате слияния двух рек — Правой Ушаковки и Левой Ушаковки.

Длина реки — 70 км, из них 7 км в пределах г. Иркутска. На реке встречаются отмели, перекаты, лесные завалы. Ширина от 14 до 35 м. В 1892 г. по архивным данным была от 80 до 100 м. В верховьях ширина реки до 1 м, в районе пос. Горячие Ключи — 7 м, в Иркутске — 9 м. Средняя глубина реки до 50 см. Дно твердое, покрыто галькой, в районе с. Пивовариха — песчаное, в районе Иркутска — илистое с травянистыми водорослями.

Долина реки до 4 км, ширина русловой части — 15-20 м, глубина до 1,5 м, высота истока 1071 м, высота устья 405 м. Средняя поверхностная скорость — 0,49 м/с, средняя глубинная скорость — 0,12 м/с. Годовой сток в среднем 2,08 м³/с. Температура воды летом от 9 до 20 °C. Видимость до дна 5—25 см.

Питание реки осуществляется за счёт грунтовых вод и атмосферных осадков. Водный режим характеризуется весенним половодьем, летними дождевыми паводками, прерывистой летне-осенней и очень низкой зимней меженью.

Берега реки в основном пологие, сильно подмыт правый берег.

Бассейн реки расположен на Иркутско-Черемховской равнине, представляет собой возвышенность с холмисто-грядовым рельефом. В основании бассейна лежат горные породы юрской системы мезозойской эры фанерозоя, сложенные песчаниками, алевролитами, конгломератами, каолиновыми глинами, стекольными песками. Возраст пород от 195 до 137 млн лет. В рельефе прослеживаются параллельные древние ложбины — Кудинская и Ушаковская.

Общая площадь водосборного бассейна — 808 км². Водосбор имеет вытянутую форму — длина до 54 км, ширина от 8 до 23,5 км.

Река формируется в лесной южной части возвышенности, расположенной параллельно береговой линии Байкала.

Порядок выполнения задания

Модуль  стока – это объем воды, стекающий в единицу времени с единичной площади водосбора.

 По формуле  q = 1000Q/F вычисляется модуль стока :

 q = 10002,3/322 =  7,14 л/скм².

 Высота слоя стока определяется по выражению y = 31,5 q :

 y = 31,5 7,14 = 225 мм.

 Объём годового стока рассчитывается с использованием формулы W = yF /106 :

W = 225322/106 = 0,072 км³.

 Коэффициент стока как соотношение высоты стока и осадков равен = y/x :

225 / 420 = 0,53.

 Результаты выполнения задания:

   Вывод. Площадь реки незначительна (322 км²), норма стока составляет 2,3 м³/с. Гидрографическая сеть развита, поскольку составляет 7,14 л/скм², коэффициент стока равен 0,53, согласно чему 53% осадков тратится на формирование стока.

2 Расчет испарения  с малого водоема и поверхности  суши

      Цель работы: изучить основные виды испарения и научиться их вычислять разными методами. 
      Задачи:

1. изучить круговорот воды в природе;
2. освоить уравнения водного и теплового баланса;
3. изучить виды осадков, их факторы и особые изменения;
4. ознакомиться с факторами испарения с водной поверхности и с суши, изучить методы определения испарения.

Исходные данные:  
Таблица 1

Испарение – парообразование с поверхности воды, снега, почвы и растений. Является основной составляющей водного баланса речных бассейнов, водохранилищ, озер и других водных объектов. 

Испарение с поверхности воды с малого водоема при  отсутствии данных наблюдений 
 Испарение с поверхности воды определяют в основном метеорологическими факторами, то есть температурой воды и воздуха, дефицитом влажности воздуха и скоростью ветра. На испарение с водной поверхности оказывают влияние такие факторы, как площадь, глубина и защищенности водоема. Слой испарившейся влаги с больших водоемов вследствие увеличения скорости ветра и высоты волн больше, чем с малых водоемов. Водоемы, защищенные высокой растительностью на берегах, постройками, горами, испаряют влаги меньше незащищенных.

Исходные данные: площадь водоёма (S), расположенного вблизи пункта Добролет 4,2 км2, средняя глубина (H) 3,8 м, средняя длина разгона воздушного потока (D) 5,2 км, средняя высота препятствий на берегу (hср) 13м.

