Гидравлика, гидрология и метеорология (стр. 20 )

Имея годовой график колебания уровня в рассматриваемом створе реки и кривую расходов, легко установить среднесуточные расходы для всех дней года. По найденным значениям среднесуточных расходов строят годовой график их изменения, который называется  г и д -  р о г р а ф о м. Поскольку между расходом и уровнем существует прямая связь, гидрограф имеет такое же очертание, как и график колебания уровня.

Фазы в режиме рек. Характерные уровни и расходы воды. В водном режиме рек можно выделить ряд характерных фаз, каждой из которых свойственны определенные признаки.

На реках с преимущественным снеговым питанием такими фазами являются весеннее половодье, летняя межень, летне-осенние дождевые паводки и зимняя межень.

В е с е н н е е  п о л о в о д ь е  является основной фазой в водном режиме большинства рек. Оно характеризуется резким подъемом уровня воды и менее крутым спадом. На крупных реках весеннее половодье длится от 1,5 до 3 месяцев, а на малых и средних реках – от 10–15 до 30–45 дней.

Л е т н я я  м е ж е н ь  наступает после окончания весеннего половодья и длится до наступления осенних дождей. Эта фаза характеризуется на большинстве рек низкими и устойчивыми уровнями. Некоторые малые реки южных и юго-восточных районов европейской части СНГ в летний период пересыхают.

О с е н н и е  д о ж д е в ы е  п а в о д к и  наблюдаются на многих реках европейской части СНГ, Западной и Восточной Сибири. Они вызываются увеличением количества осадков и одновременным уменьшением испарения с поверхности речных бассейнов.

З и м н я я  м е ж е н ь  совпадает на большинстве равнинных рек с периодом ледостава. Наименьшие расходы воды наблюдаются в конце зимы. Небольшие северные реки в зимний период иногда промерзают до дна.

Основными характеристиками каждой из перечисленных фаз в режиме реки являются ее продолжительность, величина характерных уровней и расходов, даты наступления и окончания фазы. Наряду со средними значениями этих характеристик часто бывает необходимо знать и их возможные колебания за многолетний период.

Водный режим реки в каждом году и за многолетний период характеризуется следующими основными уровнями:

наивысшим уровнем весеннего половодья;

наивысшим и наинизшим уровнями весеннего ледохода;

наивысшим и наинизшим уровнями очищения реки ото льда;

наинизшим и средним меженными уровнями;

наивысшим и наинизшим уровнями летних и осенних паводков;

средним зимним уровнем.

К числу основных характерных расходов реки относятся: среднегодовой расход, максимальные расходы в весеннее половодье и в летне-осенние паводки, минимальные расходы в летнюю и зимнюю межени.

Зимний режим рек. С наступлением холодов реки на большей части территории СНГ замерзают. Продолжительность замерзания зависит от интенсивности похолодания и скорости течения. На малых реках она составляет 3–7 дней, а на больших – 8–15 дней. Нередко процесс замерзания рек сопровождается осенним ледоходом.

В течение зимы толщина льда постепенно увеличивается, достигая 0,6–1,0 м на реках центральных и северных районов европейской части СНГ и 1,0–1,5 м – на реках Сибири.

Весной в результате таяния снегов начинается вскрытие рек, за которым следует ледоход. Последний длится от 1–3 дней на малых реках, до 8–10 дней – на больших. Характер вскрытия рек весеннего ледохода зависит прежде всего от географического положения реки. На реках, текущих с севера на юг, от ледяного покрова сначала освобождается нижнее течение, что обеспечивает беспрепятственное продвижение льда с вышерасположенных участков. Поэтому ледоход на этих реках проходит сравнительно спокойно. На реках, текущих в северном направлении, условия ледохода очень тяжелые. Позднее вскрытие нижних участков этих рек препятствует ледоходу и на вышерасположенных участках образуются ледяные заторы, вызывающие значительные подъемы уровней воды, приводящие нередко к наводнениям.

8. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОТОКА И РУСЛА РЕКИ

8.1. Речные наносы

Р е ч н ы м и  наносами называются частицы грунта, которые переносятся водным потоком и формируют различные отложения в руслах рек.

Основная масса наносов поступает в реки с площади речных бассейнов. Вода, стекая по склонам местности, смывает с земной поверхности большое количество грунта и переносит его в реки. Часть наносов образуется в результате размыва самого русла реки (их количество не превышает 2–5% от общего объема наносов, поступающих с поверхности бассейна).

По крупности и характеру перемещения наносы делятся на в з в е - ш е н н ы е  и  д о н н ы е  (влекомые). Первые переносятся потоком во взвешенном состоянии по всему живому сечению реки, а вторые – передвигаются потоком по дну русла. Основным видом наносов на равнинных реках являются взвешенные. На их долю приходится 90–95% всех наносов. На горных реках количество донных наносов может превышать взвешенные.

