Гідрологія річок і гідрологічні розрахунки

     2. Фізико-географічні характеристики  басейнів 

     До  фізико-географічної характеристики басейну  відноситься: географічне положення (географічні координати, близькість до морів, пустель, гірських хребтів); кліматичні умови (атмосферні опади, температура, дефіцит вологості повітря); геологічна будова та ґрунтовий покрив (тріщинуватість гірських порід, карстові явища, механічний склад ґрунтів, водопроникність ґрунтів тощо); рельєф водозбору (похил поверхні землі, що впливає на швидкість стікання води); рослинний покрив (види рослинності); промерзання землі (географічне поширення мерзлоти, шар сезонного промерзання, товщина вічної мерзлоти); ступінь лісопокриття; озерності басейну, площі дзеркал озер; заболоченості басейну.

     3. Структура річкової мережі 

     Річкова система складається з головної річки та приток, які, в свою чергу, також мають притоки. Річки, що впадають у головну річку, називаються  притоками першого порядку. Притоки  притоків відповідно називають притоками другого, третього порядку і т.д. Найвищий порядок мають дуже малі річки, які вже не мають власних приток і виглядають як нерозгалужені водотоки. Можлива і зворотна класифікація приток.

     До  кількісної характеристики річкової мережі відноситься коефіцієнт її густоти (Кг). Густотою річкової мережі називається її загальна довжина, що припадає на одиницю площі будь-якої території.

     Кг = a L / F,

     де a L - довжина всіх водотоків (км) на площі F (км2).

     Густота річкової мережі збільшується з ростом атмосферних опадів і зменшується із збільшенням водопроникнення ґрунтів, заболоченості і лісистості території. Коренева система рослин сприяє водопроникненню ґрунтів.

     У рівнинних умовах русла практично  всіх річок (окрім окремих великих) в плані звивисті. Ступінь звивистості русла характеризується коефіцієнтом звивистості русла:

     Kзв = L / Lзв,

     де L - довжина річки на ділянці вивчення;

     Lзв - довжина прямої від початку  до кінця ділянки. 

     Довжина річки звичайно відраховується від  витоку вниз по течії по лінії найбільших глибин. Положення цієї лінії визначає фарватер, по якому здійснюється судноплавство.

     Фарватер, що проходить по головних рукавах  річки, називають головним фарватером. Лінію з найбільш низькими відмітками дна річища називають тальвегом річки.

     Лінія, що сполучає точки з найбільшою поверхневою  швидкістю течії в живих перетинах  потоку, називається стрижнем потоку.

     Закономірні планові (бокові) деформації русел, що виникають у результаті взаємодії  водного потоку з руслом, називаються меандруванням русла.

     Меандрування - найбільше поширена форма планових переформувань закрутів рік, що мають  заплаву.

     Розрізняють обмежене, вільне меандрування, незавершене  меандрування (рис. 8).

     Обмежене  меандрування розвивається на річках із вузькою заплавою. У цьому випадку річище в плані має слабо звивисту форму, близьку до синусоїдальної, із відносно стійкою для даної річки відстанню між вершинами суміжних закрутів. Основні планові деформації полягають у сповзанні закрутів за течією ріки без істотної зміни їхніх планових обрисів і розмірів.

     У процесі вільного меандрування, що розвивається на річках із широкою  заплавою, закрути річища проходять  послідовні стадії розвитку, від слабо  зігнутих до петлеподібних. Цикл розвитку закруту завершується проривом або частіше промивом її перешийка, що веде до відчленування вигину річища й утворенню стариці. Після цього цикл розвитку повторюється.

     При незавершеному меандруванні промив перешийка закруту відбувається до досягнення ним петлеподібного обрису шляхом утворення протоки, що поступово спрямляє русло, у яку потім переходить головний потік, а колишнє головне річище відмирає.

     

     Рис. 8. Типи меандрування

     а - обмежене, б - вільне, в - незавершене.

     4. Поперечний і повздовжній профілі  річки 

     Форма поперечних профілів річок відрізняється  великою різноманітністю. Так, на плесових ділянках профіль дна річки асиметричний. Вертикаль з найбільшою глибиною зміщена ближче до увігнутого берега.

     При гідрологічних дослідженнях стараються вибрати призматичні ділянки  русла з приблизно симетричним  розподілом глибин в поперечному  перетині. На таких ділянках річок  розміщують гідрометричні створи, в  яких вимірюються витрати води.

     Повздовжній профіль річки характеризує зміни  по довжині потоку відміток дна і  вільної поверхні води. Звичайно повздовжні профілі будують по лінії найбільших глибин. При побудові повздовжнього  профілю поверхні води за основу приймаються  меженні рівні, або миттєве положення вільної поверхні водного потоку.

     На  основі узагальнення топографічних  і гідрометричних даних по багатьох річках встановлені наступні головні  типи повздовжніх профілів дна річок.

     1. Увігнутий із зменшенням похилу  дна від витоку до гирла. Цей профіль зустрічається частіше всього і носить назву профілю рівноваги.

     2. Прямолінійний, спостерігається  частіше всього у малих річок. 

     3. Випуклий при збільшенні похилу  дна від витоків до гирла  річки. Такий тип профілю зустрічається  порівняно рідко.

     На  формування повздовжнього профілю  річки впливають топографія водозбору (амплітуда висот), літологічний склад  порід у руслі та на водозборі, гідрологічний режим стоку вод  і наносів, положення русла в  плані та інші фактори. По мірі заглиблення русла (врізання) ширина дна долини має тенденцію до зменшення.

