Беспалова Л.А., Цыганкова А.Е. Часть №2 ВОДЫ СУШИ --УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ для проведения лабораторных работ по курсу «Общая гидрология»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Беспалова Л.А., Цыганкова А.Е.
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
для проведения лабораторных работ
по курсу «Общая гидрология»
ЧАСТЬ 2
ВОДЫ СУШИ
Ростов-на-Дону
2008
3
Учебно-методическое пособие разработано на кафедре океанологии
профессором, доктором географических наук Л.А. Беспаловой и старшим
преподавателем, кандидатом географических наук А.Е. Цыганковой.
Ответственный редактор
д.г.н. Л.А. Беспалова
Компьютерный набор и вёрстка
к.г.н. А.Е. Цыганкова
Печатается в соответствии с решением кафедры океанологии геологогеографического факультета ЮФУ, протокол № 6 от 27 декабря 2007 г.
4
ВВЕДЕНИЕ
Воды поверхности Земли (океанов, морей, рек, озёр, болот, ледников), её
воздушной оболочки (атмосферы) и находящиеся в земной коре тесно связаны
между собой, поэтому ряд вопросов, относящихся к деятельности воды на земном
шаре, одновременно рассматривается гидрологией, метеорологией, геологией,
почвоведением, геоморфологией, географией и другими науками, изучающими
атмосферу и литосферу.
В
задачу
общей
гидрологии
суши
входит
освещение
общих
закономерностей, управляющих процессами формирования и деятельности вод
суши.
Предлагаемое
позволяющих
пособие
исследовать
включает
особенности
комплекс
лабораторных
проявления
работ
гидрологических
закономерностей в различных водных объектах. Учебное пособие составлено с
таким расчётом, чтобы его пользование отвечало бы запросам самостоятельной
подготовки студентов очного и заочного обучения. Включены примеры
применения различных методов обработки данных, используемых при изучении
вод суши.
Во вторую часть пособия входят следующие лабораторные работы.
• Схема Главного водораздела и бессточных областей Земли.
• Температурный режим озёр умеренного пояса.
• Гидрограф равнинных рек и его связь с типами питания.
5
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
СХЕМА ГЛАВНОГО ВОДОРАЗДЕЛА
И БЕССТОЧНЫХ ОБЛАСТЕЙ ЗЕМЛИ
Лабораторная работа выполняется на контурной карте Мира любой
картографической
проекции.
Для
нанесения
основных
характеристик
используются физико-географические карты Мира, материков, океанов.
Основные задачи работы:
1) провести линию Главного водораздела Земли (красным цветом);
2) обозначить водоразделы второго порядка (зелёным цветом);
3) провести границы между океанами (синим цветом);
4) оконтурить периферические области стока каждого океана в пределах
материков;
5) выделить (жёлтым цветом) и нанести на карту основные бессточные
области Земли (римскими цифрами), основные озёра, входящие в них (арабскими
цифрами сплошной нумерацией);
6) составить легенду карты, в которой указать все границы, периферические
области стока и бессточные области;
7) знать определения основных понятий работы, названия бессточных
областей и озёр, входящих в них.
Главный водораздел Земли это линия, проходящая по наивысшим точкам
земной поверхности и разделяющая основные периферические области стока Тихоокеанскую и Атлантическую.
Периферическая область стока - это часть суши, с которой сток попадает
в тот или иной океан.
Тихоокеанская периферическая область (40 % площади суши) включает две
области стока второго порядка: области стока рек Тихого (17 %) и Индийского
6
океанов (14 %). Они разделены между собой водоразделом второго порядка.
Атлантическая (60 % площади суши) периферическая область стока состоит из
областей стока рек Атлантического (34 %) и Северного Ледовитого (15 %)
океанов, которые в свою очередь разделены водоразделом второго порядка.
При исследовании гидрологических процессов на суше очень важно
учитывать не только области внешнего стока, откуда речной сток и выпавшие
атмосферные осадки поступают в Мировой океан, но и области внутреннего стока
(бессточные области), не дающие стока в Мировой океан. На долю областей
внешнего стока приходится 80 %, на долю областей внутреннего стока
(бессточных) – 20 %.
Бессточная область (область замкнутого стока) часть суши, не имеющая
стока в океан.
К наиболее обширным областям внутреннего стока (бессточным областям)
относятся: в Европе – водосборный бассейн Каспийского моря, в Азии –
обширная
Туранская
низменность,
включающая
водосборные
бассейны
Аральского моря и оз. Балхаш, пустыни Алашань, Гоби, Такла-Макан, часть
Аравийского полуострова и др.; в Африке – пустыни Сахара, Ливийская,
Нубийская, Калахари, водосборы озёр Чад, Рудольф и др.; в Северной Америке –
пустыня Большого бассейна, включая район Большого солёного озера; в Южной
Америке – водосборы озёр Титикака и Поопо, пустынные плато Патагонии и др.;
в Австралии – западная и центральная части материка (более 50 % всей площади).
