Продольный профиль и уклон реки
Продольный профиль реки показывает изменение высотных отметок уровня воды в реке или дна реки или лога по их длине.
Продольный профиль строится на основании данных о протяженности отдельных характерных участков реки и высотных отметок границ этих участков.
Границами участков могут быть места резкого увеличения или уменьшения глубин, пороги, перекаты, острова, устья притоков, места появления подпора, изменения ширины русла и др.
Высотные отметки урезов воды, определенные при обследовании, приводятся к так называемому мгновенному уровню. Мгновенным называется уровень в один и тот же момент времени для всех точек определения. Приводка осуществляется по данным водомерных постов.
Продольный профиль может быть построен по топографической карте. На карте по реке измеряются расстояния от устья до всех пересекающих реку горизонталей и других точек с нанесенными высотными отметками. Снимаются отметки всех горизонталей и определяются отметки истока и устья реки. По всем этим данным строится продольный профиль реки (рисунок 2).
По горизонтальной оси откладываются расстояния от истока до границ характерных участков или мест пересечения реки горизонталями и положение других точек с известными отметками, по вертикальной оси - высотные отметки. Полученные точки соединяются прямыми отрезками.
Уклоном называется отношение разности высотных отметок в начале и конце участка, называемой падением, к длине участка. Уклон обычно выражается в относительных единицах. Иногда употребляется выражение уклона в промиллях (‰), что означает падение, выраженное в тысячных долях от длины участка.
Принято различать средний и средневзвешенный уклоны реки и участка.
Средним уклоном реки (участка) называется отношение разности отметок дна или поверхности воды в истоке и устье (в начале и конце участка) Н к длине реки (участка)
(12)
.
Рисунок 2. Продольный профиль р.Куртун
Падение и длина выражаются в одних размерностях (в метрах или километрах), в этом случае уклон получается в относительных единицах. Для выражения уклона в промилле полученное значение умножают на 1000.
Отчетные материалы:
1. Карта-схема речного бассейна
2. Список рек и таблица определения расчетных характеристик речного бассейна.
3. Граф речной системы и ее порядковый состав.
4. Продольный профиль главной реки.
Рекомендуемая литература:
1. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. – М.: Изд-во АН СССР, 1955.
2. Нежиховский Р.А. Русловая сеть бассейна и процесс формирования стока воды. – Л.: Гидрометеорологическое изд-во, 1971. – 476 с.
3. Чеботарев А.И. Общая гидрология. – Л.: Гидрометеоиздат, 1975. – 544 с.
4. Давыдов Л.К., Конкина Н.Г. Общая гидрология. – Л.: Гидрометеорологическое издание, 1958. – 488 с.
5. Ржаницын Н.А. Руслоформирующие процессы рек. – Л.: Гидромеоиздат, 1985. – 263 с.
6. Хортон Р. Эрозионное развитие рек и водосборных бассейнов. Гидрографический подход к количественной морфологии. - М.: Государственное издательство иностранной литературы, 1948. -158с.
7. Корытный Л.М. Морфометрические характеристики речного бассейна //География и природные ресурсы № 3, 1984. – С. 105 –112.
8. Российский гидрометеорологический энциклопедический словарь /Под ред.А.И. Бедрицкого, СПб.; М.: Летний сад, 2008, 2009. – Т.1-3.
9. Ржаницын Н.А. Морфологические и гидрологические закономерности строения речной сети. – Л.: Гидрометеоиздат, 1960. – 238 с.
10. Географические закономерности гидрологических процессов юга Восточной Сибири. – Иркутск: изд-во Института географии СО РАН, 2003. – 209 с.
Практическая работа №2
Построение поперечных профилей и вычисление морфометрических характеристик русла
Цель промерных работ - определить глубины и характер рельефа дна реки, озера, водохранилища. В результате промерных работ могут быть получены поперечные и продольные профили, а также план русла реки или ложа водоема в изобатах (линии равных глубин) или горизонталях. Для рек по материалам промеров могут быть определены площади водных сечений, а для озер и водохранилищ можно вычислить объем содержащейся в них воды.
