Гідрологія річок і гідрологічні розрахунки

     Тривалість  періоду спостережень вважають достатньою, якщо середньоквадратична похибка коефіцієнта варіації не перевищує 10 - 15%.

     Визначення  коефіцієнта варіації кривої забезпечення річкового стоку при нестачі  гідрологічних даних. При нестачі  числа спостережень коефіцієнт варіації річкового стоку визначають методом гідрологічної аналогії. Це здійснюється шляхом аналітичного, графічного або графоаналітичного способу приведення стоку до багаторічного періоду за допомогою багаторічного ряду спостережень на басейні-аналогові.

     Визначення  коефіцієнта варіації при відсутності даних про річний стік. При відсутності даних спостережень коефіцієнт варіації визначають по карті ізоліній цього параметру або по емпіричним формулам. Всі емпіричні формули в явній або неявній формі враховують залежність коефіцієнта варіації від мінливості по території кліматичних факторів стоку і від регулюючої ролі річного басейну.

     Визначення  коефіцієнту асиметрії кривої забезпеченості річкового стоку. При наявності  даних по річковому стоку (не менш ніж за 40 років) коефіцієнт асиметрії визначають методом добору, що виходить з умов найкращої відповідності теоретичної кривої забезпеченості річкового стоку даним спостережень. Для цього на клітковину ймовірностей наносять теоретичні криві забезпеченості, побудовані при одному і тому ж коефіцієнті варіації (Сv) і різних значеннях коефіцієнта асиметрії (Сs). Для першої кривої приймають Сs = 2 Сv. За розрахункову приймають ту криву, що найбільш погодиться з емпіричними точками.

     При нестачі та відсутності гідрологічних  даних про річний стік коефіцієнт асиметрії встановлюють по відношенню цього параметру до коефіцієнту варіації для групи річок-аналогів.

     При відсутності такої можливості приймають:

     а) для зони надлишкового і перемінного  зволоження (арктична, тундрова, лісова, лісостепова, степова) Cs = 2 Cv;

     б) для зони недостатнього зволоження (сухостепова, пустельна) Cs = (1,5 - 1,8) Cv.

     Розподіл  стоку всередині року. Встановлення закономірностей розподілу стоку  річок всередині року за календарним  періодом, сезонами і всередині сезонів  має важливе наукове та практичне значення. На основі цих даних ведеться планування використання водних ресурсів для різних водогосподарчих цілей, визначення головних параметрів водосховищ і гідротехнічних споруд.

     Вплив фізико-географічних чинників на розподіл стоку. Встановити розподіл стоку всередині року дуже складно, тому що на це явище впливає ціла низка фізико-географічних чинників, кількісний облік яких проводити важко.

     В першу чергу розподіл стоку залежить від кліматичних чинників, тобто  зміни на протязі року опадів і температури повітря, а отже і випару.

     Крім  кліматичних, на розподіл стоку впливають  інші фізико-географічні чинники, що виражають природну зарегульованість стоку в басейні. До цієї групи  чинників належать: площа і рельєф басейну, гідрологічні умови, наявність озер, лісів, боліт. В загальному випадку при зростанні зарегульованості стоку розподіл його всередині року вирівнюється: зменшується величина паводків і зростають витрати в межень.

     Розподіл  стоку може значно змінитися внаслідок  господарчої діяльності людини: спорудження ставків і водосховищ, осушення боліт, насадження лісозахисних смуг, проведення агротехнічних заходів.

     Розподіл  стоку всередині року не залишається  постійним для якого-небудь пункту річки. Він змінюється щорічно і  дуже значно.

     Розрахунок  розподілу стоку всередині року. Задача і спосіб розрахунку розподілу  стоку залежать від його призначення  і схеми використання. Так, для  проектування водопостачання найбільш несприятливими сезонами є літня  межень на півдні, зимова на півночі, для зрошування має інтерес розподіл стоку в вегетаційний період, при енергетичному використанні найбільший інтерес має зимова межень, при судноплавному використанні - період навігації і т. д.

