Гидрологические потери – это часть стока, не попадающая в русло, т. е. остающаяся в пределах водосбора. Эта влага расходуется на жизнедеятельность растений и животных, на внутренний сток (бессточные озера, болота) и т. д. Измерить величину гидрологических потерь невозможно. Другая важнейшая составляющая – уже метеорологическая величина, осадки. Осадки – одна из самых сложно измеряемых величин. То же самое относится и к испарению. Кроме того, гидрологические наблюдения зачастую связаны с большими техническими сложностями, из-за которых нарушается стандартизованность измерений. Например, измерения расхода на большой и малой реке или на равнинной и горной – совершенно технически разные задачи. А значит, и диапазон погрешности измерений получается разный.
В таблице 2 приведены классические методы гидрологических наблюдений, которые опираются на ГОСТ 1972 г. В гидрологии так же, как и в метеорологии – активно используются автоматизированные методы измерений.
Таблица 2 - Основные гидрологические величины, их точность, и приборы, с помощью которых они измеряются
Ниже кратко описана методика измерения основных гидрологических характеристик.
Измерения уровня воды. Изучение колебания уровней воды в реках, озерах и водохранилищах имеет как прикладное, так и хозяйственное значение. С одной стороны, строительство мостов, переходов коммуникаций и трубопроводов, гидротехнических сооруженийи т.д. невозможно без предварительных гидрометрических оценок. С другой стороны, количественные оценки изменений уровня являются важнейшим индикатором изменения режима увлажнения большой территории. Кроме того, в гидрометрии оценки уровня имеют важнейшее значение для подсчета стока воды, в основу которого положена связь между высотой уровня и расходом воды в реке, которая обычно устанавливается эмпирически. Измерение расхода воды – трудоемкая и достаточно длительная операция, в то время как измерение уровня проводится сравнительно легко и быстро, зачастую автоматически. Установленная на основе сравнительно небольшого числа (от нескольких месяцев до одного года) одновременных измерений уровней и расходов эмпирическая зависимость
позволяет определять ежедневные расходы воды и подсчитать сток за любой интересующий период времени.
Различают три главнейшие фазы водного режима: половодье, паводки и межень. Для большинства рек Северной и Центральной Евразии, зимний период(с середины октября по середину апреля) характеризуется меженевым уровнем, вторая половина апреля – май – половодьем, июнь – сентябрь – межень, осложненная паводками, связанными с обильными осадками в виде дождя, а также интенсивным таяньем снега и льда в высокогорных районах во время аномально теплой погоды. На эти основные элементы сезонного хода уровней накладывается суточная изменчивость, которая особенно выражена на горных реках с ледниковым питанием (из-за суточного хода таяния).
По конфигурации устройства, предназначенные для наблюдения за уровнем воды на гидрологических постах, подразделяются на реечные, свайные, реечно-свайные, передаточные и автоматизированные. Реечные посты состоят из одной или нескольких деревянных или металлических реек, укрепленных на стенках набережных, устоях мостов и плотин. На неукрепленных берегах рейка устанавливается на специально забитых одиночных сваях. Глубина забивки рейки должна быть не менее 2 м. Из-за недолговечности деревянных реек им предпочитают обычно чугунные. Отчет снимается в сантиметрах, с точностью 2 см. Вблизи отлогих берегов устанавливают наклонные рейки. Они особенно удобны на бетонных откосах или лестничных спусках. Разметка такой рейки проводится в зависимости от угла ее наклона к горизонту. Если цена деления по вертикали равна
, то длина одного деления наклонной рейки составляет
.
