ЗАДАНИЯ
ДЛЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ
по дисциплине _ «Общей гидрологии»__
для студентов ___2___ курса дневной формы обучения
специальности_____ 6.070500 – География _
шифр, наименование
образовательно-квалификационного уровня «бакалавр»
профессионального направления подготовки
________ 0705 – Географиz _
шифр, наименование
Составитель: к.г.-м.н., доцент,
Кузнецов А.Г.
Рассмотрено и рекомендовано на заседании
кафедры общего землеведения
от 15.04.2004.г. (протокол 8)
Симферополь, 2003 г.
ВВЕДЕНИЕ
Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Общая гидрология» предназначены для студентов-географов и экологов дневной и заочной форм обучения. Они составлены в соответствии с действующей программой и с учетом новейших достижений науки. Тематика и содержание приведенных лабораторных работ ориентированы на работу с подготовленным для географов профильным учебником «Общая гидрология» (авт. Михайлов В.Н., Добровольский А.Д., 1991). В то же время учтена необходимость максимальной активизации самостоятельности студентов.
Методические указания построены таким образом, чтобы студенты получили общие сведения о масштабах и разнообразии различных гидрологических явлений и объектов, закономерностях их распространения, роли в природе и жизни человека, научились определять гидрографические и гидрометрические характеристики и элементы стока, анализировать и обрабатывать любую информацию о водах разного генезиса в различных уголках земного шара.
Методические указания охватывают 12 тем, включающих 22 задания, для выполнения которых необходимо использование картографических и литературных источников, приведенных в библиографическом списке. Каждая тема состоит из двух частей: теоретической и практической. В первой из них приводится необходимый минимум основных понятий и определений, которые обеспечивают возможность успешного выполнения практической части работ. Наличие 2-3 заданий в отдельных темах позволяет более гибко подходить к изучению рассматриваемого раздела, улучшить условия индивидуального подхода в обучении студентов с различным уровнем усвояемости материала. Кроме того, это позволяет углубить и расширить диапазон возможных направлений исследования.
Для успешного выполнения лабораторных работ рекомендуется соблюдать следующие требования:
· Задания аккуратно выполняются в отдельной тетради;
· Обязательно указываются тема, задание, приводятся табличные и графические материалы, перечисляются этапы выполнения работы, пишется вывод;
· Графические материалы выполняются в тетради на миллиметровке или кальке простым карандашом с указанием масштабов, необходимых индексов, легенды, нумерации и подписи к рисункам (выполняется снизу). Готовые графики подклеиваются в тетрадь;
· Таблицы нумеруются и подписываются сверху.
Одним из условий прочного усвоения гидрологической науки является знание географической номенклатуры. Ее список, приведенный в конце методических указаний, состоит из трех частей: речной, озерной и морской. Каждая часть включает перечень гидрографических объектов, упомянутых в профильном учебнике, знание которых обязательно.
Выполнение указанных условий и требований в комплексе с самостоятельным творческим подходом к выполнению лабораторных работ обеспечит высокий уровень теоретических знаний и практических умений и навыков у студентов.
ТЕМА 1. ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ ВОД
Материалы и оборудование:
- Миллиметровка (15 х 15 см) – 2 шт;
- Простой карандаш, ластик, линейка, циркуль;
- Калькулятор.
Понятия и определения.
Вода (Н2О) – слабый электролит, молекула которого состоит из одного водородного (Н+) и одного гидроксильного (ОН-) ионов. Вода является хорошим растворителем химических соединений. Суммарное содержание в воде растворенных неорганических веществ выражают в виде минерализации (М, мг/л, г/л) либо в виде солености (S, 0/00).
По содержанию солей (минерализации или солености) природные воды подразделяют на 4 группы: пресные – менее 10/00, солоноватые – 1-250/00, соленые (морской солености) – 25-500/00, высокосоленые (рассолы) – более 500/00.
К числу главных ионов солей, находящихся в природных водах, относятся отрицательно заряженные ионы (анионы) – НСО3- - гидрокарбонатный, SO4-2 – сульфатный, Cl- - хлоридный и положительно заряженные ионы (катионы) – кальция Са+2, магния Mg+2, натрия Na+, калия К+.
Вода в природе может находиться в твердом (лед), жидком (собственно вода) и газообразном (водяной пар) агрегатных состояниях. Температура, при которой происходит кристаллизация воды, называется температурой замерзания. Изменения температуры замерзания воды связаны с влиянием давления и/или солености. Температура, при которой вода имеет максимальную плотность, называется температурой наибольшей плотности. Она составляет 3,980С. Увеличение солености на каждые 100/00 снижает температуру наибольшей плотности примерно на 20С. Соотношения между температурами наибольшей плотности и замерзания влияют на характер процесса охлаждения воды и вертикальной конвекции.
Задание 1. С помощью круговой диаграммы и прямоугольника Роджерса (рис. 1, А, Б) изобразить в тетради химический состав воды, приведенный в таблице 1.
Таблица 1
Данные о химическом составе природных вод
| Вариант | Катионный состав, %экв. | Анионный состав, %экв. | ||||
| Са+2 | Mg+2 | Na++K+ | HCO3- | SO4-2 | Cl- | |
| - | ||||||
| - | ||||||
| - | - | |||||
| - | ||||||
| “б” |
Методические указания.
1. Для показа химического состава воды на круговой диаграмме (рис. 1, А) следует разделить окружность на две равные части горизонтальной линией, проходящей через ее центр. В верхней части полукруга показать катионный состав, в нижней – анионный.
 |
Рис. 1. Графические методы показа химического состава воды
А – круговая диаграмма, Б – прямоугольник Роджерса, В – график Дурова. Катионы: 1 – Са, 2 – Mg, 3 – Na+K. Анионы: 4 – HCO3, 5 – SO4, 6 – Cl
2. Каждое из полукружий разбить на три части пропорционально процентному составу катионов и анионов. Следует помнить, что 100% катионов или анионов на диаграмме соответствуют 1800 или 1% - 1,80.