     5. Рівень води в річках, швидкості  течії, витрати води, методи їх  визначення 

     При виконанні будь-яких видів гідрометричних робіт повинні обов’язково вимірюватись рівні води. У протилежному випадку навіть дуже складні та детальні вимірювання можуть бути обезцінені.

     Рівнем  води називається висота поверхні води у водному об’єкті над умовною, незмінною по висоті, горизонтальною площиною порівняння. Над рівнем потрібні будуть тривалі спостереження, тому цю умовну поверхню розміщують приблизно на 0,5 м нижче найнижчого рівня води Hmin, що фактично спостерігався будь-коли. Це дає можливість уникнути вживання від’ємних значень H. Якщо ж водні об’єкти замерзають, то рівні води фіксують по поверхні води в ополонках.

     Пристрій  для вимірювання рівня води у  водному об’єкті називається  водомірним постом.

     Висотне положення вимірювальних пристроїв  водомірних постів необхідно систематично перевіряти, тому їх обладнують реперами - основними та контрольними. Останні передбачені для систематичного контролю за висотним положенням водомірних пристроїв. Їх споруджують у створі поста якомога ближче до нього, але поза зоною затоплення високими водами паводку або ж водопілля.

     Водомірні пости входять до складу устаткування та обладнання гідрологічних постів - пунктів на водному об’єкті, обладнаних пристроями та приладами для проведення систематичних спостережень.

     Умовна  горизонтальна площина порівняння, що приймається за нуль відрахунку при вимірюванні рівня води, називається нулем графіка гідрологічного (водомірного) поста.

     За  основні терміни спостережень на постах прийнято 8 та 20 година за місцевим часом.

     Водомірні пости в залежності від терміну  дії бувають:

     - постійні, призначені для тривалих (стаціонарних) спостережень за рівнями води;

     - тимчасові, створювані лише на  період пошукувань та будівництва. 

     По  конструкції водомірні пости  можна поділити на такі типи:

     - непередавальні, на яких рівень  води відраховують безпосередньо  по позначках рейки, що змочується  водою; до них відносяться рейкові, пальні (рос. - свайные) та рейково-пальні пости;

     - передавальні, або дистанційні, де  рівень фіксується на деякій  відстані від вільної поверхні  води, тобто положення рівня передається  на реєструвальну частину приладу  за допомогою датчиків (рис. 9).

     

     Рис. 9. Дистанційний водомірний пост

     Окрім реперів, водомірні пости облаштовують допоміжними інструментами: рейками  для реєстрації граничних значень рівнів води, переносними рейками для вимірювання рівнів і товщини криги тощо.

     На  рейкових постах встановлюють вертикальну  або похилу рейку з позначками, що дозволяють вимірювати рівень води з точністю до 1 см (рис. 10).

     Вертикальні рейки прикріпляють до стінки набережної, шлюзу, греблі, опори мосту по можливості на одному рівні з поверхнею. Довжина рейки повинна перевищувати амплітуду коливань рівнів приблизно на 0,5-1,0 м. Перевагу мають металеві рейки (емальовані, яскравих кольорів). При відсутності інженерних споруд вертикальні рейки можна ставити на річках з прямовисними скельними берегами. Для запобігання рейки від пошкоджень предметами, що пливуть (крига, уламки дерев тощо), застосовують огорожу.

     

     Рис. 10. Водомірний пост рейковий

     Рейковий  пост в залежності від місцевих умов може складатись із декількох рейок. Необхідно тільки, щоб нульові  позначки суміжних рейок були зміщені по висоті на ціле число метрів. Нуль рейки являється нулем водомірних спостережень, відмітка якого відома, тому що всі пристрої водомірного посту нівелюються (рис. 11).

     

     Рис. 11. Постійна водомірна рейка на підставці, закріпленій на березі (а) і водомірна  переносна рейка (б).

     Похилі  рейки встановлюються на відкосах берега на кам’яних, бетонних або ж дерев’яних стовпах. Позначки (поділки) похилої  рейки повинні бути рівні 1 см / sin a, де a - кут нахилу рейки до горизонту (рис. 12).

     

     Рис. 12. Водомірний пост з похилою рейкою

     На  невеликих річках з відлогими берегами влаштовують пальні пости, що складаються з групи паль. Ці палі розміщують в одному створі, перпендикулярному до середнього напрямку течії води, і нумерують по порядку, починаючи з верхньої (рис. 13).

     

     Рис. 13. Водомірний пост з палями

     Рівні відраховують по переносній рейці (довжиною біля 1,5 м, з поділками через 1 см), яку ставлять вертикально на найближчу  до берега палю, що знаходиться під  водою. В цьому випадку відмітка головки палі буде нулем водомірних спостережень. Одночасно з записом відрахунку по рейці треба записати номер палі (рис. 14).

     

     Рис. 14. Водомірний пост на палях 

     Різниця між відміткою нуль водомірних спостережень і відміткою нуль графіку водомірного  посту називається приводкою  до нуля графіка поста.

     Рівень  над нулем графіка дорівнює рівню  над нулем спостережень плюс приводка.

     На  ділянках річок з різкими переломами поперечного профілю влаштовують  рейково-пальні пости, що мають постійну рейку (на березі з урвищем) і палі (у пологій частині), розташовані  в одному створі.

     Самописці рівнів води

     Одна  з головних деталей самописця - поплавець (рис. 15). Він піднімається або ж опускається разом з рівнем води. Цей рух поплавка передається на передаточний і годинниковий механізм самописця, за допомогою яких на розлінованому папері (стрічці) записується графік зміни рівня води в часі.