Учение о гидросфере

Учение о гидросфере

Пособие к практическим занятиям

Новгород 2012

Министерство образования и науки РФ

Государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования

«Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого»

Институт сельского хозяйства и природных ресурсов НовГУ

Учение о гидросфере

Пособие к практическим занятиям

Новгород 2012

Печатается по решению РИС НовГУ

Рецензент кандидат географических наук, доцент Лисицин К.С.

Гидрология: Пособие к практическим занятиям. / Автор-сост. Ю.В.Новицкий; НовГУ им. Ярослава Мудрого. –В. Новгород, 2012- 49 с.

Издание второе

Приведены основные определения и методические рекомендации, примеры решений и задания для практических работ по дисциплине «Учение о гидросфере».

Пособие предназначено для студентов специальности 013100 - Экология.

С Новгородский государственный

университет, 2012.

С Ю. В. Новицкий, текст,

составление, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

1. ВОДЯНОЙ ПАР В АТМОСФЕРЕ....................................................... 5

1.1. Основные понятия..................................................................... 5

1.2. Примеры решений..................................................................... 6

1.3. Задание....................................................................................... 7

2. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОДЫ................................................................. 7

2.1. Основные понятия..................................................................... 7

2.1.1. Параметры поверхностного стока......................................... 7

2.2. Пример расчета характеристик стока..................................... 10

2.3. Задание для самостоятельной работы...................................... 12

3. МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ БАССЕЙНА РЕКИ...................................... 12

3.1. Основные понятия и определения............................................ 12

3.2. Задание....................................................................................... 15

3.3. Пример выполнения задания.................................................... 15

4. РАСЧЕТ СТОКА ВЗВЕШЕННЫХ И ДОННЫХ НАНОСОВ............ 17

4.1. Общие сведения......................................................................... 17

4.2. Сток взвешенных наносов......................................................... 18

4.2.1. Задача - пример...................................................................... 18

4.2.2. Задание.................................................................................... 19

4.3. Сток влекомых (донных) наносов............................................ 19

5. РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ЗАИЛЕНИЯ ВОДОХРАНИЛИЩ................... 20

5.1. Общие сведения......................................................................... 20

5.2. Пример....................................................................................... 21

6. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ........................................................................... 22

6.1. Основные определения............................................................. 22

6.1.1. Грунтовые воды..................................................................... 22

6.1.2. Артезианские воды................................................................. 23

6.1.3. Водоупоры............................................................................. 23

6.2. Методические указания к построению карт гидроизогипс..... 24

6.3.Пример построения карты гидроизогипс ……………………….27

6.4.Задания для самостоятельной работы..................................... 29

7.Динамика подземных вод ……………………………………..35

7.1.Основные определения……………………………………………35

7.2 Движение грунтовой воды при наклонных водоупорах………..36

7.3. Движение воды в междуречном массиве пород………………….37

7.4. Определение притока безнапорной грунтовой воды в совершенную скважину ……………………………………………………………………… 38

7.5.Определение притока напорной грунтовой воды в совершенную скважину ………………………………………………………………………40

7.6 Определение притока грунтовой воды к совершенной канаве 41

8. ВЗАИМОСВЯЗЬ ПОВЕРХНОСТНЫХ И ПОДЗЕМНЫХ ВОД……….46

8.1. Анализ карт гидроизогипс........................................................ 46

8.2. Задания для самостоятельной работы.....................................

9. Гидрогеологические процессы и явления………………49

10. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВОДЫ…………………………… ……47

10.1. Основные понятия................................................................... 47

10.2. Обработка химических анализов воды.................................. 48

10.3. Выражение химического состава воды в виде формул......... 54

10.4. Оценка качества воды для питьевого водоснабжения….56

10.5. Задание на самостоятельную работу...................................... 57

11.Теплофизические параметры вод……………………….58

11.1 Основные понятия……………………………………………58

11.2 Изменение запасов тепла в непрочном водоеме……………60

11.3.Определение температуры воды в непроточном водоеме..61

11.4.Определение продолжительности охлаждения водоема….62

11.5.Поступление тепла за счет механической энергии движения…63

11.6.Определение тепла таяния ледового покрова ………………..64

11.7.Определение поступление тепла в реку без притоков…65

11.8.Расчет притока и стока тепла на участке реки без притоков..66

ЛИТЕРАТУРА...........................................................................................

Приложения…………………………………………………………………72

Тема 1. ВОДЯНОЙ ПАР В АТМОСФЕРЕ

1.1. Основные понятия

Водяной пар, находящийся в атмосфере, определяет влажность воздуха, для характеристики которой используют абсолютную, относительную влажность и дефицит влажности.

Абсолютная влажность е - количество (в граммах) водяного пара в 1 м³ воздуха, которое может быть выражено также его упругостью.

Упругость пара выражается в паскалях. Паскаль - единица давления и механического напряжения, давление, вызываемое силой 1Н, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 м².

