Інженерні вишукування

Парціальний тиск водяної пари на території Вінниччини має чіткий річний хід і збільшується з півночі на південь. Мінімальні значення парціальний тиск (3,7…4,7 ГПа) приймає в холодні місяці року. Найбільше значення парціального тиску водяної пари (15…16 ГПа) спостерігається в липні. Величина річного парціального тиску в середньому по області складає 8,9 ГПа. Найбільше значення відносна вологість над Вінниччиною має взимку (92…96%). Весна є найбільш сухим періодом року, а в травні спостерігається найменша відносна вологість (68%).

Середній багаторічний дефіцит вологості взимку становить 0,6…0,7 ГПа, а найбільші значення в липні місяці (6,7…7,2 ГПа).

Середні багаторічні значення сумарного випаровування по області складають 510…540 мм/рік. Літом випаровування становить 80…100 мм на місяць. Найбільша хмарність (6…8 балів) спостерігається в зимові місяці, а найменша (3...5 балів) - у серпні.

4.3.5 Атмосферний тиск

Атмосферний тиск - вага стовпа атмосферного повітря з площею основи 1 м², що знаходиться над нею і тягнеться до верхньої межі атмосфери. Атмосферний тиск в даному місці постійно змінюється, що обумовлено нагріванням і охолодженням повітря та іншими атмосферними процесами.

За стандартний атмосферний тиск приймають такий, що дорівнює вазі ртутного стовпа висотою 760 мм площею перерізу 1м² при температурі 0С на рівні моря і на широті 45.

Одиницею вимірювання тиску є паскаль (Па) та гектопаскаль (ГПа). Нормальний тиск атмосфери складає 1013 ГПа.

З висотою сумарна маса стовпа атмосферного повітря зменшується, отже і атмосферний тиск падає. Залежність між висотою й тиском з врахуванням зміни вологості описується барометричною формулою Лапласа:

, (4.19)

де - висота над рівнем моря середини шару атмосфери, що розглядається;

- середні за висотою шару значення температури, відносної вологості та тиску атмосфери;

та - тиск температури на відповідних висотах та ;

- широта місцевості;

- температурний коефіцієнт;

- коефіцієнт, що характеризує зміну прискорення вільного падіння.

Баричним ступенем називається висота , на яку треба опуститися або піднятися, щоб тиск змінився на 1 ГПа, м/Гпа

. (4.20)

При нормальному тиску 1013 ГПа і , баричний ступінь 7,8 м/ГПа.

Вертикальний баричний градієнт - це величина, що обернена до баричного ступеня і означає зміну тиску при переміщенні на одиницю висоти, гПа/100 м.

, (4.21)



де - газова постійна (8,314·10³ кДж/кг К)

- температура, К;

- гравітаційна стала (9,806 м/с²).

Відповідно до формули (4.21) тиск спадає повільніше в теплому повітрі, ніж у холодному.

Атмосферний тиск змінюється не тільки по висоті шару атмосфери, але також в горизонтальному напрямі.

Горизонтальний баричний градієнт:

, (4.22)

де - горизонтальна відстань між точками за нормаллю до ізобар.

Ізобари - це лінії однакових величин атмосферного тиску на рівні моря. Просторовий розподіл атмосферного тиску, що характеризується системою ізобаричних поверхонь, називається баричним полем.

Області зімкнутих ізобар із зниженим атмосферним тиском відносно нормального (1013 ГПа) називаються баричними мінімумами або циклонами.

Області зімкнутих ізобар із підвищеним атмосферним тиском в центрі називаються баричними максимумами або антициклонами.

Атмосферний тиск змінюється не періодично та не має правильного ходу. Зміни тиску обумовлені термічними й динамічними причинами. Територія України характеризується континентальним типом річного ходу тиску з мінімумом влітку та максимумом взимку. При підвищеному тиску спостерігається невелика хмарність. Зниження тиску є причиною посилення вітру, збільшення хмарності та коливань температури й вологості повітря.

В цілому за рік над Україною баричне поле являє собою сідловину. Середній річний атмосферний тиск в Вінницькій області складає 983 ГПа. Максимальні значення атмосферного тиску припадають на січень та жовтень, а мінімальні - на липень. Найбільший атмосферний тиск, що був зафіксований на території області, 1042 ГПа, а найнижчий - 916 ГПа.

Зміна атмосферного тиску має певні закономірності і в добовому ході. Максимуми відмічаються взимку о 13…15 годині та о 1…3 годині, а влітку - о 12 годині та о 2…4 годині і обумовлені розвитком термічної конвенції. Зимою мінімум утворюється о 4…6 годині та о 16…20 годині.

4.3.6 Рух атмосферного повітря

В результаті нерівномірності розподілу атмосферного тиску в різних місцях Земної кулі відбувається переміщення повітря із областей з високим тиском в області з низьким тиском. Внаслідок цих переміщень виникає вітер, тобто горизонтальний рух повітря відносно земної поверхні. Рух відбувається до тих пір, поки тиск в горизонтальному напрямку не вирівняється. Вітер переносить на великі відстані речовини, що викидають в атмосферу різні джерела забруднювачів. Енергію вітру почали використовувати для потреб господарської діяльності людини.

Вітер характеризується напрямком руху та його швидкістю. Напрямок вітру визначається тією стороною світу, звідки він дме. Для позначення напрямку руху вітру використовують 16 румбів, основними з яких є північний, північно-східний, східний, південно-східний, південний, південно-західний, західний та північно-західний.

Швидкість вітру визначається за 12 бальною шкалою Бофорта (табл. 15).

Біля земної поверхні вітер не має постійної швидкості й напрямку. Поривчастість вітру обумовлюється його турбулентним характером. Поривчастість вітру є сильнішою над пересіченою місцевістю і зменшується зі збільшенням шару повітря над земною поверхнею. У річному ході поривчастість зростає на весну, є значною літом і падає взимку. У добовому ході максимум поривчастості має місце в обідній час, а мінімум - в нічний час. При обтіканні вітром перешкод значно змінюється напрямок і швидкість, що є причиною виникнення завихрення.

