5.2: Річкова гідрологія

Last updated
Save as PDF

Page ID: 36828

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Вимірювання потоку потоку

Два аспекти потоку потоку, як правило, контролюються на всіх основних потоках і величезній кількості незначних потоків як функція часу на регулярній основі (в Сполучених Штатах, в основному Геологічна служба США):

Етап. Стадія річки - це висота водної гладі потоку над довільною базою, зазвичай або рівнем моря, або висотою трохи нижче русла (рис. 5-1). Етап пов'язаний з глибиною, але два не однакові.

Малюнок 3-1.png — Малюнок 5-1. Етап і глибина річки.

Стадія річки досить легко виміряти. Використовуються різні види датчиків потоку. Найпростішим є постійна вертикальна поверхня з розміткою вертикальної шкали, яку ви читаєте безпосередньо на регулярній основі. Що більш бажано, але і набагато дорожче, - це автоматичний і безперервний датчик запису. Існують різні види таких датчиків у використанні; найбільш поширеним є поплавковий манометр, в стілінг-колодязі, з'єднаний зі стріп-чарт-реєстратором (рис. 5-2).

Малюнок 3-2.png — Малюнок 5-2. Станція вимірювання потоку.

Розряд. Скид річки - це об'ємна швидкість потоку за заданий поперечний переріз, вимірювана в кубічних футах в секунду, CFS (cusecs) або кубічних метрах в секунду, м ³ /с (cumecs). Виміряти розряд не так просто, як виміряти етап. Більшість вимірювань річкового скиду використовує просте рівняння, яке пов'язує розряд Q за поперечним перерізом до площі A поперечного перерізу та середньої швидкості U потоку за цим поперечним перерізом:

\[Q = UA \label{1}\]

Якщо рівняння 1 не має сенсу для вас негайно, просто уявіть, що в даний момент ви можете чарівним чином позначити воду, яка проходить через заданий поперечний переріз, а потім спостерігати, як зазначена поверхня дрейфує вниз за течією протягом одиничного інтервалу часу (рис. 5-3). Відстань, пройдена цією поверхнею, в середньому дорівнює середній швидкості U, оскільки швидкість - це відстань за одиницю часу. Обсяг води між заданим перетином і розміченою поверхнею після цієї одиниці часу, який за визначенням є просто скидом Q, є добутком площі поперечного перерізу A і відстані, пройденої поверхнею за цю одиницю часу, яка дорівнює швидкості U, раз 1, одиниця часу.

Тож якщо ви вимірюєте площу поперечного перерізу та середню швидкість потоку, ви можете вирішити для розряду. Це простіше сказати, ніж зробити, але це те, що робиться на практиці. Існує складний набір практичних вказівок для цього в природних потоках; процедура в основному включає

займаючи велику кількість позицій по всьому потоку,
вимірювання середньої швидкості (і глибини) по глибині, в кожній позиції, а потім
обчислення та усереднення.

Малюнок 3-3.png — Малюнок 5-3. Бачачи, що мається на увазі під рівнянням 1 для річкового скиду.

Очевидно, що до цього є певна неминуча неохайність, особливо в складних умовах з високою водою. Це робиться з мостів, канатних доріг або човнів. Точність - щось на зразок 5% в кращому випадку, 10— 15% в гіршому. Один намагається зробити це швидко щодо зміни стадії та розряду.

Зрозуміло, що ви не можете вимірювати розряд безперервно або навіть часто. Але важливо вміти знати розряд, коли ви не (або не можете) виміряти його. Як вивести безперервний запис розряду? Методика передбачає те, що називається діаграмою ступень-розряд, часто називають кривою оцінки. Обґрунтування полягає в тому, що якщо умови нижче за течією не змінюються (наприклад, через аградацію або деградацію, спричинену новими структурами, побудованими вище за течією, або зміщенням меандр вигинів вгору за течією), ця крива весь час однакова, тому, як тільки у вас є, ви можете знайти розряд задовільно, просто знаючи етап і перехід в схему. Багато зусиль йде на отримання та перевірку рейтингових кривих. Рейтингові криві зазвичай опуклі вгору, як на малюнку 5-4.

Гідрографи

Має здатися природним побудова результатів вимірювань потоку у вигляді графіка етапу проти часу або розряду проти часу. Останній є найбільш поширеним і корисним. Обидва види графа називаються гідрографами. Шкали часу та дані про розряди, що використовуються в гідрографах, сильно різняться:

Для вивчення окремих повеней потрібна «суцільна» запис розряду по днях або тижнях (рис. 5-5А).
Загальний довгостроковий гідрограф показує піковий або середній добовий розряд протягом цілого року (рис. 5-5В).
Довгострокові гідрографи показують середні місячні або річні витрати протягом багатьох років (рис. 5-5С). Гідрографи широко варіюються від річки до річки залежно від клімату та субстрату. Це відображає обставину, що річки можуть бути кричущими або стійкими.

Малюнок 3-4.png — Малюнок 5-4. Приклад рейтингової кривої.

