§ 36. Режим уровней и расходов воды

Уровнем, дли горизонтом воды в реке называют высоту стояния поверхности воды над некоторой условной точкой, именуемой нулем графика. Нуль графика назначают так, чтобы он был ниже самого низкого уровня в данном месте реки; при этом условии значения уровней всегда положительные.

Н аблюдения за колебаниями уровней воды в реке ведут на водо­мерных постах и гидрометрических станциях.

Колебания уровней в реке обусловливаются различными при­чинами, но главная — изменение метеорологических условий, в свою очередь изменяющих характер питания реки.

По типу питания реки бывают поверхностного и под­земного питания. К первому относят реки снегового, дожде­вого и ледникового питания; ко второму — реки грунтового и подземного питания. Строго говоря, все реки имеют сме­шанное питание, но поскольку какой-то один или два вида в них оказываются преоблада­ющими, то именно к такому типу их и относят. Так, в реках Европейской части СССР и За­падной Сибири за период весеннего половодья, т. е. за период снеготаяния, протекает

50—80% годового стока; их считают реками снегового питания. Реки Южного Кавказа и Дальнего Востока получают в основном дожде­вое питание, реки Средней Азии — ледниковое питание; реки Ку­бань, Дунай примерно в равной степени получают дождевое и сне­говое питание, поэтому их называют реками смешанного пи­тания.

Наблюдением за характером колебаний уровней в реке в течение года можно заметить периодичность (фазы) как в смене уровней, так и в чередовании определенных явлений. Так, на реках ледни­кового питания довольно четко прослеживается суточный цикл колебаний уровней: днем в результате интенсивного таяния в горах льда и снега уровни воды повышаются; с наступлением ночи уровни падают. При значительном расстоянии створа от зоны таяния лед­ников может происходить смещение колебаний уровня во времени. Сезонные колебания уровней естественны для всех рек поверхност­ного питания. Например, на реках снегового питания (рис. 58) вслед за зимним периодом наступает весеннее половодье, отличаю­щееся значительной высотой уровней Н и большими колебаниями их от года к году.

Высота уровня весеннего половодья зависит от запаса воды в снеге, от интенсивности таяния, состояния почвы, от наличия осадков в период снеготаяния и др. Прохождение поло­водья характеризуется быстрым подъемом уровня воды и более продолжительным спадом; дату конца весеннего половодья обычно трудно установить; на малых реках за период половодья проходит до 90—95% стока.

Весеннее половодье сменяется летне-осенней меженью — перио­дом, когда река имеет преимущественно грунтовое питание. Этот период отличается большим постоянством стояния низких уровней, что позволяет использовать их для решения ряда специальных задач (нивелирование уровней воды, составление продольного про­филя реки и др.). Меженный уровень иногда называют бытовым. На крупных реках сток за период летней межени составляет около 30%. Некоторые реки, особенно среднеазиатские, в межень пере­сыхают.

Для осеннего периода характерно преобладание дождей — облож­ных и ливней, что ведет к паводкам. Этот период для равнинных рек наступает в августе—октябре и на графике ежедневных уровней отмечается в виде отдельных пиков, возвышающихся над меженным уровнем. Границы дождливого периода, как правило, трудно уста­навливаются.

В местности, где уклоны рельефа превышают 0,1 (6°) и грунты представлены разновидностями глинистых пород, в дождливые периоды могут быть явления, весьма опасные для целостности соору­жений — селевые потоки. Обильно выпавшая влага впи­тывается и размягчает грунт, устремляется в понижения рельефа и захватывает продукты выветривания горных пород, а также ку­старники, деревья и все, что попадается на ее пути. Эта движущаяся вода, перемешанная с грунтом, имеет большую разрушительную силу и сносит на своем пути мосты, дорожные насыпи, жилые и дру­гие строения. Сели наиболее распространены в Закавказье и Сред­ней Азии (район г. Алма-Аты).

