Гидрометриялық өлшемдер мүлде болмаған жағдайда қалыпты ағындыны анықтау. 4 страница

28.Өзен аңғары. Өзен аңғарының қалыптасуы және оның типтері

26 сұрақ

29.Су объектілерін зерттеу әдістері

Қазіргі гидрология ғылымы су объектілерін зерттеу барысында мынадай негізгі әдістерді пайдаланады, олар: 1) тұрақты бақылау (стационар); 2) экспедициялық, 3) тәжірибелік (эксперименттік), 4) теориялық.

Тұрақты бақылау әдісі су объектілерінің гидрологиялық режимі элементтерінің мерзімдік қозғалысын (динамикасын) зерттеу үшін қызмет етеді. Гидрологиялық режим дегеніміз — су объектілерінің жай-күйінің белгілі бір заңдылықпен құбылуын, яғни су денгейінің, су өтімінің, су температурасының, мұз қату кұбылыстарыньщ және т. б. Сипаттамаларының тәуліктік, маусымдық және көпжылдық құбылмалылығы. Гидрологиялық режимді жүйелі түрде бақылау гидрологиялық бекеттер мен станцияларда жүргізіледі. Бұл бақылаулар бірыңғай бағдарлама бойынша ғылым мен техниканың мақсатына сәйкестендірілген. Бақылау материалдары өңдеуден өткен соқ географиялық қорытыңдылар шығару үшін, анық-тамалар құрастыру үшін, атластар мен гидрологиялық сипаттамалардың картасын жасау, сонымен бірге теориялық және қолданбалық мақсаттар үшін кеңінен пайдааланылады.

Экспедициялық әдіс қысқа мерзім ішінде су объектісінің физика-географиялық сипаттамалары жөнінде маңызды деректер алуға, далалық ізденістер негізінде олардың режимдік ерекшеліктерін анықтауға мүмкіндік береді. Экспедициялық зерттеулердің нәтижесіаде алынған деректер мамандарға гидрологиялық ұқсастық әдісін сенімді түрде пайдалануға жағдай туғызады.

Тәжірибелік (эксперименттік) әдіс жалпы гидрологиялық құбылыстармен қатар процестердің жекелегеи жақтарын түпкілікті зерттеуге қызмет етеді. Зертханада немесе далалық жағдайда жасалатын тәжірибе көмегімен өзен арналарының қалыптасу заңдылықтары, мұ қаату және еру, судың топырақка сіңуі мен беткейлерден ағып түсуі, су бетінен және жер бетінен булану және басқа да көптеген құбылыстар зерттеледі.

Зерттеудің теориялық әдісі гидрологиялық мақсаттарды физиканың жалпы заңдары және математикалық тәсілдердің көмегімен шешуге негізделген. Теорияльгқ әдістің нәтижелері дәйекті материалдың көмегімен тексеріліп отырады.

Су объектілері және олардың режимі жөніндегі ең толық мәліметтер жоғарыда келтірілген төрт әдіс бірге пайдаланылған жағдайда алынатын болады.

30.Судың деңгейі және су көздерінің маңызды элементтері, оның құрал-жабдықтары

СУ ДЕҢГЕЙІ – су қоймалары мен су ағыстары еркін бетінің кез келген шартты жазық бетке (салыстырмалы Су деңгейі) немесе теңіз деңгейіне (абсолюттік Су деңгейі) қарағандағы биіктігі. Биіктігі өзгермейтін бұл жазықтықты гидрологиялық бекеттің “О” графигі деп атайды. Өзеннің Су денгейінің ауытқуы, негізінен су шығынының өзгеруі мен арнаның жуылып-шайылуынан, бөгендердің деңгей тірегіне байланысты. Ал су қоймаларында – су теңдестігі элементтерінің өзгеруінен, желқума-желбөгеттік, т.б. құбылыстардан қа-лыптасады. Су денгейінің жыл ішінде құбылуы климаттық жағдайларға тәуелді және көлдерде бірнеше см-ден 2 – 3 м-ге дейін, ірі өзендерде 5 – 15 м-ге дейін өзгереді.