Относительная влажность воздуха r - отношение упругости пара е, содержащегося в воздухе, к упругости насыщенного пара при данной температуре Е, выраженное в процентах:

r . (1.1)

Максимальная упругость пара при различных значениях температуры имеет значения:

Дефицит влажности (недостаток насыщения) d выражает разность между упругостью водяных паров Е, необходимых для полного насыщения воздуха при данных условиях, и фактической упругостью паров е, находящихся в воздухе в данный момент:

d = Е - е. (1.2)

Водяной пар при охлаждении конденсируется, превращается в атмосферные осадки, которые играют основную роль в питании подземных вод. При определении роли атмосферных осадков в питании подземных вод учитывают не только количество осадков, но и время, продолжительность их выпадания, вид и интенсивность. Количество выпавших атмосферных осадков определяют дождемером. Осадки, попавшие в дождемерное ведро в течение суток, переливают в дождемерный стакан, каждое деление которого соответствует 5 см³, или слою воды высотой 0,1 мм (при сечении дождемера 500 см²).

Влажность воздуха определяют психрометрами, гигрометрами и гигрографами. Психрометр состоит из двух термометров с делением через 0,2^о. Шарик одного из термометров обернут батистом, конец которого опущен в сосуд с дистиллированной водой. Вода, испаряясь с батиста, поглощает тепло окружающего воздуха, вследствие чего шарик охлаждается и “смоченный” термометр показывает более низкую температуру, чем “сухой”. По показаниям температур сухого и смоченного термометров с помощью таблицы (приложение к психрометру) определяют абсолютную и относительную влажность (в %). Гигрограф служит для автоматической записи изменения влажности в течение суток.

Испарение - это величина фактического испарения влаги с земной поверхности в данном районе, зависящая помимо метеорологических факторов от характера и структуры почвы, рельефа местности, степени влажности пород, характера растительного покрова и глубины залегания подземных вод. Наблюдения за испарением с поверхности почвы проводят на специально оборудованных площадках, где устанавливают испарители или лизиметры.

Испаритель ГГИ-500 состоит из двух цилиндров и сосуда для просачивающейся воды. Во внутренний цилиндр с сетчатым дном помещают монолит почвы. Цилиндр с монолитом опускают в наружный цилиндр до сосуда для сбора просачивающейся воды. Для большей точности наблюдений в комплект входят два испарителя и почвенный дождемер. Внутренние цилиндры ежедневно взвешиваются. Испарение находят по разности между количеством осадков и размером инфильтрации.

1.2. Примеры решений

Пример 1. Температура сухого термометра психрометра 21,7^оС, смоченного 14,7^оС. Определим влажность воздуха.

Разность показаний термометров 21,7 -14,7 = 7,0^оС. Определяем влажность по психрометрической таблице, в которой в первом столбце по вертикали находим показание влажного термометра 15^о (» 14,7), а напротив значения разности показаний термометров, равной 7,0^о, относительную влажность, равную 43%. По формуле (1.1) определяем абсолютную влажность:

е Па,

где Е = 2333,1.

Пример 2. Показания гигрометра 70% (относительная влажность), температура воздуха 20^оС. Определим абсолютную влажность е, максимальную упругость пара Е и дефицит влажности d.

Максимальная упругость пара Е при температуре 20^оС составляет 2333,1 Па, абсолютная влажность по формуле (1.1):

е = 0,7 ^. 2333,1 = 1633,2 Па.

Дефицит влажности по формуле (1.2):

d = 2333,1 - 1633,2 = 699,9 Па.

1.3. Задание

Определить абсолютную влажность воздуха, максимальную упругость пара и дефицит влажности.

Таблица 1.1

Тема 2. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОДЫ

2.1. Основные понятия

2.1.1. Параметры поверхностного стока

Круговорот воды в природе - непрерывный процесс циркуляции воды на земном шаре, обусловленный солнечной энергией и действием силы тяжести. Вода, испаряясь с поверхности Мирового океана в виде пара, переносится с воздушными течениями над поверхностью Земли, при определенных условиях сгущается (конденсируется) и выпадает в виде гидрометеоров (дождя, снега и др.). Выпавшие осадки стекают в океан как в виде поверхностного, так и подземного стока. Благодаря круговороту воды атмосфера, гидросфера и литосфера тесно связаны между собой. Количественно круговорот воды выражается уравнением водного баланса, для решения которого необходимы сведения об осадках, испарении, стоке, инфильтрации и другие метеорологические данные.

В уравнении водного баланса Куделина Б. И.

Х_о = Y_о + Z_о+ W_о, (2.1)

где Х_о - осадки на площади водосбора, мм; Y_о - речной сток, мм;

Z_о - испарение за вычетом конденсации, мм;

W_о - среднемноголетняя величина питания глубоких водоносных горизонтов за счет атмосферных осадков или поступление подземных вод из глубоких горизонтов на поверхность в пределах речного бассейна, мм.

Атмосферные осадки расходуются на поверхностный сток, испарение и инфильтрацию (просачивание) в горные породы. Поверхностный и подземный стоки, питающие реки, составляют общий (речной) сток, который определяется для бассейна реки.

Бассейном реки называется площадь на поверхности земли, с которой данная река получает водное питание. Площадь поверхностного стока определяется по топографической карте, площадь подземного стока - по карте гидроизогипс с учетом гидрогеологических условий. Величина стока определяется на базе данных о расходе реки.