Таблиця 15. Швидкість та характеристика вітру

Бал	Швидкість, м/с	Характеристика
0	0…0,5	Штиль
2	1,8…3,3	Легкий вітер, що відчувається
6	9,9…12,4	Значний вітер, що хитає велике гілля дерев
10	21,6…25,1	Сильний шторм, що ламає дерева
12	29	Спустошливий ураган, тайфун

Повітряними масами називають порівняно однорідні за властивостями об'єми повітря, що займають значні простори. Горизонтальна протяжність повітряної маси досягає кількох тисяч кілометрів, а вертикальна - декілька кілометрів. За географічною ознакою повітряні маси є: арктичні холодні, помірні, теплі й маловологі, тропічні теплі і сухі та екваторіальні теплі і дуже вологі. Разом із рухомими повітряними масами переміщуються фронти. Теплий фронт утворюється, коли тепле повітря напливає на холодне, яке відступає. Холодний фронт утворюється, коли холодне повітря наступає, підтікає під тепле, яке відходить.

Загальною циркуляцією атмосфери називається вся сукупність течій великого масштабу, за допомогою якої здійснюється обмін значних мас повітря в вертикальному й горизонтальному напрямках. Суттєвими складовими загальної циркуляції атмосфери є циклони та антициклони, що забезпечують обмін повітря у меридіальному напрямку. Першопричиною руху повітря в горизонтальному напрямку є неоднорідний розподіл температур по земній кулі. Внаслідок загального розподілу атмосферної температури і тиску утворюється зональність повітряних потоків, тобто рухів повітря вздовж паралелей.

Місцевими вітрами називають повітряні течії, що обумовлені місцевими контрастами температур й тисків повітря. Місцевими вітрами є бризи, гірськодолинні, стічні та фени. Бризи дмуть вдень з водної поверхні на сушу, а вночі з суші на водну поверхню. Гірськодолинні вітри вночі направлені із схилів гір у долину, а вдень із долини вздовж схилів - вверх. Фен - це теплий сухий вітер, що дме з гір. Стічний вітер утворюється над льодовиками.

Розподіл напрямків вітру в холодний період року обумовлений наявністю над Україною смуги високого тиску. Над Вінниччиною переважають в цей час західні, південно-західні, південні та південно-східні вітри. Найменше зимою бувають північні та північно-східні вітри. Весною внаслідок послаблення Сибірського антициклону найбільшу повторюваність в Подільському регіоні мають північно-західні, східні й північно-східні вітри. Влітку над Вінниччиною переважають внаслідок активізації азовського антициклону північно-західні та західні вітри. Тобто, протягом року по області в основному переважають західні та північно-західні вітри.

4.4 Гідрографія місцевості

Гідрографічні дослідження виконують з метою вивчення та опису конкретних водних об'єктів з якісною та кількісною характеристикою їх положення, режиму та місцевих умов, виявлення закономірностей географічного розповсюдження вод та особливостей їх морфології, режиму та господарського значення в окремих природно-історичних районах та ландшафтних зонах. До гідрографічних елементів місцевості відносяться ріки, озера, болота та інші постійні та тимчасові водні об'єкти на земній поверхні.

Характеристика водних об'єктів

Гідросфера - це сукупність води, що зосереджена у Світовому океані, на поверхні суші, у підземних водоносних горизонтах, у снігах і льодовиках, атмосфері та живих організмах. Всі природні води взаємопов'язані між собою кругообігом води в природі.

Води світового океану вкривають 70,8% поверхні планети, утворюючи практично безперервну водну поверхню. Цю поверхню поділяють на Тихий, Атлантичний, Індійський і Північний Льодовитий океани. В прибережних частинах океану можна виділити: моря, затоки, протоки та ін.

Морями називають відокремлені частини океанів, що характеризуються специфічними гідрологічними і кліматичними особливостями. За розташуванням моря виділяють зовнішні, серединні та внутрішні. Зовнішні моря умовно відокремлені від океану витягнутими ланцюгами островів або значними півостровами. Серединні моря розміщені між двома материками. Внутрішні моря розташовані в глибині материків.

Поверхневі води суші утворюють поверхневий стік, який поділяють на схиловий та русловий. Русловий стік часто іменують річковим стоком. Схиловий стік виникає внаслідок стікання дощової або талої води по поверхні літосфери у вигляді міріад струмочків. Русловий стік утворюється при злитті струмків схилового стоку і підсилюється за рахунок виходів на поверхню підземних вод. Загальний об'єм стоку води із суші у Світовий океан оцінюється в 41...47 тис. км³ за рік. Повний річковий стік становить 38,8 тис. км³, а його поверхнева складова досягає 27 тис. км³ за рік. Поверхневий стік є нестійким, тимчасовим, паводковим та часто катастрофічним (рис. 6). Він на планеті розподілений вкрай нерівномірно, включаючи безстічні території.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6. Гідрограф річкового стоку: Q₁^min та Q₂^min - зимові та літні меженні витрати; Q₁^max та Q₁^max - весняні та літні паводкові витрати

Річка - це природний водотік, що протікає по руслу постійно або з перервами в період сухих сезонів. Кожна річка характеризується довжиною, шириною й глибиною русла, його спадом, площею й характером водозбору, швидкістю течії, витратами води, хвилястістю, твердим й хімічним стоком. Місце, де починається річка, називають витоком. Витоком можуть бути джерела, озера, болота, льодовики та злиття окремих струмків або річок. Місце впадання річки в море, озеро або іншу річку називають гирлом. Відстань від витоку до гирла називають довжиною річки. Хвилястість річки - це відношення довжини річки до прямої, що з'єднує витік та гирло.

Річку, що впадає в іншу, називають притокою, а річка, в яку вона впадає, іменують головною річкою. Головна річка з усіма її притоками утворює річкову систему (рис. 7).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 7. Річкова система: F_ГР - площа водозбору головної ріки; F_i1 - площа водозбору притоки першого порядку; F_i2, F_i3 - площа приток другого, третього і т.д. порядку

До основних морфологічних характеристик русла річки відносяться площа поперечного перерізу, ширина, найбільша та середня глибини. Розподілення глибин рік на плані зображується за допомогою ізобат - ліній рівних глибин. Лінія найбільшої глибини називається стержнем ріки. Поперечний переріз русла ріки, обмежений рівнем води, називається живим перерізом. Розподілення швидкостей течії в живому перерізі нерівномірне і його зображають за допомогою ліній рівних швидкостей - ізотах (рис. 8, а).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 8. Ізотахи в поперечному перерізі річного потоку з вільною поверхнею (а) та епюра осереднених місцевих швидкостей потоку (б)

Розподілення швидкостей по живому перерізу на заданій глибині показують на епюрі швидкостей (рис. 8, б). За швидкістю річки поділяються: зі слабою (до 0,5м/с), середньою (0,5…1,0 м/с), швидкою (1-2 м/с) та дуже швидкою (більше 2 м/с) течією.

