Изменения режима реки характеризуются, прежде всего, колебаниями ее водности. Понятие «водность реки» используется для оценки изменений стока данной реки. Водность – это количество воды, переносимое рекой за какой-либо интервал времени (месяц, сезон, год, ряд лет) в сравнении со средней многолетней величиной стока воды этой реки или со стоком в другие периоды. Когда говорят о колебаниях водности рек, то имеют в виду, прежде всего изменения стока воды. При этом график изменения расхода воды (м3/с) в данном створе реки в течение года (или части года) называют гидрографом реки (рис 1.2).
Рис. 1.2. Гидрограф р.Томи у г.Томска за 1970 год
График изменения уровня воды во времени гидрографом называть нельзя, так как в некоторых случаях колебания уровней воды в реках могут быть не связанны с изменением стока, например при ледовых явлениях на реках, интенсивных процессах размыва дна или аккумуляции наносов, сгонно-нагонных и приливных явлениях в устьях рек.
1.4. Методы расчленения гидрографа по видам питания
По данным гидрометрических измерений для каждого года можно получить гидрограф — график изменения расхода воды за год Q = f(t), который отражает сложные процессы водообмена поверхностных и подземных вод. Количественная оценка доли различных видов питания в формировании стока обычно осуществляется с помощью графического расчленения гидрографа по видам питания. Этот метод применяется для графического выделения объемов воды, сформированных различными источниками питания. В этом случае доля того или иного вида питания (например, снегового, дождевого, подземного) определяется пропорционально соответствующим площадям на гидрографе (рис. 1.3). В результате расчетов можно получить количественную оценку каждого источника питания за год и, что особенно важно, выделить подземную составляющую общего годового стока.
Наибольшие трудности возникают при выделении подземного питания в период половодья или крупных паводков. В зависимости от характера взаимодействия поверхностных и подземных вод Б.В. Поляковым, Б.И. Куделиным, К.В. Воскресенским, М.И. Львовичем, О.В. Поповым и другими исследователями предложен ряд схем расчленения гидрографа.
Наиболее общие закономерности следующие. При отсутствии гидравлической связи речных и грунтовых вод (рис. 1.1г), что обычно характерно для горных рек; подземное питание в период половодья или паводка в общих чертах повторяет ход гидрографа, но в более сглаженном виде и с некоторым запаздыванием максимума подземного питания по сравнению с максимумом расхода воды (рис. 1.3, линия 1).
При наличии постоянной или временной гидравлической связи речных и грунтовых вод (рис. 1.1, б – в) на подъеме половодья в результате подпора рекой грунтовых вод подземное питание уменьшается и достигает минимума при наивысшем уровне воды в реке (рис. 1.3, линия 3). На практике при недостатке сведений о взаимосвязи речных и грунтовых вод часто для равнинных рек условно принимают величину подземного питания в момент пика половодья, равной нулю (рис. 1.3, линия 4).
Рис. 1.3. Схема расчленения гидрографа реки по видам питания
питание: I – снеговое, II – дождевое, III – подземное;
А, Б и В – начало, конец и пик половодья; 1–5 – линии, разделяющие снеговое и подземное питание в период половодья при различном характере взаимодействия речных и грунтовых вод (пояснение см. в тексте); 6 – ледостав; 7 – ледоход
При длительном стоянии высоких уровней, что более свойственно крупным рекам, (рис. 1.3, линия 5) происходит фильтрация речных вод в грунт – «отрицательное подземное питание», а на спаде половодья или в начале межени эти воды возвращаются в реку. Водоносные горизонты, гидравлически связанные с рекой имеют иной режим и противоположную направленность фаз стока по сравнению с поверхностными водами. При повышении уровня воды в реке происходит уменьшение гидравлических уклонов и расхода подземного стока в реку, т.е. наблюдается явления подпора. В восходящей стадии весеннего половодья в прибрежной зоне образуются обратные гидравлические уклоны гидравлического потока (рис. 1.2б), и происхо-дит инфильтрация речных вод в берега. При спаде половодья зеркало грунтового потока вновь приобретает наклон к реке и начинается обратный сток в реку инфильтрующейся в берега речной воды. Однако во многих случаях, особенно на малых и средних реках, границу подземного питания на гидрографе проводят просто по прямой линии, соединяющей точки начала и конца половодья (рис. 1.3, линия 2).
Возникают сложности также при разделении дождевого и снегового питания, особенно в весенний и осенний периоды, разделении снегового, ледникового и дождевого питания на горных реках и т. д. В этих случаях для более надежного расчленения гидрографа по видам питания необходимо привлекать данные о дождевых осадках и температуре воздуха.