     Розрахунок  розподілу стоку всередині року залежить також від типу його розподілу на протязі року. Наприклад, для річок посушливих районів, де весняне водопілля складає 95% річного стоку і більш, головна водогосподарча задача - це утримання весняного стоку. Розрахунок розподілу стоку в цьому випадку зводиться до побудови гідрографу весняного водопілля. За допомогою гідрографа встановлюють головні параметри водосховищ.

     Таким чином, розрахунок стоку всередині  року полягає в упорядкуванні  або виборі з безлічі можливих випадків для даного пункту одного або декількох розрахункових, що відповідають вимогам проектування.

     Найбільш  правильним з генетичної точки зору методом розрахунку розподілу стоку  є метод водного балансу. Але  цей метод не знайшов широкого використання, тому що виникає багато труднощів при визначенні його складових. В зв'язку з цим широке застосування знайшли методи математичної статистики.

     Можливі два способи представлення характеристик  розподілу стоку:

     календарний - по різним інтервалам часу (сезон, місяць, декада, доба);

     в порядку убування витрат (місячні, декадні або добові).

     Розрахунок  розподілу стоку всередині року при наявності гідрологічних  даних.

     При наявності гідрологічних даних  розрахунок розподілу стоку всередині  року рекомендується виконувати:

     Методом компонування, якщо ряд спостережень складається не менш ніж з 10 років при умові, що в цей період входять маловодні, багатоводні і середньоводні роки.

     Методом реального року, якщо ряд спостережень складається з 20 років і більше.

     Визначення  розподілу стоку всередині року при недостатніх або повністю відсутніх гідрологічних даних.

     Головний  метод розрахунку стоку всередині  року при недостатніх або повністю відсутніх гідрологічних даних  є метод гідрологічної аналогії.

     Попередньо  річку-аналог намічають в результаті зіставлення кліматичних і гідрогеологічних умов, рельєфу, ґрунтів, природної зарегульованості стоку.

     Остаточно річку-аналог визначають в результаті зіставлення річного, сезонного  і місячного стоку по розглянутій  річці і річці-аналогу за сумісний період спостережень.

     Розрахунок добового розподілу стоку.

     Розрахунок  добового розподілу стоку полягає  в побудові кривої забезпеченості добових  витрат води.

     Добові  витрати води розташовують в порядку  убування за весь період спостережень від абсолютного максимуму до абсолютного мінімуму і для кожної витрати розраховують її емпіричну забезпеченість. По цим даним будують криву забезпеченості, по якій потім визначають витрати води розрахункової забезпеченості.

     Меженний  і мінімальний стік.

     Межень - це періоди усередині річного  циклу, впродовж котрих спостерігається низька водність, що виникає внаслідок різкого зменшення притоку води з водозбірної площі. В цей час переважне значення в річковому стоці мають підземні води, що дренує гідрографічна мережа.

     Мінімальний стік річок спостерігається в межень. Він формується в той час, коли річка отримує лише ґрунтове живлення і коли поверхневий стік зовсім припиняється або має найменше значення.

     Розрізняють слідуючи характеристики мінімального стоку:

     а) добові і середньомісячні витрати  води з розподілом їх на зимові і літні за кожен рік;

     б) середні багаторічні значення (норма) добових і середньомісячних витрат води;

     в) мінімуми різної забезпеченості;

     г) абсолютний мінімум - найменша витрата  води за весь період спостережень.

     Річки лісостепової зони з перемінним зволоженням можуть мати мінімальні витрати як влітку, так і взимку.

     Принципи  виділення періодів низького стоку  і особливості його формування.

     Розрізняють зимову і літню межень. До літньої (або літньо-осінньої) межені відносять  періоди від кінця водопілля до паводків восени, а при їх відсутності - до початку зимового періоду, тобто до появи на річці льодових явищ. За зимову межень приймають період від початку зимового періоду до початку водопілля.

     Умовно  межень вважають тривалою, якщо вона спостерігається більш 30 доби, і короткою, якщо вона триває впродовж 10-30 доби. Межень звичайно переривчаста, особливо на річках з паводковим режимом. В цьому випадку вона займає періоди часу від закінчення тих паводків, у яких повністю завершився цикл спаду, до наступної паводку.

