23.03 + 8 сут. = 31.03
На гидрографе соответственно этой дате отметим точку К. Соединим точки А и К. Снижение расхода подземных вод, проходящих г. Рыльск (нижний створ) транзитом, будут происходить по прямой АК.
2.2. Далее, определим окончание весеннего половодья в нижнем створе у г. Рыльска по гидрографу (рис. 1.4) – это 8.05. Поставим соответственно точку Д на гидрографе. Значит до ОВП нижнего створа – 8.05 происходит «береговое регулирование поверхностного стока» и в этот период полностью отсутствует подземное питание, что на гидрографе отметим вертикальной линией DE.
В верховьях бассейна половодье окончилось 13.04, и с этого момента в верховья речной сети стали поступать воды за счет основных запасов подземных вод в бассейне из водоносных горизонтов, гидравлически связанных с рекой. Эти воды достигнут нижнего расчетного створа, согласно предыдущим расчетам, через 8 суток от даты окончания половодья в верхнем створе (13.04), а в нижнем створе они окажутся:
13.04 + 8сут. = 21.04.
Дату 21.04 отметим на гидрографе точкой F. Итак, начиная с 21.04, с каждым днем в замыкающем створе расход воды будет увеличиваться за счет поступления подземных вод с менее удаленных частей бассейна. Нарастание расхода подземных вод будет происходить по прямой FD. «Береговое регулирование поверхностного стока» по всему бассейну закончится 8.05, и к этому времени закончится сток талых снеговых вод, и река полностью перейдет на подземное питание (рис. 1.4).
Если в период с мая по октябрь будут выпадать дожди, то их на гидрографе следует выделить как объем дождевого стока, в данном примере паводки отсутствовали и вся заштрихованная часть гидрографа (I и II – рис. 1.4) относится к подземному стоку.
Необходимо отметить, что, если при решении задач на расчленение гидрографа отсутствуют даты фаз половодья и по характеру гидрографа период половодья рассчитывается на 1-1,5 месяца, то объем стока талых вод можно выделить следующим приблизительным способом: отметить точку пика половодья и от нее на горизонтальной линии влево и вправо отметить точки К и F – по десять дней от даты наступления пика половодья [5].
3. После произведенных расчетов на гидрографе, представляющем общий годовой сток (рис. 1.4), выделяются следующие площади и определяется их размер в см2:
1. KACDFK – площадь поверхностного снегового стока;
2. А'АКК'А' (I) и FDD'F'F (II) – площади подземного стока (заштрихованные области)
3. Определение объемов стока ведется следующим образом:
3.1. Объем общего речного годового стока W м3/год для интервала времени ∆t – год (в году 31,5•106 с) вычисляется по формуле:
W (м3) = Qср 31,5 106 (1.3)
W (км3) = Qср 31,5 10-3 (1.4)
где в первом случае W в м3, во втором – в км3, Qср, м3/с – средний для данного года расход воды.
3.2. Объем поверхностного стока Wпов м3/год определяется как
Wпов = SKACDFK • F (1.5)
то есть произведение выделенной площади SKACDFK, см2 на F, м3 –площадь 1 см2 в масштабе построения гидрографа.
Например, в рассматриваемом примере вертикальный масштаб – 1см = 100м3/с, горизонтальный – 1 см = 10 дней, следовательно:
F = 100м3/с • 864 000 с = 86 400 000 м3
3.3. Объем подземного стока Wподз,м3/год можно определить аналогично, по размерам суммы SА'АКК'А' (I) и SFDD'F'F (II) в см2, или вычесть величину поверхностного стока из общего стока за год:
Wподз = W – Wпов (1.6)
Определение доли подземного стока в общем стоке реки находится по формуле: Рподз = Wподз / W• 100% (1.7)
3.4. При наличии паводков на гидрографе выделяется также Wд –дождевое питание (см. рис. 3), объем которого в м3 можно найти как произведение его площади в см2 на F (аналогично формуле 1.5). В этом случае на гидрографе отдельно определяется снеговое питание Wсн периода половодья, которое можно также рассчитать:
Wсн = Wпов – Wд (1.8)
1.4.2. Метод К.П. Воскресенского
Метод К. П. Воскресенского рассмотрен в [6] на примере расхода р. Дон у г. Калача и графика колебания уровня грунтовых вод у с. Каменная Степь (рис. 1.5). Площадь водосбора F = 220000 км2. Метод основан на следующем. Наблюдения показали, что колебание подземного стока из горизонтов, не связанных с рекой, близко к колебанию поверхностного стока, причем наблюдается запаздывание фазы максимального уровня подземного стока по сравнению с поверхностным за счет разности во времени добегания. Подземный сток в реку пропорционален запасам подземных вод в бассейне. В период весеннего половодья и дождевых паводков подземный сток постепенно увеличивается, достигая максимума в момент окончания половодья и дождевого паводка. В данном примере максимум подземного стока соответствует дате максимума уровня подземных вод (на рис. 1.5 точка а' – 8 июня). Дата 8 июня на гидрографе в точке а' совпадает с датой окончания спада. Считая, что увеличение подземного стока в период снегового половодья происходит постепенно, пропорционально инфильтрационной способности почвы и продолжительности снеготаяния, линия среза на гидрографе проводится по прямой от точки с, соответствующей предпаводочному расходу 25 марта, к точке а'.