1. Расход реки - это объем воды (м³), протекающей через поперечное сечение реки площадью S (м²) в ед. времени (с):

Q = V_ср. ^.S,

где V_cр - скорость течения;

S - поперечное сечение.

2. Модуль стока М л/(с^. км²) - количество воды, стекающее в единицу времени с 1 км² водосборной площади, - определяется по формуле:

M , (2.2)

где Q - средний годовой расход реки , м³/с;

F - водосборная площадь бассейна, км²;

10³ - коэффициент перевода 1 м³ в литры.

3. Подземное питание Q_под(м³/с на 1 км) определяется по формуле:

, (2.3)

где Q₁ - расход реки в верхнем створе, м³/с;

Q₂ - расход реки в нижнем створе, м³/с;

L - расстояние между створами, км.

4. Объем годового стока W - количество воды, стекающее с бассейна за год (м³/год):

W = Q ×T, (2.4)

где Q - средний годовой расход реки, л/с;

Т = 86 400 х 365 = 31,5 х 10⁶ - число секунд в году.

Объем годового стока (м³/год) можно выразить через модуль стока:

. (2.5)

5. Слой стока Y за год (мм/год) вычисляется по формуле:

. (2.6)

Между слоем и объемом стока существует зависимость:

или Y= 31,5 M. (2.7)

6. Коэффициент стока h определяется отношением:

h , (2.8)

где Y - высота слоя за какой-то период, мм;

Х - количество осадков за тот же период, мм.

Вышеуказанные параметры можно определять как для поверхностного, так и для подземного стока. Соотношение между стоками выражается формулой:

, (2.9)

где К_п - модульный коэффициент,%;

М_п - модуль подземного стока, л/(с^. км²);

М - модуль поверхностного стока, л(с ^. км²).

7. Годовая инфильтрация атмосферных осадков численно равна высоте слоя (мм) подземного стока Y_п и определяется по формулам:

Y_п= 31,5 М_п; (2.10)

, (2.11)

где М_п- модуль подземного стока, (л/с ^. км²);

К_п- процентное содержание подземного стока.

8. Коэффициент подземного стока k_под вычисляют по формуле:

k_под . (2.12)

9. Среднемноголетний объем воды (м³/год) от инфильтрации по всей площади подземного водосбора за год вычисляют по формуле:

W= Y ^. F ^. 10³. (2.13)

2.2. Пример расчета характеристик стока

(по Гавич И. К. и др., 1964)

Площадь бассейна р. Дон F = 221 600 км². Средний многолетний расход за 50 лет Q_c = 694 м³/с. Осадки за год Х = 510 мм. На левобережном притоке р. Дон расход воды в нижнем створе Q₂ = 29,5 м³/с, в верхнем створе на расстоянии L = 15 км Q₁ = 22,3 м³/с.

Площадь подземного питания по карте гидроизогипс F_п = 9000 км².

Вычислить основные характеристики поверхностного и подземного стока р. Дон у г. Калача.

Решение: А. Поверхностный сток.

1. Модуль стока по формуле (2.2):

л/(с ^. км²).

2. Объем стока за год по формуле (1.6):

W = Q T = 694 ^. 31,5 ^. 10⁶ = 21 861 ^. 10⁶ м³/год.

Объем стока можем определить через модуль по формуле (2.5):

W = M ^. F ^. 31,5 ^. 10³ = 3,13 ^. 221 600 ^. 31,5 ^. 10³ = 21 849 ^. 10⁶ м³/год.

Модуль стока вычислим по формуле (2.5):

л/(с ^. км²).

3. Слой стока по формуле (2.6) равен:

мм.

Слой стока по формуле (2.7) равен:

Y = 31,5 ^. 3,13 = 99 мм.

Вычислим модуль и объем стока через слой по формуле (2.7):

М = 0,0317 ^. Y = 0,0317 ^. 99 = 3,14 л/(с ^. км²);

W= Y F ^. 10³ = 99 ^. 221 600 ^. 10³ = 21 938 ^. 10⁶ м³/год.

4. Коэффициент стока вычислим по формуле (2.8):

h .

Б. Подземный сток.

1. Подземное питание на 1 км протяжения реки по формуле (2.3):

м³/(с^.км²).

2. Модуль подземного стока по формуле (2.2) равен:

л/(с^.км²).

3. Процентное содержание подземного стока от общего годового поверхностного стока (модульный коэффициент подземного стока вычислим по формуле (2.9):

.

4. Слой подземного стока или годовую инфильтрацию (мм) вычисляем по формуле (2.10):

Y_n= 31,5 ^.М_n= 31,5 ^. 0,80= 25,2 мм.

5. Коэффициент подземного стока К_под определим по формуле (2.12):

.

6. Среднее многолетнее значение инфильтрации для всей площади бассейна по формуле (2.13) равно:

W_ин= 25 ^. 9000 ^.10³=225 ^.10⁶ м³/год.