31.Өзен тасындыларының қозғалысы. Жүзбе, сүйретпе, түптік тасындылар

Өзен тасындылары деп ағыс күшімен тасымалданатын және арнадағы, жайылмадағы шөгінділерді қалыптастыратын қатты, минералды бөлшектерді айтамыз. Қозғалыс сипатына қарай өзен тасындыларын жүзбе және су табанымен сүйрелетін түпкі тасындылары деп бөледі. Мұндай жіктеу шартты түрде қабылданған, себебі ағыс жылдамдығының өзгеріске ұшырауына байланысты өзен тасындылары бір түрден екінші түрге жеңіл ауысуы мүмкін.

Белгілі бір мерзімде (секунд) арнаның көлденең қимасы арқылы ағыспен өтетін тасындының мөлшері тасындыныц өтімі деп аталады. Әдетте тасьшдының өтімі секундына килограммен есептеледі (кг/с).

Тасындылардың өзеннің көлденең қимасы арқылы өткен мөлшерінің белгілі бір уақыт аралығында (тәулік, ай, жыл) қосындысы тасындылар ағындысы немесе қатты ағынды деп аталады және әдетте тонна бірлігімен өлшенеді.

Тасындылар ағындысының қалыптасуына өзен ағып өтетін аймақтың физикалық географиялық жағдайы айрықша әсер етеді. Себебі ағын су арнаның түбін ғана жуып-шайып қоймайды, сонымен бірге су жинау ала-бының да тау жыныстарының бөлшектерін жуып-шаюға қатысады. Өзен алабынын жуып-шаюра қарсылығы ондағьі өсімдіктер жамылғысына, тау жыныстарына, жер бедеріне және т. б. көптеген жағдайларға тікелей бай-ланысты.

Алаптағы табиғи өсімдік жамылғысын жойып жіберу (өрт, ағаш кесу, т.б.), беткейлерді жырту, агротехника заңдарына қайшы топырак өңдеу жүмыстары, т. т. осындай жұмыстар топырақтың құнарлы қабатының жуылып кетуіне, сонан соң өзендердің лайлануына, ондағы лайлықтың күрт өсуіне әкеліп соғады.

Осы жоғарыда келтірілген процесті беткейлік эрозия деп айтамыз. Беткейлік эрозияның дамуына ағын судың көлемінін өзгеруі мен топырақтын эрозияға қарсылығын әлсіретуі арқылы метеорологиялық факторлар да әсер етеді.

Сең жүруі мен мүз бөгеттері арналық эрозияның дамуына ат салысады.

Егер тыныштық қалыптагы суға тығыздығы судан жогары заттың қатты бөлшегін салсақ ол су түбіне шөге (бата) бастайды. Алғашқыда онын шөгу жылдамдығы удей түскенімен, соңынан, қарсылық жылдамдыққа тура пропорционал өсуіне байланысты бұл екі күш теңееледі де зат бөлшегі бірқалыпты жылдамдықпен қозғалатын болады. Мысалы, орташа мөлшердегі құмның бөлшегі үшін бірқалыпты козғалыс кезеңінің басталуына 2—3 секунд кетсе, ал майда құм мен лай үшін — секундтың бір бөлшегі.

Тыныштық қалпы судағы зат бөлшегінің бірқалыпты жылдамдыкпен шөгуін гидравликалық мөлшер, немесс белшектің гидравликалық ірілігі деп атаймыз. Бөлшектің тидравликалық ірілігі оның диаметріне және тығыз-лығына тәуелді, сонымен бірге судың тығыздығына да байланысты. А. В. Қараушевтың зерттеулеріне жүгінсек:

d 15 мм бөлшектер үшін

, (4-5)