Требуется:

1. вычислить среднемноголетнее испарение;

       Порядок выполнения задания

Среднемноголетнее испарение с малых водоёмов, расположенных в равнинных условиях определяют по выражению:

Ев = Е20кh к3кs, (мм),

где Е20 - среднемноголетнее испарение с эталонного бассейна 20м2;

       кh , к3  и кs - поправочные коэффициенты соответственно на глубину водоёма, на защищённость водоёма от ветра древесной растительностью, строениями, крутыми берегами и другими препятствиями, а также на площадь водоёма.

Из-за отсутствия данных наблюдений среднемноголетнее испарение с бассейна площадью 20м2 находят по карте изолиний. Так, для водоёма, расположенного вблизи пункта Добролет Е20= 500 мм (определяется методом интерполяции).

Поправочный коэффициент к3 определяют в зависимости от отношения средней высоты (м) препятствий hср к средней длине (м) разгона воздушного потока D.

Для пункта Добролёт, расположенного в лесостепной зоне

hср /D =  13/5200 = 0,0025.

Согласно интерполяции (таблица 2)  к3 = 1+ 0,99.

Таблица 2 - Поправочный коэффициент на защищённость водоёма от ветра древесной растительностью, строениями, крутыми берегами

Поправочный коэффициент на глубину водоёма кh, находим по таблице 3 в зависимости от местоположения водоёма (природной зоны) и средней глубины. Для водоёма вблизи пункта Добролёт, расположенного в лесостепной зоне, глубина которого составляет 3,8 м, поправочный коэффициент

кh = 1+ 0,988.

Таблица 3 - Поправочный коэффициент на глубину водоёма

Поправочный коэффициент на площадь водоёма кs для тундровой, лесной и лесостепной зон находят путём интерполяции с помощью таблицы 4.

Таблица 4 - Поправочный коэффициент кs на площадь водоёма

Для площади S = 4,2 км2, кs = 1,23+ = 1,252.

Таким образом,  вычислим среднемноголетнее испарение:

Ев = 500×0,988×0,99×1,252 = 612мм.

Полученное значение Ев, является нормой испарения с воды.

Испарение с поверхности суши

Под испарением с поверхности суши понимается сумма всех видов этого процесса: биологическое испарение с листьев растений (транспирация), физическое испарение с орошенных атмосферными осадками листьев, испарение с почвы, снега, льда, с водоёмов, расположенных на исследуемой территории и т. д.

Методы расчёта испарения с поверхности суши основаны на использовании уравнений водного и теплового балансов, их связи, на закономерностях переноса влаги от испаряющей поверхности в атмосферу.

Определение испарения с суши с помощью карты изолиний испарения

Исходные данные: карта среднегодового слоя испарения с суши.

Требуется: определить (приближённо) среднемноголетнее годовое испарение для пункта Добролет (III зона).

Порядок выполнения задания

По карте находим расположение пункта Добролет Иркутской области и определяем центр тяжести водосбора. Зная координаты центра тяжести, методом интерполяции, находим норму среднегодового испарения. Следовательно, для пункта Добролет Иркутской области среднемноголетнее годовое испарение равно 450 мм.

Определение испарения с суши методом турбулентной диффузии

Исходные данные: для пункта Добролет среднегодовая температура воздуха t за многолетний период составляет -1,8 °С, а влажность е = 580 Па.

Требуется: определить среднемноголетнее годовое испарение для пункта Добролет.

Порядок выполнения задания

Пользуясь номограммой, проводим перпендикуляры от указанных значений t и е. Для точки их пересечения, интерполирую между изолиниями, получаем для пункта Добролет Ес = 350мм.

Определение испарения с суши методом решения уравнения связи водного и теплового балансов М. И. Будыко

Исходные данные: для пункта Добролет высота годового слоя осадков (х = 420 мм) и радиационный баланс (R = 170 Кдж/см2).

Требуется: определить среднемноголетнее годовое испарение для пункта Добролет.

Порядок выполнения задания

Пользуясь номограммой, проводим перпендикуляры от указанных значений х и R. Для точки их пересечения, интерполирую между изолиниями, получаем для пункта Добролет Ес = 370мм.

Определение испарения с суши по методу гидролого-климатических расчётов

Исходные данные: для пункта Добролет сумма средних температур St = 68°С, среднемноголетний слой осадков х = 420 мм, поправочный коэффициент для Иркутской области к = 1,25, параметр n=3, учитывающий равнинный рельеф.

Требуется: определить среднемноголетнее годовое испарение для пункта Добролет.