7. Испарение и транспирацию растениями (суммарно) за многолетний период вычисляем по уравнению (2.1):

Z₀= X₀ - Y₀= 510 - 99 = 411 мм (при W₀ = 0).

2.3. Задание для самостоятельной работы

Провести расчет параметров поверхностного и подземного стоков одной из рек Новгородской области. Необходимые исходные данные брать в литературных источниках и по атласу Новгородской области.

Тема 3. МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БАССЕЙНА РЕКИ

3.1. Основные понятия и определения

Морфологические характеристики бассейнов рек определяются по топографическим картам, на которых выделены водосборные площади реки. К основным морфологическим характеристикам речного бассейна относят: площадь, длину, наибольшую и среднюю ширину, коэффициент асимметрии. К физико-географическим характеристикам относят: географическое положение, климатические условия, геологическое строение, рельеф бассейна, растительный покров, озерность и заболоченность бассейна.

3.1.1. Бассейн - часть земной поверхности, включая толщину почв-грунтов, откуда происходит сток вод в отдельную реку или речную систему. Площадь каждого речного бассейна ограничена водоразделом. Бассейн реки состоит из бассейнов отдельных притоков.

3.1.2. Площадь бассейна - F км². Для определения площади бассейна реки применяют ряд методов:

1. Измерение планиметром по контуру бассейна.

2. Определение с помощью геодезических таблиц. На площади бассейна проводят меридианы и параллели через доли градуса, которые выделяют мелкие трапеции; их площадь может быть вычислена с помощью таблиц Галанина И. В..

Части площади бассейна, которые не входят в целые трапеции, определяются планиметрированием по формуле:

,

где m - число делений планиметра, соответствующее целой трапеции,

m₁- число делений планиметра, соответствующее части трапеции f₁,

Р - площадь трапеции для данной широтной зоны, взятая из таблицы Галанина.

3. Измерение палеткой. Палетка - вспомогательная квадратная сетка (ячейки 2 мм) на кальке. Палетка накладывается на контур бассейна и подсчитывается число квадратов.

4. Графический метод. Площадь бассейна разбивается на правильные геометрические фигуры, сумма площадей которых дает площадь бассейна.

3.1.3. Длина площади бассейна L км; определяется расстоянием по прямой от устья реки до наиболее удаленной точки бассейна.

3.1.4. Наибольшая ширина бассейна В км; проводится перпендикулярно длине его в наиболее широком месте.

3.1.5. Средняя ширина бассейна В_ср км; определяется путем деления площади бассейна на его длину:

.

3.1.6. Коэффициент асимметрии:

а ,

где F₁ - площадь левой части бассейна, км²;

F₂ - площадь правой части.

3.1.7. Конфигурация речного бассейна оценивается по коэффициенту развития длины водораздельной линии бассейна “ч”:

ч= ,

где S - длина водораздельной линии (км);

F - площадь (км²).

3.1.8. Географическое положение бассейна

Определяется географическими координатами, в пределах которых находится бассейн.

3.1.9. Климатические условия бассейна.

К ним относят: количество атмосферных осадков и характер их выпадения, температуру воздуха, дефицит влажности, испарение.

3.1.10. Геологическое строение бассейна.

Это почвенный покров, строение четвертичных отложений и их устойчивость в отношении размыва.

3.1.11. Рельеф бассейна определяет уклон его поверхности и речной системы.

Средняя высота бассейна вычисляется по формуле:

Н_ср ,

где h₁, h₂, h₃, h_п - средние высоты площадей, заключенных между горизонталями;

f₁, f₂, f₃ .... - площади бассейна, заключенные между горизонталями;

F - общая площадь бассейна.

Средний уклон поверхности бассейна i_ср

i_ср ,

где h - высота сечения рельефа местности горизонталями в метрах;

l₀, l₁, l_п - длина горизонталей в метрах;

F - площадь бассейна в м².

3.1.12. Растительный покров характеризуется степенью залесенности. Коэффициент лесистости К_лес:

К_лес ,

где f_лес - площадь лесов.

3.1.13. Озерность бассейна определяется коэффициентом озерности К_оз:

К_оз ,

где W₀ - площадь всех водоемов.

3.1.14. Заболоченность бассейна определяется:

К_заб ,

где f - площадь болот.

3.2. Задание

Определить морфометрические характеристики одной из рек Новгородской области на основе топографической карты 1:200 000. Изготовить выкопировку карты, нанести водоразделы, определить площади бассейнов главной реки и ее притоков, определить длину, ширину, коэффициент асимметрии бассейна, его географическое положение, уклон, лесистость, озерность, заболоченность.

3.3. Пример выполнения задания

Дана выкопировка бассейна реки из топографической карты масштаба 1: 25 000. Координаты крайних точек бассейна: 55^о00^/10^// и 55^о02^/10^// с. ш. и 42^о00^/20^// и 42^о02^/30^// в. д., F = 5,66 км².

Вычисление среднего уклона бассейна:

i_ср .