ал d 0,15 мм бөлшектер үшін

,

Мұндағы и – гидравликалық ірілік, см/с; k ₁ және k ₂ — бөлшектердің формасын көрсететін пропорционалдық көрсеткіштер, и— бөлшектің диаметрі, см; r_s және r — тасындылардың және судың тығыздығы, г/см³; g — еркін құлау үдеуі, см/с²; m — динамикалық тұтқырлық коэффициенті, ол судың температурасына тәуелді, г/(см×с). Турбулентті ағысқа түскен қатты бөлшектің қалқып жүзіп жүруі үшін, ағыс жылдамдығының вертикаль тү-зушісі бөлшектің гидравликалық ірілігіне тең немесе үлкен болуы қажет, яғни _и. Ал v_ь<и жағдайында катты бөлшектер су түбіне шөге бастайды да, арна та-банына шөгінділер жиналу процесі немесе шөгінділерді су түбімен сүйрету басталады. Ағыс жылдамдығының Бертикаль түзушісі ағыстың. турбуленттілік дәрежесі және ағыс жылдамдығы өскен сайын өседі. Яғни, ағыс-тың жылдамдығы неғұрлым үлкен болса, солғұрлым ірі бөлшектер қалқып жүзіп жүреді екен. Дәрісіміздің ба-сында айтқанымыздай, кез келген өзеннің сағасына жа-кындаған сайын ағыс жылдамдығы кемиді, -бұл ағын судағы жүзбе тасындылардың ірілігінің кішіреюіне, яғни жүзбе тасындылардың азаюына, шөгінділердің көбеюіне әкеліп соғады. Бұдан шығатын қорытынды: кез келген арын су белгілі бір тасу қабілетіне не болады. Ол ағыс-тың таси алатын тасындылар шығынының шегімен анық-талады. Ағыстың тасымалдау мүмкіндігі ағыстың гидравликалық сипаттамаларына (еңістігі, жылдамдығы,тереңдігі және т. б.) және тасыидынын. кұрамына бай-ланысты. Егер тасындылардың шығыны ағыстың тасу қабілетінен көп болған жа-ғдайда тасынды шөгіндіге айналады да, ал керісінше ағыстың тасымалдау мүмкін-дігі үлкен болғанда ағын су арнаны каза бастайды.

Судың тасындымен қосындысындағы жүзбе тасьшды-ларды сипаттау үшін және жеке-жеке өзендерді өзара салыстыру үшін лайлық терминін колданады. Ол сал-мақ бірліктерімен (г/м³, мг/л) немесе көлемдік бірлік-термен — м³ судағы м³ катты зат — өлшенеді.

Тасындылар ағыстын ені бойынша таралуы, ойың бағыты және арнаның табаны мен жағалауларының. жуып-шайылу процесіне тәуелді. Тасындылардың өзен снінде таралуына, оған құятын салалары да үлкен үлес қосады.

Жазық өзендері үшін қатты тасындылардың негізгі бөлігін (90—98%) жүзбе тасындылар кұрайды. Ал тау өзендерінде сүйретпе тасындылардын көлемі жүзбе та-сындылардан көп болуы мүмкін.

Сүйретпе тасындылар ағыстыи. түп қабатында коз-ғалады. Қатты бөлшектердің су түбінде қозғалуы — ағыстын.жылдамдығына және бөлшектін, ірілігіне тәуел-ді. Бұл заңдылық Эри формуласымен өрнектеледі^

Р = АУ⁶, (6.3)

Мұндағы Р — ағыс сүйреткен бөлшектіц салмағы; v — су түбіндегі ағыстың жылдамдығы; А — қатты бөл-шектің формасы мен салмағына тәуелді коэффициент.

Эри формуласынан егер ағыстын жылдамдығы үш есе өссе, онда осы жылдамдықта сүйретілетін қатты бөлшектің салмағы 36 есе немесе 729-ға өседі. Бұдан біз, неліктен жазықтағы өзендегі сұйретпе тасындылар негізінеи құмнан тұратынын, ал тау өзендері үлкен-қой-тастарды ағыза алатынын түсіндіреді.

Қатты заттар ағыстың түп қабатындағы қозғалысы әдетте сырғанау немесе домалау және секіру аркылы жүреді. Қозғалыстың бұл сипаты негізінен ағыстың кө-терілу құйыпының әсерінен және қатты бөлшекті су ақпасының орауынан болады. Ал, өзен арнасында бөгет салынып, су қоймасы құрылған жағдайда ағыс жыл-дамдығы шұғыл кемиді де, тасынды шөгіндіге айналады, яғни су қоймасының шөгіндіге толу процесі басталады.

