Гидрология и водные изыскания
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Гидрофизика. Гидрология
Автор:
Кабатченко Илья Михайлович
Год издания: 2015
Кол-во страниц: 92
Дополнительно
Курс лекций предназначен в качестве учебника по курсу «Гидрология и водные изыскания». В издании представлены краткие основы по теоретическому курсу гидрология. Лекции составлены в соответствии с программой курса «Гидрология и водные изыскания». Предназначены для студентов по направлению подготовки 270800.62 «Строительство» профиль «Гидротехническое строительство».
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 05.03.01: Геология
- ВО - Магистратура
- 05.04.01: Геология
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА КАБАТЧЕНКО И.М. ГИДРОЛОГИЯ И ВОДНЫЕ ИЗЫСКАНИЯ Курс лекций Альтаир–МГАВТ Москва 2015
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА КАБАТЧЕНКО И.М. ГИДРОЛОГИЯ И ВОДНЫЕ ИЗЫСКАНИЯ Курс лекций Альтаир–МГАВТ Москва 2015
УДК 626.01;556.537(075) И.М. Кабатченко. Гидрология и водные изыскания. Курс лекций.— М.: Альтаир–МГАВТ,— 2015, — 128 стр. Курс лекций предназначен в качестве учебника по курсу «Гидрология и водные изыскания». В издании представлены краткие основы по теоретическому курсу гидрология. Лекции составлены в соответствии с программой курса «Гидрология и водные изыскания». Предназначены для студентов по направлению подготовки 270800.62 «Строительство» профиль «Гидротехническое строительство». Рецензенты: д.т.н. профессор Г.И. Литвиненко Рекомендован к изданию Учебно-методическим советом МГАВТ. Рассмотрен и рекомендован к использованию в учебном процессе кафедрой Водных путей, гидротехнических сооружений, портов МГАВТ (протокол №3 от 21 ноября 2014 г.). Ответственность за оформление и содержание передаваемых в печать материалов несут авторы и кафедры, выпускающие учебно-методические материалы.
©МГАВТ, 2015 © Кабатченко И.М., 2015 Содержание Стр. ВВЕДЕНИЕ Лекция 1 Водные ресурсы России и их изученность. Краткие исторические сведения развития гидрологии. Кругооборот воды в природе. Водный баланс земного шара. Основные свойства воды. Климатические факторы, определяющие круговорот воды. 4 5 Лекция 2 Реки 17 Лекция 3 Водный режим. Виды колебаний водности рек 28 Лекция 4 Режим уровней воды. Тепловой и ледовый режим. Питание рек. 40 Лекция 5 Водный и уровенный режим рек, повторяемость и обеспеченность уровней и стока. Графики частоты и обеспеченности уровней и стока. 59 Лекция 6 Движение наносов 73 Лекция 7 Характеристики стока. Гидрологические расчеты 91 Лекция 8 Гидрология водохранилищ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 105 124
ВВЕДЕНИЕ Невозможно представить себе жизнь на земле без воды. Вода нужна всему живому на планете: людям, животным, растениям. Любые незначительные изменения в гидросфере земли могут привести к катастрофе и изменению климатических условий. Поэтому очень важно всегда знать о процессах, которые происходят в гидросфере, чтобы во время попытаться предотвратить катастрофу. Человек использует воду не только для бытовых нужд, но и в промышленности, для перевозок грузов и очень важно, чтобы можно было использовать водные объекты так чтобы не нанести вред гидросфере земли. Для наблюдения и изучения, а так же прогнозирования гидрологических процессов на нашей планете и создана наука — Гидрология. Гидрология — это наука, изучающая гидросферу земного шара. Она включает в себя океаны, моря, реки, озера, болота, ручьи, водохранилища, атмосферу и подземные воды. Гидрология — это достаточно сложная сеть знаний в различных областях науки: математики, физики, химии, географии, геологии и др. Испокон веков люди селились вблизи водных объектов, которые обеспечивали их не только водой, но и пищей, использовались для перевозок товара и налаживании торговых отношений с другими населенными пунктами. С развитием человечества, появились промышленность, строительство, электрификация, что привело к увеличению потребления воды, развитие городов, которые становились мегаполисами, требующими больше и больше воды. В настоящее время дальнейшее развитие человечества требует все большого количества воды. Гидрологические изыскания и исследования направлены на то, чтобы рационально, не нанося вред окружающей среде использовать водные ресурсы нашей планеты. Неправильное их использование может привести к катастрофе и вымиранию всего живого. Важным направлением использования водных ресурсов является перевод кинетической и потенциальной энергии рек в электрическую, что привело к строительству ГЭС. Перевозки, осуществляемые по рекам, озерам и водохранилищам требуют все больших и больших глубин с увеличением тоннажа судов, что требует углубления таких водных объектов в местах движения судов. Неграмотное улучшение судового хода может привести к просадкам уровней, что влечет за собой обмеление рек, заиление озер и водохранилищ. Поэтому изучение и грамотное применение знаний гидрологии является практически основой безопасной жизнедеятельности человека. В ниже приведенном курсе лекций даны теоретические основы знаний гидрологии по темам: «Водный баланс, реки, питание и режим рек, сток рек, характеристики стока, питание рек, гидрологические расчеты, характеристики водохранилища, гидрометрия».
