Калинин В.М. Экологическая гидрология

Подождите немного. Документ загружается.

1.2 Водные ресурсы и речной сток

Речной сток относится к быстро возобновляемым водным ресурсам.

Потребность экономики в пресной воде удовлетворяется в основном за счет

речного стока. Использование вековых запасов вод обычно не предусматривается

в хозяйственных планах. Вековые запасы поверхностных и подземных вод

Российской Федерации составляют около 89 000 км

, из них 26 500 км

сосредоточено в озерах, еще по 15 000 км

в ледниках арктической зоны и

подземных льдах (Яковлев, Губий 2005). Главный резервуар пресной воды в

России – это оз. Байкал с объемом 23 тыс. км

Рис 1.1 Озеро Байкал – крупнейший резервуар чистой пресной

воды (Фото с сайта www // decembermusic.ru)

Водные ресурсы речного стока России составляют 4271 км

. При

этом следует отметить, что часть вод ледников, озер, подземных вод

участвуют в формировании речного стока и активно используются в

хозяйственных целях. Примерно 20% речного стока составляют

подземные воды. Использование запасов вод речного стока

составляет около 2,3 %, т. е. из общего объема годового стока рек РФ

используются порядка 80 км

, из них треть используется

безвозвратно.

1.3 Морфологические характеристики, водный баланс и

водный режим рек.

Река – это водный поток, протекающий в естественном русле и

питающийся за счет поверхностных и подземных вод. Реки выносят

свои воды в океаны, моря и озера. Река, впадающая в один из таких

водоемов, называется главной рекой, а реки, впадающие в нее, –

притоками. Совокупность всех рек территории называются речной

системой. Речная система характеризуется протяженностью,

извилистостью и густотой речной сети. Протяженность - это длина

всех рек системы. Извилистость характеризуется коэффициентом

извилистости, который представляет собой отношение длины прямой

линии между двумя точками реки к длине этого участка. Густота

речной сети представляет собой отношение длины всех рек на данной

территории к площади этой территории (км/км

). Линия на земной

поверхности, разделяющая сток поверхностных вод по двум

противоположным склонам, называется водо разделом. Часть земной

поверхности, включающая в себе данную речную систему и

отделенная от других речных систем водоразделами, называется

речным бассейном, а площадь, с которой речная система собирает

воду, называется площадью водосбора. В большинстве случаев

площади бассейна и водосбора рек совпадает. Но иногда водосборная

площадь бывает меньше площади бассейна. Это наблюдается в тех

случаях, когда внутри бассейна имеются площади внутреннего стока и

бессточные области.

Речные бассейны отличаются друг от друга размерами и формой.

Основной морфометрической характеристикой речного бассейна

является его площадь, которая обычно выражается в км

. Большое

значение для характеристик стока имеет высота бассейна, но так как

водосбор имеет протяженные размеры и его части находятся на

разной высоте, то часто определяют среднюю высоту бассейна.

Немалое значение для определения стока имеет уклон речного

водосбора, среднее значение которого определяют по формуле:















....

0 n

, (1.1)

где h – сечение рельефа; l

, l

… - длина горизонталей в

пределах водосбора; F – площадь водосбора.

Морфометрические характеристики бассейнов определяются по

топографическим картам. Масштаб карты зависит от размеров

площади водосбора. Кроме того, данные о длине реки, извилистости,

густоте речной сети, уклону и высоте бассейна можно получить в

изданиях: «Ресурсы поверхностных вод СССР», «Основные

гидрологические характеристики», «Гидрологическая изученность рек

СССР».

Реки обычно текут в узких, вытянутых пониженных формах

рельефа, характеризующихся общим наклоном в одну сторону. Эти

формы рельефа называются долинами. Элементами речной долины

являются: дно – наиболее пониженная часть долины; тальвег – линия,

соединяющая самые низкие точки дна; русло – эрозионный врез,

образованный водным потоком; пойма - часть долины, заливаемая

высокими речными водами. Склоны долины часть образуют уступы,

которые образуют речные террасы. Линия сопряжения склонов долины

с поверхностью прилегающей местности называется бровкой. Сечение

русла вертикальной плоскостью, перпендикулярной направлению

течения, называется водным сечением потока. Часть площади водного

сечения, где имеется течение, называется площадью живого сечения,

а часть, где нет течения, – площадью мертвого пространства.