При производстве промерных работ требуется с достаточной надежностью определить три величины: координаты точки промера, глубину водного объекта в точке промера, уровень воды на водомерном посту в момент промера. Глубины, измеренные в разное время в одной и той же точке, могут иметь разное значение, так как уровень воды изменяется. При измерении глубин на значительном протяжении реки проходит много времени, за которое уровень может меняться. Это приведет к тому, что глубины, измеренные в разное время, будут несопоставимы. Для устранения этого в конце работ все измеренные глубины приводят к одному расчетному (условному) уровню, соответствующему конкретному моменту времени.
Основными инструментами для координирования промерных работ в гидрологии суши являются теодолит и мензула. На больших водных объектах в настоящее время используются навигационные системы. Измерение глубин производится по назначенному створу или по предварительно назначенному маршруту движения лодки.
Практическая работа выполняется по материалам, полученным во время работы на средней (большой) реке.
Цель работы. Приобретение навыков обработки промерных книжек, а также построения и анализа профиля водного сечения.
Задание. Построить график профиля водного сечения, используя - данные стандартного журнала промеров, и провести анализ его морфометрических особенностей.
Построение поперечных профилей
Поперечный профиль вычерчивается на миллиметровой бумаге. Формат выбирается исходя из 297x1 (мм), где L определяется с учетом выбранного масштаба. По горизонтальной оси отложить длину. У иного края чертежа провести линии шкал элементов и надписать их. Шкалы элементов следует разместить на вертикальной оси таким образом, чтобы линии графиков нигде не пересекались и равномерно занимали все поле чертежа. Профиль дна строится в координатах глубины и расстояния от ПН (постоянного начала). Все масштабы выбираются кратными 1, 2 или 5 и удобными для построения. «Подвал» является стандартным средством для объединения нескольких параметров на одной горизонтальной координате. Он начинается с наименований параметров, а ось ординат с глубинами проводится вертикально вверх правее наименований. Значения всех параметров выписываются друг под другом на соответствующем расстоянии от ПН. На данном графике такими параметрами являются номера промерных точек, расстояния от ПН, средняя глубина, отметки точек, номера скоростных вертикалей, грунт дна и др. В соответствующую для них строку записываются значения величин на каждой промерной вертикали.
Весь график с «подвалом» располагается таким образом, чтобы слева осталось поле стандартной ширины 3 см для подшивания в папку (рисунок 3).
При оформлении чертежа вверху указывается наименование работы, название реки, бассейна, к которому она относится, отметка нуля графика и номер профиля. Ниже размещается сам график. Справа от него вычерчивается небольшая вертикальная таблица с найденными основными характеристиками водного сечения. Под ней выписываются условные обозначения величин и их расшифровка. Работа должна быть выполнена черной тушью или черной гелиевой ручкой и подписана.
Провести анализ графика. Результаты анализа записать в свободной части чертежа в виде таблицы, где поместить следующие основные характеристики водного сечения:
а) h (м) - положение на графике горизонта воды над «О» графика;
б) В (м) - ширина реки по уровню воды;
в) (м2)- площадь водного сечения, которая находится планиметрированием площади, заключенной между положением на графике горизонта воды и графиком дна профиля реки;
г)hcр (м) - средняя глубина, находится по формуле Н = /В как отношение общей площади поперечного сечения реки (W) к ширине реки (В);
д) Нмах (м) - наибольшая глубина на профиле;
с) (м) - длина смоченного периметра;
ж) R (м) - гидравлический радиус.
Вычисление морфометрических характеристик
Для каждого профиля могут быть вычислены следующие морфометрические характеристики: площадь водного сечения ,м2, ширина реки В, м; длина смоченного периметра , м; наибольшая глубина Нмах, м; средняя глубина hcр, м; гидравлический радиус R, м. Эти характеристики используются при вычислении расходов воды Qв м3/с, построениизависимостей Q=f(H), =f(H) и пр.
1. Площадь водного сечения определяется планиметрированием или аналитически. Промерные вертикали разбивают водное сечение на ряд трапеций, и только береговые участки его могут иметь форму прямоугольного треугольника, если глубина на урезе воды равна нулю, как показано на рисунке 4.
