Гидрология

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО 

ТРАНСПОРТА

М.А. САХНЕНКО

ГИДРОЛОГИЯ 

Альтаир - МГАВТ

Москва

2010

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО 

ТРАНСПОРТА

М.А. САХНЕНКО

ГИДРОЛОГИЯ

Учебное пособие

Альтаир - МГАВТ

Москва

2010

Сахненко Маргарита Александровна

ГИДРОЛОГИЯ

Учебное пособие для студентов вузов

Компьютерная верстка: Михайлик Е.В.

Подписано в печать ___________2010

Формат 60х90/16. Объем 7,75 п.л.

Заказ № _________ Тираж ______ экз.

Альтаир – МГАВТ

Московской государственной академии водного транспорта

117105 г. Москва, Новоданиловская наб., д.2, корп. 1

УДК626.01;556.537(075);551.4

М. А. Сахненко., Гидрология. Учебное пособие. Альтаир-МГАВТ, М., 2010г. 
–с 127. илл.52., табл. 1.

В учебном пособии излагаются сведения о водных объектах суши, их гидрологиче
ские, морфологические, динамические характеристики, а так же некоторые способы водных 
исследований и методики инженерных гидрологических расчетов. При обширности программы и ограниченности размера курса некоторые вопросы гидрологии в пособии изложены кратко, либо не рассматриваются вовсе. Учебное пособие написано в соответствие с рабочей программой дисциплины «Гидрология» и предназначено для студентов очной и заочной форм обучения специальности 270104 «Гидротехническое строительство».

Рецензент – декан факультета «Водных путей, портов и портового оборудования» МГАВТ, к. т. н., доцент И. В. Костин 

Издается по решению учебно-методического совета МГАВТ

Рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании кафедры «Водных путей и портов» (протокол № 54 от 23.03.2010 г.).

Ответственность за оформление и содержание передаваемых в печать 

материалов несут авторы и кафедры академии, выпускающие учебнометодические материалы.

© МГАВТ, 2010
©Сахненко М.А., 2010

СОДЕРЖАНИЕ

Введение
6

1.
Водный баланс водоемов и водотоков
8

1.1.
Водные ресурсы России и их изученность. Краткие исторические сведения развития гидрологии

8

1.2.
Климатические факторы, определяющие круговорот воды
8

1.3.
Кругооборот воды в природе
10

1.4.
Основные свойства воды
11

2.
Реки
12

2.1.
Гидрографическая сеть
12

2.2.
Речной бассейн 
14

2.3.
Формирование поперечного и продольного профилей рек 
17

3.
Питание и режим рек
19

3.1.
Механизм движения воды в реках
19

3.2.
Движение воды
21

3.3.
Распределение скоростей в речном потоке
22

3.4.
Режим уровней воды
23

3.5.
Питание рек
26

3.6.
Водный и уровенный режим рек, повторяемость и обеспеченность уровней. Характеристики уровенного режима  

28

3.7.
Графики частоты и обеспеченности уровней. Гидрографы
28

4.
Сток
30

4.1.
Речной сток
30

4.2.
Работа реки, характеристики наносов
32

5.
Характеристики стока и их определение
38

5.1.
Колебания стока как случайный процесс
40

5.2. 
Основные понятия теории вероятностей и математической 
статистики. Кривые распределения

41

5.3.
Интегральные и дифференциальные функции распределения 
вероятностей. Функции обеспеченности

42

5.3.1.
Параметры функции распределения 
43

5.3.2.
Функция обеспеченности
48

5.3.3.
Функция распределения вероятностей 111 типа Пирсона 
48

6.
Гидрологические расчеты
49

6.1
Норма стока и ее определение по удлинению рядов наблюдений

49

6.2.
Максимальные расходы воды
56

6.3.
Минимальный расход воды
57

6.4.
Модель расхода. Элементарные расходы. Средняя скорость 
на вертикали

57

6.5.
Вычисление секундного расхода, проходящего через гидрометрический створ

59

6.6.
Определение условного среднего рабочего уровня
60

6.7.
Связь расходов и уровней воды 
60

6.8.
Расчет расхода наносов
63

6.9.
Движение взвешенных наносов
63

6.10.
Движение влекомых наносов
65

7.
Основные характеристики водохранилищ
65

7.1
Водный баланс водохранилищ
66

7.2
Гидрологический режим водохранилищ
67

7.3.
Особенности режима зоны переменного подпора и рек, втекающих из водохранилищ

67

7.4.
Наблюдения за  течением и движением наносов
69

8.
Гидрометрия
70

8.1.
Классификация водных исследований и связь их с проектированием, строительством и путевыми работами