К основным бессточным областям Земли относятся следующие:
1) Бассейн Каспийского моря;
2) Казахстан и Средняя Азия (с озерами Аральское, Балхаш, Иссыкуль,
Каракуль, Тенгиз, Чаны, Убинское, Кулундинское,Алаколь);
3) Центральная Азия (с озерами Убсу-Нур, Эби-Нур, Хубсугуль, ХиргисНур, Лобнор, Кукунор, Немцо, Куттяро);
4) Внутренняя Анатолийская (к югу от Чёрного моря, с озером Туз);
7
5) Иранское нагорье (с озёрами Ван, Резайе, Дарьячейе-Немек);
6) Аравийский полуостров;
7) пустыня Сахара;
8) Восточно-Африканский район (с озерами Аббе, Шалла, Рудольф,
Нейваша);
9) Пустыня Калахари;
10) бассейн озера Чад;
11) Большой бассейн Северной Америки (с озерами Большое Солёное и
Пирамид);
12) бассейн озёр Титикака и Поопо;
13) бассейн пустыни Атакама;
14) Западно-Австралийская область (с озером Маккай);
15) Центрально австралийская область (с озёрами Амадиес, Эйр, Герднер,
Торренс, Фроле).
Водный баланс Земли. Круговорот воды в природе (глобальный водообмен)
представляет собой непрерывный замкнутый процесс обмена влагой между
атмосферой и земной поверхностью. Отмечаются два вида круговорота воды в
природе.
Малый
или
океанический
круговорот,
когда
испарившаяся
с
поверхности океанов и морей влага не приносится на сушу, а, поднявшись вверх,
конденсируется и возвращается непосредственно в моря и океаны в виде
атмосферных
осадков.
Большой
круговорот
это
процесс
перемещения
воздушными течениями на материки водяных паров, не выпавших в виде осадков
в океаны и моря; выпадающие на поверхности суши атмосферные осадки, затем
снова поступают в моря и океаны в виде стока рек. Круговорот воды в пределах
бессточных областей суши является относительно самостоятельным, хотя и
связанным с общим влагооборотом на земном шаре. Количество воды,
участвующей в круговороте в пределах бессточных областей, составляет всего
8
9000 км3 в год. Вода с бессточных областей попадает в Мировой океан не путём
непосредственного стока реками, а в результате переноса влаги в парообразном
состоянии воздушными течениями в периферические области суши или
непосредственно на моря и океаны.
Водный баланс Земли складывается из суммы этих трех круговоротов:
для океанов и морей (малый круговорот): zo=xo+y;
для суши: zc=xc-y;
для бессточных областей: zб=хб
В результате водный баланс Земли можно представить в виде:
zo+zc+zб=xо+хс+хб, то есть испарение воды с поверхности океанов и морей и
суши равно сумме осадков выпавших на их поверхность: zз=хз,
где zo - среднее годовое количество воды испаряющееся с поверхности
океанов и море; zс - среднегодовое количество воды испаряющееся с поверхности
суши; zб - среднегодовое количество воды испаряющееся с поверхности
бессточных областей; xо - среднегодовое количество осадков выпадающих на
поверхность океанов и море; xс - среднегодовое количество осадков выпадающих
на поверхность суши в пределах периферических областей; xб - среднегодовое
количество осадков выпадающее на поверхность бессточных областей Земли; y речной сток.
По данным Р.Я. Клиге всего в круговороте воды на Земном шаре участвует
около 1млн. км3 водных масс.
Водный баланс Земли в цифровом выражении можно представить в
следующем виде:
приход: xо 510 млн. км3
расход: zo 460 млн. км3
xс 70 млн.км3
zc 120 млн. км3
Итого: xз=580 млн. км3
Итого: zз=580 млн. км3
Объём суммарного речного стока в Мировой океан составляет около 47
тыс. км3 (Клиге, 1985).
9
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ОЗЁР УМЕРЕННОГО КЛИМАТА
Лабораторная работа выполняется на миллиметровой бумаге формата А3.
Основные задачи работы
I Практическая часть
1) На основе данных таблиц 1, 2 построить графики распределения температуры по
глубине по сезонам года для оз. Глубокое (Московская область) и оз. Севан (Армения), строго
следуя указанном у масштабу (рисунок 1, 2).
2) На графиках a) указать типы стратификаций водной массы (прямая,
обратная, гомотермия); б) для летнего типа выделить слои стратификации
(эпилимнион, металимнион, гиполимнион).
II Теоретическая часть
1) Знать элементы приходной части теплового баланса и классификацию
озёр по температурному режиму (по Ж. Форелли).