Порядок выполнения задания

Согласно формуле И. В. Карнацевича:

Еmax = 5.88 + 260,мм,

где  - сумма среднемесячных положительных температур воздуха за год.

Находим испарение:

Еmax = 5.88 68 +260 = 660мм

Используя выражение В. С. Мезенцева, находим испарение с суши:

, мм,

где  Еmax -максимально возможное испарение (водный эквивалент теплоресурсов испарения), мм;

кх - общее увлажнение, мм;

n - параметр, учитывающий гидравлические условия стока в разных ландшафтно-климатических условиях: для равнинных n =3,0, а в горных районах n = 2,0.

Е = 660 = 460 мм.

Вывод. Следует отметить, что с поверхности суши испарение можно вычислить несколькими способами. Выбор метода расчёта зависит от поставленной задачи, наличия исходных данных и требуемой точности результатов расчёта. В данной работе рассчитано испарение с поверхности суши 4 способами: с помощью карты изолиний испарения, методом турбулентной диффузии, методом решения уравнения связи водного и теплового балансов М. И. Будыко и по методу гидролого-климатических расчётов В. С. Мезенцева.

Таким образом, найдено испарение по данным пункта Добролет, которое составило с малого водоёма при отсутствии данных наблюдений 612 мм, с помощью карты изолиний испарения - 450 мм, методом турбулентной диффузии - 350 мм, методом решения уравнения связи водного и теплового балансов М. И. Будыко - 370 мм и по методу гидролого-климатических расчётов 460 мм.

3 Определение расходов воды аналитическим способом

Исходные данные: выписка из книжки для записи изменения расхода на реке Ушаковка (таблица, столбцы 1, 2, 3, 4, и 9).

Требуется: вычислить расход воды (Q), смоченный периметр дна (χ); площадь живого сечения реки (w); ширину реки (В), среднюю глубину реки (hср), максимальную глубину реки (hmax), среднюю и максимальную скорость течения реки (v) и (vmax), гидравлический радиус (R).

Порядок выполнения задания

Схема поперечного сечения реки с промерными и скоростными вертикалями

1  -  скоростные вертикали,

2  -  промерные вертикали,

b  -  расстояние,

W - площадь водного сечения

h- глубина.

1. Определяют средние глубины между промерными вертикалями, как среднее арифметическое глубин.
2. Находят расстояние между промерными вертикалями, используя разницу между расстояниями от постоянного начала.
3. Вычисляют площади живого сечения между промерными вертикалями.
4. Вычисляют площади живого сечения между скоростными вертикалями.
5. По данным вычисляются средние скорости между скоростными вертикалями.
6. Расходы воды между вертикалями находят путём произведения площади живого сечения между скоростными вертикалями и средней скоростью между скоростными вертикалями.
7. Сумма площадей живого сечения представляет собой площадь живого сечения.

Расчёт расхода воды реки аналитическим способом

8. Сумма последнего столбца соответствует значению расхода воды - 19,1м3/с.

Вычислим дополнительные гидрометрические  характеристики реки.

 Средняя скорость реки рассчитывается по формуле

, м/с,

где - общий расход, м3/с;

       - площадь живого сечения, м2.

Таким образом, средняя скорость реки соответствует

= 0,75 м/с.

Средняя глубина реки рассчитывается по формуле

hср = = = 1,16 м,

где - площадь живого сечения, м2;

- ширина реки, м.

Смоченный периметр находим по формуле: 
. 

   Тогда

χ = +

Гидравлический радиус рассчитывается по формуле:

R = = = 1.13м.

        Ширина  реки определяется как расстояние  между урезом левого и урезом правого берегов: В = 21,9м.

Наибольшая глубина выбирается из столбца 4 таблицы: hmax = 2.29м.

Наибольшая скорость течения выбирается из столбца 9 таблицы: vmax =0.94м/с.

Результаты вычисления характеристик реки Ушаковка

Вывод. Таким образом, на основе аналитического метода по определению расхода воды, получена таблица, в которой приведены гидрометрические характеристики. Расход воды, полученный аналитическим методом, составил 19,1 м3/с.

4 Расчёт  годового стока

Определение годового стока реки при наличие данных

Исходные данные: среднегодовые расходы реки Ушаковка, по данным наблюдений за 30 лет.

Требуется:

1. построить эмпирическую и аналитические функции распределения (нормальный и гамма-распределения);
2. выбрать приемлемый закон распределения согласно критерию χ2, или Колмогорова;
3. определить расход воды с вероятностью превышения Р = 75%.

Порядок выполнения задания