Яка характеристика або типовий короткоперіодний гідрограф потоку, що утворюється опадами заданої тривалості із заданою стійкою інтенсивністю? Зверніться до малюнка 5-6.

AB: закінчення заклинання без опадів; весь поверхневий стік припинився, а стік підземних вод поступово зменшується.

B: поверхневий стік від зливи досягає каналу.

БК: це піднімається кінцівка гідрографа; поверхневий стік різко збільшується.

C: це пік або гребінь гідрографа; поверхневі піки стоку.

Малюнок 3-5.png — Малюнок 5-5. Приклади рейтингових кривих. А) Розрядний гідрограф окремого паводку (концептуальний). Б) Етап гідрограф річки Міссісіпі в Сент-Луїсі протягом цілого року. C) Етап гідрограф річки Міссісіпі протягом більше двох століть.

Також можна показати як поверхневий стік, так і стік підземних вод на одному гідрографі (рис. 5-7). Відзначимо, що іноді стік грунтових вод фактично йде негативним, через берегових сховищ: замість підземних вод, що живлять річку, річка живить залягання грунтових вод.

Малюнок 3-6.png — Малюнок 5-6. Характерний короткоперіодний гідрограф потоку, пов'язаний з випаданням опадів невеликої тривалості та стійкої інтенсивності.

Малюнок 3-7.png — Малюнок 5-7. Показано поверхневий стік і стік підземних вод на одному гідрографі.

Як враховується форма піднімається кінцівки гідрографа? Подумайте про крихітну «краплю» води, що падає на вододіл. Припустимо, що він не проникнув або повторно випаровується, а рухається як поверхневий стік. Спочатку він рухається як сухопутний потік, а потім як каналізований потік. (Насправді вододіли можна класифікувати як «малі» або «великі» залежно від того, чи є співвідношення часу, що бере участь у сухопутному потоці, до часу, що бере участь у канальному потоці, великим чи малим відповідно.) В кінцевому підсумку крапля проходить задану станцію на виході з дренажного басейну. На це йде певний середній час. Ви можете уявити карту дренажного басейну вище за течією цієї точки як контурну ізохронами (криві рівного часу подорожі) (рис. 5-8) - хоча це було б дуже важко обчислити або виміряти це в реальній практиці.)

Малюнок 3-8.png — Малюнок 5-8. Карта невеликого дренажного басейну, що показує ізохрони рівного часу проїзду поверхневого стоку до виходу басейну.

Припустимо коротку і рівномірну кількість опадів над вододілом (тобто дощ триває недовго, а швидкість опадів скрізь в басейні однакова). Поверхневий стік на нашій станції можна врахувати, розглядаючи сукупну площу як функцію часу (рис. 5-9). Для нашої короткої та рівномірної бурі це повинно бути еквівалентно піднімаючій кінцівці гідрографа для цієї бурі, якщо ми зробимо трансформацію

Сток = (глибина опадів) час (площа)

Вам має сенс, що час, необхідний для досягнення піку гідрографа, отриманий таким чином (тобто час, який потрібно, поки вся територія вододілу зараз сприяє скиданню на станції) стає довшим, оскільки площа вододілу стає більшою. Ми не мали справу з падаючою кінцівкою гідрографа тут, але, очевидно, після припинення дощу все менше і менше вододілу сприяє вода, тому скид повз нашої станції поступово зменшується.

Гідрограф - це просто лише для ідеального зливу в дуже маленькому вододілі. Гідрографи реальних річок незмінно складніші, зі зрозумілих причин пов'язані з нестійкістю (змінюється в часі) і нерівномірністю (змінюється від місця до місця) опадів.

Важко сказати що-небудь вражаюче про гідрографи на даний момент, але відмінності в розряді, відображені в гідрографах, мають першорядне значення як в структурі каналу, так і в осадових процесах в потоках.

З точки зору крихкості (якісної величини зміни розряду час від часу), одного з найважливіших аспектів поведінки річки для осадження, можна побудувати подібну діаграму розряду проти відсотка часу (це називається кривою тривалості стоку (або крива тривалості розряду), якщо у вас є довгий запис розряду. На малюнку 5-10 показана така крива для двох середніх потоків в Огайо, приблизно однакових розмірів і розряду:

Сенді Крік, Сандівілл, штат Огайо: A = 481 mi ², підкладений поверхневим піском і гравієм, хороші пористі водоносні горизонти;
Rocky River, Берея, Огайо, A = 269 mi ^₂, льодовикова оболонка та глина, дуже непроникний матеріал.

На вертикальній осі наноситься Q/A замість просто Q, щоб нормалізувати для площі дренажного басейну.

Крива для Rocky River показує більші пікові потоки та менші базові потоки; це описується як кричуща поведінка. Сенді Крік, з іншого боку, показує менші пікові потоки та більші базові потоки; така поведінка стійкіша і не така кричуща.

Малюнок 3-10.png — Малюнок 5-10. Крива тривалості скидання для двох малих річок в Огайо.