Витрати води - це об'єм води, що протікає через живий переріз за одиницю часу, м³/с:

, (4.23)

де - площа живого перерізу ріки;

- середня швидкість потоку.

За витратою води річки поділяються на малі (до 10 м³/с), середні (10-100 м³/с), великі (100-500 м³/с) та дуже великі (більше 500 м³/с).

Площа, з якої вода збирається у притоки, звідки вона потрапляє в головну річку, називається водозбором або басейном річки. Річкові басейни відокремлюються один від одного вододілами, якими є підвищення в рельєфі. Водозбір характеризується лісистістю, заболоченістю, висотою, ступенем господарської діяльності. За розмірами площі водозбору та витратами річки поділяють на великі, середні та малі. Великі річки мають площу водозбору більшу 50 000 км² та витрати води більші 100 м³/с. До середніх річок належать річки з площею водозбору 2 000... 50 000 км² та з витратами води 5...100 м³/с.

Гідрографічна мережа - це сукупність річок, струмків, каналів, природних й штучних водойм на певній території. Вона характеризується густиною - відношенням загальної довжини всіх річок та їх приток, що протікають на даній території, до площі цієї території. В Україні, при середній густоті річкової мережі 0,24 км/км², у Карпатах вона становить понад 1,0; на Поліссі - 0,20; у Степовому Криму - 0,10 км/км², а в нижній течії Дніпра падає до нуля.

Живлення річок відбувається поверхневими і підземними водами, що надходять з її водозбору. Розрізняють залежно від переважного значення чотири основних типи живлення річок: дощове, снігове, льодовикове та підземне. Для основних річок України характерне змішане живлення. В залежності від переважного типу живлення формується гідрологічний режим річки: літня та зимова межень, весняна повінь та паводки. Для річок України також характерним є льодостав - суцільний крижаний покрив річки та весняний льодохід.

Річкові потоки ведуть значну руйнівну ерозійну роботу та транспортують частини зруйнованих порід в гирло. При цьому вони утворюють конуси винесення, що формують дельту річки. Розрізняють бокову і глибинну ерозію. Для бокової ерозії характерне підмивання берегів, яке відбувається внаслідок мандрування русла річки. Глибинна ерозія призводить до врізання русла водотоку. твердим стоком називають весь твердий матеріал, що переноситься річками. Твердий стік поділяють на завислі речовини та придонний стік. Кількість завислих речовин визначає мутність річки. Величина твердого стоку залежить від швидкості течії річки. В горах поверхневий змив становить понад 2 500 т/км², на височинах - 20...100 т/км², а у межах низовинних рівнин - менше 5 т/км².

Поверхневі води внаслідок руху по схилах водозборів розчиняють різноманітні сполуки, утворюючи природні розчини.

Хімічний стік річок - це кількість хімічних елементів, що надходить в річку при їх розчиненні на водозборах та з атмосферними опадами. Так, Дунай за рік виносить у Чорне море залежно від водності 33...64 млн. тонн солей та 1,0...3,9 млн. тонн біогенних речовин. Суттєвий вплив в утворенні річкових гідрохімічних аномалій відіграє господарська діяльність, а саме: скидання у річки неочищених побутових й промислових стоків та змив з ланів мінеральних добрив й пестицидів. У зонах надмірного зволоження мінералізація річкової води переважно гідрокарбонатно-кальцієва з вмістом 30...40 мг/л. В зонах недостатнього зволоження збільшується вміст в річковій воді сульфатів, хлоридів та нітратів. Разом з поверхневим стоком у водойми надходить значна кількість продуктів життєдіяльності організмів та розпаду органічних залишків. Вони зумовлюють високий хімічний вміст у поверхневих і підземних водах. Це є причиною хімічного вивітрювання, карстоутворення тощо. Особливою ефективністю відзначається діяльність мікроорганізмів в анаеробних умовах, що призводить до помітних змін хімічного складу та активності води.

Озера - це заповнені водою замкнені природні заглиблення на поверхні суші. Вони являють собою водойми уповільненого водообміну. Основними характеристиками їх режиму є вертикальна і горизонтальна неоднорідність та циркуляція води, акумуляція в улоговині твердих матеріалів, характер біоценозів і процес еволюції та відмирання водойми. Кожне озеро складається з улоговини, в якій розміщується водна маса з біоценозом організмів.

В залежності від особливостей формування водного балансу озера поділяють на добре проточні, мало проточні, безстічні, глухі та карстові. За кількістю розчинених у воді хімічних сполук озера бувають прісні (з мінералізацією менше 3%), солонуваті (з мінералізацією 3...25%) й солоні. Прісні озера переважають в зонах з надмірним та достатнім зволоженням. Підвищену мінералізацію мають води озер в зонах нестійкого й недостатнього зволоження. На хімізмі озер позначаються результати антропогенної діяльності.

Болото - це ділянка суші, для якої характерне надмірне зволоження прошарків ґрунту, застійний режим підземних вод та поширення специфічної болотної рослинності. Найважливішим процесом у болотах є торфоутворення внаслідок відмирання й перегнивання без доступу повітря рослин під водою з одночасним ущільненням. За потужністю торф'яного горизонту розрізняють власне болота (товщина шару торфу понад 30 см) й заболочені землі. Надмірно зволожені мінеральні ґрунти без торф'яного горизонту називають перезволоженими землями.

Суттєва роль у формуванні боліт належить нерозважливій господарській діяльності людини. В Україні загальний меліоративний фонд, тобто сукупність боліт, заболочених й перезволожених земель, становить 6 млн. га. Основна частина меліоративного фонду припадає на Полісся.

Підземні води - це води, що знаходяться нижче рівня земної поверхні в товщах гірських порід верхньої частини земної кори. Вони не є суцільними потоками на зразок річок, струмків чи озер. Підземні води просочуються крізь тріщини між частинками гірських порід. Насичуючи тріщини, порожнини в тріщинах гірських порід, підземні води знаходяться у рідкому, твердому чи газоподібному агрегатному стані.