Для подсчета составляется вспомогательная таблица:

№ п/п	Отметка го- ризонталей, м	Длина гори- зонталей, км	Полусумма длин гори- зонталей, км	Превышение между гори- зонталями, h км	Произведе- ние
	57,1		-	-	-
		0,95	0,46	0,007	0,0032
		3,52	1,74	0,010	0,0174
		9,12	6,32	0,01	0,0632
		12,08	10,60	0,01	0,106
		4,72	8,4	0,01	0,084
	5,8		2,36	0,006	0,0142

Cумма 0,288

1. Средний уклон бассейна будет равен:

i_ср .

2. Для вычисления средней высоты бассейна

Н_ср .

Для вычисления средней высоты бассейна составляем таблицу:

Cумма 131437000

Подставляя данные таблицы, получим:

Н_ср м.

3. Лесистость бассейна вычисляем:

К .

Замеренная общая площадь, занятая лесом, составляет 0,47км².

К_л .

Аналогичным образом можно подсчитать степень заболоченности бассейна.

Тема 4. РАСЧЕТ СТОКА ВЗВЕШЕННЫХ И ДОННЫХ НАНОСОВ

4.1. Общие сведения

Атмосферные осадки, попадая на земную поверхность, вызывают процессы ее эрозии в виде:

1) смыва, размыва и растворения горных пород;

2) транспортирования продуктов эрозии с повышенных в пониженные области суши;

3) отложение продуктов эрозии по мере продвижения воды.

Продукты эрозии делятся на взвешенные наносы, влекомые, или донные, и на растворенные в воде вещества. Суммарное количество наносов, приносимое рекой за определенный промежуток времени, определяет ее твердый сток, или сток наносов, измеряемый в тоннах. Сток наносов может быть выражен в виде среднего расхода наносов за месяц, год или многолетний период (норма стока наносов). В некоторых случаях вычисляется модуль стока наносов, который выражается в тоннах с 1 км² в виде расходов наносов с единицы площади бассейна. Сток растворенных веществ зависит от минерального состава почв и подстилающих пород, обуславливающих минерализацию речных вод, которая выражается в мг/л.

4.2. Сток взвешенных наносов

Количество наносов, содержащихся в единице объема воды, определяет ее мутность, которую выражают в г/м³.

Установление нормы стока взвешенных наносов производится раличными способами в зависимости от степени изученности реки в отношении стока наносов. В практике гидрологических расчетов чаще приходится иметь дело с короткими рядами наблюдений по стоку взвешенных наносов. Для вычисления нормы стока в этом случае пользуются построением графической связи между средними годовыми расходами воды Q и наносов R₁, имеющей для больших рек вид прямой линии, при этом считают, что годовая величина взвешенных наносов прямо пропорциональна годовому стоку воды:

; (4.1)

, (4.2)

где R₁ - сток наносов за годы наблюдения;

Q₁ - сток воды за годы наблюдения;

Q₀ - норма годового стока воды;

R₀ - норма годового стока наносов.

4.2.1. Задача - пример

Требуется определить норму стока взвешенных наносов R₀ р. Синюха у д. Броды, для которой в результате наблюдений подсчитан среднегодовой расход взвешенных наносов R_i= 24,8 кг/сек. и средний годовой расход воды Q_i = 53 м³/с. Норма стока воды для этого пункта составляет Q₀=34,0 м³/с. Подставляя в формулу (4.2) известные значения, получаем:

кг/с. (4.3)

Средняя мутность определяется из формулы:

г/м³. (4.4)

При отсутствии наблюдений над стоком взвешенных наносов норму стока можно приближенно определить по карте распределения средней мутности рек территории России. Учитывая то, что мутность рек определяется в значительной мере местными факторами, не имеющими плавного распределения по территории, картирование мутности рек производится выделением отдельных зон мутности. Для территории России Шамовым Г. И. выделяется семь зон мутности от 50 до 4000 г/м³. Северо-Западная часть России, в том числе Новгородская область, относится к 1-ой зоне с мутностью менее 50 г/м³.

Для неизученной реки определение среднего годового расхода взвешенных наносов производится по формуле:

, (4.5)

где R₀ - норма взвешенных наносов, кг/с;

r - средняя мутность определяется по карте;

Q₀ - средний многолетний расход воды (норма стока воды).

4.2.2. Задание

Провести расчет стока взвешенных наносов для одной из рек Новгородской области по данным о расходе взвешенных наносов, а также по картам мутности.

4.3. Сток влекомых (донных) наносов

Количество и крупность влекомых наносов определяются гидравлическими условиями режима рек и зависят от физико-географических характеристик бассейна. При расчетах твердого стока величину среднего стока влекомых наносов принимают в первом приближении в долях от величины среднего стока взвешенных наносов

S₀ = k R₀ , (4.6)

где S₀ - средняя многолетняя величина стока влекомых наносов в кг/с,

R₀ - средняя многолетняя величина стока взвешенных наносов в кг/с и коэффициент к=0,05-0,1 для равнинных рек.

Более точной является формула Шамова Г. И.:

, (4.7)

где q - расход наносов в кг/с на 1 м ширины потока, кг/с;

d - средний диаметр частиц наносов в метрах;

D - средний диаметр наибольшей фракции 40-70% общего состава;

Н - средняя глубина;

V - скорость потока;

V_кр - критическая скорость, при которой начинается движение наносов.