2) Уметь объяснять переходы графиков из одного вида в другой, используя
знание основных физических процессов, происходящих в тот или иной сезон.
Элементы приходной части теплового баланса:
Элементы расходной части
1) приход прямой и рассеянной
солнечной радиации (летом);
2) конвективный теплообмен с
атмосферой (летом);
3) отдача тепла котловиной озера (зима);
4) принос тепла реками и подземными
водами;
5) биохимические реакции;
6) процессы льдообразования.
теплового баланса:
1) испарение;
2) конвективный теплообмен с
атмосферой (зимой);
3) нагревание котловин озера (летом);
4) вынос тепла реками и подземными
водами;
5) расход на таяние льда.
10
По классификации, разработанной Жаком Форели в 19 веке, озёра по
температурному режиму делятся на три группы.
1. Озёра экваториального типа - для них характерна прямая температурная
классификация, т.е. температура воды в озере всегда выше +40С.
2. Озёра полярного типа - для них характерна в течение всего года обратная
температурная стратификация, т.е. температура воды в озере всегда ниже +40С.
3. Озёра умеренного типа (климата) - для них характерна смена видов
стратификаций по сезонам: летом - прямая, как в озёрах экваториального типа,
зимой обратная, как в озёрах полярного типа, а в межсезонье (весной и осенью)
наблюдается такое явление как гомотермия. Смена стратификаций в умеренном
климатическом поясе обусловлена изменением элементов приходной и расходной
частей теплового баланса.
Температурный режим озёр умеренного климатического пояса обусловлен
приходом тепла и распределением его в водной массе.
Зима. В результате охлаждения поверхностных слоев озера, распределение
температуры по вертикали характеризуется состоянием, которое называется
обратной температурной стратификацией, т.е. повышением температуры с
глубиной. Она сохраняется подо льдом в течение всей зимы. Минимальная
температура наблюдается сразу после ледостава. Теплоотдача дна и берегов
определяет повышенные температуры у дна. Во второй половине зимы
теплоотдача уменьшается, разность температуры поверхности и у дна тоже
уменьшается.
Весна. После вскрытия льда температура воды озера ниже +4оС (на
поверхности ниже, чем у дна). При нагревании верхних слоев до температуры
близкой к +4оС начинается конвекция. В результате перемешивания, которое
убыстряется ветровым перемешиванием, температура выравнивается по всей
толщине озера. Термическое состояние, когда температура воды одинакова во
всей водной массе, называется весенней гомотермией. Обычно гомотермия
11
устанавливается при температуре +4оС, но при сильных ветрах может
существовать и при температуре +10оС. В мелких озерах гомотермия сохраняется
в течение всего безлёдного периода. Гомо - греческое слово, в переводе равенство, однозначность, сходство.
Лето. В конце весны - начале лета по мере прогревания, разность
температуры поверхностных и
глубинных слоёв возрастает. Летний период
характеризуется убыванием температуры с глубиной и делением водной массы на
термические зоны. Распределение температуры по вертикали, когда в верхних
слоях располагаются более тёплые воды, а с глубиной идёт понижение
температуры, называется прямой температурной стратификацией.
Верхний слой, прогретый и хорошо перемешанный, имеет однородную
температуру. Малые градиенты плотности верхнего слоя облегчают ветровое
перемешивание. Эта зона называется эпилимнионом.
Между прогретым поверхностным и холодным глубинным слоями
располагается тонкий (от нескольких дециметров до нескольких метров) слой
раздела или слой скачка - металимнион, где наблюдается резкое понижение
температуры. В период тихого и жаркого лета разность температур в слое скачка
достигает 20оС и более.
Нижняя, относительно холодная зона - гиполимнион характеризуется
плавным и незначительным понижением температуры с глубиной.
Эпи - мета - гиполимнионы характеризуются не только температурными
особенностями, но и различием в химическом, газовом и биологическом режимах.
Осень. С началом осеннего охлаждения, возрастает плотность воды на
поверхности, начинается конвективное перемешивание, слой скачка погружается,
затем исчезает. Конвекция убыстряется ветро - волновым перемешиванием, что
приводит к выравниванию температуры всей массы воды озера. Гомотермия
устанавливается в интервале температуры близкой к +4оС. В процессе
перемешивания происходит обогащение озёр кислородом.
12
Таблица 1 Сезонное распределение температуры по вертикали
о. Глубокое (Московская обл.)