70

8.2.
Публикации гидрологических данных
71

8.3.
Организация гидротехнических изысканий в России
71

8.4.
Составление программ работ и инструкций. Планирование 
работ

72

8.5.
Водомерные наблюдения
73

8.6
Приведение материалов полевых работ к срезочному уровню 
и вычисление срезки

74

8.7.
Геодезические и топографические работы 
75

8.7.1.
Проложение опорной сети 
75

8.7.2.
Триангуляция
76

8.7.3.
Полигонометрия 
77

8.7.4.
Нивелирование
79

8.7.5.
Нивелирование уровня воды
79

8.7.6.
Масштабы съемок 
80

8.8.
Промеры глубин
80

8.8.1.
Приборы для промеров глубин
80

8.8.2.
Способы производства промеров глубин
82

8.9.
Траление
90

8.10.
Способы координирования промерных работ
91

8.11.
Наблюдения за течением и расходами воды 
93

8.11.1. Способы определения скоростей течения и расходов воды 
93

8.11.2.
Выбор гидрометрических створов
94

8.11.3.
Оборудование гидрометрических створов
95

8.12.
Определение условного среднего рабочего уровня
95

8.12.1.
Ведомость расходов
96

8.12.2. Поверхностные поплавки
96

8.12.3. Вычисление расхода
97

8.12.4. Глубинные поплавки
98

8.13.
Определение скоростей течения и расходов посредством 
других приборов

98

8.13.1. Прибор батометр-тахиметр
98

8.13.2. Определение расходов воды посредством водосливов и гид
рометрических лотков

99

8.14.
Наблюдения за наносами
99

8.14.1. Приборы для взятия проб взвешенных и влекомых наносов
99

8.14.2. Вычисление расхода  взвешенных наносов
103

8.14.3. Измерение и вычисление расхода влекомых наносов при ис
пользовании донных батометров

105

8.15.
Наблюдения за термическим режимом рек. 
107

8.16.
Специальные наблюдения на водоемах
108

8.16.1. Гидробатометрические исследования
108

8.16.2. Геологические исследования
108

8.16.3. Геоморфологические исследования
108

8.17.
Гидрологические прогнозы
108

8.17.1. Состав гидрологических прогнозов для речного транспорта
109

8.18.
Оформление результатов исследований
110

8.19.
Русловые исследования 
111

8.19.1. Изучение характера свободной поверхности воды 
112

8.19.2. Наблюдения за расходами воды и течениями потока
113

8.19.3.
Исследования наносов и донных отложений
114

8.20.
Изыскания для лабораторных гидротехнических исследований

116

8.20.1. Отчетные документы
117

9.
Наблюдения и исследования на гидротехнических сооружениях

117

9.1.
Организация и состав работ 
117

9.2.
Разбивка сооружений. Точность разбивки 
118

9.3.
Разбивка тоннелей
120

9.4.
Высотная разбивка сооружений. Опорная высотная сеть. Реперы

120

9.5.
Наблюдения за перемещениями сооружения
120

9.5.1.
Осадки бетонных сооружений
121

9.6.
Гидрологические наблюдения на ГТС
122

9.7.
Наблюдения за портовыми ГТС 
122

Список литературных источников
123

ВВЕДЕНИЕ

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 гидрологию моря. Гидрология моря занимается водами 
океанов и морей и называется океанографией или правильнее сказать океанологией. Гидрология суши в свою очередь делится на гидрологию поверхностных 
вод суши (гидрологию рек, озер, водохранилищ, болот, ледников) и на гидрологию подземных вод (гидрогеологию).Гидрология рек в свою очередь называется – потамологией («потамос» – греч. река) или рековедением. Гидрология озер 
– лимнология («лимнос» – греч. озеро). Гидрология подземных вод – гидрогеологией, в виду тесной связи этого рода вод с геологическим строением верхней 
коры земной поверхности. Раздел гидрогеологии изучающий почвенные воды и 
близкие к поверхности суши называют – гидропедологией, раздел занимающийся водами в твердом виде – глациологией.

Область гидрологии занимающаяся круговоротом воды в атмосфере, на
чиная с испарения и заканчивая выпадением осадков на поверхности земли, носит название гидрометеорология. Заметим, что все водные процессы, происходящие в атмосфере, тесно связаны с общими метеорологическими процессами и 
частью входят в состав общей метеорологии.
Наука гидрология в свою очередь делиться на следующие части:

Гидрономия – изучает общие свойства воды как вещества.
Гидрология – рассматривает типичные явления в жизни воды и выясняет 

причинную связь и их взаимодействие с различными комплексами внешних условий и с различным чередованием этих комплексов во времени и пространстве.

Гидрография – описывает определенные действительные объекты водно
го мира с качественной и количественной характеристикой их положения, размеров, режима и местных условий.

Гидрометрия и инженерная гидрология – содержит методику получения и 

обработки материалов, связанных с режимом водных объектов.