Аналитически общая площадь водного сечения получается как сумма частных площадей.
При наличии ледяного покрова кроме площади водного сечения вычисляют площади погруженного в воду кристаллического льда, шуги и общую площадь сечения профиля.
2. На гидрометрических створах, где измеряют расходы воды, помимо площади водного сечения определяют площадь живого сечения, которая при наличии течения воды в пределах всего сечения будет равна ему, а при наличии в нем застойной зоны (мертвой) будет меньше площади водного сечения на величину площади мертвого пространства.
3. Смоченный периметр , длина линии дна реки на профиле, заключенная между урезами воды. При наличии на реке ледяного покрова в понятие «смоченный периметр» кроме длины линии дна включается длина нижней поверхности ледяного покрова. Если под ледяным покровом есть слой шуги, то длина смоченного периметра рассчитывается с учетом длины нижней поверхности шуги.
(13)
4. Гидравлический радиус R- частное от деления площади водного сечения на длину смоченного периметра . Вычисление смоченного периметра и гидравлического радиуса обычно бывает необходимо для узких русел со значительной глубиной, так как в этом случае длина смоченного периметра может значительно отличаться от ширины реки.
Рисунок 3. Пример построения поперечного профиля живого сечения р.Максимиха
5. Средняя глубина Нср- частное от деления площади водного сечения на ширину реки: H=W/B. Для равнинных рек при сравнительно небольшой глубине и значительной ширине русла величина гидравлического радиуса близка к величине средней глубины (RHср).
Рисунок 4. Схема вычисления площади водного сечения и длины смоченного периметра
6. Наибольшая глубина Hмакс на профиле устанавливается по данным промерной книжки.
7. Морфометрические характеристики профиля водного сечения изменяются в зависимости от уровня воды. При наличии профиля водного сечения, построенного до отметки наивысшего уровня воды, можно построить кривую зависимости площади водного сечения от уровня. Для этой цели площадь профиля расчленяют для определенных интервалов высоты уровня, а затем вычисляют площади поперечных сечений при различных значениях уровня воды. Кривая B=f(H) показана на рисунке 5. При плавном очертании профиля кривая =f(H )имеетвид плавной кривой, обращенной выпуклостью к оси Н; в местах резкого изменения сечения, например при выходе воды из русла на пойму, направление кривой резко меняется. При вертикальном профиле берега, например в каналах прямоугольного сечения, приращение площади на единицу уровня постоянно и кривая обращается в прямую.
Рисунок 5. Кривые зависимости площади водного сечения и ширины реки от уровня воды
Зависимость B=f(H) будет постоянной только при условии постоянства во времени очертаний русла. Если русло реки изменчиво и подвергается размыву или намыву, то в соответствии с этим изменяется и характер кривой. С увеличением высоты уровня, изменяется и ширина реки В. Зная значение ширины реки при различной высоте уровня, не трудно построить кривую B=f(H). При устойчивом русле кривые W=f(H)иB = f(H) позволяют определить ширину и площадь водного сечения реки при любой высоте уровня.
Отчетные материалы:
5. Профиль водного сечения.
6. Таблица определения расчетных характеристик профиля.
7. Графики изменения площади сечения и ширины с глубиной.
