Гидрология

Оглавление

 

1. Общие вопросы

1.1 Описать водные ресурсы Земли 

1.2 Описать взаимодействия потока, русла и транспортных сооружений

1.3 Назвать основные гидрологические характеристики водных потоков и методы их определения

1.4 Описать движения наносов и русловые процессы

1.5 Описать методы инженерных гидрометрических изысканий на водотоках

2. Вопросы по варианту (Вариант № 9)

3. Задачи по варианту (Вариант № 1)

Литература 

Приложение № 1 20

 

 

Общие вопросы

вода поток русло расчет

Описать водные ресурсы Земли

 

Водными ресурсами Земли называют воды, пригодные для практического использования. К ним относятся почти все воды земного шара - речные, воды озёр, морские, подземные, почвенная влага, лёд горных ледников и полярных «шапок», а также водяные пары атмосферы - исключение составляют только воды, физически или химически связанные с минералами или биомассой.

Однако с точки зрения водообеспечения к водным ресурсам следует относить лишь те природные воды, которые могут быть использованы на данном уровне развития техники при конкретном состоянии водного источника. Самыми ценными для хозяйства и потребностей человека являются пресные воды суши.

На практике водными ресурсами называют запасы поверхностных и подземных вод какой-либо территории.

Водные ресурсы распределены по поверхности Земли весьма неравномерно - так, наибольшим количеством пресной воды располагают Южная Америка и Австралия; при этом густонаселённые и имеющие значительный потенциал развития страны Азии испытывают всё более острый дефицит пресной и, особенно, пригодной для питья воды. Запасы пресной воды на Земле оцениваются в 35 млн. км³ , что составляет не более 2,5 % от общих запасов воды на Земле; при этом пресные воды рек, наиболее широко используемые в деятельности человека, составляют лишь 0,006 % от всех запасов воды.

Для удовлетворения хозяйственных нужд человека издревле используются различные приёмы искусственного регулирования речного стока - такие, как строительство плотин и создание водохранилищ; постройка искусственных водоёмов (прудов и озёр), наполняемых в период половодья и весеннего таяния снега и т.д. Однако зачастую это связано с различными негативными явлениями - затопление и вывод из хозяйственной деятельности значительных территорий, ухудшение качества воды, засорение и заболачивание берегов водохранилищ и малых рек, загрязнение рек и гибель значительной части водной фауны.

Общая полная емкость эксплуатируемых водохранилищ мира примерно 5000 км³ (полезный объем 2000 км³). Это приблизительно равно 11% объема годового стока с поверхности суши. Объем (емкость) воды в водохранилище, заключенный между минимальным и максимальным уровнями воды во время обычных эксплуатационных условий, называется полезным объемом.

На втором месте по интенсивности использования находятся грунтовые воды и на третьем - воды озер, содержащих более 0,25% водных запасов Земли. Основной объём воды (1338 км³, или 96,5 %) содержится в Мировом океане, занимающем более 71% площади земного шара, но это соленая и непригодная для большинства хозяйственных и технологических процессов вода. Для её использования её следует опреснить.

Для изучения водных ресурсов отдельных государств и общемировых водных ресурсов, упорядочения сведений о них и предупреждения их нерационального использования создан и регулярно обновляется свод данных учёта вод по количественным и качественным показателям - так называемый водный кадастр; для использования в науке, строительстве, прочих видах хозяйственной деятельности издаются каталоги водных ресурсов, методические и нормативные издания.

 

1.2 Описать взаимодействие потока, русла и транспортных сооружений

 

Совокупность процессов взаимодействия между водным потоком и руслом называют русловым процессом. В каждый момент времени скорость и направление потока воды определяется формой русла; в условиях размываемого русла (если скорости выше размывающих) происходит изменение формы, углубление русла - сечение потока растёт, а скорость падает. В случае, если скорости ниже размывающих, происходит отложение наносов, обмеление русла и рост скорости.

В естественных условиях русловой процесс зависит от расхода воды и его изменения во времени, расхода и крупности наносов, определяется рельефом, структурой и расположением геологических пластов, наличием растительности. Под влиянием хозяйственно деятельности человека русловые процессы меняются - как правило, при постройке транспортных или гидротехнических сооружений живое сечение реки сужается, изменяются глубины на отдельных участках створа, также изменяется шероховатость берегов. В результате этих изменений происходят деформации русла.

