Гидрологические изыскания

Гидрологические изыскательские работы, проводимые на стадии предпроектирования, выполняются в соответствии с указаниями СНИП 11-02-96 «Инженерные изыскания для строительства». Их необходимый объем во многом зависит от ранее выполненных гидрологических наблюдений.

При наличии в створе проектируемых сооружений данных многолетних наблюдений за стоком, уровнями воды, ледовым режимом, твердым стоком изыскательские работы сводятся к сбору изыскательских материалов прошлых лет, обследованию водотока и описанию русловых процессов и ледового режима. На озерах и водохранилищах анализируются наблюдения за ветровым воздействием, вызывающим денивеляцию и сейши.

В результате наблюдений и обследования необходимо осветить следующие вопрос

• описание морфометрических характеристик долины, поймы, русла рек;
• исследование общего водного режима водотока по литературным данным.

В результате изысканий должны быть установлены: возможность пересыхания перемерзания реки или озера; условия и сроки прохождения половодий и паводков; наивысшие и наинизшие уровни воды по опросу местных жителей; поперечное сечение реки до незатопляемых отметок для рек и кривые для объемов и площадей при различиях уровнях воды для озер и водохранилищ; измеренные расходы воды и уклоны водной поверхности при фиксированнных на момент изысканий уровнях; описание ледового режима реки: осенние ледовые явления, максимальная толщина льда, весенние ледовые явления.

Имея в виду, что речные русла являются самыми изменчивыми элементами природного ландшафта земли, при проектировании водозаборов важно исследовать paйон проектируемого сооружения. Если не учитывать закономерности русловых процессов, водозаборное сооружение может быть либо занесено через некоторое время насосами, либо водозабор может оказаться в плановом положении вне русла, когда идет интенсивный процесс его смещения в плане.

Изменение морфологического строения русла под действием движущегося потока может привести к образованию микроформ (мелких песчаных гряд, расположенных по всему дну потока и воспринимаемых как шероховатость русла), мезоформ (крупных грядообразных скоплений, размеры которых соизмеримы с шириной русла) и макроформ (образований, охватывающих русло и пойму и определяющих в целом русловой процесс реки).

При выборе места расположения водозабора проектировщик должен предварительно определить тип русловых процессов на участках, примыкающих к водозабору. Различают ограниченное и свободное меандрирование русел. Первое из них заключаетется в сползании относительно слаборазвитых излучин вниз по течению, сохраняя при смещении формы и размеры.

Свободное меандрирование наблюдается при отсутствии ограничений в плановых деформациях. Русло вначале образует слабо выраженные излучины, сползающие так же, как и при ограниченном меандрировании. В ходе сползания излучины интенсивно развиваются и становятся все более асимметричными.

При прооктиронании и эксплуатации водозаборных сооружений необходимо учиты­вать возможные последствия вмешательства человека в природную деятельность реки.

При наличии многолетних наблюдений в створе проектируемого водозабора зада­ча установления расчетных уровней воды определенной вероятности превышения сво­дится к построению кривой обеспеченности и фиксации уровней воды расчетной веро­ятности превышения в зависимости от назначения водозабора.

При недостаточном периоде наблюдений необходимо осуществить проведение ко­роткого ряда наблюдений к репрезентативному периоду и построить кривую обеспечен­ности.

Поскольку расчеты обеспеченных уровней воды невозможно проводить без изыскательских материалов в створе водозабора, то в процессе изысканий набираются мак­симальное количество наблюдавшихся в этом створе максимальных и минимальных уровней. По окружающим расчетный створ водомерным постам производится оценка вероятности превышения занивелированных уровней известных лет и для этой обеспе­ченности вычисляются расходы воды.

Уроненный режим озера (водохранилища) отличается от режима рек меньшей из­менчивостью амплитуды, абсолютной величиной амплитуды и зависит от приточности к водоему. Суждение об обеспеченных уровнях воды озер, водохранилищ может быть по­лучено на основании водного баланса водоема и батиграфической кривой, выражающей связь между площадью водоема и его глубиной. Для получения зависимости площади водоема от глубины необходимо выполнить промерные работы в период проведения изысканий и топографическую съемку ложа водоема до незатопляемых отметок. На основании обеспеченных величин уравнения водного баланса и кривой объемов водоема от уровня воды определяется обеспеченный уровень воды озера или водохранилища.