Область применения гидрологии

Зависимость развития гидрологии от хозяйственного использования вод во
обще и от роста гидротехнического строительства  в  особенности определяется 
тесная связь гидрологии с практикой водохозяйственного строительства. Особенно важно для правильной организации водного хозяйства страны и для проведения гидротехнического строительства решение следующих проблем, освещаемых современной гидрологией:

1. гидрографическое описание, представляющее собой начальную ступень в 

изучении водоемов и предназначенное для предварительного проектирования и перспективы планирования использования водных ресурсов;

2. оценка водных запасов и водного баланса отдельных конкретных объектов;
3. расчет максимальных и минимальных и других характеристик расходов 

воды, внутригодового распределения и иных характеристик режима рек;

4. расчет испарения с проектируемых водохранилищ и с поверхности реч
ных бассейнов;

5. оценка эрозионной деятельности рек и условий формирования русла. 

Расчет заиления в/х.

6. характеристика температурных, ледовых условий и химических свойств 

потока и учет их влияния на работу гидротехнических сооружений;

7. прогнозы всех основных элементов гидрологического режима (уровни, 

расходы, вскрытие  и замерзание и пр.);

8. установление влияния, оказываемого искусственными сооружениями на 

режим водоема, с целью определения вероятных условий, в которых будет работать сооружение.

Гидрология дает ответы  на такие важные  вопросы, которые приходится 

решать в этом сложном деле: сколько можно взять воды из реки на орошение, 
сколько воды бесполезно испариться, сколько воды можно использовать для 
получения гидравлической энергии, как измениться режим водотоков после 
осуществления плана преобразования природы, как будет влиять режим шлюзования на водный баланс в/х и канала и др.

1 Водный баланс водоемов и водотоков

1.1.
Водные ресурсы России и их изученность. 

Краткие исторические сведения развития гидрологии

В изучении вод России можно выделить несколько периодов.
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. С1709 г. начала 
действовать Вышневолоцкая водная система, соединяющая Волгу с Балтийским морем. Первый водомерный пост был установлен на реке Неве у Петропавловской крепости в 1715г.

До Великой Октябрьской революции. В 1899 г. организовано управление 

водных путей министерства путей  сообщения, которое продолжило изучение 
рек России.

В первые годы после  Революции 1918-1920г. в связи с общим упадком на
родного хозяйства исследования рек, озер значительно сократилось. 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 принима
лись решения правительства, связанные с водохозяйственным строительством, 
выполнение которых, требовало дальнейшего развития гидрологии.

1.2. Климатические факторы, определяющие круговорот воды 

Основным фактором, определяющим  общую величину стока и его рас
пределение по периодам года, а также влагооборот в отдельных областях, является климат (температура, влажность и давление воздуха, испарение и осадки).

При исследовании же режима конкретных водных объектов, расположенных 

в пределах сравнительно малых пространств, наиболее тщательно должны быть 
исследованы температурные условия и процессы испарения и выпадения осадков, оказывающие наибольшее влияние на режим водоемов суши.

Нагревание атмосферы осуществляется непосредственно солнечными 

лучами (радиацией) лишь в малой степени (14%), основное же количество тепла, определяющее температуру воздуха и ее изменение во времени, идет от поверхности земли (43%), нагретой тепловой энергией солнца. Влияние температуры воздуха и почвы сказывается  на размеры и величину стока  и влагооборот 
не непосредственно, а преимущественно через изменение  величины испарения.

Испарение. Процесс испарение это переход воды из жидкого состояния в 

парообразное. Испарение происходит непрерывно до момента предела насыщения атмосферы, затем испарение прекращается. Предел насыщения изменяется 
в зависимости от температуры. Чем выше температура тем большее количество 

водяных паров может вместить в себя атмосфера.  Характеристикой показывающей количество водяных паров в атмосфере является влажность воздуха.
Величину испарение воды с влажной почвы определяют многие факторы прежде всего физикогеографические: пропитанность влагой породы, сила ветра, 
рельеф местности, температура воздуха, растительность и леса, озерность и заболоченность местности.

Влажность воздуха характеризуется следующими величинами: Абсо
лютная – количество водяных паров содержащихся в 1 м3 воздуха и Относительная влажность. Относительная влажность выражается отношением находящегося в воздухе количества водяных паров к тому количеству, которое необходимо для его насыщения при данной температуре.. Величина, определяемая как  разность между количеством пара, насыщающимся в воздухе, называется дефицитом влажности. Дефицит влажности определяется по формуле:

2

2

2
09
.0
dt

E
d
A
d
D



(1.1),

где 
2

2

dt

E
d

- интенсивность изменения упругости пара при изменении температуры, опреде
ляемая по таблицам и номограммам составленным Э.М. Ольдекопом
d = E –e – дефицит влажности, вычисленный по среднемесячным значениям E и е.