При стеснении потока под мостами интенсивность руслового процесса и развитие деформаций зависти от степени такого стеснения. Самыми опасными деформациями следует признать местные размывы у опор моста и регуляционных сооружений, нарушающие их устойчивость. Для предупреждения развития нежелательных деформаций следует изучить естественные русловые процессы реки и предусмотреть минимально возможное стеснение потока и смещение сложившегося русла при строительстве. Это и является основной задачей гидрологических исследований.

При проектировании мостов их отверстия следует назначать, как правило, не меньше ширины русла под мостом, и учитывать возможность смещения русла в пределах отверстия моста и приближение его к устоям. Глубина заложения фундаментов опор должна рассчитываться из максимальных значений бытовой глубины у опоры; а при неблагоприятных условиях следует назначать большей, чем требуется только по условиям размыва.

Для расчёта максимальных глубин местного размыва разработан ряд методик, изложенных в нормативной литературе. Часто для удешевления и убыстрения строительства требуется уменьшить требуемую глубину заложения фундаментов - в этом случае проектируют различные регуляционные сооружения, снижающие интенсивность руслового процесса, а также иногда придают опорам специфические обтекаемые очертания. Метод борьбы с нежелательными деформациями русла выбирается исходя из характеристик слагающих русло грунтов и потока воды. При этом следует учитывать, что ниже моста по течению реки будет образовываться намыв из грунта, выносимого из стеснённого мостом участка русла. Такой намыв вызывает обмеление русла, может угрожать судоходству и негативно воздействовать на экосистему реки.

 

1.3 Назвать основные гидрологические характеристики водных потоков и методы их определения

 

Основными гидрологическими характеристиками водных потоков являются: скорости течения, уклоны; расходы воды, зависимости уровней от расходов; площадь, глубина и ширина русла и поймы в зависимости от уровней воды; а также траектории струй, льдин, судов и караванов.

Методы определения характеристик потоков различны в зависимости от того, какая характеристика определяется. Так, уровни и уклоны определяют прямым или дистанционным наблюдением на водомерных постах, скорости течения - специальными приборами (вертушками) или поплавками различной конструкции, траектории движения потока - также наблюдением за поплавками, льдинами или другими плывущими в потоке предметами. Наблюдение может вестись с помощью геодезических приборов.

Глубины потока находят погружением лотов в воду в различных точках русла, или с использованием акустической аппаратуры (эхолотов). Прочие геометрические характеристики получают прямым измерением с помощью геодезического инструмента.

Для определения расхода используют аналитический или графический методы, определив предварительно скорости и глубины на вертикалях в расчетном створе. Скорость течения воды измеряют вертушками со штанги, если глубина менее 3 м или при помощи троса с грузом.

 

1.4 Описать движения наносов и русловые процессы

 

Речными наносами называют твердые минеральные частицы вне зависимости от размера, переносимые потоком воды и образующие при определённых условиях отложения. Интенсивность образования, переноса и отложения наносов зависит от энергии текущей воды и характера слагающих русло пород. При этом чаще всего размыв наблюдается в верхнем течении рек, а отложение (аккумуляция) - в нижнем течении.

Наносы можно разделить по характеру их перемещения и отложения на донные и взвешенные. Донные наносы - это наиболее крупные частицы, которые перемещаются без отрыва от дна (влекомые) или с отрывом на короткое время (полувзвешенные). Такие наносы являются рельефообразующими и в значительной степени формируют русло потока.

Взвешенные наносы - совокупность наиболее мелких частиц грунта, долгое время находящихся во взвешенном состоянии и перемещающихся со скоростью, близкой к скорости течения. Наибольшая концентрация этих частиц наблюдается в придонном слое. Степень насыщения воды частицами наносов определяется мутностью воды, кг/м³ (концентрацией). Этот показатель зависит от энергии потока и значительно изменяется как по длине реки, так и по ширине и по вертикали.

Зная распределение мутности воды и скорости потока в каком-либо створе, можно определить расход наносов, то есть количество наносов, переносимое потоков в единицу времени; а также транспортирующую способность потока - количество переносимых наносов определённого зернового состава без деформаций дна. Таким образом, транспортирующая способность потока равна максимальному расходу наносов, при котором их осаждение и взвешивание уравновешены, а средняя мутность потока постоянна.