32.Тасындылар ағындысы. Өзендердің термикалық және мұздық режимдері. Мұздық құбылыстар

Өзендердің термикалық режимі бір жағынан су массасы мен атмосфера аралық жылу алмасу әсерінен қалыптасса, екінші жағынан — өзен арнасының табаны мен жылу алмасу арқылы қалыптасады.

Күн радиациясының тура бағытталған сәулелері атмосфераның жағдайына және Күн мен Жер ара шықтығына байланысты. Сондықтаи таулы аймақтарда Күннің тура радиациясы жазыққа қарағанда әлдеқайда жорары болады. Күннің тура радиациясына бұлт едәуір кері әсер етеді. Осы факторларға тәуелді шашыраңкы радиация болатын болса, айқын тәуліктік зандылыққа бағынышты, әдетте шашыраңқы радиацияның максимумы талтүске тура келеді (жалпы радиацияның 10%-і).

Бұлтсыз күнгі жиынтық радиацияның мөлшері экваторалдық және субэкваторлық ендікте 2,60...1,80, ал тропикте және субтропиктерде — 2,20... 2,60, орташа ендікте— 1,50... 2,20 және арктикалық ендіктерде 1,05— 1,50 кДж/см² тең.

Жалпы радиация су көздеріндегі термикалық режимнің құбылмалылығын анықтаушы болып табылады және оны су көзінің жылу теңдестігі арқылы көрсетуге болады:

К = LЕ + Р+В, (6.5)

Мұндағы К — радиациялық теңдестік; LЕ — жылудың булануға және конденсацияға жұмсалуы; Р — су беті мен атмосфера аралык, жылу алмасу; В — су көзіндегі жылу жиынтығы.

Өзендердің мұздық-термикалық режимінің жылдық циклінде екі кезең айқын көрінеді: мұз қатқан мерзім мен мұздан ашық су бетінің кезеңдері. Судың мұздан бос, ашық кезінде өзендердегі судың температурасы ауаның температурасына сәйкес келеді. Жылдың жылы кезінің бірінші жартысында ауаның температурасы су бетінің температурасынан жоғары, ал екінші жартысында—төмен болады. Судың температурасының максимумы ауаның температурасының максимумынан кейін келеді.

Мәңгі қарлар мен мұздықтардың суымен қоректенетін тау өзендерінде судың температурасы жылдың барлық жылы мезгілінде ауаның температурасынан төмен болады. Ал, екінші, мұз қатқан кезде судың температурасы әдетте тұрақты және 0°С жақын болады.

Өзендегі судың турбулентті араласуының әсерінен судың «тірі» қимасында судың температурасы біртектес болады. Сонымен қатар, өзеннің ені мен тереңдігінде температураның құбылмалылығында бірқатар ерекшеліктер кездесетінін айтып өткен жөн. Қөптеген өзендерде көктемде жағалаудағы судың температурасы, оның ортасындағы судың температурасынан жоғары болса, ал күзде — керісінше. Жазда — күндіз су бетінің темпера-турасы түбіне қарағанда жылырақ болса, ал түнде су түбінде температура біршама жоғары болып келеді. Негізгі өзенге келіп құятын салалардың әсерінен, егер ондағы су басты өзенге карағанда жылырақ немесе суығырақ болып келген жағдайда, өзеннің көлденең қимасында айтарлықтай температуралық құбылмалылық (8—9°С-ға дейін) болады. Мысалы, Ангара өзенінің сол жақ саласы болып келетін Иркут өзенінің құятын жеріндегі температуралық айырмашылық Ангара өзенінің ортасындағыға қарағанда 9,3°С жетеді.

Судың температурасы өзеннің ұзына бойында біркелкі емес, ол қоректену жағдайына, кұятын салаларына, ағып өтетін табиғат белдемдерінің температуралық режиміне және т. б. көптеген жағдайларға тәуелді.