Известна также формула Шоклича для расчета расхода наносов, выведенная на основании экспериментальных данных:

, (4.8)

где G_i - расход влекомых наносов кг/сек на ед. ширины;

S - уклон реки;

d - диаметр частиц в мм;

q и q_с - наблюдаемый и критический расход воды м³/сек., значение q_c определяется как м³/сек с 1 м.

Для определения стока наносов по формуле (4.7) необходимо значение V_кр. Согласно закону Эри вес влекомых наносов пропорционален шестой степени скорости течения. Критические скорости потока для перемещения песка V_кр=0,1-0,15 м/с, гравия V_кр=0,15-0,5 м/с, гальки V_кр=0,5-1,6 м/с.

Тема 5. РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ЗАИЛЕНИЯ ВОДОХРАНИЛИЩ

5.1. Общие сведения

Количество и характер отложения наносов в водохранилищах зависят от:

1) количества и крупности переносимых рекой наносов;

2) высоты создаваемого плотиной подпора;

3) проточности водохранилища;

4) устойчивости берегов водохранилища.

На равнинных реках при малом содержании в них наносов заиление водохранилищ происходит медленно и не превышает 10-20% их годового стока. Обычно количество наносов выражается в весовых единицах. Для перехода от веса наносов к объему необходимо определить объемный вес их. Объемный вес илистых отложений - 0,5-0,8 т/м³, песчаных - 1,3-1,6 т/м³ и гравелистых - 1,8-2,0 т/м³.

Среднее годовое количество наносов, поступающих в водохранилище, можно определить по формуле:

, (5.1)

где r_ср - средняя мутность реки (г/м³);

W₀ - средний годовой приток воды W₀= Q_ср^.31,56^.10⁶;

g - объемный вес наносов;

r -величина влекомых (донных) наносов, в среднем r = 0,05 для равнинных рек. Зная объем водохранилища W_в и R₀, можно определить продолжительность заиления водохранилища:

, (5.2)

где n - число лет, W_в - объем водохранилища (м³), R₀ - годовой объем наносов (м³), a - доля мелких фракций, транзитом проходящих через водохранилище, для равнинных рек a=0,3-0,4 общего объема наносов.

5.2. Пример

Требуется определить средний объем наносов и продолжительность заиления водохранилища, если известны: площадь водосбора реки F=250 км², координаты центра водосбора 52^о30^/ c. ш., 34^о45^/ в.д. Средний годовой расход воды Q_ср=0,82 м³/сек, объем водохранилища W_в=115 тыс^.м³.

Решение

По карте мутности, в соответствии с координатами водохранилища, находим среднюю мутность реки - r - от 80 до 180 г/см³. Учитывая рельеф и почвы бассейна, принимаем среднюю мутность r_ср= 100 г/м³. Учитывая, что река равнинная, принимаем долю влекомых донных наносов r = 0,05 и объемный вес наносов g = 0,8.

Годовой приток реки W₀= 0,82^.31,56^.10⁶= 25,9 млн. м³.

Общее количество наносов, поступающее за год в водохранилище:

м³.

Принимаем коэффициент a=0,3 от общего объема наносов и рассчитываем длительность заиления водохранилища:

лет.

Тема 6. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ

6.1. Основные определения

По условиям залегания и связанным с ними гидравлическим признакам подземные воды могут быть разделены на две категории:

1) воды безнапорные (со свободной поверхностью);

2) воды напорные, или восходящие, поднимающиеся с глубины по вскрывающей их скважине или трещине.

В свою очередь, безнапорные воды можно подразделить на два типа: а) грунтовые и б) межпластовые.

6.1.1. Грунтовые воды - подземные воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, залегающего на первом выдержанном водоупорном пласте. Грунтовые воды характеризуются следующими особенностями:

1.Область питания обычно совпадает с областью распространения.

2.Основные источники питания - атмосферные поверхностные и конденсационные воды, а иногда и нижележащие напорные.

3.В большинстве случаев эти воды безнапорные, т. е. поверхность грунтовых вод, сообщающаяся с атмосферой, испытывает только атмосферное давление; она носит название свободной поверхности.

4. Грунтовые воды гидравлически связаны с поверхностными водотоками и водоемами - реками, озерами, заболоченными понижениями.

5. Режим грунтовых вод испытывает непосредственное влияние гидрометеорологических факторов и характеризуется сезонными колебаниями уровня, дебита и химического состава.

При изучении грунтовых вод для водоснабжения, мелиорации, строительства различных сооружений и других целей большое внимание уделяется изучению поверхности грунтовых вод. Форма поверхности грунтовых вод определяется водопроницаемостью пород, условиями питания водоносного горизонта, конфигурацией берегов рек, к которым стекают грунтовые воды, понижением водоупора, мощностью водоносного пласта и т. д. О форме их поверхности можно судить по карте гидроизогипс. Гидроизогипсами называют линии, соединяющие точки с одинаковыми отметками уровней грунтовых вод.

По карте гидроизогипс решаются важные практические задачи: проектирование водоснабжения на базе грунтовых вод, разработка осушительных мероприятий, выбор площадок под промышленные или гражданские сооружения и др.