Наибольшее распространение получили свайные устройства. Они наиболее удобны на равнинных реках при значительной амплитуде колебаний уровня воды и сравнительно отлогих берегах. Свайное устройство состоит из ряда свай, забитых в одном створе по нормали к направлению течения (рис. 1, а). Сваи можно изготавливать из любого материала. На гидрологических постах гидрометеослужбы используются серийно изготавливаемые сваи ПИ-20, которые состоят из чугунного винта, металлической трубы и головки (рис. 1, б). Труба заполняется битумом, а все части скрепляются заклинками. Длина сваи 2,2 м. В грунт свая завинчивается специальным ключом так, чтобы над поверхностью земли возвышалась только ее головка. После установки сваи окрашиваются и нумеруются по порядку – от контрольного репера вниз, начиная с верхней. Высота уровня воды на свайных устройствах измеряется переносными рейками, которые ставятся на штырь деревянной или головку металлической сваи, ближайшей к берегу из числа затопленных. Переносные рейки размечаются через 1 см. Они могут быть деревянными (брусок ромбического сечения длиной 1,1 м) , но чаще применяются металлические рейки, например ГР-104 (дюралюминиевая трубка диаметром 25 мм с деревянной ручкой). Кроме обычных реек, на постах устанавливают так называемые максимальные рейки, предназначенные для измерения наивысших уровней между сроками наблюдений.
Также используются смешанные реечно-свайные устройства и самописцы. Измерения уровня воды самописцами удобно выполнять, в частности, на горных реках. Наблюдения за уровнем воды ведут два раза в сутки – в 8:00 и 20:00 по местному времени. При резких изменениях уровня во время половодья или паводка их проводят чаще, иногда каждый час. На реках с резкими суточными колебаниями уровня рекомендуют устанавливать самописцы уровня. Результаты наблюдений за уровнем воды представляют в виде графика, который составляют для годового цикла.
Измерение уклонов водной поверхности. Определение уклона водной поверхности выполняется с помощью геодезического нивелирования. Вообще говоря, установке гидрологического поста всегда предшествует большой комплекс геодезических работ, направленный на точное измерение параметров русла реки и ее долины в районе поста. Определение уклона водной поверхности выполняется систематически – в период паводка и половодья ежесуточно, в период межени – ежемесячно. На уровне водной поверхности вбиваются уровненные колья. Разница высот между кольями, измеряемая с помощью стандартного нивелира, и дает значение угла уклона. Систематические наблюдения за уклоном водной поверхности производят для уточнения зависимости между расходами и уровнями воды.
Наблюдения за ледовой обстановкой. Отдельно рассматривают ледовый режим рек, в котором выделяют четыре типа:
- ледообразование без ледостава (горные реки Кавказа, Средней Азии, Алтая);
- неустойчивый ледостав (реки Калининградской области, равнинных районов Южного федерального округа);
- устойчивый ледостав (реки центральной и северной части Европейской России, Западной Сибири, южных районов Красноярского края, Иркутской области, Забайкалья, Дальнего Востока);
- перемерзание и наледи (реки центра и севера Восточной Сибири, Якутии, Колымы, западных районов Чукотки и Магаданской области).
Стандартные наблюдения за ледовой обстановкой включают наблюдения за сроками появления льда, установления ледостава, вскрытия и очищения рек ото льда, видами ледяных образований и ледовых явлений, степенью покрытия льдом водной поверхности в периоды замерзания и вскрытия, ледоходом в периоды замерзания и вскрытия, образованием внутриводного льда (шуги), состоянием ледяного покрова, толщиной льда и снежного покрова на льду, включая ледомерные съемки участка.
Маршрутные обследования ледовой обстановки проводятся в районе поста, чтобы определить, как она меняется по длине реки в периоды замерзания и вскрытия. При обследовании ведут описание и зарисовки, картирование ледяных образований, а также фотографирование. В описании отмечают густоту ледохода и шугохода следующим образом:
- ледоход (шугоход) редкий – густота движущегося льда (шуги) составляет 0,3 от площади поверхности реки;
- ледоход (шугоход) средний – густота движущегося льда (шуги) составляет 0,4–0,6 от площади поверхности реки;
- ледоход (шугоход) густой – густота движущегося льда (шуги) составляет более 0,6 от площади поверхности реки.
Измеряя количество шуги с помощью шугобатометра, а также оценивая коэффициент ледохода, можно определить расход льда и шуги. Как правило, это важно при оценке давления на суда, опоры мостов, переходов и гидротехнических сооружений.