Оңүстіктен солтүстікке карай ағатын өзендерде (Сібір өзендері, Ертіс, Тобыл...) жоғарғы ағыстарында судың температурасы орта ағысымен салыстырғанда суығырак, орта ағысында температура көтеріледі де, ал төменгі ағысында судың температурасы (терістікте) қайтадан төмендейді. Ал, солтүстіктен оңтүстікке карай ағатын өзендерде, оның бастауынан сағасына дейін судың темпера-урасы үздіксіз көтеріліп отырады. Бұл заңдылық тек температуралық режимі өзгеше салалары құятын үлескілерде бұзылады. Ендік бағытта ағатын өзендерде температуралық режим әдетте аса өзгеріске ұшырамайды. Көлдерден бастау алатын өзендердің температура-лық режиміне көл суының үлкен әсері бар. Көл неғұрлым үлкен болса, бұл әсер солғұрльш алысқа кетеді. Мысалы, Байкал көлінің салқын суының Ангара өзеніне әсері (онда бөгендер салынғанға дейін) 1170 шакыръмға жететін.

Өзендердің жеке үлескілерінде термикалық режимі ондағы адамның шаруашылық әрекетіне тәуелді. Өзендерге құйылып жатқан өнеркәсіптің, тұрмыстық жылы сулар табиғи температуралық режимді бүзады.

Суды 0°С-ге дейін салқындатудың және одан кейінгі су бетіндегі жылуды атмосфераға берудің әсерінен өзенде мұз қату процесі — өзен кысқы режим фазасына өтеді. Өзеннің мұз қату процесімен байланысты өмірін негізгі үш сипатты кезеңге бөлуге болады: күзгі мұз жүру кезеңін қоса есептегендегі мұз қалыптасу, тұтас мүз және мұздың бұзылуы.

Өзендегі мұз қату кезеці, әдетте судың температура-сы 0°С-ке дейін төмендеген кезде және қарастырылып отырған үлескіде жылу тендестігі теріс мәнге тең болған жағдайда қалыптасады. Алғашында, су бетінде жүзіп жүретін бірігіп қатқан мұз инешелерінің ішмайға ұқсаған дақтары пайда болады. Оның аты — сало. Саломен бір мезгілде жағалауларда мұзжағалар пайда болады.

Әлі қатып үлгермеген су бетіне калың қар жауған жағдайда суға тастаған мақта түйіршіктеріне ұксас іркілдек көксоқта (снежница) пайда болады.

Таулы өзен қимасындағы судың турбуленттік араласуының әсерінен арнаның тірі кимасында судың температурасы біртекті қалыпқа түседі де, судың барлык, қабатында салқындау процесі бірқалыпты өтеді. Судың температурасы 0°С-ке дейін, кейде одан төмен көрсеткішке жетуі мүмкін. Судың мұздан ашық кезінде бұлайшашұғыл салқындауы су іші мүз кристалдарынын, су қабатында және түбінде пайда болуына мүмкіндік береді. Су іші мұзының бір түрі болып су түбінде пайда болатын мұз кристалдары және су бетіне қалқып шыққан анжыр (шуга) деп аталатын су іші және су түбі мұздары табылады. Анжыр құрамында әдетте сало, көксоқта және ұсақталған мұз бөлшектері болады. Анжыр ағын сумен бірге козғала алады, ол анжыр қозғалысы деп аталады, ол қатқан мүздың астына жиналып мұз асты жүзбесін құрайды.

Бұзылған кемермұз, сало, анжырдың бірігіп қатуының нәтижесінде, өзендерде күзгі сең жүру процесі пайда болады.

Өзендердегі арал мен қайрандар, иін мен арналардың шұғыл тарылған үлескі маңайында су іші мұздары мен жүзіп жүрген мұздардын бірігуі күзгі сең жүру кезінде мұзқысу (зажор) құбылысына әкеледі, яғни өзен арнасының «тірі» қимасы тарылып, ағысқа кедергі жасайды. Бүл өзендегі су денгейінің көтерілуіне, сонымен бірге, өзен маңайының су астында қалуына әсер етеді. Көптеген өзендерде (Нева, Свирь, Волхов, Ангара т. б.) мұзқысу қүбылысы, көрініс береді.