Рис. 1.5. Схема выделения поверхностного стока на гидрографе
А – гидрограф Q = f(t) р. Дон (г. Калач);
В – колебания уровня грунтовых вод Q = H(t) с. Каменная степь
Общий объем годового стока определяется планиметрированием всей площади гидрографа. Заданные объемы стока, выделенные на гидрографе, определяются планиметрированием (данные не приводятся) соответствующих частей гидрографа:
а) объем годового поверхностного стока W = 21 435 • 106 м3;
б) объем поверхностного стока Wпов = 15 000 • 106 м3;
в) объем подземного стока (считая, что дождевые паводки отсутствуют) вычисляется по заштрихованной площади гидрографа:
Wподз = W – Wпов = 21435•106 – 15 000•106 = 6435•106 м3.
Подземный сток составляет примерно 30 % общего годового стока.
1.4.3. Некоторые другие методы
Расчленение гидрографа на подземную и поверхностную составляющие Для выделения подземной составляющей на графике проводится 2 ломаные по точкам, соответствующим минимальным расходам воды в зимний и летне-осенний периоды года (участок, соответствующий весеннему половодью, не заполняется). Последующие действия зависят от принятой схемы взаимодействия подземных и речных вод. При этом следует помнить, что для средних и крупных рек, как правило, характерна весьма сложная связь. В этом случае возможно применение следующей [7] методики, основанной на методе Б.И. Куделина:
а) участки ломаных, соответствующие окончанию зимней межени и весеннего половодья продлеваются на величину времени добегания от истоков до замыкающего створа с учетом масштаба. Граничные точки соединяются отрезком (рис. 1.6);
б) на графике выделяется несколько трапеций, соответствующих проведенной ломаной, после чего определяется площадь отдельных трапеций Si и суммарная площадь Sобщ в см2 (мм2) и переводится в масштаб гидрографа (см. формулу 1.5 раздела 1.4.1).
Рис.1.6. Гидрограф р.Томи у г.Томска за 1970 г.
- - - - подземный сток, м3/с
Кроме того, величина подземного стока может определяться как сумма среднемесячных значений подземного водного стока Qподз которые с декабря по март принимаются равными среднемесячному водному стоку рек, а в прочие месяцы - вычисляются линейной интерполяцией по формуле:
(1.9)
где Омарт Qдекабрь – среднемесячные значения водного стока рек в марте и декабре, соответственно; i – номер рассматриваемого календарного месяца [8].
Существуют также метод В.В. Дрозда, который основан на определении подземной составляющей по гидрохимическим данным; метод П.П. Воронкова, который учитывает химический состав вод и применяется для малых водосборов при береговом регулировании и условии полной гидравлической связи подземных и русловых вод.
П.П. Воронков выделяет следующие генетические категории вод:
· поверхностно-склоновые, стекающие в русловую сеть по поверхности почвенного слоя
· почвенно-поверхностные, стекающие по первичной русловой сети, формирующие свой состав на поверхности и частично внутри верхнего почвенного слоя
· грунтовые, формирующие свой химический состав в процессе инфильтрации дождевых и талых вод
Более подробно с данными методами можно ознакомиться в [6].
1.5. Классификация рек по видам питания и водному режиму
У каждой реки доля отдельных видов питания может быть различной. Определение в каждом конкретном случае вклада различных видов питания в речной сток – задача исключительно сложная. Наиболее точно ее можно решить либо с применением «меченых атомов», т. е. путем радиоактивной «маркировки» вод различного происхождения, либо путем анализа изотопного состава природных вод. Более простой, но приближенный способ выделения различных видов питания – это графическое расчленение гидрографа.