Глубина Тем-ра
Н, м
t, оС
Зима (5 января)
0
0
2
1,8
5
2,5
7
2,9
10
3,2
11
3,3
15
3,5
20
3,8
25
4
Глубина Тем-ра Глубина Тем-ра Глубина Тем-ра
Н, м
t, оС
Н, м
t, оС
Н, м
t, оС
Весна (3 мая)
Лето (29 июля)
Осень (8 октября)
0
4,5
0
22,5
0
5
2
4,5
1
22,3
5
5
5
4,3
2,5
22
10
5
10
4,2
5
10,1
15
5
15
4
10
7
20
5
20
4
15
6,1
25
5
25
4
20
6
25
4,8
Масштаб горизонтальный
зима - 1 см - 1о лето - 1 см - 2о
весна – 1 см - 1о осень – 1 см - 2о
Масштаб вертикальный
1 см – 2,5 м
Рисунок 1 - Сезонное распределение температуры по вертикали
(о. Глубокое)
13
Таблица 2 Сезонное распределение температуры по вертикали
о. Севан (Армения)
Глубина Тем-ра Глубина Тем-ра Глубина Тем-ра Глубина Тем-ра
Н, м
t, оС
Н, м
t, оС
Н, м
t, оС
Н, м
t, оС
Зима
Весна
Лето
Осень
0
3
0
5,8
0
18,8
0
7,8
10
3,4
10
5,5
10
18,5
10
7,6
20
3,8
20
5,3
20
16,3
20
7,5
30
4
30
5,1
30
10,4
30
7,2
40
4
40
4,6
40
5,8
40
7
50
4
50
4,2
50
4,6
50
6,4
60
4
60
4,1
60
4,4
60
5,4
70
4
70
4
70
4,2
70
4,6
80
4
80
4
80
4,1
80
4,3
Масштаб горизонтальный
зима - 1 см - 1о лето - 1 см - 2о
весна – 1 см - 1о осень – 1 см - 1о
Масштаб вертикальный
1 см – 10 м
Рисунок 2 - Сезонное распределение температуры по вертикали
(о. Севан)
14
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
ГИДРОГРАФ РАВНИННЫХ РЕК И ЕГО СВЯЗЬ С ТИПАМИ ПИТАНИЯ (НА ПРИМЕРЕ Р.
СЕВЕРСКИЙ ДОНЕЦ – Г. БЕЛЯ КАЛИТВА)
В
этой
работе
излагаются
методы
вычисления
гидрографических,
режимных и стоковых характеристик.
Основные задачи работы
1) На основе данных таблицы 3 на миллиметровой бумаге построить график
расхода в масштабе: горизонтальный - в 1 мм - 1 день; вертикальный – в 1 см –
10 м3 /сек (рисунок 3).
2) Расчленить гидрограф по типам питания, используя метод Б.В. Полякова:
•
а) выделить дождевое питание путем срезания плавной линией всех
краткосрочных пиков на графике;
•
б) выделить талое снеговое питание; для этого находим на графике
точку А - начало половодья, точку B - пик половодья, точку C - конец
половодья; из точки B опускаем перпендикуляр на шкалу дней - получаем
точку D; соединяем точки А - D, D - C; участок на графике, заключенный
между точками А, B, C, D относится к талому снеговому питанию;
•
в) выделить подземное питание; для этого находим на графике точку
M (точка наименьшего расхода) и проводом через неё линию
параллельную шкале дней (линия межени); участок графика, находящийся
ниже данной линии относится к подземному питанию, а выше - к
грунтовому.
3) Определить фазы водного режима рек (половодье; межень: летняя,
зимняя; осенние дождевые паводки).
4) По гидрографу определить объёмы стока:
• а) за год, Wгод (км3);
15
• б) объём поверхностных типов питания: снегового (Wс) и дождевого (Wд)
стоков (км3);
• в) объёмы подземных типов питания: грунтового (Wгр) и подземного (Wп)
стоков (км3).
Указанные объёмы можно вычислить следующими способами:
- инструментальным
-
по
гидрографу
последовательным
планиметрированием площадей: всего гидрографа, поверхностного снегового и
дождевого, грунтового и подземного стоков,
- аналитическим,
- графоаналитическим - с помощью палетки.
5) Знать основные определения (гидрограф, расход воды, объём жидкого
стока, половодье, паводок, межень), классификации рек по М.И. Львовичу
(таблица 4), Б.Д. Зайкову, А.И. Воейкову.
Гидрограф - это график расходов воды в реке.
Расход (Q)- это количество воды, проходящей через живое сечение русла в
единицу времени; измеряется в м3/сек.
Объём жидкого стока (W) - это количество воды, проходящей через живое
сечение русла за определённый период времени (период половодья, паводков,
межени, декаду, месяц, год); измеряется в км3.
Половодье - это такая фаза водного режима, которая характеризуется
наивысшим и продолжительным стоянием уровня воды в реке, повторяющаяся
для данных климатических условий в одно и тоже время года и связанная с
основными источниками питания.
Паводок - кратковременный и не регулярный подъём уровня воды в реке.