Таблица 3
Данные промерных работ по вариантам (I-IV)
| № промерных точек | Расстояние от постоянного начала, м | Глубина, м | |||||||
| вариант | вариант | ||||||||
| I | II | III | IV | I | II | III | IV | ||
| Урез л.б. | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | |||||
| 0,2 | 0,0 | 0,0 | 2,35 | 0,59 | 0,29 | 0,35 | |||
| 1,0 | 1,0 | 1,0 | 3,23 | 0,87 | 0,20 | 0,45 | |||
| 2,0 | 2,0 | 2,0 | 3,42 | 1,05 | 0,42 | 0,56 | |||
| 3,0 | 3,0 | 3,0 | 3,67 | 0,97 | 0,79 | 1,08 | |||
| 4,0 | 4,0 | 4,0 | 4,39 | 1,06 | 0,91 | 0,99 | |||
| 5,0 | 5,0 | 5,0 | 3,90 | 0,12 | 0,99 | 1,25 | |||
| 6,0 | 6,0 | 6,0 | 3,32 | 1,27 | 1,19 | 1,39 | |||
| 7,0 | 7,0 | 7,0 | 3,73 | 1,25 | 1,33 | 1,37 | |||
| 8,0 | 8,0 | 8,0 | 0,25 | 1,34 | 1,29 | 1,65 | |||
| Урез п.б. | 9,0 | 9,0 | 9,0 | 0,00 | 1,39 | 1,25 | 1,62 | ||
| 10,0 | 10,0 | 10,0 | 1,42 | 1,26 | 1,60 | ||||
| 11,0 | 11,0 | 11,0 | 1,43 | 1,41 | 1,62 | ||||
| 12,0 | 12,0 | 12,0 | 1,25 | 1,37 | 1,63 | ||||
| 13,0 | 13,0 | 13,0 | 1,22 | 1,23 | 1,75 | ||||
| 14,0 | 14,0 | 14,0 | 1,08 | 1,06 | 1,65 | ||||
| 15,0 | 15,0 | 15,0 | 0,95 | 0,95 | 1,53 | ||||
| 16,0 | 16,0 | 16,0 | 0,88 | 0,85 | 1,42 | ||||
| 17,0 | 17,0 | 17,0 | 0,96 | 0,68 | 1,32 | ||||
| 18,0 | 18,0 | 18,0 | 0,73 | 0,59 | 1,29 | ||||
| 19,0 | 19,0 | 19,0 | 0,65 | 0,62 | 1,31 | ||||
| 20,0 | 20,0 | 20,0 | 0,61 | 0,56 | 1,25 | ||||
| 21,0 | 21,0 | 21,0 | 0,57 | 0,16 | 1,07 | ||||
| 22,0 | 22,0 | 22,0 | 0,23 | 0,05 | 0,90 | ||||
| Урез л.б | 22,4 | 22,5 | 23,0 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | |||
| 24,0 | |||||||||
Таблица 3
Данные промерных работ по вариантам (V-VIII)
| № промерных точек | Расстояние от постоянного начала, м | Глубина, м | ||||||
| вариант | вариант | |||||||
| V | VI | VII | VIII | V | VI | VII | VIII | |
| Урез л.б. | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | ||||
| 0,0 | 0,0 | 2,8 | 0,35 | 0,90 | 0,35 | |||
| 2,5 | 1,0 | 1,0 | 2,9 | 0,52 | 0,98 | 0,55 | ||
| 3,0 | 2,0 | 3,0 | 3,5 | 0,72 | 1,02 | 0,58 | ||
| 3,5 | 3,0 | 5,0 | 3,3 | 0,95 | 1,22 | 1,21 | ||
| 4,0 | 4,0 | 7,0 | 3,3 | 1,10 | 1,36 | 1,19 | ||
| 4,5 | 5,0 | 9,0 | 3,7 | 1,30 | 1,45 | 1,42 | ||
| 5,0 | 6,0 | 11,0 | 4,2 | 1,50 | 1,56 | 1,40 | ||
| 5,5 | 7,0 | 13,0 | 4,6 | 1,90 | 1,80 | 1,53 | ||
| 6,0 | 8,0 | 15,0 | 3,2 | 1,90 | 1,89 | 1,65 | ||
| 6,5 | 9,0 | 17,0 | 2,8 | 2,05 | 2,00 | 1,69 | ||
| 7,0 | 10,0 | 19,0 | 2,1 | 2,09 | 2,30 | 1,63 | ||