У товщі літосфери виділяють такі види води: хімічно зв'язану, фізично зв'язану, пароподібну, у твердому стані, капілярну та гравітаційну.

В залежності від характеру взаємодії з підземними водами гірські породи поділяються на водопроникні, водонепроникні та розчинні. Водопроникні породи здатні пропускати через себе воду. Ці породи бувають невологовмісні (піски, галька, тріщинуваті граніти тощо) та вологовмісні (торф, мул, крейда). Водоносним горизонтом називають шар водопроникних порід насичений водою, що фільтрується по тріщинах. Водонепроникні породи за умовами фільтрації є водотривкими горизонтами. На них накопичується вода, яка не проникає в глиб літосфери, і на них затримуються розташовані вище водоносні горизонти. Розчинні породи здатні утворювати порожнини, що розширюються під дією води. Такими породами є різні солі (калійна, кухонна); гіпси та карбонатні породи (вапняки, доломіти). Значні за розмірами порожнини утворюють підземні карстові печери.

За умовами залягання підземні води поділяють на ґрунтові, верховодні, підгрунтові та міжпластові.

Ґрунтові води, що насичують верхню частину літосфери, утворюються внаслідок інфільтрації атмосферних опадів у ґрунтовий шар та частково поповнюються за рахунок конденсації водяної пари та капілярного всмоктування з нижчих водоносних горизонтів. Їх накопичення у ґрунтовому горизонті призводить до заболочування місцевості, а в умовах посушливого клімату через інтенсивне випаровування є причиною засолювання ґрунтів.

Верховодними водами називають підземні водоносні горизонти, що залягають на глибинах 2...10 м та мають через затримання інфільтраційних потоків води на обмежених ділянках незначне поширення по площині. Потужність насичених верховодних порід становить 0,4...1,0 м і вони мають постійний гідравлічний зв'язок з річками та водоймами. Якість води невисока і часто містить забруднювачі. Верховодна вода є причиною підтоплення фундаментів і підвалів споруд.

Підгрунтові води - це перший від поверхні постійно існуючий водоносний горизонт, що розташований на значному за площею водотривкому шарі глибиною до 100 м. Їх живлення здійснюється за рахунок інфільтрації атмосферних опадів, фільтрації з річок, каналів та водойм і конденсації водяної пари у зоні аерації. Підгрунтові води безнапірні, їх глибина залягання, температура, мінералізація та витрата є змінними в часі.

Міжпластові води залягають у водопроникних шарах, що зверху і знизу затиснуті між пластами водотривких порід. вони завжди мають природний напір. Геологічні структури, в межах яких розташовані міжпластові води, називають артезіанськими водами. Їх режим є стабільним, тому вони вважаються найважливішим джерелом водопостачання.

Водні ресурси та їх використання

Запаси води на Землі становлять 1,39 млрд. км³, але 96,5% їх загального об'єму, що припадає на океани і моря, є гірко-солоними і непридатними для життя та технологічного використання. Маса прісної води планети досягає 35 млн. м³, причому 80% її запасів зосереджено в унікальному озері Байкал. Основним джерелом водопостачання людства є річковий стік. Щорічно на господарські потреби витрачається приблизно 13% його об'єму, з якого у водойми повертається понад 600 км³ забруднених стоків.

В Україні протікає понад 22 тисячі річок, з яких 3,5 тисячі мають довжину понад 10 км. Середня густота річкової мережі становить 0,25 км/км². Сумарний річковий стік України без Дунаю в середній за водністю рік досягає 83,5 км³ і зменшується до 55,9 км³ у маловодні роки. Частка місцевого стоку становить відповідно 52,4 та 29,7 км³, а решта надходить транзитом з інших держав. з метою регулювання річкового стоку побудовано понад 1000 водосховищ загальним об'ємом 55,1 км³, включаючи шість великих водосховищ на Дніпрі. Побудовано також близько 28 тисяч ставків, 7 великих каналів довжиною близько 2000 км, а також 10 водоводів великого діаметра. Забір поверхневих вод в Україні складає близько 60% місцевого стоку і нерівномірний в басейнах річок (рис. 9).

В прісних озерах України знаходиться 2,3 км³ води, в солоних озерах і лиманах - 8,6 км³, а в болотах - близько 30 км³.

В Україні підземні води поширені по всій території і мають прогнозні запаси 20,9 км³. Близько 70% населених пунктів користуються водою підземних горизонтів і майже 100% сільських населених пунктів задовольняють свої потреби за рахунок підгрунтових вод або глибинних водоносних горизонтів.



Рисунок 9. Забір поверхневих вод в басейнах річок України

Галузі господарства по відношенню до водних ресурсів поділяють на водоспоживачів та водокористувачів. Водоспоживачі забирають воду з гідросфери для використання у виробництві промислової та сільськогосподарської продукції і задоволення побутових потреб населення, а потім повертають у довкілля в меншій кількості та з іншими якісними характеристиками. Водокористувачі воду з гідросфери не забирають, а використовують її як середовище (транспорт, рибальство, спорт тощо) або як джерело енергії (гідроелектростанції). Вони також можуть змінювати якість води та гідрологічний режим. Структурна схема використання водних ресурсів наведена на рис. 10.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 10. Структурна схема використання водних ресурсів

В нашій державі водомісткість валового національного продукту у кілька разів перевищує аналогічні показники інших країн Європи. Значна кількість підприємств використовує води у 2...10 разів більше, ніж необхідно за технологією. Причиною цього є застарілі технології, не налагоджений облік води, відсутність повторного використання води та оборотних систем. До 50% води питної якості використовується на технологічні потреби. Тоді як близько 90% потреби можна задовольнити за рахунок повторного використання води в системах комунального та промислового водозабезпечення.

Втрати води при транспортуванні перевищують 10...20 %. всього понад 70% населення України забезпечені централізованим водопостачанням. До 10% досліджуваних проб з водопровідних мереж не відповідає гігієнічним нормативам. Стан водопровідних очисних споруд та технології підготовки питної води не відповідають сьогоденним вимогам.



4.5 Гідрометричні роботи

Гідрометричні роботи виконуються з метою визначення величин, що характеризують рух та стан рідини та режим водних об'єктів. Ці роботи полягають у вимірюванні рівнів, глибин, рельєфу дна та вільної поверхні потоку, напорів та тиску, швидкостей та напрямку течії рідини, пульсації швидкостей та тисків, елементів хвиль, гідравлічних уклонів, об'ємних, вагових та масових витрат рідини, мутності потоку, витрат наносів і пульпи, елементів, що характеризують термічний та льодовий режим потоків.