Межень - это такая фаза водного режима, которая характеризуется
наименьшим стоянием уровня воды в реке и для данных климатических условий,
повторяющаяся в одно и тоже время года.
16
Таблица 3 Гидрограф равнинных рек
(р. Северский Донец -г. Белая Калитва)
№ расхода
Дата измерения
Уровень воды (см)
над нулем графика.
Расход воды
(м3/сек)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
7/ I
14/ I
12/ I
27/ 1
7/ II
15/ II
25/ II
7/ III
16/ III
22/ III
28/ III
1/ IV
3/ IV
7/ IV
14/ IV
19/ IV
28/ IV
5/ V
18/ V
27/ V
7/VI
16/VI
26/ VI
30/VI
6/VII
13/ VII
25/ VII
31/VII
7/ VIII
11/ VIII
22/ VIII
30/VIII
11/ IX
14/ IX
20/ IX
27/ IX
5/ X
11/ X
20/ X
26/X
2/ XI
10/ XI
18/XI
25/XI
30/XI
1/XII
2/ XII
4/XII
11/XII
15/ XII
85
88
84
76
68
75
158
222
153
166
184
171
200
208
196
214
190
199
176
176
178
178
180
180
178
184
179
184
182
178
178
177
180
178
182
182
185
184
196
179
182
184
179
179
188
160
121
56
50
53
28,9
45,1
48,8
44,0
33,0
39,0
154
205
274
305
279
181
202
202
131
224
148
125
62,2
49,7
34,0
31,1
37,8
30,8
31,1
78,9
41,2
50,6
28,3
27,6
23,6
21,8
31,6
26,2
25,7
22,3
35,3
28,7
116
41,4
42,3
70,0
57,4
74,9
172
143
183
89,4
73,7
70,0
17
Рисунок 3 - Гидрограф равнинных рек (на примере р. Северский Донец - г. Белая Калитва)
18
Таблица 4 Основные типы рек по источникам питания
(по М. И. Львовичу)
Характеристика типа
питания
Почти полностью
Снеговое
Количественный
показатель
преимущественного
вида питания
Районы преимущественного
распространения
Снеговое >80%
Северный Казахстан, Заволжье
Преимущественно
снеговое
Снеговое >50%
Европейская
часть
России,
Западная Сибирь, северо-восток
азиатской части России
Почти полностью
дождевое
Дождевое > 80%
Черноморское побережье Кавказа
(южная часть)
Преимущественно
дождевое
Дождевое >50%
Дальний
Восток,
некоторые
районы Закавказья, бассейны рек
Лены и Индигирки
Преимущественно
ледниковое
Ледниковое >50%
Высокогорные районы Кавказа и
Средней Азии
Смешанное с
преобладанием
снегового
Смешанное с
преобладанием
дождевого
Смешанное с
преобладанием
ледникового
Смешанное с
преобладанием
подземного
Снеговое > 50%
Дождевое > 50%
Прибалтика, предгорные районы
Северного
Кавказа,
Алтая,
бассейн р. Лены
Закавказье, Черноморское
побережье Кавказа
(северная часть)
Ледниковое > 25%
Горные районы Алтая
Подземное > 25%
Предгорные районы Средней
Азии,
большая
часть
рек
Армении
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
19
УРОВЕННЫЙ РЕЖИМ РЕК. ПОВТОРЯЕМОСТЬ И ОБЕСПЕЧЕННОСТЬ
СТОЯНИЯ УРОВНЯ ВОДЫ В РЕКЕ ПО ИНТЕРВАЛАМ
Высота стояния уровня воды в реке зависит от характера и интенсивности
питания. Уровень воды повышается во время снеготаяния или после обильных
ливней и понижается, когда река переходит на грунтовое питание. Высота
стояния уровня зависит не только от количества воды, поступающей в реку.
Уровень можно искусственно регулировать с помощью плотин и других
сооружений на реках. Изменение уровня может быть вызвано и деформацией
русла. Так, при размыве русла уровень воды в реке понижается, а при отложении
наносов повышается.
Основные задачи работы
1) Изучить режим изменения уровня реки на основе графика колебания
ежедневных уровней (хронологического графика уровня реки). Хронологический
график уровня строится на основе данных таблиц из Гидрологических
ежегодников. Каждый студент выбирает реку любого бассейна.
Постороение графика. Высота уровней на графике наносится над условным
горизонтом, называемым нулем графика. Нуль графика выбирают так, чтобы
уровни воды всегда были выше него, т.е. чтобы отсчёты от него были
положительными. По графику может быть установлена высота уровня воды за
любой день года, наивысшее и наинизшее значение, а, следовательно, и
амплитуда колебания. На вертикальной оси откладываются значения уровня от
минимального целого до максимального целого значения. Масштаб вертикальный
выбирается студентом самостоятельно т.к. зависит от амплитуды колебания
уровня выбранной реки. На горизонтальной шкале откладываются – даты
(365 дней) в масштабе 1мм - 1день.