     Виділення межені на гідрографі в деяких випадках є операцією недостатньо визначеною, що має елементи суб’єктивізму. Критерієм  такого виділення умовно приймають, що до межені відносяться ті періоди  низького стоку, впродовж котрих об’єми стоку паводка (кожного зокрема) не перевищують 10-15% загального об’єму стоку за період, що розглядається.

     Головні чинники, що впливають на процеси  формування мінімального стоку і  його величину:

     Клімат, який визначає як загальний режим, так  і режим мінімального стоку. В тих районах, де опади перевищують випар, спостерігається сталий мінімальний стік. В південних посушливих районах, де опадів випадає мало, а випар великий, мінімальні витрати мізерно малі.

     Грунтово-геологічні і гідрогеологічні. Мінімальний стік залежить від ґрунтового живлення річки і чинників, що визначають величину і характер підземного живлення. Наприклад, в зоні несталого та недостатнього зволоження запаси ґрунтових вод в поверхневих ґрунтових горизонтах незначні. Головну роль в живленні річок тут відіграють глибокі підземні води. В цих районах мінімальний стік залежить від глибини ерозійного врізу русла, числа і характеру водоносних горизонтів і геологічного складу порід. Чим більше водоносних горизонтів розкриває долина і русло річки і чим більше запас води в них, тим більш високий і сталий мінімальний стік. Пухкі і пористі породи створюють сприятливі умови для акумулювання підземних вод. Щільні і кристалічні породи, навпаки, зменшують інфільтрацію води й ємність басейну, що акумулює.

     1. Наявність в басейні річок  озер, боліт, лісів. Озера акумулюють  поверхневий стік і тим самим  збільшують мінімальні витрати.  Пухкі лісові ґрунти добре  утримують поверхневий стік і  сприяють утворенню підземних  вод під лісом. Завдяки цьому  мінімальний стік в районах, що вкриті лісом, значно вище, ніж в районах, де ліс відсутній. Вплив боліт на мінімальний стік залежить від типа боліт і глибини залягання ґрунтових вод. Річки, що витікають з низинних боліт, де рівень ґрунтових вод знаходиться близько до поверхні, мають більш високі мінімальні витрати в порівнянні з річками, що не мають боліт в своєму басейні. Наявність в басейні верхових боліт, що мають значну глибину залягання ґрунтових вод, приводить до зменшення мінімального стоку.

     2. Площа басейну. З ростом площі водозбору звичайно зростає і мінімальний стік річки.

     Визначення  термінів і тривалості меженних періодів.

     Мінімальні  витрати води необхідно розраховувати  для забезпечення безперебійного водопостачання, зрошення та обводнювання, для цілей судноплавства, енергетичного використання річок. За критерій при визначенні розрахункової мінімальної витрати річки приймають її щорічну забезпеченість. При проектуванні гідростанцій розрахункова забезпеченість мінімальних витрат складає 90%, зрошення - 88%, господарчо-питного водопостачання - 95% і т. д.

     Для визначення розрахункової мінімальної  витрати використовують данні спостережень за стоком в зимовий та літньо-осінній  періоди. Розрахунок виконують по середньомісячним витратам, по середнім за 30 діб з найменшим стоком або по середньодобовим.

     Середньомісячні витрати необхідно використовувати  для розрахунку в тому випадку, коли меженний період тривалий і стійкий (триває не менш двох місяців і впродовж цього часу на річці не має паводків).

     Мінімальні  витрати, середні за 30 днів, з найменшим стоком використовують при короткій і переривчастій межені. Короткою є межень, що триває 30 днів і менш, переривчастою - коли вона переривається паводками.

     Мінімальний 30-добовий некалендарний стік визначають так: будують гідрограф стоку річки, що досліджують, по рокам за весь період спостережень; на кожному гідрографі визначають ділянку тривалістю 30 діб з найменшими витратами води і по таблиці щоденних витрат води виконують підрахунок середньої витрати води за обраний період. Мінімальні 30-добові витрати води завжди менш або рівні середньо місячним календарним витратам води.