При сравнительно крупных размерах частиц и значительной скорости потока начинается массовое перемещение наносов по дну, при этом образуются так называемые микроформы - несимметричные образования, похожие на рябь на поверхности воды. Они могут быть с короткими криволинейными гребнями (рифели) или с длинными прямыми (плоские гряды). Их образование обусловлено появлением вихревых зон в потоке за случайными неровностями дна, которые вызывают разрежение и появление подъемной силы на поверхности дна. Частицы грунта дна поднимаются и образуют микрогребень, что вызывает дальнейший рост подъёмной силы и развитие неровности, некоторые взвешенные частицы переносятся ниже первичного рифеля и образуют новую неровность. Процесс можно отчётливо наблюдать на песчаной отмели при небольших скоростях течения. При увеличении скорости размеры рифелей растут, вихревые зоны увеличиваются и начинается массовое взвешивание частиц, что приводит к образованию плоских гряд.

При интенсивном развитии гряд образуются мезоформы - неровности, по размерам сравнимые с размерами русла и могущие занимать как его часть, так и всё русло целиком. При падении уровня воды такие отложения могут образовывать полузатопленные или затопленные острова (осерёдки), мели, косы-побочни и т.д. При больших расходах и скоростях течения длины гряд могут достигать порядка ширины русла, а расстояния между ними - нескольких километров.

При бурном потоке со значительной турбулентностью могут формироваться крупные симметричные синусоидальные структуры, находящиеся в фазе с волнами на поверхности потока. При этом частицы с «подветренного» склона вышележащей гряды переносятся на «наветренный» склон нижележащей, и гребни гряд «ползут» вверх по течению. Такие формы называют антидюнами.

Совокупность всех процессов взаимодействия потока и русла называют русловым процессом. В это понятие входит образование и переформирование русла, движение наносов с образованием зон размывов и аккумуляции, смещение русла под действием потока и изменение характеристик потока под действием русла. При любых видах строительства на реках следует тщательно изучить русловой процесс в естественных условиях чтобы избежать нежелательных последствий строительства и предусмотреть мероприятия по их снижению в проектных решениях.

С помощью разработанной в первой половине ХХ века гидроморфологической теории русловых процессов все эти процессы были разделены на несколько типов, и рассмотрена взаимосвязь между ними, а также последствия, к которым приводит то или иное развитие процесса. Для практического применения выведена методика расчёта русловых деформаций, которые будут наблюдаться при том или ином изменении руслоформирующих факторов или режима течения.

 

1.5 Описать методы инженерных гидрометрических изысканий на водотоках

 

Гидрометрические инженерные изыскания на водотоках выполняются с целью определения основных гидравлических параметров - скоростей течения, уклонов, шероховатостей, зависимости уровней воды от расходов; площадей, глубин и ширин русла и пойм в зависимости от уровней воды; траекторий движения льдин, струй, судов и караванов. Эти сведения представляют практическую ценность при проектировании переправ через водотоки, организации водного транспорта, проектировании гидротехнических сооружений, планировании водоснабжения и проч. Обычно гидрометрические наблюдения на водотоках и водоёмах совмещают с метеорологическими наблюдениями.

В состав экспедиционных гидрометрических работ входят наблюдения за колебаниями уровней воды, выбор и подготовка гидрометрического створа, измерение уклонов водной поверхности, глубин, скоростей и расходов; наблюдения за направлением движения струй потока и предметов, находящихся в воде. В зависимости от того, какие данные необходимо получить, могут использоваться различные методы изысканий и наблюдений.

Широко распространён такой метод, как измерение уровней. Оборудованное для этих работ место называют водомерным постом. В связи с большой продолжительностью исследований условную плоскость, от которой начинают отсчёт, располагают ниже возможного наинизшего уровня воды, чтобы отсчёты всегда были положительными. Эта плоскость называется нулём графика водомерного поста. Отсчёт снимают дважды в сутки на реках и четырежды в сутки - на морях (в периоды паводков и половодий, а также сгонных и нагонных явлений на море - чаще).