Элементами водного сечения является площадь ω, смоченный

периметр P , (смоченный периметр – линия соприкосновения водного

сечения с руслом) гидравлический радиус





, ширина русла В,

максимальная глубина h

max

, , средняя глубина

ср





Водоносность реки определяется соотношением прихода влаги на

еѐ водосбор в виде атмосферных осадков и расхода в виде

испарения, фильтрации воды в глубокие горизонты, пополнения

почвенной влаги, пополнения озер и др. Это соотношение обычно

выражается в виде уравнения водного баланса:

uzyX 

, (1.2)

где y – осадки; z –суммарное испарение; u – изменение запасов

влаги в бассейне (изменение влагозапасов в почве, подземных водах,

озерах). Данное уравнение не учитывает ряд не существенных

составляющих, такие как переток подземных вод с соседних

бассейнов, конденсация влаги и др. Рассмотренное уравнение

применимо для любых отрезков времени. Для среднемноголетнего

периода, когда изменение влагозапасов близко к нулю, уравнение

принимает вид:

zyX 

(1.3)

Рис 1.2 Половодье. (Фото из материалов Environment

Agency, Upper Severn area office, Великобритания)

В соответствии с динамикой прихода и расхода влаги на

поверхности речного водосбора формируется водный режим рек. Он

подразделяется на несколько характерных периодов, которые

называются фазами водного режима. Число фаз бывает не

одинаковым для различных рек. На одних реках, как, например, в

равнинной части России, наблюдаются четыре фазы: весеннее

половодье, летняя межень, осенние паводки, зимняя межень. На

других, например, на юге Русской равнины, фаза осенних дождевых

паводков отсутствует, на реках с длительным весенне –летним

половодьем не бывает летней межени.

Половодье – фаза водного режима, которая характеризуется

ежегодно повторяющимися в один и тот же сезон длительным и

значительным увеличением водности рек, вызывающим подъѐм еѐ

уровня. Во время половодья воды реки обычно затопляют пойму.

Значительные подъѐмы уровня приводят к катастрофическим

наводнениям. Половодье в разных климатических зонах наблюдается

в разные сезоны года. Для территории России в основном

наблюдается весеннее и весенне–летнее половодье. Дальний Восток

с его муссонным климатом отличается летним половодьем,

вызванным муссонными дождями.

Дождевыми паводками называются относительно

кратковременные и быстрые подъемы уровней и увеличение расходов

воды под влиянием обильных дождей. Паводки от половодий

отличаются тем, что паводки более короткие, имеют меньший объем

стока и могут наблюдаться в различное время в течение года. Для

большинства рек России паводки отмечаются в летне –осенний

период.

Межень - это фазы водного режима, характеризующаяся низкими

уровнями воды и малой водностью реки. Выде ляются летняя и зимняя

межень. В период межени питание реки происходит преимущественно

за счет подземных вод. Летняя межень может прерываться дождевыми

паводками. Зимняя межень обычно совпадает с периодом ледостава.

Среди большого многообразия водных режим ов рек выделяются

реки с простым и сложным режимом. Сложный режим характерен для

больших рек, собирающих свои воды с водосборов, расположенных в

различных природных зонах (Иртыш, Обь, Лена, Волга и др.). Простой

режим характерен для мелких и средних рек, сток которых

формируется примерно в одинаковых природных условиях.

1.4 Расчеты стока – основа эколого–гидрологических

исследований.

В основе эколого-гидрологических исследований в любом случае

остаются расчеты стока. Характеристики стока воды: максимальные и

минимальные расходы, значения уровней является необходимым

расчетным элементом при определении НДС, самоочищающей

способностью реки, расстояния до створа полного перемешивания,

экологических попусков.