Для складання планів водних об'єктів, вивчення рельєфу їх дна виконують промірні роботи, що включають вимірювання глибин та координування точок промірів. Глибини вимірюють гідрометричною штангою (наміткою), лотом та профілографами. За допомогою намітки та лоту визначають глибину безпосередньо за величиною занурення штанги або лота у воду. Профілографи автоматично реєструють профіль водного перерізу. Профілографи за принципом дії поділяють на: механічні, гідростатичні та акустичні. При вимірюванні механічним профілографом шукана глибина передається записуючому механізму за допомогою промірного вантажу на тросі або жорсткій штанзі. Дія гідростатичного профілографа основана на залежності гідростатичного тиску від глибини води. Принцип роботи акустичного профілографа (ехолота) полягає на вимірюванні часу проходження ультразвукового сигналу від поверхні води до дна та назад, значення якого пропорційне глибині. Глибини вимірюють штангою та лотом із судна, мостів та спеціальних гідрометричних переправ. Дистанційним профілографом глибини вимірюють з катера, що рухається. Місцеположення промірних точок визначають: по розміченому тросу, який натягнутий між протилежними берегам, геодезичними кутомірними приладами за допомогою засічок; секстантом з промірного судна на орієнтири вздовж берега та радіогеодезичним способом. Вимірювання, кодування промірних глибин виконують за поперечними, поздовжніми та косими галсами. За результатами промірних робіт будують поперечний профіль водоймища, який дозволяє визначити його морфологічні характеристики, поздовжній профіль по лінії найбільших глибин та план водоймища в горизонталях та ізобатах, що характеризують просторове розподілення однакових глибин.

Витрати залежать від рівня води в річці, за який приймають висоту поверхні води, що відраховують відносно деякої постійної площини порівняння. Для вимірювання рівнів води обирають типову прямолінійну ділянку річки, на якій влаштовують водомірний пост. За призначенням водомірні пости бувають основні (для систематичного спостереження за рівнями), гідростворні (для спостереження за рівнями тільки при зміні витрат води), гідропрогностичні (для передбачення водного режиму), уклонні (для визначення різниці позначок поверхні води) та спеціального призначення. Залежно від терміну дії водомірні пости поділяють на постійні, тимчасові та пересувні, що встановлюють в місцях стоянок вишукувальних робіт. За способом встановлення, влаштування та конструктивними особливостями водомірні пости бувають прості, самописні та дистанційні. Прості водомірні пости поділяються на рейкові, пальові, змішані та передаточні. Рейковий пост складається з однієї або декількох розмічених через двосантиметрові поділки металевих або дерев'яних рейок, що прикріплені до гідротехнічної споруди або забиті в дно русла палі. Пальовий пост складається з ряду паль, що встановлені в одному створі перпендикулярно до течії річки, які забиті в дно та береги річки з перевищенням одна над одною 0,2…0,8 м. Змішаний водомірний пост - це сполучення елементів рейкового та пальового постів. Самописні водомірні пости обладнуються самописцями рівнів води та дозволяють безперервно визначати рівень води на будь-якому проміжку часу. Дистанційні водомірні пости автоматично безперервно або періодично передають рівні води на певну відстань, де вони реєструються. Стандартні строки спостереження на водомірних постах - 8 або 20 годин за місцевим часом.

Коливання рівнів води в річці може бути багаторічним, викликане змінами клімату, сезонними та випадковими змінами. Амплітуда коливань рівня може сягати декількох метрів.

За температурою води спостерігають за допомогою термометрів, починаючи з перших весняних відлиг, та закінчують восени через 3-5 діб після встановлення льодоставу. Вимірювання товщини льоду та шуги, а також спостереження за водною рослинністю проводять 10, 20 числа та в останній день кожного місяця.

За результатами вимірювання на водомірному посту обчислюють середньодобові рівні, складають таблиці щоденних рівнів та будують графіки коливань, за якими визначають багаторічні характеристики рівнів та дати їх настання. Контроль та аналіз матеріалів спостережень виконують за допомогою комплексних графіків, основних гідрометеорологічних елементів, на які наносять температуру повітря та води, рівні, рідкі та тверді опади, висоту снігу та льоду, товщину льоду та шуги, витрати води, наноси, мутність води, вміст в ній солей.

Швидкість течії та її напрямки змінні в часі та просторі. Усереднена швидкість за проміжок часу визначається:

, (4.24)

де - миттєва пульсуюча швидкість в даній точці потоку в даний момент часу.

Розподілення місцевих швидкостей в вертикальній площині визначається епюрою швидкостей по вертикалі. Найбільша швидкість течії при безнапірній течії у поверхні води, а найменша - біля дна (рис. 10). Розподілення усереднених місцевих швидкостей в межах поперечного перерізу потоку показується ізотахами, тобто лініями рівних місцевих швидкостей.

Швидкості та напрямки течії вимірюють гідрометричними поплавками, вертушками, трубками, флюгерами, динамометрами, гідрокатазондами, ультразвуковими та радіоактивними вимірювачами швидкостей, барометрами-тахеометрами. Поплавки бувають поверхневі, глибинні та поплавки-інтегратори. Швидкість кожного поверхневого поплавка відповідає поверхневій швидкості потоку:

, (4.25)

де - відстань між створами;

- час проходження поплавком цієї відстані.

Середня швидкість водного потоку, що визначається поплавком-інтегратором:

, (4.26)

де - швидкість вертикального підйому поплавка в стоячій воді, що встановлюється попереднім таруванням;

- відстань від вертикалі до точки спливання поплавка;

h - глибина.

Гідрометричні вертушки складаються з корпуса, робочого колеса (ротора), контактного механізму, сигнального пристрою та стабілізатора напрямку. Принцип роботи вертушок оснований на залежності частоти обертання ротора від швидкості течії рідини. Вертушки розміщують по напрямку осі обертання ротора, пристрою контактного гвинта, контактного та лічильного механізму, способу опускання їх у воду. Для визначення швидкості течії можна застосувати вертушки. Вертушками швидкість течії води вимірюють точковими та інтеграційними способами. Точковий спосіб полягає у вимірюванні місцевих швидкостей в строго фіксованих точках на швидкісних вертикалях. При інтеграційному способі вимірюють усереднену швидкість по вертикальному, горизонтальному або косому напрямках. Швидкість вимірюють біля поверхні 0,2; 0,4; 0,8 робочої глибини та біля дна потоку. Середня швидкість по вертикалі рівна:

(4.27)

Якщо швидкість вимірюють скороченим способом на всіх глибинах, то середню швидкість по вертикалі визначають з врахуванням кількості вимірювань.