ЛЕКЦИЯ 1 ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ РОССИИ И ИХ ИЗУЧЕННОСТЬ. КРАТКИЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ РАЗВИТИЯ ГИДРОЛОГИИ. КРУГООБОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ. ВОДНЫЙ БАЛАНС ЗЕМНОГО ШАРА. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ВОДЫ. КЛИМАТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ КРУГОВОРОТ ВОДЫ Вода — это жизнь. Когда астрономы ищут жизнь на других планетах, они ищут воду. Сейчас в эпоху дефицита промышленного сырья преобладают локальные войны или правительства как-то договариваются об их перераспределении. В эпоху дефицита воды (а его предсказывают многие экологи) — конфликты будут бескомпромиссные. Гидрология — это наука, изучающая гидросферу, включая океаны и моря, реки, озера, болота, почвенные и грунтовые воды, снег и ледники, влагу атмосферы, а также ее свойства и протекающие в ней процессы и явления во взаимосвязи с атмосферой, литосферой (земной корой) и биосферой. Название науки о воде гидрология образовалось из двух греческих слов «гидор» — вода и «логос» — знание, наука. Гидрология в настоящее время делится на две большие научные области: гидрологию суши и океанологию. Гидрология суши в свою очередь делится на гидрологию поверхностных вод суши (гидрологию рек, озер, водохранилищ, болот, ледников) и на гидрологию подземных вод (гидрогеологию). Основное внимание в настоящем курсе лекций будет уделено гидрология суши и ее важнейшему приложению гидрологию рек. Россия — страна рек. Население традиционно селилось на берегах рек. Трудно представить Русскую деревню без речки. Первые города появилась благодаря рекам — на водном пути из варяг в греки, который пролегал через Русскую равнину. На ее центральной части лежит водораздел в виде нескольких возвышенностей, на которых находятся истоки для большого
количества рек, одна часть из которых течет на запад в Балтийское море, а другая на юг и юго-восток и впадает соответственно в Черное и Каспийское моря. Речной путь лежал через Неву — Ладожское озеро — Волхов — оз. Ильмень и далее через впадающие в него реки, самая большая из которых — Ловать. В районе Смоленско-Московской возвышенности лодки перетаскивали в притоки Днепра или Волги. Места, где лодки из одной реки волокли в другую, назывались волоками, например Волоколамск. Московское княжество контролировало большую часть из этих волоков, что стало одной из причин его возвеличивания и превращения Москвы в столицу России. Россия по своим водным ресурсам, т. е. по суммарному годовому стоку рек, занимает первое место в мире. Такие реки, как Енисей, Лена, Обь. Амур, Волга, принадлежат к числу крупнейших на земном шаре. В пределах России расположены самый большой пресноводный водоем земного шара — озеро Байкал и крупнейшие озера Европы — Ладожское и Онежское. Допетровские времена. Начиная с Х11 в. В русских летописях появляются описания водных путей, в которых отмечаются наводнения и мелководья рек, сроки вскрытия и замерзания рек и озер и т.д. Такие записи имеются в Нестеровой летописи и новгородских писцовых книгах. В августе 1700 году был впервые измерен, расход воды на реке Волге у города Камышин. С 1709 г. начала действовать Вышневолоцкая водная система, соединяющая Волгу с Балтийским морем. Первый водомерный пост был установлен на реке Неве у Петропавловской крепости в 1715 г. До Великой Октябрьской революции. В 1899 г. организовано управление водных путей министерства путей сообщения, которое продолжило изучение рек России. Гидрология стала делом государственной важности. В первые годы после Революции. С началом периода восстановления 1921–1925г. исследования водных ресурсов страны начало развиваться очень интенсивно. Связано это с организацией в широком масштабе плана ГОЭРЛО.