6.1.2. Артезианские воды - напорные подземные воды, приуроченные к регионально выдержанному пласту - коллектору (водоносному горизонту), залегающему между водоупорными пластами. Артезианские воды залегают в пределах относительно крупных геологических структур (синклиналей, моноклиналей и др.), сложенных преимущественно породами дочетвертичного возраста. Эти структуры, включающие в себя один или несколько напорных водоносных горизонтов и комплексов и обладающие значительными размерами по площади, называются артезианскими бассейнами. В каждом артезианском бассейне выделяют области питания, напора и разгрузки. Особенности залегания артезианских вод отражают карты гидроизопьез.

6.1.3. Водоупоры - породы, не пропускающие через себя воду. К водоупорным породам относят глины, суглинки, магматические горные породы. Кровля водоупора - верхняя граница пласта водоупорных пород.

Карты гидроизогипс - карты, отображающие рельеф поверхности грунтовых вод. По построению карты гидроизогипс аналогичны топографическим картам, а сами гидроизогипсы - горизонталям рельефа и представляют собой линии на карте, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными отметками уровня грунтовых вод.

Карты гидроизопьез - карты, отображающие пьезометрическую поверхность, построенную на основе гидроизопьез. Гидроизопьезы - это линии, соединяющие одинаковые абсолютные отметки пьезометрической поверхности карты гидроизопьез.

Карты гидро- и пьезоизогипс предназначены для решения различных инженерных задач, связанных с водоснабжением, охраной подземных вод, осушением месторождений полезных ископаемых, мелиорацией и др. Анализ карт гидроизогипс и гидроизопьез позволяет получить следующие сведения:

1. Направление движения подземных вод в любой точке карты. Движение подземных вод подчиняется законам гравитации и происходит от участков с более высокими абсолютными отметками к участкам с меньшими отметками по линии, перпендикулярной основному направлению гидроизогипс (пьезоизогипс).

2. Характер взаимосвязи подземных вод с поверхностными.

Подземные воды, особенно грунтовые, могут иметь тесную гидравлическую связь с поверхностными водотоками. В одном случае подземные воды разгружаются в реку, в другом - питаются за счет поверхностных.

6.2. Методические указания к построению карт гидроизогипс и глубин залегания грунтовых вод (гидроизобат)

Для построения карты гидроизогипс в ряде водопунктов на площади распространения водоносного горизонта устанавливают путем непосредственного измерения глубины залегания поверхности грунтовых вод. В качестве водопунктов могут быть использованы скважины, шурфы, колодцы, источники и водомерные посты на реках. Уровни замеряют специальными приборами.

Так как уровень грунтовых вод постоянно изменяется под влиянием различных природных и искусственных факторов, то карту гидроизогипс можно составлять только по результатам одновременных или близких по времени (один-два дня) замеров. Если по скважинам участка проводились длительные наблюдения за уровнем грунтовых вод, можно составить несколько карт гидроизогипс по сезонам года (в межень, паводок и др.).

Карты гидроизогипс составляют в масштабах от 1:10 000 до 1:200000 в зависимости от характера и стадии гидрогеологических исследований. Сечение гидроизогипс выбирают в зависимости от принятого масштаба карты, густоты пунктов наблюдений за уровнем грунтовых вод, уклона их поверхности. Обычно берут сечения 0,25; 0,5; 1,0; 2,0 и 5,0. Полученные при замерах глубины залегания уровня грунтовых вод пересчитывают на абсолютные или относительные (реже) отметки по формуле:

Н_в= Н_з- h, (6.1)

где Н_в - абсолютная отметка уровня воды в данном пункте;

Н_з - абсолютная отметка поверхности земли в том же пункте;

h - глубина залегания воды.

Вычисленные отметки уровня грунтовых вод наносят на топографическую основу и методом интерполяции строят гидроизогипсы. Наиболее удобно интерполировать отметки по способу треугольников: все точки, по которым проводились замеры, соединяют линиями, образующими треугольники. При интерполяции этим методом должны соблюдаться следующие правила:

1. Линии, образующие треугольники, необходимо проводить так, чтобы длинная сторона треугольника была перпендикулярна к направлению падения потока.

2. Не интерполировать точки, расположенные по разные стороны поверхностных водотоков и водоемов.

3. Не следует проводить интерполяцию между группами скважин, расположенных далеко друг от друга. При интерполяции удобно пользоваться палеткой на кальке в виде масштабной сетки, состоящей из системы параллельных линий, проведенных на расстоянии 1-2 мм (иногда 2-5 мм). С помощью масштабной сетки пропорционально делят отрезки, соединяющие точки, отметки уровня которых подлежат интерполяции. После интерполяции соединяют точки с одинаковыми отметками; эти кривые и будут гидроизогипсами. Порядок интерполяции при помощи масштабной сетки и наведения гидроизогипс по способу треугольников показан на рис. 6.1 и 6.2.

Рис. 6.1. Схема интерполяции при помощи масштабной сетки

Рис. 6.2. Схема интерполяции методом треугольников:

1 - гидроизогипса и ее отметка;

2 - скважина, ее номер и абсолютная отметка уровня;

3 - направление движения грунтовых вод

Кроме карт гидроизогипс для целей проектирования и строительства могут составляться карты глубин залегания поверхности грунтовых вод. В зависимости от требуемой точности глубину залегания уровня грунтовых вод показывают гидроизобатами через определенные интервалы глубин - 2-5, 5-10, чаще через 0,5м (до глубины 10 м), которые соответствуют некоторым общим требованиям различных отраслей народного хозяйства (заложение фундаментов, мелиорация земель и др.).

Изобатами называются линии, соединяющие точки с одинаковыми глубинами залегания грунтовых вод. Для получения сведений, необходимых для построения гид роизобат, обычно бурят большое число специальных скважин, равномерно расположенных по всей территории. Карты изобат, так же как и гидроизогипс, строят методом интерполяции глубин залегания уровня грунтовых вод. Чаще всего для решения различных практических задач на одной и той же топографической основе составляют карту гидроизогипс и глубин залегания поверхности грунтовых вод и карту изолиний кровли подстилающего водоупора.

6.3. Пример решения задачи по построению карты гидроизогипс

Задание. При выполнении разведочных работ пробурено 12 скважин, расположенных в плане в углах квадратной сетки, как показано на рис. 6.3, на расстоянии 25 м друг от друга.

Рис. 6.3. Карта изогипс

В табл. 6.1 приведены абсолютные отметки устьев скважин (в числителе) и результаты одновременного замера глубин залегания уровней грунтовых вод (в знаменателе).

Таблица 6.1

Абсолютные отметки устьев скважин (в числителе) и

глубин залегания уровней грунтовых вод (в знаменателе)

Используя эти данные, постройте на топографической основе карту гидроизогипс масштаба 1:500, приняв сечение горизонталей и гидроизогипс через 1 м. На карте покажите направление потока и выделите участки с глубиной залегания уровня грунтовых вод менее 2 м.

Методические указания по построению карты гидроизогипс

В заданном масштабе наносят на карту план расположения скважин, обозначая их кружками диаметром 2 мм, как указано на рис. 6.3 для варианта 1. Слева от каждой скважины записывают ее номер, справа в числителе - абсолютную отметку устья, а в знаменателе - абсолютную отметку уровня грунтовых вод (УГВ). Абсолютную отметку УГВ в каждой скважине вычисляют как разность между отметкой устья и глубиной залегания УГВ. Находят далее путем интерполяции между абсолютными отметками устьев скважин точки с абсолютными отметками, равными целому числу (по заданию сечение горизонталей и гидроизогипс равно 1 м). Соединив точки с одинаковыми отметками плавными линиями, получают горизонтали рельефа (на рисунке обозначены тонкими линиями). Аналогично путем интерполяции находят точки с абсолютными отметками УГВ. Соединив точки с одинаковыми отметками УГВ плавными линиями, получим гидроизогипсы (на рис. 6.3 - жирные линии).

Интерполяцию удобно производить с помощью палетки (рис. 6.1), представляющей собой систему параллельных линий (масштабную сетку), проведенных на кальке на равном расстоянии друг от друга (обычно 2... 5 мм). Выполняется интерполяция в такой последовательности. Точки, отметки уровней которых подлежат интерполяции, соединяют вспомогательной прямой линией (после окончания работы линия может быть стерта). Палетка накладывается на одну из точек таким образом, чтобы отметка на палетке и отметка точки совпадали. Эта точка фиксируется путем прокола булавкой. Далее палетка поворачивается вокруг булавки до тех пор, пока отметка второй точки не совпадет с отметкой на палетке. На пересечении отрезка, соединяющего точки с масштабной сеткой палетки, находят искомые точки (рис. 6.3). Целесообразно производить интерполяцию, соединяя ближайшие точки отрезками так, чтобы последние образовывали в плане треугольники или четырехугольники (в данной задаче - квадраты). При составлении карты гидроизогипс нельзя интерполировать отрезок между точками, расположенными по разные стороны поверхностных водоемов и водотоков. Для выделения участков с глубиной залегания УГВ менее 2 м находят точки пересечения горизонталей и гидроизогипс с разностью отметок 2 м. Линия, проведенная через эти точки, - гидроизобата - будет границей участка. На рис. 6.3 гидроизобата показана пунктирной линией, а участок с глубиной залегания УГВ менее 2 м заштрихован.

6.4. Задание для самостоятельной работы

На основе данных табл. 6.2 по 12 скважинам, расположенным в плане квадратной сетки на расстоянии 25 м друг от друга, построить фрагмент топоосновы и на ней карту гидроизогипс масштаба 1:500, приняв сечение горизонталей и гидроизогипс через 1 м. На карте показать направление потока грунтовой воды и выделить участок выхода грунтовых вод на поверхность при поднятии уровня грунтовых вод на 2 м. Выполнение задания проводить по методическим указаниям, данным в примере решения 6.3.

Таблица 6.2

Абсолютные отметки устьев скважин (в числителе) и

глубин залегания уровней грунтовых вод (в знаменателе)