Взвешенные наносы. Степень насыщения речного потока взвешенными наносами характеризуется мутностью воды. М у т н о с т ь ю  называется масса взвешенных наносов, содержащаяся в единице объема воды:

,                                (8.1)

где mв – масса наносов, г;

wп – объем взятой пробы воды, м3.

Мутность воды измеряется в реках специальными приборами, называемыми б а т о м е т р а м и.

Реки, протекающие в различных физико-географических условиях, имеют неодинаковую мутность. Реки северной части СНГ характеризуются среднегодовой мутностью св < 50 г/м3; лесостепной зоны –  св = 50ч150 г/м3 и южной степной зоны – св = 150ч500 г/м3. Горные реки Кавказа и Средней Азии имеют очень большую мутность, достигающую на некоторых из них 5000 г/м3 и более.

Количество взвешенных наносов, проносимых через живое сечение реки в секунду, называется  р а с х о д о м  в з в е ш е н н ы х  н а н о -  с о в:

Rв. н = 0,001 ссрQ = 0,001 сср щv, кг/с,                (8.2)

где сср – средняя мутность воды в живом сечении реки;

Q – расход воды, м3/с;

щ – площадь живого сечения реки, м2;

v – средняя скорость потока, м/с.

Средняя мутность воды сср устанавливается по нескольким пробам воды, взятым батометром в различных точках живого сечения реки.

Количество взвешенных наносов, переносимых рекой за год, называется годовым стоком взвешенных наносов:

,                        (8.3)

где с0 – среднегодовая мутность воды, г/м3;

W0 – среднегодовой объем стока воды, м3.

Донные наносы. Движение донных наносов имеет разнообразный характер, зависящий от их крупности и скоростей течения в придонном слое потока. Донные наносы передвигаются преимущественно у выпуклых берегов реки.

Передвижение донных наносов подчиняется закону Эри, согласно которому масса влекомой частицы пропорциональна скорости течения в шестой степени:

mе = k vн6,  (8.4)

где vн – скорость течения, при которой частица начинает двигаться, м/с;

k – коэффициент пропорциональности, зависящий от формы и удельного веса частицы.

Из этой формулы видно, что с увеличением скорости течения в  3 раза масса передвигаемой по дну частицы увеличится в 729 раз (36). Столь сильное влияние скорости течения на величину влекомых частиц объясняет то обстоятельство, что горные реки способны перемещать крупные камни, а равнинные – только небольшие песчинки, хотя скорости течения на последних всего лишь в несколько раз меньше, чем на горных реках.

Средняя скорость течения, при которой начинается размыв русла и перемещение донных наносов, называется р а з м ы в а ю щ е й. Величина этой скорости определяется формулой :

, м/с,                        (8.5)

где  g – ускорение свободного падения, м/с2;

dср – средний диаметр частиц грунта, м.

Формула (8.5) справедлива для наносов диаметром от 0,1 до 5 мм. Для более крупных наносов эта зависимость дает преувеличенные значения размывающей скорости.

Расход донных наносов, влекомых речным потоком, можно найти по формуле :

,кг/с,                (8.6)

где В – ширина реки, м;

vр – размывающая  скорость, м/с, определяемая по формуле (8.5);

hср – средняя глубина потока, м.

Для определения годового стока донных наносов нужно вычислить по формуле (8.6) их расходы для отдельных периодов года при соответствующих значениях В, v и hср. Сток наносов за каждый период определяют умножением его продолжительности, выраженной в секундах, на величину расхода наносов в этот период.

8.2. Деформация речного русла

Общие сведения. Для решения вопросов, связанных с эксплуатацией и улучшением водных путей, большое значение имеет изучение процессов, происходящих в результате взаимодействия речного потока и русла реки.

Под воздействием водного потока русло реки подвержено постоянным изменениям (деформациям). Основными факторами, определяющими характер русловых деформаций и формы речного русла, являются:

уклоны реки и скорости течения; характер грунтов, слагающих русло и пойму реки; рельеф речного бассейна, его почвенно-грунтовые и растительные условия, влияющие на объем поступления наносов; водный режим реки, в частности интенсивность весеннего половодья и дождевых паводков; характер ледовых явлений; наличие на реке гидротехнических и сплавных сооружений.

Воздействие потока на речное русло проявляется в трех процессах: размыве русла (эрозии), переносе частиц грунта, образовавшихся в процессе размыва, и отложении этих частиц (аккумуляции). Все три процесса происходят одновременно на всем протяжении реки. Однако в зависимости от соотношения между скоростями течения и размерами частиц грунта, слагающих речное русло, на одних участках реки наблюдается преобладание размыва русла над отложением наносов, а на других, наоборот, накапливается больше грунта, чем размывается.