Формирование методов расчетов стока и вы деление самой

дисциплины связано с развитием производительных сил сначала в

странах Западной Европы, позднее в России. Здесь можно выделить

такие основные этапы:

- создание в 1919г. Российского гидрологического института (с

1926г. Государственный гидрологический институт - ГГИ);

- в начале 30-х годов Д.Л. Соколовский вводит в практику

гидрологических расчетов методы математической статистики;

- создание и выпуск нормативных документов:

 СН 346-66 – по расчетам минимального стока;

 СН 356-66 – по расчетам максимального талого стока;

 СН 371-67 – по расчетам годового стока и его внутреннего

годового распределения;

 СН 397-69 – по расчетам наивысших уровней воды рек и озер;

 СН 435-72 – указания по определению расчетных

гидрологических характеристик;

 СНиП 2.01.14.-83 – строительные нормы и правила по

определению расчетных гидрологических характеристик

 Свод правил по определению основных расчетных

гидрологических характеристик 2001г.

В практике гидрологических расчетов встречаются три случая

определения гидрологических характеристик:

- ряд наблюдений достаточен для определения гидрологических

величин;

- ряд наблюдений не достаточен;

- данные отсутствуют

В каждом случае применяется свой метод расчетов. Хотя их и

объединяет общий вероятностно–статистический подход.

При гидрологических расчетах используются следующие основные

характеристики стока:

- Q м

/с расход воды. Применяются максимальные и

минимальные, суточные, месячные, годовые расходы;

- модуль стока q (или м), т.е. количество воды, стекающей с

единицы площади водосбора л/(с км

)

- слой стока y (или h) – это количество воды, стекающее с

водосбора за какой-либо промежуток времени и выраженный в мм

стока воды, равномерно распределенный по площади;

- объем стока воды W км

или м

за расчетное время t (или T)

Указанные характеристики являются взаимосвязанными и могут

быть пересчитаны одна в другую:

yFqF

Q 

/с, (1.4)

363

101010



л/с км

, (1.5)

Wqt

363

101010



мм, (1.6)

qFt

QtW



, (1.7)

В гидрологических расчетах широко используются: модульный

коэффициент К, являющийся отношением какой–либо гидрологической

величины к еѐ среднему значению; коэффициент стока η, который

является отношением стока воды к выпавшим на площадь водосбора

осадкам.

Рис 1.3 Гидрологический пост. (Фото из материалов Environment

Agency, Upper Severn area office, Великобритания)

При производстве расчетов используются данные о

гидрологическом режиме рек, которые получают путем наблюдений на

гидрологических постах. Посты могут входить в общегосударственную

сеть, а могут в нее не входить. На общегосударственной сети ведут

наблюдение сотрудники Росгидромета. Ведомственная сеть относится

к Министерству путей сообщения, энергетики, мелиорации и т.д. Все

эти материалы публикуются в специализированных изданиях в виде

Водного кадастра.

1.5 Водный кадастр и водный реестр

Работы по составлению и изданию Водного кадастра проводились

в 1931 – 1941гг. и 1959 – 1972гг. Итогом работы 1931 – 1941гг.

явилось изданием многотомных справочников: «Сведения об уровнях

воды», «Справочник по водным ресурсам», «Материалы по режиму рек

СССР», в которых обобщены материалы наблюдений с 1881 по 1935гг.

С 1936г. систематически выпускаются Гидрологические ежегодники.

Второй Водный кадастр, работа над которым завершилась в 1972г.

включал издание таких справочников как «Ресурсы поверхностных вод

СССР» - монографическое описание территории, «Гидрологическая

изученность», «Основные гидрологические характеристики». Затем

после 1972 г эти издания обогащались дополнениями,

охватывающими ряд лет: 1965 – 1970г.; 1971 -1975 и т.д. В 1977г.

вышло постановление правительства «О порядке ведения

государственного Водного кадастра». Согласно этому постановлению

ГВК должен включать три части: «Поверхностные воды», «Подземные

воды», «Использование воды». С 1981г. Гидрологические ежегодники

стали называться «Ежегодные данные о режиме и ресурсах

поверхностных вод суши», а выше стоит заголовок «Государственный

водный кадастр». В 1996г. появилось постановления Правительства о

ведении ГВК, где четко распределялись обязанности ведомств по

ведению и изданию ГВК.