В состав ледовых наблюдений также входят измерения толщины снега на льду, общей толщины льда, глубины погружения льда, глубины погружения шуги, толщины слоя воды на льду. Толщину снега на льду и самого льда измеряют переносными рейками с погрешностью 1 см. Для измерения толщины льда в намеченных точках сверлят отверстия ледовым буром или пробивают лунки пешней.
Определение расхода воды. Расходом воды называется величина, характеризующая объем воды, протекающий за единицу времени через поперечное сечение речного русла. Величина расхода воды получается путем синтеза его измеряемых элементов – глубины русла(см. выше), его ширины и скоростей течения вдоль продольного профиля. Можно выделить следующие основные методы определения расхода воды:
- метод «скорость–площадь», основанный на измерении поперечного сечения потока и скоростей течения в точках или интегрально на вертикалях, в отсеках и по ширине русла;
- метод «ионного паводка», основанный на определении степени разбавления солей (или других химических веществ), помещенных в водный поток по мере его движения;
- гидравлические методы, реализуемые с помощью специальных расходомерных устройств и характеристик пропускной способности гидротехнических сооружений и турбин ГЭС;
- объемный метод, основанный на фиксации времени наполнения мерных емкостей;
- дистанционные методы, основанные на применении ультразвука, электромагнитной индукции и т.д.
Систематические оценки расходов воды на гидрологических постах служат для определения ежесуточных объемов стока воды, для анализа его внутригодового распределения, определения максимальных и минимальных расходов, а также проводятся в рамках мониторинга крупных рек с целью предупреждения об опасных гидрологических явлениях, для накопления многолетних рядов величин речного стока, который является важнейшим климатическим индикатором. Расходы воды на гидрологических постах определяются таким образом, чтобы их результаты охватили весь спектр колебаний уровней. Это необходимо для построения кривой расходов и последующего вычисления стока воды. При установлении частоты и сроков измерения расходов придерживаются следующих рекомендаций гидрометеослужбы:
1) в весеннее половодье расход измеряется через равные интервалы уровней 4–5 раз в сутки на подъеме уровня и 7–8 раз на спаде;
2) в устойчивую межень делают одно измерение в сутки, а во время дождевых паводков – два-три измерения за сутки;
3) в зимнюю межень при устойчивом и длительном ледоставе расход воды измеряется один раз в 2 недели.
Четких временных сроков измерения расходов воды не существует. Строго говоря, измеряются не расходы воды, а скорости течения, которые затем так или иначе умножаются на площадь сечения русла – она, как указывалось выше, определяется по результатам промеров дна и геодезической съемки параметров русла и долины. На гидрологических постах расходы воды измеряются несколькими способами. В рамках данной статьи пособия мы подробно изложим только лишь метод «скорость–площадь», позволяющий наиболее точно измерить скорость течения.
Измерение расхода методом «скорость–площадь». Этот метод основан на измерении скоростей течения с помощью гидрометрических вертушек. Существует большое количество гидрометрических вертушек. Они различаются по ряду признаков: направлению оси вращения ротора (горизонтальное, вертикальное), устройству лопастного винта или ротора, устройству контактного и счетного механизма, способу опускания в воду. На гидрологических постах бывшего СССР чаще всего использовалась гидрометрическая вертушка ГР-21М. Она имеет лопастной винт диаметром 120 мм, обладающий хорошими компонентными свойствами. В настоящее время можно использовать любую гидрометрическую вертушку, точность которой соответствует таблице 2. Вертушка крепится на штангу и на трос с грузом, затем помещается в воду так, чтобы ее ось была перпендикулярна направлению створа. Принцип работы любой гидрометрической вертушки – взаимодействие потока и прибора.
При определении скорости используется зависимость между числом оборотов лопастного винта (ротора) в секунду и скоростью течения. В идеальном случае, т.е. при отсутствии трения и вязкости в жидкости, указанная зависимость выражается простым уравнением:
где
- скорость течения,
- число оборотов винта в секунду,
- геометрический шаг винта, равный шагу винтовой линии, совпадающий с внешней кромкой лопости.