При графічному способі визначення будують епюру розподілення швидкостей по глибині , визначають її площу, чисельно рівну елементарній витраті . Середня швидкість по вертикалі:

(4.28)

Для визначення середньої швидкості відкритого потоку при рівномірному русі використовують формулу Шезі:

, (4.29)

де - поздовжній уклон водної поверхні ділянки ріки;

- гідравлічний радіус, рівний відношенню площі живого перерізу потоку до змоченого периметра;

- коефіцієнт Шезі, що враховує вплив шероховатості русла на швидкість течії та змінюється в межах 20…..40 м^0,5/с².

Витрати потоку рідини



, (4.30)

де - проекція місцевої швидкості на нормаль до площі розміром .

Витрати води вимірюються прямим або непрямим методами. До прямого методу відноситься об'ємний спосіб, що полягає у визначенні часу t заповнення рідини протарованого резервуару об'ємом :

. (4.31)

При непрямих методах визначають параметри потоку, що використовуються для обчислення витрат. Їх поділяють на гідрометеорологічні, гідравлічні, гідравліко-гідрометричні та гідрологічні.

Для визначення витрат гідрометричним способом на обраній ділянці річки розбивають гідрометричний створ перпендикулярно до напрямку течії. Він обладнується гідрометричною переправою, як таку приймають балкові та підвісні містки, катери, пароми тощо (дистанційні гідрометричні установки). В створі вимірюють глибину та швидкість течії на швидкісних вертикалях. Кількість швидкісних вертикалей назначають залежно від необхідної точності вивчення кінематики потоку. При детальному способі швидкісні вертикалі розташовують рівномірно через одну промірну вертикаль на відстані 1/10 ширини річки. Основний спосіб передбачає зменшення числа вертикалей, але їх повинно бути не менше п'яти. При скороченому способі швидкість вимірюють на одній або двох вертикалях в точках на 0,2 h та 0,8 h або в одній точці на 0,6 h.

Гідрометричний метод передбачає визначення витрати води аналітичним, графічним та графоаналітичним способами. Для обчислення витрат води аналітичним способом застосовують залежність:



, (4.32)

де - середні швидкості на вертикалях, що розраховані за (4.27);

- площі водного перерізу між вертикалями, що приймаються як трапеції;

- коефіцієнт для швидкостей на прибережних вертикалях, ( = 0,7….0,9).

Графічний спосіб розрахунків застосовують у випадку детального вимірювання витрат. Спочатку будують профіль живого перерізу, на якому наносять швидкісні вертикалі. На цьому ж кресленні будують епюри швидкостей для кожної швидкісної вертикалі та обчислюють середню швидкість течії. На профілі живого перерізу потоку від лінії рівня води на кожній швидкісній вертикалі відкладають середні їх швидкості та будують плавну епюру швидкостей по ширині річки. Множачи швидкість на робочі глибини, обчислюють елементарні витрати води. За цими даними на поперечному профілі будують епюру розподілення елементарних витрат по ширині ріки. Площа цієї епюри рівна загальній витраті води.

Гідравліко-гідрометричний спосіб, розроблений Г. В. Желєзняковим, оснований на залежності витрати води відкритого потоку від його кінематичної структури та морфометрії. Для визначення витрати води виконують вимірювання, характерні для гідрометричного способу та використовують гідравлічні залежності, що описують характер руху потоку. Витрати потоку

, (4.33)

де - фіктивні витрати води, що обчислюються за виміряними поверхневими швидкостями та глибинами потоку;

- параметр, що враховує нерівномірність розподілення глибини по ширині потоку;

- змінний параметр, що залежить від морфологічних характеристик русла;

- динамічні витрати води.

, (4.34)

де - площа живого перерізу;

- прискорення вільного падіння;

- середня глибина потоку;

I - уклон поверхні потоку.

При гідравлічному способі витрати визначають витратомірами у вигляді гідрометричних лотків або водозливів, що являють собою стіну, яка перегороджує потік, через яку відбувається перелив рідини. Цей спосіб дозволяє автоматизувати вимірювання витрат, які обчислюють за формулами залежно від рівня води та напрямку та параметрів витратомірів. Водозливи бувають тонкостінні, практичного профілю та з широким порогом.

Витрати води , що протікає через водозлив:

тонкостінний прямокутний

; (4.35)

тонкостінний трапецеїдальний

; (4.36)



тонкостінний трикутний

; (4.37)

практичного профілю

; (4.38)

з широким порогом

; (4.39)

гідрометричний лоток

(4.40)

де - виміряний напір на водозливі;

- ширина водозливу;

- кут вирізу водозливу;

- коефіцієнт, що враховує швидкість підходу;

- коефіцієнт витрат водозливу;

- коефіцієнт підтоплення;

- повний напір з врахуванням швидкості підходу до споруди;

- емпіричні коефіцієнти, що встановлюються для кожного лотка.

Гідрологічні способи визначення витрат води не потребують ніяких вимірювань потоку води, а основані на зв'язку витрат води з фізико-географічними факторами басейна



, (4.41)

де - шар стоку з водозбірної площі розміром за період , що визначається як остаточний член рівняння водного балансу водозбору річки, що розглядається.

Вимірювання витрат потребує значних затрат часу та засобів. Рівні вимірюють на річці щоденно в стандартні строки. Між рівнями та витратами води існує залежність , яка називається кривою витрат води. Використовуючи криву витрат води за щоденними рівнями, визначають щоденні витрати води.

Одночасно з вимірюванням витрат відбирають проби для визначення завислих наносів та стоку розчинених речовин. Для визначення мутності проби відбирають батометрами миттєвого або тривалого наповнення та вакуумними батометрами точковим, сумарним та інтеграційним способами. Фільтруванням або висушуванням знаходять масу наносів, а також їх механічний склад шляхом обміру великих частинок або просіюванням через сито. Перспективним способом визначення води є фотометричний або фотоелектричний способи, які основані на вимірюванні послаблення світового променя завислими у воді наносами, та використовування радіоактивних ізотопів. Для відбору проб донних наносів застосовують донні батометри, які протягом тривалого часу уловлюють наноси.