А – разность  между максимумом температуры по срочным наблюдениям и средней ме
сячной температурой;
Е – упругость пара
е – абсолютная влажность.

Таким образом, физическая суть круговорота воды заключается в сле
дующем: Процесс испарения состоит в том, что вода из жидкого или твердого 
состояния превращается в газ. Процесс испарения можно представить следующим образом. Молекулы воды, находясь в непрерывном движении; двигаясь во 
всевозможных направлениях с различными скоростями, преодолевают силу 
молекулярного притяжения и отрываются от поверхности, переходят в воздух. 
С повышением температуры скорость движения молекул возрастает, а значит, 
увеличивается число молекул воды, которые могут отделиться от поверхности 
воды и перейти в газообразное состояние и испарение происходит интенсивнее. 
Интенсивность испарения зависит от температуры воздуха, чем она выше, тем  
интенсивнее идет испарение, от турбулентного перемещения воздушных масс, 
которое в свою очередь увеличивается с увеличением скорости ветра.

Если массы воздуха с некоторым запасом водяных паров попадают в 

верхние слои атмосферы, где температура значительно ниже наземных, создаются условия, при которых относительная влажность паров превышает предел  
насыщения. В этом случае дальнейшее охлаждение повлечет за собой образование пара, переход его в воду (или кристаллы и снег) – происходит конденсация водяных паров, и выпадением осадков. 

Образование осадков объясняется наличием восходящих токов воздуха. 

Кроме того, водяные пары выделяются непосредственно из воздуха на поверх

ности земли в виде росы, инея и изморози. В зависимости от характера выпадения различают ливневые (обильные осадки, продолжающиеся короткое время 
на небольшой территории), обложные (мелкие осадки идущие продолжительное время и охватывают большие районы) и моросящие (взвесь водяных паров 
в воздухе, могут быть достаточно продолжительными и охватывают небольшие 
территории) осадки.

1.3. Кругооборот воды в природе

Часть воды, испарившаяся с поверхности океана, выпадает непосредст
венно 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

Е0 = х0+y
(1.2).

С поверхности суши за год в среднем испаряется столько воды, сколько 

выпадает на нее осадков, за вычетом воды, стекающей в моря и океаны

Ес=хс-y
(1.3).

Объединив эти уравнения, получим общее уравнение водного баланса для 

земного шара:

Е0+Ес =х0 +хс
(1.4).

Сумма испарения воды с поверхности океанов и морей и суши равна 

сумме осадков, выпавших на поверхность морей, океанов и суши.

где Х0 – средние годовые осадки, выпадающие на поверхность океанов;

Хс – среднегодовые осадки, выпадающие на поверхности суши;
Е0 – среднегодовое испарение с поверхности океанов;
Ес – среднегодовое испарение с поверхности суши;
Y –сток реки.

8

3       4

3        4

1        2              5     6 
7

7

Рис.1. Круговорот воды в природе:1 -испарения с океана; 2- осадки в океан; 3- осадки на сушу; 4- испарения с суши; 5- поверхностный и подземный сток; 6- речной сток; 7- подземный 

сток в реки; 8- влагообмен через атмосферу.

1.4. Основные свойства воды

Из общей площади земного шара Мировой океан занимает 70.5% , а суша 

29.5%. По приблизительным подсчетам, одновременный запас воды в руслах 
рек земного шара составляет 1200 км3, а в озерах –750000км3. Годовой объем 
речного стока всего земного шара по данным М.И. Львовича приблизительно 
равен 37000км3.

Вода состоит из 11.11 % водорода и 88.89% кислорода (по весу). Чистая 

вода без примесей почти не проводит электрический ток. Температура замерзания дистиллированной воды принята 00С градусов, температура кипения –
1000С градусов. В противоположность почти всем другим веществам, вода имеет небольшую плотность при температуре 40С градуса. При переходе воды из 
жидкого состояния в твердое, плотность скачкообразно изменяется и уменьшается (плотность воды при 0 градусов 0.999, а образовавшегося льда 0.917). Вода 
характеризуется большей теплоемкостью по сравнению с другими веществами,     
Вода характеризуется большей теплоемкостью по сравнению с другими жидкими веществами, т.е. для нагревания воды требуется затратить тепловой энергии больше, чем для нагревания до той же температуры другой жидкости. Так 
же как плотность теплоемкость изменяется в соответствии с изменениями температуры. 

Резкое увеличение объема воды при переходе из жидкого состояния в 

твердое связано с уменьшением плотности.

Вода по сравнению со многими веществами имеет малую теплопровод
ность. При температуре 200С теплопроводность воды составляет 0,00143 кал/см 
сек, теплопроводность льда составляет 0,0054 кал/см сек (приблизительно такая