Практически зависимость числа оборотов винта в секунду от скорости течения имеет более сложный вид из-за наличия гидравлических и механических сопротивлений. В общем виде уравнение зависимости выглядит так:
где
- параметры, определяемые для каждого из приборов в поверочных каналах.
В итоге, как и в случае с метеорологическими приборами, к каждой гидрометрической вертушке прилагаются график и таблица зависимостей числа оборотов винта от скорости. Измерение скоростей осуществляется на разных глубинах для того, чтобы оценить среднюю скорость течения, а также скорость течения в разных точках русла. При устойчивом русле промеры глубин проводятся одним ходом, обычно перед измерением скорости течения. На изученных створах при условии, что русло не деформируется, глубины можно определять через три-пять измерений расхода воды, т.е. во время половодья глубины придется промерять ежедневно, а во время летней межени – примерно один раз в пять дней. Для промежуточных расходов используются данные предыдущего промера с учетом разности уровней при промере и при измерении расхода воды. Промерные вертикали намечаются через равные расстояния в количестве 20–35. При неровном, загроможденном валунами русле количество промерных вертикалей увеличивается до 40–50.
Прежде чем приступить к измерению скоростей, определяют рабочую глубину вертикали, относительно которой рассчитываются глубины погружения вертушки в точках. Рабочей глубиной вертикали при свободном ото льда русле считается расстояние от дна до поверхности воды, а при наличии льда (шуги) – расстояние от дна до нижней поверхности льда (шуги). Измеренная рабочая глубина сравнивается с глубиной, полученной при промерах (см. выше). Если русло устойчивое и высота уровня воды не изменяется, то разница в глубинах не должна превышать удвоенной погрешности измерений (4–10 см). После определения рабочей глубины намечают положения точек. Измерение расхода воды выполняется с лодки вдоль натянутого троса. При многоточечном способе измерения скоростей в русле, свободном ото льда или растительности, измерение скорости проводят в пяти точках по вертикали, при условии, что рабочая глубина в 10 раз больше диаметра лопастного винта. Измерения выполняют у поверхности воды
(не менее чем в 0,15 м от поверхности, чтобы избежать влияния ветрового волнения, колебаний от плывущих по поверхности реки тел) на 0,2; 0,6; 0,8 рабочей глубины, и у дна
(не менее чем в 0,15 м от дна, чтобы избежать искажений, связанных с наличием донных гряд речных наносов, тел, лежащих на дне, и т.д.). В этом случае формула для определения средней скорости воды
на каждой из вертикалей будет следующей:
где
- поверхностная скорость течения;
- скорости течения на различных глубинах (0,2; 0,6; 0,8 рабочей глубины),
- придонная скорость.
Если в русле присутствует растительность или оно закрыто ледовым покровом, к пяти указанным точкам прибавляют шестую, на 0,4 рабочей глубины. Тогда формула для определения средней скорости будет выглядеть так:
В исключительных случаях проводят одноточечные измерения скорости на уровне 0,6 рабочей глубины в свободном русле и 0,5 при наличии льда или растительности. В этом случае средняя скорость приближенно определяется как
В этом случае эмпирический коэффициент
берется приближенно равным 0,9.
Средняя скорость
в отсеке между скоростными вертикалями вычисляется как полусумма полученных на них значений
и tex]V_j[/tex] . Для прибрежных отсеков водного сечения (от уреза воды до первой скоростной вертикали и от последней скоростной вертикали до уреза воды) средняя скорость принимается равной таковой на ближайшей к берегу вертикали, умноженной на коэффициент
, значения которого берутся в зависимости от характера берега следующими:
- пологий берег с нулевой глубиной на урезе – 0,7;
- естественный обрывистый берег – 0,8;
- гладкая бетонная или деревянная стенка – 0,9;
- наличие мертвых (застойных) пространств – 0,5.