Хімічний склад та фізичні властивості проб води, що включають температуру, прозорість, колір, смак, запах, кислотність або лужність, вміст вільної вуглекислоти та кисню визначають за допомогою польової гідрохімічної лабораторії безпосередньо біля водного об'єкта. За даними хімічного аналізу розраховують мінералізацію води та витрати розчинених в ній солей.



4.6 Гідрологічні розрахунки

В процесі гідрологічних розрахунків розв'язують такі задачі:

визначають норму річного стоку, максимальні витрати повеней та паводків, внутрішньорічне розподілення стоку, мінімальні витрати води, будують гідрографи повеней та паводків, тобто графіки змін витрат води в часі;

виконують розрахунки гідрометереологічних характеристик водних об'єктів, що включають випаровування з поверхні води та суходолу атмосферних опадів;

розраховують водний баланс окремих водних об'єктів;

встановлюють стік наносів, динаміку водних мас, характеристики термічного та гідрохімічного режимів.

Нормою річного стоку є середнє значення за багаторічний період із незмінними географічними умовами, однаковим рівнем господарчого освоєння ріки та її басейна. Річний стік виражають у вигляді: витрати води (м³/с), модуля стоку М (л/с·км²) та шару стоку h (мм).

Модуль стоку - витрати води, що стікає за одиницю часу з одиниці площі водозбору .

. (4.42)

Шар стоку - кількість води, що стікає з водозбору за будь-який проміжок часу t, виражена у вигляді шару, рівномірно розподіленого по площі

. (4.43)



Максимальна витрата води - найбільша витрата води повені. Розрізняють найбільшу середню добову та найбільшу миттєву термінову витрату води. Мінімальні витрати - найменші витрати в межені. Розрізняють добові, середньомісячні та абсолютні мінімуми. За період спостережень бувають різні витрати.

Мета розрахунку річного стоку - визначення об'єму стоку в середній за водністю рік, а також в маловодні та багатоводні роки різної повторюваності та місяці цих років. Залежно від наявності матеріалів спостережень та їх тривалості розрахунок річного стоку виконують різними методами.

При наявності репрезентативних даних гідрометричних спостережень за 30 та більше років визначають норму стоку як середню арифметичну середніх річних витрат , коефіцієнти варіації та асиметрії варіаційних рядів:

, (4.44)

, (4.45)

, (4.46)

де - кількість років спостереження за стоками;

- модульний коефіцієнт.

При відсутності спостережень за достатньо довгий період часу коефіцієнт асиметрії встановлюють методом графічного підбору теоретичних кривих забезпеченості до емпіричних точок забезпеченості.

Витрати заданої забезпеченості визначаються з врахуванням коефіцієнта варіації та ординат теоретичної кривої забезпеченості, що отримана інтегруванням біноміальної кривої розподілення:

, (4.47)

де - нормоване відхилення кривої забезпеченості.

Внутрішньорічне розподілення стоку в рік заданої забезпеченості описують за реальним роком, в якому середня річна витрата близька за значенням до витрати заданої забезпеченості.

При недостатній кількості років гідрометричних спостережень, коли похибка визначення норми річного стоку

> 5%, (4.48)

підбирають створ-аналог та здовжують ряд середніх річних витрат.

Приведення статичних параметрів до багаторічного періоду виконують графічним або графоаналітичним методами. Графічний метод застосовують для визначення в основному норми річного стоку при наявності не менше шести відповідних значень річного стоку в розрахунковому створі та в створі річки-аналога. Залежності вважаються задовільними, якщо відхилення більшої частини точок від середньої лінії зв'язку не перевищує 15%. Графоаналітичний метод застосовують при наявності тісного зв'язку (коефіцієнт кореляції двох рядів більший 0,8). При наявності тісного зв'язку норми річного стоку визначаються безпосередньо за графіком (рис. 11).



Рисунок 11. Графік зв'язку витрат стоку в розрахунковому створі та в річці-аналозі

Для визначення більш достовірного річного стоку його обчислюють за рівнянням кореляції

, (4.49)

де - значення середньої річної витрати води річки, що розглядається, та річки аналога, обчислені за період спостережень в розрахунковому створі;

- середньоквадратичні відхилення річних витрат води річки, що розглядається, та річки аналога;

- коефіцієнт кореляції

; (4.50)

де - відхилення річних витрат річки, що розглядається, та річки аналога від середніх багаторічних значень.

Середньоквадратичне відхилення визначають за формулою Бесселя. Коефіцієнт варіації річного стоку обчислюють за залежністю

, (4.51)

де - коефіцієнт варіації річки-аналога;

- кутовий коефіцієнт прямої, що виражає залежність річного стоку в цих створах.

При відсутності гідрометричних спостережень норму річного стоку та коефіцієнт варіації визначають інтерполяцією між даними спостережень на річках даного фізико-географічного району з врахуванням впливу карсту, виходів підземних вод, особливостей геологічної будови та ґрунтів басейну, пересихання і перемерзання рік. Норму річного стоку знаходять інтерполяцією між опорними пунктами з відомими значеннями, а також за картами модуля та шаром річного стоку. Для розрахунку стоку інтерполяцією між опорними пунктами на топографічну карту наносять норму річного стоку, що виражена модулем або шаром стоку, в центрах водозборів двох-трьох опорних пунктів. Величину стоку для розрахункового пункту при малозмінюваному рельєфі визначають за допомогою прямолінійної інтерполяції. В гірських районах зміну стоку приймають пропорційно висотам місцевості. При розрахунках стоку за картою використовують результати картографування стоку. Для отримання достовірних значень доцільно користуватися регіональними картами, що враховують фізико-географічні умови формування стоку. Норма стоку за картою визначається для центра водозбору невивченої ріки шляхом прямолінійної інтерполяції між ізолініями модуля або шару стоку. При наявності на водозборі декількох ізоліній обчислюють середньозважену величину



, (4.52)

де - середні значення стоку між сусідніми ізолініями, що перетинають водозбір;

- відповідні площі між ізолініями;

- площа водозбору до розрахункового водозбору.