Зимний период на реке характеризуется довольно низ­кими уровнями, обусловленными преимущественно грунтовым пита­нием. В зимнем режиме рек различают три периода: замерзание, ледостав и вскрытие. Каждому из названных периодов свойственны различные виды ледовых явлений: забереги, сало, внутриводный лед, ледостав, ледоход, заторы и т. п.

Реки умеренного пояса и северные реки Союза ССР покрыты льдом 7—9 мес. Суточное увеличение толщины льда зависит в основ­ном от величины отрицательных температур воздуха и на реках Европейской части СССР оно составляет 2—3 см, а на реках Сибири — 5-— 7 см.

Лед оказывается серьезной помехой при эксплуатации гидро­технических сооружений; он нарастает на сороудерживающих решетках, препятствует входу воды в турбинные водоводы и разрушает водосбросные сооружения.

Для характеристики режима уровней составляют ведомости (табл. 6) и строят график (рис. 59) повторяемости (частоты) и про­должительности (обеспеченности) уровней. Кривая продолжи­тельности уровней показывает количество дней, в течение кото­рых уровень воды не опускался ниже определенного значения. Эти кривые используют при расчетах водоснабжения, орошения, судоходства, при гидротехническом строительстве.

Кривая повторяемости позволяет установить наи­более часто повторяющиеся уровни за тот или иной отрезок времени.

Эта кривая является типичной асимметричной кривой, наиболее характерной для большинства гидрологических явлений.

Наблюдения показывают, что режимы уровней и расходов воды совпадают. Действительно, чем больше высота уровня в реке, тем больше живое сечение, больше скорость течения и, следовательно, больше расход воды. В связи с этим появляется естественное желание установить связь Q = f (H) между расходом воды Q и высотой уровня Н, так как это дало бы возможность освободиться от трудов емких работ по измерению скорости течения и площади живого сечения и по одним лишь отсчетам уровня на водомерном посту устанавливать расход воды в любой момент времени. Имеется много причин, нарушающих связь между уровнями и расходами, т. е. при равных уровнях воды расходы оказываются разными. Так, при одинаковых уровнях: зимой и летом, в начале и в конце лета, при подъеме уровней и спаде, расходы разные, так как при равных площадях живых сечений скорости течения в названные моменты различные. Поэтому зависимость Q= f(Н) распространяют только на период, когда река свободна от льда или на период открытого русла, связывая обычно наиболее высокие уровни с наибольшими расходами в периоды паводков и половодий.

Для установления более или менее надежной связи между Q и Н требуется около 70 определений расходов в год при разных уров­нях и нужно располагать этими величинами за 5—10-летний период.

На графиках в дополнение к кривым Q =f(H) (рис. 60) при­водят также кривые и . Эти кривые, помимо контроля основной кривой, помогают точнее экстраполировать кривую расходов на более высокие уровни.

Поскольку режим уровней и расходов совпадают, то и

годовой график (рис. 61) еже­дневных расходов (гидрограф) по характеру идентичен гра­фику уровней.

Гидрограф определяет J водность реки, запасы ее вод­ной энергии. Если планиметром определить площадь, ограни­ченную кривой гидрографа и координатными осями, и умно­жить ее на число секунд в сут­ках (86 400), то можно получить суммарный объем годового стока, т. е. то количество воды, которое протекает через данное живое сечение в год.

Для характеристики режима расходов строят (аналогично уров­ням рис. 59) кривые повторяемости и обеспеченности расходов.

При проектировании гидротехнических, сооружений и, в част­ности, при проектировании водосбросных сооружений (водосливы плотин, каналы, гидротоннели) важно знать величины некоторых так называемых характерных расходов. К ним относятся: наивысший годовой, наивысший осеннего ледостава, наивыс­ший расход летних и осенних паводков. Для водоснабжения и мелио­рации существенно знание наинизшего летнего и наинизшего зим­него расходов.