Рассмотрим некоторые из методик расчленения гидрографа на подземную и поверхностную составляющие:
1.4.1. Метод Б.И. Куделина
Расчленение гидрографа по видам питания согласно [5] по методу Б.И. Куделина ведется следующим образом:
Для расчленения гидрографа по видам питания необходимо выбрать на реке два створа нижний и верхний. Определяется площадь бассейна (F, км2), длина бассейна от нижнего створа (L1,км) и расстояние между створами (L2,км). По данным ежедневных расходов нижнего створа строится гидрограф в заданном масштабе.
Для выделения подземного стока реки из общего стока на гидрографе необходимо определить:
1. начало весеннего половодья (НВП) в верхнем и нижнем створе;
2. пик половодья (ПИК) в верхнем (t1) и нижнем (t2) створах;
3. окончание весеннего половодья (ОВП) в обоих створах;
4. скорость добегания (Vдоб) по формуле (1.1).
(1.1)
5. время добегания (T) за которое подземные воды пройдут из верховьев бассейна до нижнего створа по формуле (1.2).
(1.2)
Расчленение гидрографа по видам питания рассмотрим на примере решения типовой задачи [по 5].
Задача
Произвести расчленение гидрографа общего стока р. Сейма у г. Рыльска методом Куделина по следующим исходным данным:
· данные ежедневных расходов воды за год;
· площадь водосбора F = 18090 км2, длина бассейна L1 = 346 км;
· расстояние между створами (с. Зуевка и г. Рыльск) L2 = 274 км.
требуется:
1. Построить гидрограф р.Сейма у г.Рыльска
2. Определить даты начала и окончания берегового регулирования поверхностного стока;
3. Выделить подземный сток на гидрографе в период половодья
4. Вычислить характеристики поверхностного стока
Решение
1. Построенный по данным ежедневных расходов воды гидрограф приведен на рис. 1.4, а даты фаз половодья в верхнем и нижнем створах реки Сейм в таблице 1.1.
Выбранный масштаб: вертикальный – 1см = 100 м3/с, горизонтальный – 1 см = 10 дней = 10 • 24 • 60 • 60 = 864 000 сек
Рис.1.4. Гидрограф р. Сейма у г. Рыльска
1 - подземный сток; 2 - поверхностный сток
Таблица 1.1
Даты фаз половодья р. Сейм,
начало (НВП), пик и окончание (ОВП) половодья
| створ | НВП | ПИК | ОВП |
| верхний – с. Зуевка | 23.03 | 5.04 | 13.04 |
| нижний – г. Рыльск | 26.03 | 11.04 | 8.05 |
2. Рассмотрим расчленение гидрографа:
Для выделения подземного стока на гидрографе при условии гидравлической связи поверхностных вод с подземными водами (схему взаимодействия см. рис. 1.1б) необходимо использовать следующий порядок вычислений:
2.1. Предположим, что весеннее половодье во всем бассейне начинается одновременно. Его определяют по данным наблюдений верхнего створа с. Зуевка, когда происходит начало быстрого увеличения расхода воды в реке – 23.03 (табл. 1.1), прекращение стока подземных вод в реку из водоносных горизонтов гидравлически связанных с рекой наступает также одновременно. На рис. 1.4. это отмечено линией АВ, соответствующей 23.03. Подземное питание вследствие подпора прекратилось с 23.03, но грунтовые воды, поступившие в русло в верховьях до 23.03 стекают вниз по реке вместе с паводочной волной. Для того чтобы узнать время Т, за которое эти воды дойдут до створа в г. Рыльске, необходимо определить пик половодья в обоих створах, вычислить скорость добегания и Т – время добегания. Пик половодья в любом створе определяется по максимальной величине расхода воды в реке и обычно это дата одного дня. Согласно рис 1.4. пик половодья в нижнем створе – г. Рыльск t2 = 11.04, а в с. Зуевка (табл. 1.1) пик половодья t1 = 5.04. Расстояние между указанными створами дано в задании и равно L2 = 274 км.
Используя формулу (1.1), рассчитываем скорость добегания по датам наступления пика половодья в верхнем и нижнем створах:
Расстояние от верховьев р. Сейма до замыкающего створа у г. Рыльска равно L1 = 346 км. Используя формулу (1.2), определим время Т, за которое подземные (грунтовые) воды пройдут из верховьев до нижнего створа реки:
Т = L1/Vдоб = 346/46 = 7,5 сут. ≈ 8 сут.
Т ≈ 8 сут.
Значит, подземные воды из самых отдаленных частей бассейна после начала весеннего половодья будут стекать еще 8 суток. Определим дату, когда эти воды достигнут нижнего створа. Для этого используем дату НВП в с. Зуевка (верхний створ), которая равна 23.03 и прибавим к нему время добегания, равное 8 сут. следовательно: