Меню

Как рассчитать объем стока реки

Гидрологические характеристики стока

date image2017-12-14
views image3103

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Одной из основных задач инженерной гидрологии является разработкой методов расчета величин стока. В основе гидрологических расчетов лежит определение гидрологических характеристик стока.

Основными гидрологическими характеристиками стока являются:

расход воды — Q, м 3 /с;

объем стока — V (W), м 3;

модуль стока воды — q (M), м 3 /с км 2 ;

слой стока — h (у), мм;

коэффициент стока — a.

Главной характеристикой речного стока являются расходы водыобъем воды, проходящий через данное поперечное сечение потока в 1 секунду.

Наряду с экстремальными значениями (максимальными и минимальными) часто используются расходы воды, осредненные за различные периоды времени (сутки, месяц, сезон, год и т. д.).

Все остальные характеристики речного стока, по сути, являются производными от соответствующих расходов воды. Рассмотрим наиболее часто употребляемые характеристики речного стока.

Объем стока V или W (м 3 , км 3 ) — количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо интервал времени (сутки, месяц, год и т. д.), определяется по формуле

где Q средний расход за расчетный период времени, м 3 /с, t — число секунд в том же периоде времени.

Модуль стока М, л/(с . км 2 ) или q, м 3 /(c . км 2 ) — количество воды, стекающей с единицы площади водосбора в единицу времени, определяется по формуле

M = Q 10 3 / F,

где F — площадь водосбора, км 2 , 10 3 — переводной коэффициент из метров кубических в литры.

Слой стока h или y (мм) — количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо интервал времени, равное толщине слоя, равномерно распределенного по площади этого водосбора, определяется по формуле

h = 10 -6 M . t,

где 10 -6 — коэффициент размерности, t — число секунд в расчетном периоде.

Для года hг = 31,5 10 6 . Mг; для месяца hм = 2,6310 6 . Мм,

где 31,5 — число миллионов секунд в среднем за год; 2,63 — число миллионов секунд в среднем за месяц.

Коэффициент стока отношение слоя стока к количеству выпавших на площадь водосбора осадков, обусловивших возникновение стока, — определяется по формуле:

где h — слой поверхностного стока (мм), х — атмосферные осадки (мм), вызвавшие этот сток. Коэффициент стока — величина, показывающая, какая часть осадков идет на сток.

Указанные характеристики нередко определяют понятие сток воды. Они являются временно связанными и могут быть пересчитаны одна в другую. Соотношения между основными характеристиками стока представлены в таблице 1.2.2.1.

Соотношения между основными характеристиками стока

Характеристики стока Q, м 3 /с q (м), л/с км 2 У(h), мм W, м 3
Q ­– 10 -3 qF 10 -3 уFt -1 Wt -1
L (м) 10 3 QF -1 10 6 уt -1 10 3 WF -1 t -1
У (h) 10 -3 QF -1 t 10 -6 qt 10 -3 WF -1
W Qt 10 -3 qFt 10 -3 уF

Примечание: F – площадь водосбора, км 2 ; t – время, с.

В гидрологических расчетах используют также понятие модульный коэффициент К, являющийся отношением какой-либо величины стока, например, расхода к ее среднему значению.

Для их определения используют формулы:

Здесь Кгi– модульный коэффициент года наблюдения i;

Кмi – модульный коэффициент месяца года наблюдения (или декады месяца Кд);

Qгi – среднее значение расхода за год наблюдения i;

Qо – среднемноголетнее значение расхода;

Qмi – среднемесячный (или среднедекадный Qмi расход воды года наблюдения i).

Годовой сток подсчитывается в умеренном климате не за календарный год, а за гидрологический, начинающийся осенью (1 октября или 1 ноября), когда запасы влаги в речных бассейнах, переходящие из одного года в другой, малы. При подсчете за календарный год сток и осадки не могут соответствовать друг другу, так как осадки, выпавшие в конце одного года, стекают весной следующего года.

Источник

Как рассчитать объем стока реки

Для определения расхода воды в реке нужно еще определить среднюю скорость течения реки. Это можно сделать различными способами:

Для определения стока реки в зависимости от площади бассейна, высоты слоя осадков и т.д. в гидрологии применяются следующие величины:

  • сток реки,
  • модуль стока
  • коэффициент стока.

Стоком реки называют расход воды за продолжительный период времени, например за сутки, декаду, месяц, год.

Модулем стока называют выраженное в литрах количество воды, стекающее в среднем в 1 секунду с площади бассейна реки в 1 км2:

Коэффициентом стока называют отношение стока воды в реке к количеству выпавших осадков (М) на площадь бассейна реки за одно и то же время, выраженное в процентах:

где а — коэффициент стока в процентах, Qr — величина годового стока в кубических метрах, М — годовое количество выпавших осадков в миллиметрах.

Для определения годового стока воды исследуемой реки нужно расход воды умножить на число секунд в году, т. е. на 31,5-106 сек.

Для определения модуля стока нужно знать расход воды и площадь бассейна выше створа, по которому определялся расход воды данной реки.

Площадь бассейна реки можно измерить по карте. Для этого применяют следующие способы:

  1. планиметрирование,
  2. разбивку на элементарные фигуры и вычисление их площадей;
  3. измерение площади посредством палетки;
  4. вычисление площадей по геодезическим таблицам.

Мы считаем, что учащимся легче всего будет использовать третий способ и производить измерение площади посредством палетки, т. е. прозрачной бумаги (кальки) с нанесенными на нее квадратиками (если нет кальки, то можно промаслить бумагу).

Имея карту исследуемого района в определенном масштабе, нужно изготовить палетку с квадратиками, соответствующими масштабу карты. Предварительно следует оконтурить бассейн данной реки выше определенного створа, а затем наложить на карту палетку, на которую перенести контур бассейна. Для определения площади требуется сосчитать сначала число полных квадратиков, расположенных внутри контура, а затем сложить данные квадратики, частично покрывающие бассейн данной реки. Сложив квадратики и умножив полученное число на площадь одного квадратика, узнаем площадь бассейна реки выше данного створа.

Читайте также:  Двухместные лодки для сплава по рекам

где Q — расход воды. Для перевода кубических метров в литры умножаем расход на 1000, S — площадь бассейна.

Для определения коэффициента стока реки нужно знать годовой сток реки и объем воды, выпавшей на площади данного бассейна реки. Объем воды, выпавшей на площади данного бассейна, легко определить. Для этого нужно площадь бассейна, выраженную в квадратных километрах, умножить на толщину слоя выпавших осадков (тоже в километрах).

Например, если осадков на данной площади выпало за год 600 мм, то толщина будет равна 0,0006 км и коэффициент стока будет равен

где Qp —годовой сток реки, а М — площадь бассейна; умножаем дробь на 100 для определения коэффициента стока в процентах.

Определение питания реки.

Нужно выяснить виды питания реки: грунтовое, дождевое, от таяния снега, озерное или болотное. Например, р. Клязьма имеет питание грунтовое, снеговое и дождевое, из них грунтовое питание составляет 19%, снеговое — 55% и дождевое — 26%.

Эти данные в процентах школьник сам вычислить не сможет, их придется взять из литературных источников.

Определение режима стока реки

Для характеристики режима стока реки нужно установить:

а) каким изменениям по сезонам подвергается уровень воды (река с постоянным уровнем, сильно мелеющая летом, пересыхающая, теряющая воду в понорах и исчезающая с поверхности);

б) время половодья, если оно бывает;

в) высоту воды во время половодья (если нет самостоятельных наблюдений, то по опросным сведениям);

г) продолжительность замерзания реки, если это бывает (по своим личным наблюдениям или же по сведениям, полученным путем опроса).

Определение качества воды.

Для определения качества воды нужно узнать, мутная она или прозрачная, годная для питья или нет. Прозрачность воды определяется белым диском (диск Секки) диаметром приблизительно 30 см, подведенным на размеченном лине или приделанным к размеченному шесту. Если диск опускается на лине, то внизу, под диском, прикрепляется груз, чтобы диск не сносило течением. Глубина, на которой этот диск становится невидимым, и является показателем прозрачности воды. Можно диск сделать из фанеры и окрасить его в белый цвет, но тогда груз нужно подвесить достаточно тяжелый, чтобы он вертикально опускался в воду, а сам диск сохранял горизон­тальное положение; или фанерный лист можно заменить тарелкой.

Определение температуры воды в реке

Температуру воды в реке определяют родниковым термометром, как на поверхности воды, так и на разных глубинах. Держать термометр в воде нужно в течение 5 минут. Родниковый термометр можно заменить обычным ванновым термометром в деревянной оправе, но, для того чтобы он опускался в воду на разные глубины, следует привязать к нему груз.

Можно определить температуру воды в реке при помощи батометров: батометра-тахиметра и бутылочного батометра. Батометр-тахиметр состоит из гибкого резинового баллона объемом около 900 см3; в него вставлена трубочка диаметром 6 мм. Батометр-тахиметр закрепляют на штанге и опускают на разные глубины для взятия воды. Полученную воду выливают в стакан и определяют ее температуру.

Батометр-тахиметр нетрудно сделать самому школьнику. Для этого нужно купить небольшую резиновую камеру, на нее надеть и привязать резиновую трубочку диаметром 6 мм. Штангу можно заменить деревянным шестом, разделив его на сантиметры. Штангу с батометром-тахиметром нужно опускать вертикально в воду до определенной глубины, так чтобы отверстие батометра-тахиметра было направлено по течению. Опустив на определенную глубину, штангу необходимо повернуть на 180° и держать примерно 100 секунд, для то­го чтобы набрать воды, после чего опять повернуть штангу на 180°. Вынимать ее следует так, чтобы из батометра вода не вылилась. Перелив воду в стакан, определяют термометром температуру воды на данной глубине.

В результате турбулентности движения воды в реке температура придонного и поверхностного слоя почти одна и та же. Например, придонная температура воды 20,5°, а на поверхности 21,5°.

Полезно одновременно измерить термометром-пращом температуру воздуха и сравнить ее с температурой речной воды, записав обязательно время наблюдения. Иногда разность температуры достигает нескольких градусов. Например, в 13 часов температура воздуха 20°, температура воды в реке 18°.

Исследование на определенных участках характера русла реки

При исследовании на определенных участках характера русла реки необходимо:

а) отметить главнейшие плесы и перекаты, определить их глубины;

б) при обнаруживании порогов и водопадов определить высоту падения;

в) зарисовать и по возможности измерить острова, отмели, осередки, побочные протоки;

г) собрать сведения, в каких местах река размывает берега, и на местах, особенно сильно размываемых, определить характер размываемых пород;

д) изучить характер дельты, если исследуется приустьевой участок реки, и нанести ее на глазомерный план; посмотреть, соответствуют ли отдельные рукава изображенным на карте.

Ознакомление с внешним видом русла реки

При изучении внешнего вида русла реки следует дать его описание и сделать зарисовки разных участков русла, лучше всего возвышенных мест.

Общая характеристика реки и ее и с пользование

При общей характеристике реки нужно выяснить:

а) в какой части река является главным образом эродирующей и в какой аккумулирующей;

Читайте также:  Как разобрать по составу речка

б) степень меандрирования.

Для определения степени меандрирования нужно узнать коэффициент извилистости, т.е. отношение длины реки на изучаемом участке к кратчайшему расстоянию между определенными пунк­тами исследуемой части реки; например, река А имеет длину 502 км, а кратчайшее расстояние между истоком и устьем всего 233 км, следовательно, коэффициент извилистости

где К — коэффициент извилистости, L — длина реки, l — кратчайшее расстояние между истоком и устьем, а потому

в) не производят ли отжимания реки конусы выноса, образуемые в устьях притоков ре­ки или временных потоков.

Узнать, как используется река для судоходства и сплава леса; если река несудоходная, то выяснить почему, что служит препятствием (мелководная, порожистая, есть ли водопады); есть ли на реке плотины и другие искусственные сооружения; не используется ли река для полива; какие преобразования нужно сделать для лучшего использования реки в народном хозяйстве.

Если были сделаны фотографические снимки или рисунки разных участков русла реки, следует приложить их к описанию.

Источник

Водный сток рек

Во́дный сток рек – основная составляющая речного стока, важнейшее звено круговорота воды в природе (глобального гидрологического цикла). Понятие «водный сток рек» характеризует одновременно как процесс стекания речных вод в пределах речного водосбора, так и количество стекающей воды. Водный сток рек называть жидким стоком не рекомендуется.

Водный сток (или сток воды) реки формируется на её водосборе как результирующий компонент водного баланса водосбора (в простейшем случае как разность между атмосферными осадками и испарением).

Водный сток изменяется как вдоль реки (увеличивается в результате впадения притоков или уменьшается под влиянием потерь вод на испарение и инфильтрацию), так и во времени, определяя многолетние, сезонные и кратковременные колебания водности реки. Среднемноголетняя величина водного стока реки характеризует её водоносность.

В гидрологии рек широко используют такие количественные характеристики водного стока как расход воды, объём стока, слой стока, модуль стока и коэффициент стока.

Объём стока воды – это объём воды, прошедшей через поперечное сечение речного потока за какой-либо интервал времени. Расход воды поэтому можно считать объёмом стока воды за 1 с. Объём стока воды рассчитывают, умножая расход воды, осреднённый за какой-либо интервал времени, на количество секунд в этом интервале. Выражают объём стока либо в м 3 , либо (для средних и больших рек) в км 3 . Если нужно вычислить среднемноголетний объём стока для большой реки, то среднемноголетний расход воды в м 3 /с умножают на 31,5610 6 (количество секунд в «среднем» году), а результат делят на 10 9 . В итоге получаем объём в км 3 за год.