После Великой Отечественной войны. В послевоенное время принимались решения правительства, связанные с водохозяйственным строительством, выполнение которых, требовало дальнейшего развития гидрологии. В настоящее время гидрология развивается в системе институтов РАС, метеослужбы, министерства образования, окружающей среды, путей сообщения и т.д. КРУГООБОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ Основная часть воды находится в Мировом океане — 1370 млн. км3. Воды суши составляют 84 млн. км3, в атмосфере в парообразном и взвешенном состоянии сосредоточенно 12 млн. км3 влаги. Вся эта влага находится в интенсивном перераспределении — кругообороте. Основные причины этого кругооборота испарение (сила плавучести поднимает воду вверх, так как пар легче воздуха) и конденсация. Она приводит к выпадению осадков и стоку рек, который благодаря силе тяжести возвращает воду обратно в океаны. Рис.1 Составляющие водного баланса: Х0 — средние годовые осадки, выпадающие на поверхность океанов; Хс — среднегодовые осадки, выпадающие на поверхности суши; Z0 — среднегодовое испарение с поверхности океанов; Zс — среднегодовоеиспарение с поверхности суши; Y —сток реки. Вода, испаряющаяся с материков, это в большой степени осадки океанского происхождения. В отдаленных от океанов районах суши осадков значительно меньше, чем на побережье. В геологической истории Земли существовал континент . Гондвана обладала огромными размерами и состояла из современных материков Африка, Южная Америка, Антарктида, Австралия, а также из острова Индостан. В Гондване в центральных районах
осадков не было совсем. Часть воды, испарившаяся с поверхности океана, выпадает непосредственно над ним, и, следовательно, возвращается снова в океан, совершив, таким образом, малый круговорот. Водный баланс земного шара. Ежегодно с поверхности морей и океанов испаряется количество воды, равное количеству выпадающих на них осадков плюс речной сток Z0 = Х0+Y С поверхности суши за год в среднем испаряется столько воды, сколько выпадает на нее осадков, за вычетом воды, стекающей в моря и океаны Zс=ХС-Y Объединив эти уравнения, получим общее уравнение водного баланса для земного шара Z0+Zс = Z =Х0+ХС = X Сумма испарения воды с поверхности океанов и морей и суши равна сумме осадков, выпавших на поверхность морей, океанов и суши. Баланс между осадками и испарениями существует только для всего земного шара в целом. В каждом конкретной точке суши существует дисбаланс (V), который для суши определяется по формуле: V=X-Z-Y. V имеет размерность объема воды за время Т. V меняется не только по пространству, но и во времени Это приводит к обводнению территорий или их осушению. Основная причина измерений — непостоянство атмосферной циркуляции и морских течений.
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ВОДЫ Вода состоит из 11.11 % водорода и 88.89% кислорода (по весу). Рис.2 Строение молекулы воды Каждая молекула воды, обладающая двумя положительными и двумя отрицательными зарядами, способна образовать четыре так называемые водородные связи, т. е. соединения положительно заряженного ядра водорода (протона), химически связанного в одной молекуле, с отрицательно заряженным атомом кислорода, принадлежащим другой молекуле. Наиболее упрощенное представление о молекулярной структуре воды заключается в следующем. Водяной пар состоит преимущественно из мономерных (одиночных) молекул воды, т. е. водородные связи практически не реализуются. В твердом состоянии (лед) строение воды в высокой степени упорядочено. В кристаллах льда молекулы воды составляют гексагональную систему с прочными водородными связями. Вода в жидком состоянии занимает промежуточное положение между паром и льдом. В такой воде сохраняются элементы «льдоподобного» молекулярного каркаса, а его пустоты частично заполняются одиночными молекулами. Поэтому «упаковка» молекул в воде,
находящейся в жидком состоянии, более плотная, чем у льда, и плавление льда приводит не к уменьшению, а к «аномальному» увеличению плотности воды. Рис.3 Диаграмма состояния воды. I–VIII — разные модификации льда При разном давлении температура плавления и испарения разные. При давлении 610 Па и температуре 0,01 °С вода может устойчиво находиться сразу в трех фазовых состояниях: газообразном, жидком и твердом. При давлении меньше 610 Па жидкой фазы не существует.