| 7,5 | 11,0 | 21,0 | 1,5 | 2,05 | 2,25 | 1,69 | ||
| 8,0 | 12,0 | 23,0 | 0,7 | 2,12 | 2,04 | 1,70 | ||
| Урез п.б. | 71,5 | 8,5 | 13,0 | 25,0 | 0,00 | 2,25 | 1,78 | 1,71 |
| 9,0 | 14,0 | 27,0 | 2,13 | 1,45 | 1,63 | |||
| 9,5 | 15,0 | 29,0 | 1,91 | 1,03 | 1,54 | |||
| 10,0 | 16,0 | 31,0 | 1,59 | 1,00 | 1,46 | |||
| 10,5 | 17,0 | 33,0 | 1,33 | 0,95 | 1,43 | |||
| 11,0 | 18,0 | 35,0 | 1,21 | 0,90 | 1,39 | |||
| 11,5 | 19,0 | 37,0 | 1,16 | 0,85 | 1,25 | |||
| 12,0 | 20,0 | 39,0 | 0,94 | 0,72 | 1,20 | |||
| 12,5 | 21,0 | 41,0 | 0,83 | 0,56 | 0,85 | |||
| 13,0 | 22,0 | 43,0 | 0,35 | 0,34 | 0,43 | |||
| Урез л.б | 13,8 | 22,5 | 44,5 | 0,00 | 0,00 | 0,00 |
Таблица 3
Данные промерных работ по вариантам (IX-XII)
| № промерных точек | Расстояние от постоянного начала, м | Глубина, м | ||||||
| вариант | вариант | |||||||
| IX | X | XI | XII | IX | X | XI | XII | |
| Урез л.б. | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | ||||
| 5,0 | 0,5 | 2,0 | 2,5 | 0,56 | 0,05 | 0,17 | ||
| 1,0 | 4,0 | 2,9 | 0,92 | 0,18 | 0,45 | |||
| 1,5 | 6,0 | 4,5 | 1,05 | 0,32 | 0,48 | |||
| 2,0 | 8,0 | 5,3 | 1,55 | 0,42 | 0,60 | |||
| 2,5 | 10,0 | 6,3 | 1,85 | 0,36 | 0,69 | |||
| 3,0 | 12,0 | 6,7 | 2,30 | 0,45 | 0,75 | |||
| 3,5 | 14,0 | 6,2 | 2,50 | 0,56 | 0,95 | |||
| 4,0 | 16,0 | 6,6 | 2,90 | 0,80 | 1,03 | |||
| 4,5 | 18,0 | 5,2 | 2,90 | 1,08 | 1,25 | |||
| 5,0 | 20,0 | 4,8 | 3,05 | 1,20 | 1,35 | |||
| 5,5 | 22,0 | 4,1 | 2,99 | 1,30 | 1,65 | |||
| 6,0 | 24,0 | 3,5 | 2,95 | 1,25 | 1,69 | |||
| 6,5 | 26,0 | 2,7 | 2,32 | 1,04 | 1,70 | |||
| 7,0 | 28,0 | 2,2 | 2,29 | 1,00 | 1,59 | |||
| 7,5 | 30,0 | 2,0 | 2,33 | 0,95 | 1,43 | |||
| 8,0 | 32,0 | 2,0 | 1,91 | 0,83 | 1,34 | |||
| 8,5 | 34,0 | 1,9 | 1,79 | 0,82 | 1,26 | |||
| 9,0 | 36,0 | 1,8 | 1,63 | 0,75 | 1,13 | |||
| 9,5 | 38,0 | 1,6 | 1,41 | 0,70 | 1,09 | |||
| 10,0 | 40,0 | 1,5 | 1,36 | 0,65 | 1,05 | |||
| 10,5 | 42,0 | 1,3 | 1,94 | 0,62 | 1,00 | |||
| 11,0 | 44,0 | 0,9 | 1,83 | 0,56 | 0,65 | |||
| 11,5 | 46,0 | 0,5 | 0,55 | 0,24 | 0,21 | |||
| Урез л.б | 11,8 | 47,5 | 0,00 | 0,00 | 0,00 | 0,00 |
Таблица 4
Уровни воды
| Вариант | Отметка нуля поста, м БС | Уровень воды, см | ||
| Максимальный | Средний | Минимальный | ||
| I | 72,71 | |||
| II | 59,62 | |||
| II | 45,32 | |||
| IV | 92,52 | |||
| V | 105,6 | |||
| VI | 456,2 | |||
| VII | 425,3 | |||
| VIII | 236,2 | |||
| IX | 57,35 | |||
| X | 25,26 | |||
| XI | 32,65 | |||
| XII | 500,2 |
Практическая работа № 3