Слой стока – это количество воды, стекающей с поверхности водосбора реки за какой-либо интервал времени, равное толщине слоя воды, условно равномерно распределённого по площади водосбора. Слой стока рассчитывают, деля объём стока на площадь водосбора, и выражают в мм за соответствующий интервал времени.

Модуль стока воды – это количество воды, стекающей с единицы площади водосбора в единицу времени. Модуль стока воды рассчитывают, деля расход воды (осреднённый за какой-либо интервал времени или мгновенный) на площадь водосбора, и выражают в л/(с×км 2 ).

Коэффициент стока – отношение величины стока воды (объёма или слоя) к количеству выпавших на площадь водосбора атмосферных осадков, обусловивших возникновение этого стока. Коэффициент стока – величина безразмерная. Поэтому величины атмосферных осадков и стока воды должны быть выражены в одинаковых единицах (либо в объёмных единицах, либо в слое).

Например, для некоторого многолетнего интервала времени в пределах длительного ряда наблюдений на замыкающем створе Верхнее Лебяжье в низовье Волги (площадь водосбора 1360 тыс. км 2 ) определён среднемноголетний расход воды 7980 м 3 /с. Приближённая величина среднего за этот же интервал времени слоя осадков составила 640 мм в год. При этих исходных данных остальные среднемноголетние характеристики водного стока Волги будут следующими: годовой объём стока 252 км 3 , слой стока 185 мм, модуль стока 5,87 л/(с×км 2 ), коэффициент стока 0,29.

Источник



Основные характеристики и единицы измерения стока

При изучении водного режима рек и выполнении различных гидрологических расчетов используют следующие основные характеристики речного стока:

1. Расход воды Q, м 3 /с, характеризующий водность реки в интересуемом пункте в любой момент времени.

2. Средний расход воды Q cp – среднеарифметическая величина ежесуточных секундных расходов за определенный период времени (декаду, месяц, сезон, год)

, (10.4)

где ΣQ i – сумма секундных расходов за все дни рассматриваемого периода;

t д – число дней в периоде.

Средний расход за месяц называется среднемесячным, за год – среднегодовым и т. п.

3. Объем стока W – объем воды, который стекает с бассейна в реку и протекает по ней в интересуемом пункте за определенный период времени

W = 86400 Q ср t д, (10.5)

где 86 400 – число секунд в сутках.

Для объема годового стока формула (10.5) имеет вид

W г = 31,536 · 10 6 ∙Q ср , (10.6)

где 31,536 · 10 6 – число секунд в году (в високосном году 31,622 ·10 6 с).

4. Высота слоя стока h – высота такого слоя воды, которым можно покрыть площадь бассейна реки выше рассматриваемого пункта, если распластать на ней равномерно весь объем стока за изучаемый период времени:

где F — площадь бассейна реки, км 2 ;

10 6 – число квадратных метров в квадратном километре;

10 3 – число миллиметров в метре.

Если подставить в последнее соотношение значение для W по формуле (10.5), получим

Читайте также:  Загадки по географии реки

. (10.8)

Для слоя годового стока (t д = 365):

5. Коэффициент стока η – отношение высоты слоя стока к высоте слоя осадков х за один и тот же период времени:

6. Модуль стока М – расход воды в л/с, который стекает в реку с каждого квадратного километра площади бассейна,

л/(с ∙ км 2 ), (10.11)

где 1000 – число литров в 1 м 3 .

Если подставить в зависимость (10.5) значение для среднего расхода из формулы (10.11), получим

W = 86,4 М F t д, (10.12)

или для объема годового стока (t д = 365)

W г = 31 536 М F. (10.13)

7. Норма стока – среднее значение любой из характеристик стока за многолетний период. Норму стока можно выразить в виде среднемноголетних значений расхода воды Q 0, объема стока W 0, высоты слоя стока h 0 или модуля стока М 0. Чаще всего в качестве нормы стока пользуются среднемноголетним модулем стока М 0.

Среднемноголетнее значение любой характеристики определяется путем деления суммы ее среднегодовых величин на число лет n, по которым устанавливают норму стока. Например, среднемноголетний расход

Связь между среднемноголетними значениями различных характеристик стока устанавливают по таким же формулам (10.11), (10.6) и (10.13), что и соотношения между их среднегодовыми величинами:

; (10.15)

W 0 = 31,536 · 10 6 Q 0 ; (10.16)

W 0 = 31 536 М 0 F. (10.17)

8. Модульные коэффициенты К – отношения средних величин любой из характеристик стока за рассматриваемый период времени к их среднемноголетним или среднегодовым значениям:

. (10.18)

Модульные коэффициенты представляют собой отвлеченные числа, показывающие относительную величину водности данного года или периода по сравнению со среднемноголетней или среднегодовой водностью реки.