Мұз кесек саны мен көлемінің көбеюі мұз алаңдарының қозғалу жылдамдығының кемуіне әкеліп соқса, ал өзен арнасындағы тар жерлердің, тайыз үлескілердің аралдардың, жасанды ғимараттардың болу, бұл мұз алаңдарының тоқталуын қалыптастырады. Әдетте осындай үлескілерде ауаның температура мұз алаңдары бірігіп тұтас мұз құрсау процесі қалыптасады. Үлкен өзеңдерде тұтас мұз қату процесі кейде мұзбөгет (затор) құбылысымен байланысты. Мұзбөгет кұбылысы кезінде ағысқа кедергі күшейіп, ағыстың жылдамдығы шұғыл төмендейді. Мұзбөгет болған жерлерде мұздардың майдаланып, талқандалуы, сонымен байланысты кедір-бұдыр мұз аландары пайда болады.

Мұз-құрсау кезеңінде көптеген өзендерде кейде мұздан бос, жылым деп аталатын үлескілер кездеседі. Жылымдардың пайда болуына екі себеп болуы мүмкін. Бірінші себеп — динамикалық, екіншісі — термикалық. Бірінші категориялы жылымдар әдетте ГЭС-тердің төменгі бьефтерінде, сарқырамаларда, тау өзендерінің қысаңдарында, ағыс жылдамдығынын күштілігіне байланысты қатқан мұзды бүзып отыруынан болады.

Термикалық жылымдар өзен арнасына жылы жер асты сулары шығып жатқан жерлерде немесе өзенге өнеркәсіптің жылы сулары құйып жатқан жерлерде кездеседі.

Тұтас мүз кату кезеңінде кейбір мәңгі тоң дамыған аймақтардағы өзендерде мұз үстінде мұз қату (наледь) құбылысы көрініс береді. Бұл құбылыс мұз қату кезінде арнадағы қалған судың мүз жарықтарынан мұз бетіне шыққан кезде қатуынан болады, олар көпжылдар бойы сақталуы мүмкін. Бұл жағдай Енесай, Лена, Колыма, Индигирка және басқа да Сібір өзендерінде кең тараған.

Өзенде тұтас мұз қатқан соң мұздың қалыңдығы біртіндеп өседі. Мұз қабатьның өсуі онық төменгі бетінен мұз қабаты арқылы атмосфераға өтетін жылу мен су қабатынан мүздың төменгі бетіне берілетін жылуды арасындағы тепе-тендік қальштасқанша жүреді.

Қар астындағы мұздын қалыңдығыньщ өсуін төмендегі Ф. И. Быдинның тәжірибе жолымен тапқан формуласының көмегімен анықтауға болады:

h_м=A_м (6.6)

мұндағы һ_м — мүздың қалыңдығы, А_м=2, егер есепке теріс температуралардың тәуліктегі орташа көрсеткішінің қосындысы ( ) мұз қатқан күннен есептелген күнге дейін алынса; А_м = 11, егер ( ) мұз қатқан күннен бастап алынса.

Мұздың калыңдығын есептеудің бұдан да дәл тәсілдері бар, олар жылу теңдестігінің элементтерін есепкі алуға негізделген.

Жылдың жылы кезеңі басталған соң мұз үстіндеі қар мен жағалаудағы қарлар ери бастайды. Мұз үстінде қызыл су пайда болады. Қызыл су мен күн радиациясының және жылы ауа массаларының бірлескен әрекетінің арқасында тұтас мүздың еру процесі басталады. Еру процесі әсіресе жағалау бойында тезірек жүреді. Өзендердегі су деңгейінің шұғыл көтерілуіне байланысты тұтас мұздар ісініп, жарыла бастайды. Жағалауда мұздан бос, ашық су аландары пайда болады, оларды кемерсу деп атайды. Жағадан босаған тұтас мұз массалары сырткы әсерлер салдарынан қысқа қашыктықтарға жылжиды. Бұл құбылысты мұз сырғуы деп атайды, кейде өзендерде бірнеше муз сырғуы мүмкін. Өзендердегі одан ары су шығынының өсуі және мұз қабатының талқандалуы көктемгі сең жүруге әкеліп соғады. Қуаты жөнінен көктемгі сең жүру күзгі сен жүруге қарағанда әлдеқайда күшті болып келеді. Көптеген өзендерде көктемгі сең жүру процесі арнада мұз кедергілер қалыптасуымен бірге жүреді.