На графике необходимо отметить:
1) экстремальные уровни (мах и мin) и даты их наступления;
2) провести пунктиром линию среднегодового уровня, рассчитанного из
среднесуточных уровней;
20
3) провести линии продолжительности ледостава. Линии проводятся над
графиком толщиной 1мм (рисунок 4).
Пример. На примере показан хронологический график уровня реки Днестр
у г. Терасполь. Максимальный уровень в 1998 г. составил 6,50 м, а минимальный
– минус 0,85 м. Амплитуда выражается величиной 6,50 - (-0,85) = 7,35 м. Зная
абсолютную или условную отметку нуля графика, можно вычислить и
соответствующие отметки уровней воды.
Рисунок 4 - График колебания уровней (р.Днестр – г. Тирасполь)
1 - наинизший зимний уровень; 2 - наивысший годовой, он же весенний уровень; 3 - наивысшие
уровни летних и осенних паводков; 4 - наинизший летний уровень; 5 - наивысший уровень
осеннего ледохода.
2) Расчёт повторяемости и обеспеченности (продолжительности) стояния
уровней.
Режим
уровней
характеризуется
повторяемостью
(частотой)
и
продолжительностью (обеспеченностью) стояния.
Повторяемость уровней представляет собой количество дней стояния того
или иного уровня за какой-либо определенный период времени (за год, половодье
и
т.д.).
Продолжительность
или
обеспеченность
представляет
собой
количество дней (или соответственно процентное выражение), в течение которых
уровень воды был не ниже заданного.
Обе характеристики уровней изображаются графически в виде кривых. Для
построения кривой частоты всю амплитуду колебания уровней делят на равные
интервалы (например, 10, 20 или 50 см). Размер интервала устанавливают в
21
зависимости от амплитуды и заданной подробности разработки. Чем больше
амплитуда,
тем
больше
принимают
интервал.
Для
каждого
интервала
подсчитывают число дней стояния уровней за исследуемый период. Это и есть
повторяемость, которая исчисляется в днях или процентах от общего числа дней.
Продолжительность стояния уровня получается путём последовательного
суммирования повторяемостей интервалов, начиная с наивысшего.
Пример.
таблице 5,
Расчёт
на
повторяемости
основании
его
и
продолжительности
вычерчены
кривые
выполнен
повторяемости
в
и
продолжительности уровней р. Урала у г. Оренбурга (рисунок 5). Точки по оси
ординат откладывают в середине интервала для кривой повторяемости и в конце
интервала для кривой продолжительности.
Судя по этим данным, уровень 750 см над нулем графика имеет
продолжительность 6 дней, или 1,65%. Иначе говоря, в течение этого времени
уровень воды в реке стоял не ниже 750 см над нулем графика. Отсюда и термин
«обеспеченность», т.е. в течение этого времени на реке были обеспечены уровни
не ниже 750 см.
Кривая
обеспеченности
применяется,
например,
при
определении
продолжительности затопления побережья. Если данная точка берега затопляется
при отметке 100 см, то при более высоких отметках уровня она, безусловно, будет
затоплена. Таким образом, длительность затопления при отметке 100 см
(рисунок 5, таблица 5) составляет 280 дней, или 76,7%.
Кривые обеспеченности и повторяемости необходимы для расчёта
отметок водозабора при водоснабжении и орошении, для расчёта уровней
водоприемников при осушении болот и т. д.
Таблица 5 Расчёт повторяемости и продолжительности уровней
(р. Урал - г. Оренбург)
Интервал, см
Повторяемость уровней
22
Продолжительность уровней
дни
899-850
849-800
799-750
749-700
…
199-150
149-100
99-50
Итого
2
2
2
2
…
38
170
85
365
%
0,55
0,55
0,55
0,55
…
10,42
46,55
23,30
100,00
дни
2
4
6
8
…
110
280
365
%
0,55
1,10
1,65
2,20
…
30,15
76,70
100,00
Рисунок 5 - Кривые повторяемости (1) и обеспеченности (2)
стояния уровней воды в р. Урал (г. Оренбург)
3) Посчитать основные статистические характеристики режима реки.
а) Среднее значение ряда -
, или центр распределения. Он определяется
как среднее арифметическое из всех наблюдённых величин (формула 1):
23
(1)
где хi – отдельные значения х,
n – число членов ряда.
б) Модульный коэффициент членов ряда Кi – безразмерная величина –
определяют как отношение любого члена ряда к его среднему значению
(формула 2):
(2)
в) Мода ряда. Наиболее часто повторяющуюся величину ряда называют
модой ряда.