Различают модульные коэффициенты годовые, сезонные, месячные, максимальных расходов и др.

Годовые модульные коэффициенты характеризуют отношение водности различных лет к среднемноголетней водности реки. В многоводные годы модульные коэффициенты имеют значения больше единицы, а в маловодные – меньше единицы.

Сезонные, месячные и декадные модульные коэффициенты выражают относительную величину водности соответствующего периода по сравнению со среднегодовой водностью данного года.

Пример. Определить среднемноголетние характеристики годового стока р. Птичь (притока р. Припять), если известны площадь водосбора реки в расчетном створе F = 9470 км 2 и среднемноголетний расход Q 0 = 45,6 м 3 /с.

Решение. 1. Объем годового стока

W 0 = 31,536 · 10 6 Q 0 = 31,536 · 10 6 · 45,6 = 1438 млн.м 3 .

2. Высота слоя стока

Карты изолиний нормы стока.Для общей характеристики водности рек, протекающих в различных географических районах, составлены специальные карты, на которые нанесены линии равных значений среднемноголетнего модуля стока М 0(изолинии нормы стока). Такие карты составлены для всей территории бывшего СССР и отдельно в более крупном масштабе для географических регионов. В качестве примера на рис.10.1 приведена карта изолиний нормы стока (в л/с·км 2 ) для территории Беларуси.

Рис. 10.1. Карта изолиний среднемноголетнего годового стока рек Беларуси л/(с·км 2 )

Распределение стока носит зональный характер. Для преобладающей части европейской территории СНГ и Западной Сибири модуль стока уменьшается с севера на юг от 10–12 в северных районах до 0,5–1,0 л/(с·км 2 ) в засушливых южных и юго-восточных районах. Уменьшение стока наблюдается также и в направлении с запада на восток.

В районах Урала, Восточной Сибири и Приморского края изолинии нормы стока проходят в меридиональном направлении вдоль горных хребтов и побережья Охотского и Берингова морей.

Существенное влияние на величину стока оказывает рельеф местности. В районах возвышенностей (Хибинской, Валдайской, Приволжской и др.) норма стока заметно повышается по сравнению с близлежащими равнинными территориями.

Горные районы Кавказа характеризуются очень большими значениями нормы стока, достигающими на юго-западном склоне Большого Кавказского хребта 75–100 л/(с·км 2 ).

Источник

Тема 6. Характеристики речного стока

Материалы и оборудование:

Набор тестовых задач;

Понятия и определения.

Для количественной оценки речного стока применяются следующие характеристики:

Объем стока (W, м 3 ) – количество воды, протекающее в русле реки через данный замыкающий створ, за определенный промежуток времени (за год):

где T – время, число секунд в году (31,54 · 10 6 с), Q – средний расход, м 3 /с.

Норма стока (У, м 3 /с) – средняя арифметическая величина стока (расхода), вычисленная за длительный (более 50 лет) период. Также она рассчитывается по формуле:

где А – слой стока, мм; F – площадь водосбора, км 2 ; T – время, число секунд в году (31,54 · 10 6 с).

Модуль стока (М, л/с·км 2 ) – количество воды, стекающей с единицы площади (1 км 2 ) за единицу времени (с):

где Q – средний расход, м 3 /с; F – площадь водосбора, км 2 .

Слой стока (А, мм) – слой воды в мм, равномерно распределенный по площади F и стекающий с водосбора за некоторый промежуток времени:

где W – объем стока, м 3 ; F – площадь водосбора, км 2 .

Коэффициент стока (ά, η, безразм.) – отношение величины (объема или слоя) стока к количеству выпавших на площадь водосбора атмосферных осадков, обусловивших возникновение стока:

где А — слой стока, мм; Х – количество осадков, мм. Коэффициент стока изменяется от 0 до 1. Иногда его определяют с помощью эмпирических формул, например:

ά (η) =1-, (13)

где d – средний многолетний дефицит влажности воздуха, мм.

Задание 1. По данным, приведенным в таблице 9, и на основании формул (8-13) рассчитать характеристики речного стока, помеченные вопросительным знаком.

Тестовые задачи для расчета характеристик речного стока

(индексы характеристик согласно разделу Понятия и определения)

Источник