Водные объекты и протекающие в них процессы

Изучением природных вод и процессов в них протекающих занимается гидрология. По виду изучаемых объектов гидрология подразделяется на гидрологию суши (или просто гидрологию) и на гидрологию морей и океанов, называемую океанологией. Разделы гидрологии суши, которые связаны непосредственно с решением практических инженерных задач, называют инженерной гидрологией.

В инженерной гидрологии особо важными для практики являются гидрологические расчеты, позволяющие после ряда лет измерений уровней и расходов реки в различных условиях:

- предсказывать (прогнозировать) поведение реки в естественных условиях в будущем;
- трансформировать (перераспределять) сток реки, перекрытой плотиной, с целью наиболее рационального использования воды для нужд энергетики, водоснабжения, ирригации, судоходства и т.п.

Введем некоторые термины, характеризующие реку.

Створ - поперечное сечение реки. Сток (W) - объем воды, протекающей через створ (сечение) реки за определенное время, например, за год. Сток реки переменчив и зависит от многих факторов (климата, количества осадков в году, наличия растительности по берегам и т.д.). Расход (Q) - это объём воды, протекающий в единицу времени через живое сечение реки (измеряется в м3/с). Под живым сечением реки понимается площадь поперечного сечения реки.

Основная характеристика стока реки в данном створе (поперечном сечении) - это гидрограф - график изменения расходов воды во времени.

В разное время года на расходы и уровни воды в реке оказывает влияние много факторов. С наступлением устойчивого периода минусовой температуры на реке образуется ледостав. Ледоставу предшествует образование шуги - шугоход (плывущие сгустки льда на поверхности и внутри потока). Шуга может забивать живое сечение русла в результате чего образуется зажор. С наступлением теплого времени года за счёт снеготаяния расход в реке увеличивается и происходит взламывание льда и его движение - ледоход. В суженных или разветвленных участках русла и на крутых поворотах массы льда в период ледохода нагромождаются, подныривают под ледяной покров, в результате образуется затор.

В гидрологии при изучении водного режима рек различают несколько характерных фаз, соответствующих зонам максимумов и минимумов на гидрографе. Было уже отмечено, что для условий России ежегодно повторяющаяся в один и тот же сезон фаза водного режима, характеризующаяся наибольшей водностью в году от снеготаяния и таяния ледников, называется половодьем, а также наименьшая летом и зимой - меженью. Кратковременное в сравнении с половодьем повышение стока, не приуроченное явно к определенному периоду года и повторяющееся в течение года по несколько раз, например от дождей, называется паводком.

Указанные явления (половодья, паводки, заторы, зажоры) приводят к резкому изменению уровня воды, они сложны для прогнозирования. Изучение и учёт их (гидрологические расчёты) при водохозяйственном использовании водотока с целью оптимального удовлетворения потребностей водопользователей является одной из важных составляющих частей водохозяйственных и водноэнергетических расчётов при проектировании гидростанций, которые будут рассматриваться в курсе использования водной энергии.

Кроме указанных выше явлений на расходы и уровни реки влияют такие факторы, как деформация русла реки течениями, твердый сток (взвешенные в воде частицы ила, грунта), зарастание русла водной растительностью, приливы, отливы, ветровые нагоны в устьях рек и т.д.. Эти явления также изучаются в гидрологии.

Гидрограф 1966-67 гг. позволяет увидеть основные фазы водного режима реки Енисей вблизи Саяно-Шушенской ГЭС. Сток реки отличается большой неравномерностью. В межень (декабрь-апрель) расходы реки не превышали 1800 м3/с, а в половодье (конец июня - начало июля) достигали 11800 м3/с.

Гидрологические расчёты имеют целью получить данные для характеристики гидрологического режима водного объекта в связи с его водохозяйственным использованием. При наличии данных наблюдений колебаний расходов за ряд лет можно построить расчетный гидрограф. Для получения расчётного гидрографа используются методы математической статистики, с помощью которых строится такой гидрограф, и по которому определяются максимальные, минимальные и средние расходы различной вероятности их превышения за некоторый период времени.

Сравнивая между собой максимальные расходы таблицы с максимумом гидрографа 1966-67 г., можно сделать вывод о том, что 1966-67 тт. был многоводным с обеспеченностью около одного процента. То есть паводок с таким максимальным расходом вероятен раз в 100 лет (вероятность 1%). Величину максимального расхода редкой повторяемости особенно важно определить в связи с проектированием водосбросных устройств, чтобы обеспечить пропуск большого (катастрофического) половодья или паводка безаварийно, после того как сооружение будет построено.

Вероятность повторяемости расходов за расчётный период (обеспеченность) выражается обычно в процентах (р).

В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон, "Гидроэлектростанции", Красноярск, 2002г.