г) Медиана ряда – среднее по положению значение элемента в ряду, в
котором рассматриваемый элемент расположен в убывающем порядке.
д) Среднее квадратичное отклонение ряда ±σ рассчитывают согласно
уравнению (3)
(3)
при числе членов ряда n > 30 в знаменателе вместо n - 1 ставят n.
Если наблюдений много и они разбиты на ряд интервалов n1, n2, …, nn, то
рассчитывают по формуле (4):
(4)
е) Коэффициент вариации (изменчивости) ряда Сv характеризует
изменчивость ряда. Её принято определять относительной величиной –
отношением
квадратичного
отклонения
ряда
к
его
среднему
значению
(формула 5):
(5)
где
- модульные коэффициенты.
24
ж) Коэффициент асимметрии ряда Сs характеризует несимметричность
ряда. Он безразмерен и его определяют по формуле (6)
(6)
Для его расчёта необходимы наблюдения в течение 70 лет и более.
з) Ошибка среднего значения ряда
. Эта ошибка по правилам
математической статистики равна (формула 7)
(7)
При подсчёте ошибки в процентах её надо умножить на 100:
(8)
Ошибка, обеспеченная на 50%, т.е. вероятная ошибка, определяется
умножением
средней
ошибки
на
0,674.
Вероятная
ошибка
среднего
арифметического (формула 9)
(9)
Вероятная
ошибка
в
определении
коэффициента
вариации
(Сv)
приближённо равна (формула 10)
(10)
ВОПРОСЫ К ТЕСТОВЫМ КОНТРОЛЬНЫМ РАБОТАМ
БЛОК: «ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГИДРОСФЕРЕ. ФИЗИЧЕСКИЕ И
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ»
25
1. Распределение воды на Земном шаре. Её роль в физико-географических,
биологических, геофизических и геохимических процессах.
2. Проблема водных ресурсов на территории России.
3. Физические свойства воды.
4. Химические свойства воды.
5. Молекула воды, её строение. Агрегатные состояния воды в связи с
молекулярным строением.
6. Понятие о скрытой теплоте. Её роль в природных процессах.
7. Зависимость плотности воды от её температуры и солёности.
8.Зависимость
температуры
замерзания
и
температур
наибольшей
плотности от солёности.
9. Теплопроводность и электропроводность воды.
10. Теплоёмкость воды, её роль в природных процессах.
11. Тяжёлая вода, её физические свойства.
12. Схема
круговорота
воды
в
природе.
Процессы,
определяющие
круговорот.
13. Баланс воды на Земном шаре, водные балансы звеньев круговорота.
Внутриматериковый влагооборот.
БЛОК: «ВОДЫ СУШИ»
1. Происхождение озёрных котловин и их генетические типы.
2. Основные элементы озера. Морфометрические характеристики.
26
3. Приходно-расходный баланс воды озера и водохранилищ. Озёра сточные,
бессточные и с переменным стоком.
4. Колебания уровня в связи с водным балансом озёр и водохранилищ.
5. Температурный режим озёр.
6. Народнохозяйственное значение озёр.
7. Химический состав, соленость и газовый режим озёр.
8. Водохранилища, их типы, особенности гидрологического режима.
9. Происхождение болот, их типы, распространение.
10. Типы ледников, их распространение, режим.
11. Режим ледников в связи с особенностями питания.
12. Реки. Морфометрические и морфологические характеристики речной
системы, речные долины.
13. Поперечный профиль русла. Рельеф русла. Элементы поперечного
сечения русла.
14. Уровенный режим рек. Графики колебания уровня для рек с различным
питанием.
15. Типы питания рек. Климатическая классификация рек А.И. Воейкова.
16. Типовые графики уровня.
17. Фазы водного режима рек. Их связь с типами питания.
18. Продольный профиль рек. Типы продольных профилей. Единицы
измерения.
19. Механизм течения рек. Движение ламинарное и турбулентное.
20. Распределение скоростей течения воды в реках по ширине, глубине и в
живом сечении.
21. Расход речного потока. Аналитический и графоаналитический методы
определения. Гидрограф стока.
22. Физико-географические условия формирования речного стока.
23. Характеристики стока рек. Расход, объём стока, модуль стока, слой
стока, коэффициент стока, норма стока. Единицы их измерения.
27
24. Водоносность рек Земного шара. Принципы классификаций рек
Львовича М.И., Зайкова Б.Д.
25. Температурный режим рек. Условия образования внутриводного льда.
26. Энергия и работа реки.
27. Взвешенные и донные наносы рек. Понятие о мутности и твёрдом стоке.
28. Понятие
о
гидравлической
крупности
частиц
как
критерии
взвешиваемости частиц наносов.
29. Закон Эри для донных наносов.
30. Русловые процессы. Деформации русла постоянные и сезонные.