В итоге частичные расходы
находят как произведения
, а полный расход
как сумму частичных расходов: . Таким образом, исходя из вышесказанного, расчетная формула для полного расхода через все «живое» сечение (рис.2) приобретает следующий вид:
,
где
– коэффициенты, учитывающие трение потока о берега в зависимости от их типа. Значения этих коэффициентов приведены выше;
– скорости течения на различных участках сечения русла,
– площади частичных сечений русла.
Значения расходов воды округляются следующим образом:
- при
до
;
- при
до трёх значащих цифр;
- при
до
;
- при
до
.
Кроме описанных методов, можно также измерять скорость интеграционным способом – путем плавного, но достаточно быстрого погружения вертушки вдоль рабочей глубины и определения числа оборотов за период погружения. В этом случае получают интегральную скорость по всей толще потока.
Измерение расхода с помощью поверхностных поплавков. Этот метод применяется при рекогносцировочных работах на реках, а также в периоды ледохода и шугохода, когда измерения вертушкой или затруднены, или даже недопустимы по правилам техники безопасности. Суть метода в определении средней скорости течения по нескольким поплавкам. Поплавки должны быть пенопластовыми, измерения проводятся при скоростях ветра менее 3 м/с. Следует отметить, что точность поплавковых измерений расхода воды намного ниже, чем измерений с помощью вертушки. Для измерения расхода с помощью поплавков выбирается прямолинейный участок реки с однообразными глубинами, шириной и продольным уклоном водной поверхности на протяжении трех-пятикратной ширины реки. По берегу параллельно основному направлению течения прокладывается магистраль, перпендикулярно к ней разбиваются три створа: верхний, средний, нижний. В 10 м выше от верхнего створа организуют пусковой створ, с которого осуществляется пуск 15–20 поплавков. Отмечая время прохождения от верхнего до нижнего створа, определяют скорость поверхностного течения поплавков. Поплавки необходимо погружать равномерно по всей ширине русла. Умножая площади отсеков между скоростными вертикалями на полусумму поверхностных скоростей, получают частичные фиктивные расходы
. Их сумма с учетом краевых коэффициентов
,приведенных выше, дает общий фиктивный расход воды
. Фиктивным он называется потому, что получен по данным о поверхностных скоростях и завышен по сравнению с действительным расходом
:
,
где
- переходный коэффициент, для которого рекомендована следующая зависимость:
,
,
где
– коэффициент Шези ,
– ускорение свободного падения.
Наиболее точно переходный коэффициент
определяется по данным детальных измерений расходов воды в каждом конкретном створе. Подобные измерения рекомендуется выполнять в характерные фазы режима по всей амплитуде колебаний уровней H, чтобы получить зависимость
, которая затем должна использоваться при поплавочных наблюдениях.
Измерение расхода способом смешения. Этот метод используется на бурных реках. Он основан на определении скорости перемешивания раствора-индикатора (как правило, поваренной соли) с помощью измерения электропроводности. Чаще всего этот метод применяется на горных реках.
Измерение температуры воды. Важнейшей гидрологической характеристикой является температура воды. В реках температура обычно измеряется два раза в сутки. Особенно важны измерения температуры водохранилищ и озер, поскольку от термического режима напрямую зависят биологические и химические процессы в водоемах. В горно-ледниковых озерах температурный режим важен с точки зрения селевой опасности. Температура воды обычно измеряется два раза в сутки – на поверхности воды и на нескольких глубинах (0,25; 0,5; 1; 2; 3 м). Число вертикальных уровней определяется глубиной водоема. Глубже уровня 10 м измерения обычно проводятся через 2 м, а глубже 25 – через 5 м.
Гидрометеорологический мониторинг в экосистемах ООПТ
Алтае-Саянского экорегиона. Методическое пособие /
Торопов П. А., Терентьев Б. А.; Всемирный фонд дикой природы (WWF России).
Проект ПРООН/ГЭФ/МКИ «Сохранение биоразнообразия в российской части
Алтае-Саянского экорегиона» – М., 2011. – 132 с.