Отримані значення з карти коректують з врахуванням заболоченості, лісистості та інших факторів, що суттєво впливають на умови формування стоку.

Внутрішньорічне розподілення стоку при відсутності або недостатності даних гідрометричних спостережень для рівнинних територій при подібних фізико-географічних умовах розраховують методом аналогії. На межі сезонів та лімітного періоду, середнє розподілення стоку по сезонах в частках від річного стоку, розподілення стоку маловодних сезонів по місяцях для визначення групи водності сезону встановлюють за даними річки-аналога. При відсутності репрезентативних аналогів внутрішньорічне розподілення стоку знаходять за регіональними залежностями параметрів сезонного стоку від площі та середньої висоти водозбору, ставковості, характеру ґрунтів та інших фізико-географічних стокоутворювальних факторів. Коефіцієнт варіації визначають для всієї території за формулою:

, (4.53)

або за регіональними залежностями

, (4.54)



де - шар стоку;

- середній багатолітній модуль стоку;

- відносне сумарне зволоження;

- регіональні параметри, що враховують умови формування стоку;

- площа водозбору.

Всі гідротехнічні споруди розраховують на миттєві розрахункові витрати води, які можливі в даних фізико-географічних умовах. Забезпеченість витрат визначають залежно від капітальності споруд за результатами техніко-економічних розрахунків.

Вибір методу розрахунку максимальних витрат залежить від умов їх утворення:

від сніготанення з врахуванням можливої складової від дощів;

від дощів, з врахуванням можливої складової від сніготанення.

Розрахунки виконують для максимальних миттєвих витрат.

При наявності достатньо тривалих спостережень максимальні витрати води різної імовірності перевищення визначають за середньою максимальною витратою води, коефіцієнтом варіації та асиметрії. В розрахунках використовують апарат статистичного методу за аналогією з розрахунками норм річного стоку. Дані гідрометричних спостережень є достатніми, якщо немає пропусків в спостереженнях за роки з визначними рідкими максимумами, а частота спостережень забезпечує реєстрацію найбільшого рівня за час повені. Тривалість періоду спостережень залежно від фізико-географічних зон складає для лісової зони 25 років, а для напівпустельної - 50 років. При встановленні розрахункових максимальних витрат води необхідно використовувати також дані про найвищі історичні рівні води річки, що вивчається. Криві забезпеченості будують окремо для максимальних витрат талих вод, дощових паводків та відповідних їм шарів стоку.

При недостатності рядів спостережень для побудови кривої забезпеченості максимальної витрати виконують приведення за графічними або аналітичними залежностями. Річку-аналог обирають, виходячи із однорідності фізико-географічних умов формування максимальних витрат та приблизної рівності площ водозбору.

У випадках відсутності гідрометричних спостережень або недостатності рядів спостереження їх приводять до багаторічного періоду. Значення максимальних витрат різної імовірності перевищення визначають за регіональними емпіричними формулами. Максимальні витрати талих вод рівнинної території обчислюють за формулою:

, (4.55)

де - коефіцієнт дружності повені, що визначається за річками- аналогами;

- коефіцієнт, що враховує нерівність статистичних параметрів шару стоку до максимальних витрат;

- розрахунковий шар сумарного весняного стоку щорічної імовірності перевищення;

- коефіцієнти пониження максимальної витрати ставками, лісами та болотами;

- розрахункова та додаткова площа водозбору, що враховує пониження редукції;

- показник ступеня редукції.

Максимальні витрати дощових паводків залежно від площі водозбору та фізико-географічних умов (зони) визначають:

за емпіричною редукційною формулою:

, (4.56)

за формулою граничної інтенсивності стоку

, (4.57)

де - модуль максимальної витрати води 1% забезпеченості, що зведений до площі водозбору 200 км²;

- коефіцієнт переходу до інших забезпеченостей;

- показник ступеня редукції;

- коефіцієнт, що враховує зміни модуля максимальної витрати з врахуванням середньої висоти водозбору;

- максимальний модуль стоку 1% забезпеченості;

- добовий шар опадів 1% забезпеченості, що визначається залежно від геоморфологічної характеристики русла, тривалості склонового добігання та району;

- збірний коефіцієнт паводного стоку, який визначається залежно від фізико-географічних умов формування стоку.

Основні параметри гідрографа повені: об'єм, максимальна витрата, загальна тривалість та тривалість підйому і його контуру. Розрахункові гідрографи будують за моделлю спостережуваних гідрографів, схематизації геометричних фігур та рівнянням, а також за ходом водовіддачі та графіка розподілення одиничних площ.

Розрахункові найвищі рівні вод річок в створі поста визначають за емпіричною кривою забезпеченості щорічних вищих миттєвих або термінових рівнів води за весь період спостережень. Розрахункові значення найвищих рівнів від створу поста з довгостроковим рядом спостережень до інших створів в межах ділянки однієї річки переносять за: кривим витрат (рис. 12), кривими зв'язку відповідних рівнів води та уклоном водної поверхні.

Рисунок 12. Крива витрат

Способи перенесення рівнів обирають залежно від протяжності ділянки, його проточності, уклонів водної поверхні та морфометрії русла. Розрахункові найвищі рівні води рік для вільного стану русла у випадку недостатності гідрометричних даних визначають за відповідними значеннями однаково забезпечених максимальних витрат та кривої витрат . Криву витрат води при відсутності або недостатності гідрометричних спостережень будують за гідравлічними та морфометричними характеристиками русла річки в розрахунковому створі.

Розрахункові мінімальні витрати води річки знаходять для зимового, літнього та осіннього сезонів. За зимовий період беруть час від початку прояву льодових явищ до початку весняної повені. Літньо-осінній період - це період від кінця весняної повені до початку льодових явищ на річках. Основними розрахунковими характеристиками є мінімальні середньодобові витрати, мінімальні середньомісячні витрати за календарний місяць або за 30 днів з найменшим стоком. При наявності гідрометричних спостережень мінімальні витрати води розрахункової забезпеченості визначають, використовуючи статистичні методи. При недостатньому ряді спостережень параметри кривої забезпеченості мінімального стоку приводять до багаторічного періоду по річках-аналогах. Визначення мінімальних середніх місячних витрат води виконують за картами ізоліній мінімального стоку 80% забезпеченості, емпіричними регіональними залежностями витрат води від площі басейна ріки та інтерполяцією між пунктами спостережень за мінімальними витратами води.