При большой площади и плоской форме озерного ложа и малых глубинах за счет фронта разгона ветровой волны с наветренной стороны образуется нагон, называемый денивеляцией. Чем больше акватория водоема, тем больше степень проявления воздей­ствия ветра на поверхностные слои воды, за счет чего они увлекаются в направлении движения воздушного потока. Величина денивеляционного искажения уровня воды, как и других гидрологических характеристик, точнее всего определяется наблюдениями в створе водозабора.

Оценка высоты ветрового нагона принимается по натурным наблюдениям. При их отсутствии рекомендуется формула

Δh=2*10^-6(u²L/gH)cosa, м

где u расчетная скорость ветра на высоте 10 м над уровнем воды, м/с; L- протяжен­ность охваченной ветром акватории, определяется по плану водоема, м; Н- средняя глу­бина водоема на рассматриваемом участке, определяется по профилю, м; а -угол меж­ду продольной осью водоема и направлением ветра, определяемый по плану водоема и розе ветров, в градусах.

При отсутствии наблюдений для ориентировочного определения высоты волны можно воспользоваться эмпирическими зависимостями, например, В.Г. Андреянова:

h=0,0208w^5/4D^1/3, м

где w - расчетная скорость ветра на высоте флюгера ближайшей к водоему метеороло­гической станции в м/с; D - длина наибольшего пробега ветра над водной поверхностью (длина разгона волны) в км.

Формула применима для глубоководных водоемов и длине разгона не более 30 км

Колебания всей массы воды водоема без распространения волны на поверхности (сейши) создают уклон то в одну, то в другую сторону и периодически изменяются уровни воды. Причиной возникновения сейшей являются метеорологические факторы. В качестве таковых могут выступать резкие изменения атмосферного давления в различных частях водоема, резкие скачки скорости и направления ветра, возникающего при про­хождении циклонов и др. В простейшем случае для водоема постоянной глубины соотношение между элементами сейшевого волнения можно выразить формулой Мериана при длине водоема L и глубине Н:

В летний период, когда тепловой баланс приземных слоев атмосферы и водных масс положительный, максимальная температура воды в водоемах и реках на свободной поверхности. Такое распределение температуры по вертикали принято называть прямой температурной стратификацией. В зимний период года при установлении ледяного по­крова у поверхности воды наблюдаются более низкие температуры. А у дна благодари теплообмену с ложем водоемов и отсутствию лучистого теплообмена устанавливаются несколько большие температуры, не превышающие 4 °С.

Поверхность воды, охлажденная до 0 °С, а также продолжающаяся в осенне-зимний период отдача тепла с водной поверхности способствуют образованию ледовых явлений, подразделяющихся на осенний ледоход, ледостав и весеннее вскрытие реки.

Рост кристаллов льда и их соединение в общую массу приводит к образованию внутриводного льда, разновидностью которой является донный лед и шуга.

Для формирования внутриводного льда необходимо переохлаждение воды при пе­реходе к зимнему периоду, наличие центров кристаллизации и интенсивное перемешивание водной массы.

Шуга движется по поверхности воды при скорости 0,7-0,8 м/с. При скорости 1,2-1,8 м/с она может заноситься до половины глубины, а при скорости более 3 м/с распределяться по всему живому сечению.

Для расчета количества шуги применима формула В.М. Потапова:

где m - количество шуги, Q_ш - расход шуги, Q_воды - расход воды, t - температура воды, С.

Для озер и водохранилищ, где теплообмен замедлен, количество шуги вычисляет­ся по формуле

m=SF/L_л

S - теплообмен с единицы водной поверхности кал/(см²*с); F - площадь водоема; L_л - теплота льдообразования.

С установлением ледяного покрова его толщина изменяется как по времени, так и по площади, или длине водотока. Изменение толщины льда происходит в основном из- за метеорологических факторов, причем нарастание льда происходит как снизу за счет примерзания шуги и теплоотдачи в атмосферу, так и сверху за счет намерзания мокрого снега.

Для оценки толщины льда в эмпирических формулах чаще всего используется сум­ма отрицательных температур. Механическое воздействие вскрытия ледяного покрова происходит за счет подъема уровней воды и, соответственно, скорости течения. На озе­рах и реках излом льда может происходить под влиянием ветра. С вскрытием рек на кру­тых поворотах русла, в разветвлениях реки на рукава, при сужении русла, в местах рез­кого изменения уклона реки возможно образование заторов.

Вернуться к списку