31. Образование меандр. Коэффициент извилистости реки.
32. Водомерные посты, их типы.
33. Годограф равнинных рек. Гидрографы стока равнинных и горных рек.
34. Водные
свойства
обломочных
пород:
пористость,
влагоемкость,
влажность, водопроницаемость.
35. Виды воды в порах породы.
36. Размещение и условия залегания подземных вод в земной коре.
37. Происхождение и питание подземных вод.
38. Типы источников. Напорные (артезианские) воды.
39. Роль подземных вод в физико-географических процессах (суффозия,
карст, заболачивание).
40. Условия формирования гомотермии, прямой и обратной стратификации.
41. Законы Шези и Дарси. Определение динамической оси и стержня.
42. Подводная окраина материка в рельефе дна Мирового океана и
основные принципы её выделения.
43. Ложе дна Мирового океана.
44. Переходная зона в рельефе дна Мирового океана.
45. Срединные океанические хребты и микроконтиненты в рельефе дна
Мирового океана.
46. Экологические проблемы озёр и водохранилищ.
28
ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ КУРСОВЫХ РАБОТ
1. Важнейшая водная артерия Северной Америки – река Миссисипи.
2. Важнейшая водная артерия юга России – река Дон.
3. Важнейшие рифтовые озера Земли.
4. Гидрологический режим озера Байкал.
5. Гидрологический режим рек полуострова Индостан.
6. Особенности
гидрологического
режима
реки
Конго
в
связи
с
природными условиями бассейна.
7. Природные условия и гидрологический режим реки Нил.
8. Проблема загрязнения вод Мирового океана.
9. Физико-географическая
характеристика
крупнейших
бессточных
областей Земли.
ЛИТЕРАТУРА
1. Давыдов Л.К., Дмитриева А.А., Конкина К.Г. Общая гидрология (изд. 2),
Л.: Гидрометеоиздат, 1973.
2. Михайлов В.Н. Добровольский А.Д. Общая гидрология М, Высшая
школа, 1991. 410 с.
29
3. Михайлов В.Н. Добровольский А.Д., Добролюбов С.А. Гидрология. М.:
Высшая школа, 2005. 463 с.
Вводные темы
4. Клиге Р.К. Изменения глобального водообмена. М.: Наука, 1995.
5. Львович M.И. Мировые водные ресурсы и их будущее. М.: Мысль, 1974.
Гидрология суши
6. Алексеевский Н.И. Формирование и движение речных наносов. 1998.
7. Богословский Б.Б. Общая гидрология. М.: МГУ, 1960. 334 с.
8. Богословский
Б.Б.
Основы
гидрологии
суши.
Реки,
озера,
водохранилища. Минск: БГУ, 1974.
9. Евстигнеев В.М. Речной сток и гидрологические расчеты: учебное
пособие. М.: МГУ, 1990.
10. Кузик И.А., Луконин Е.И., Пилипенко 3.Я. Гидрология. Гидрометрия.
Л.: Гидрометеоиздат, 1974.
11. Львович М.И. Реки СССР. М.: Мысль, 1971.
12. Михайлов В.Н. Гидрологические процессы в устьях рек. 1997.
13. Михайлов В.Н. Устья рек России и сопредельных стран: прошлое,
настоящее и будущее. 1997.
14. Соломенцев Н.А., Львов A.M., Симиренко С.Л., Чекмарев В.А.
Гидрология суши (изд. 2). Л.: Гидрометеоиздат, 1976.
15. Чалов Р.С. Общее и географическое русловедение. 1997.
16. Чалов Р.С., Алабян А.М., Иванов В.В., Лодина Р.В., Панин А.В.
Морфодинамика русел равнинных рек. 1998.
17. Чалов Р.С., Лю Шугуан, Алексеевский Н.И. Сток наносов и русловые
процессы на больших реках России и Китая. 2000.
30
18. Чеботарев А.И. Общая гидрология (изд. 2-е). Л.: Гидрометеоиздат, 1975.
Озёра и водохранилища
19. Богословский Б.Б. Озероведение. М.: МГУ, 1960.
20. 3айков Б.Д. Очерки по озероведению. Ч.1 и 2. Л.: Гидрометеоиздат, 1955
и 1956.
21. Природные ресурсы больших озер СССР и вероятные изменения Л., 1984
(под ред. Алешина), 225 с.
22. Эдельштейн К.К. Водохранилища России: экологические проблемы, пути
решения. 1998.
Ледники
23. Калесник С.В. Очерки гляциологии. М.: Географгиз, 1963.
24. Тушинский Г.К. Ледники, снежники, лавины Советского Союза.
М., 1963.
Болота
25. Иванов К.Е. Гидрология болот. Л.: Гидрометеоиздат, 1953.
31