В 2007г. принято постановление Правительства России о ведении

государственного водного реестра. Реестр представляет собой

систематизированный свод документированных сведений о водных

объектах, находящихся в федеральной собственности, собственности

субъектов Российской Федерации, мун иципальных образований,

физических и юридических лиц и индивидуальных предпринимателей,

об использовании водных объектов, о речных бассейнах и

бассейновых округах (Положение о ведении…, 2007).

В реестре осуществляется государственная регистрация

договоров водопользования, решений о предоставлении водных

объектов в пользование, перехода прав и обязанностей по договорам

водопользования, а также прекращения договора водопользования

(далее - регистрация).

Реестр формируется и ведется в целях информационного

обеспечения комплексного использования водных объектов, целевого

использования водных объектов и их охраны, а также в целях

планирования и разработки мероприятий по предотвращению

негативного воздействия вод и ликвидации его последствий.

Ведение реестра осуществляется Федеральным агентством

водных ресурсов в соответствии с водным законодательством и

законодательством Российской Федерации об информации,

информационных технологиях и о защите информации.

Реестр содержит разделы "Водные объекты и водные ресурсы",

"Водопользование" и "Инфраструктура на водных объектах".

В раздел "Водные объекты и водные ресурсы" реестра

включаются сведения о:

а) бассейновых округах;

б) речных бассейнах;

в) водных объектах, расположенных в границах речных

бассейнов, в том числе об особенностях режима водных объектов, их

физико-географических, морфометрических и других особенностях.

В раздел "Водопользование" реестра включаются сведения о:

а) водохозяйственных участках;

б) водоохранных зонах и прибрежных защитных полосах, а также

других зонах с особыми условиями их использования;

в) использовании водных объектов, в том числе о

водопотреблении и водоотведении;

г) договорах водопользования, в том числе об их государственной

регистрации, переходе прав и обязанностей по договорам

водопользования, а также о прекращении указанных договоров;

д) решениях о предоставлении водных объектов в пользование, в

том числе об их государственной регистрации;

е) иных документах, на основании которых возникает право

собственности на водные объекты или прав о пользования водными

объектами.

В раздел "Инфраструктура на водных объектах" реестра

включаются сведения о:

а) водохозяйственных системах;

б) гидротехнических и иных сооружениях, расположенных на

водных объектах.

Федеральным агентством водных ресурсов вносятся в реестр

сведения, предоставляемые на безвозмездной основе другими

министерствами и ведомствами, располагающими соответствующими

информационными материалами.

Таким образом, впервые появилась возможность свести в едином

издании весь комплекс сведений о водных объектах.

При проектировании различных водохозяйственных мероприятий

и объектов необходимо знать ожидаемые в будущем различные

гидрологические характеристики. Наилучшим решением вопроса

явилось бы долгосрочное прогнозирование на десятки и сотни ле т

вперед. Однако такое прогнозирование невозможно. Поэтому

гидрологи обращаются к вероятностной характеристике будущего

состояния водного объекта. Суть такого вероятностного прогноза

заключается в том, что необходимо иметь достаточно длительные

ряды наблюдений за той или иной характеристикой и на основе

изучения такого рода получать такие параметры, которые позволяют

его удлинять до любого числа членов без привязки к шкале времени.

Вероятностно–статический метод, таким образом, предполагает

наличие ряда чисел; в нашем случае каких–то гидрологических

характеристик (среднегодовые, минимальные, максимальные расходы

воды, уровни воды и т.д.)

Статистические методы нашли широкое применение в

гидрологических расчетах. На первой стадии расчетов с помощью

статистических. методов оцениваются точность и надежность

исходной информации. Так, ряды стока проверяются на случайность,

независимость, наличие внутрирядной корреляции, вид

статистического распределения и др. Из аппарата математической

статистики используется метод скользящего осреднения,

корреляционный и регрессионный анализ, многомерный анализ и др.

1.6 Государственный мониторинг водных объектов

Мониторинг представляет собой систему наблюдений, оценки и

прогноза изменений состояния водных объектов, находящихся в

федеральной собственности, собственности субъектов Российской

Федерации, муниципальных образований, физических и юридических

лиц.

Мониторинг включает в себя: регулярные наблюдения за

состоянием водных объектов, количественными и качественными