3. Выделенные на диаграмме сектора заштриховать согласно самостоятельно разработанной легенде.
4. При построении прямоугольника Роджерса в первом и третьем столбцах расположить катионы и анионы снизу вверх в последовательности, определяемой относительной реактивной силой (рис. 1, Б).
5. Во втором столбце прямоугольника Роджерса указать состав солей в воде, выписать их процентное содержание.
Задание 2. С помощью графика Дурова (рис. 1, В) определить химический состав смеси, образующейся при смешивании воды «а» (один из вариантов таблицы 1) с водой «б» (табл. 1) в пропорции 1:1.
1. Построить на миллиметровке макет графика Дурова (рис. 1, В).
2. На катионном и анионном треугольниках определить местоположение точек «а», соответствующих химическому составу воды выбранного варианта.
3. Спроецировать положения точек на квадрат путем проведения горизонтального пунктира из катионного и вертикального пунктира из анионного треугольников.
4. Аналогично определить на квадрате положение точки «б».
5. Исходя из пропорции смешивания 1:1 найти положение точки «с» (смеси вод «а» и «б»), для чего соединить «а» и «б» отрезком и разделить его пополам.
6. Из точки «с» провести пунктирные проекции на отрезки «а-б» в катионном и анионном треугольниках и определить химический состав полученной смеси, выписав в тетради процентное содержание основных ионов.
Задание 3. По данным таблицы 3 построить график изменения температуры замерзания и температуры наибольшей плотности воды в зависимости от солености и проанализировать его, объяснив различия в ходе замерзания пресной и соленой воды.
Таблица 3
Данные для построения графика Хелланд-Хансена
| Соленость, S, 0/00 | ||||||||
| Температура замерзания, tз, 0С | 0,00 | -0,27 | -0,54 | -0,81 | -1,08 | -1,35 | -1,62 | -1,89 |
| Температура наибольшей плотности, tп, 0С | 3,98 | 2,93 | 1,85 | 0,77 | -0,30 | -1,37 | -2,45 | -3,53 |
Методические указания.
1. На оси абсцисс отложить значения солености, на оси ординат – температуры замерзания и наибольшей плотности. Масштабы выбрать самостоятельно.
2. По данным таблицы 3 отстроить точки и провести через них прямые. Найти координаты точки пересечения прямых.
3. Показать на графике область распространения пресных, солоноватых и соленых морских вод.
4. Используя материалы учебника [13, с.25, 28-35] и лекционный материал объяснить различия в ходе замерзания солоноватых и соленых морских вод, изложив их в тетради.
ТЕМА 2. МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛЕДНИКОВ
Материалы и оборудование:
- Калька (10 х 10 см);
- Миллиметровка (10 х 10 см);
- Простой карандаш, ластик, линейка;
- Калькулятор.
Понятия и определения.
Ледник – масса фирна и льда, образовавшаяся путем длительного накопления и преобразования твердых атмосферных осадков и обладающая собственным движением.
Снеговая граница – высотный уровень, выше которого накопление твердых атмосферных осадков преобладает над их таянием и испарением. Выше снеговой границы, где наблюдается положительный баланс снежно-ледовых накоплений, расположена область питания (аккумуляции) ледника, а ниже – где таяние преобладает над аккумуляцией – область абляции (расхода). Если приход снежно-ледовых масс в области питания больше чем их расход в области абляции, ледник наступает; если меньше – отступает; в случае равенства – ледник стабилен. Количественной характеристикой, позволяющей судить о типологии и динамике ледников, является ледниковый коэффициент (Кл), который представляет собой отношение площади области питания ледника (Fп) к площади области абляции (Fа):
Кл = Fп: Fа (1)
У современных долинных ледников значения Кл колеблются от 1 до 2, у каровых – от 0,5 до 1. При положительном балансе льда ледник начинает двигаться. Темп его перемещения оценивается с помощью скорости движения льда (Vл), которая пропорциональна квадрату мощности ледника (hл) и уклону его поверхности (Iл):
Vл = khл2Iл (2)
где k - размерный эмпирический коэффициент, равный для ледников Памира 0,015.
Задание 1. Зная географические координаты ледника, вычислить высотное положение снеговой границы, нанести ее на план, рассчитать площади области питания (Fп), области абляции (Fа) и ледниковый коэффициент (Кл). На основании полученного коэффициента определить тип ледника (долинный, каровый).
Методические указания:
1. Используя данные таблицы 2 определить высоту снеговой границы ледника Верхнего (рис. 2), имеющего координаты 380 с.ш., 720 в.д.
Таблица 2
Средние высоты снеговой границы по широтным поясам северного полушария
| Широта | ||||||||||
| Высота, м |
2. Нанести на кальку план ледника и снеговую границу в виде пунктирной линии, перпендикулярной отрезку, соединяющему верхнюю и нижнюю точки распространения льда.
3. С помощью миллиметровки или палетки рассчитать общую площадь ледника, площади области питания (выше снеговой границы) и области абляции (ниже снеговой границы).
4. Нанести на план ледника условные знаки и штриховку, отраженную в легенде.
5. Подставив полученные значения в формулу (1), вычислить значение ледникового коэффициента.
6. Определить тип ледника Верхнего.
Задание 2. Используя данные задания 1 и формулу (2), определить скорость движения льда.
Методические указания:
1. Определить среднюю мощность (h) ледника с помощью уравнения h = V: F, где V – суммарный объем ледника (0,075 км3), а F – его общая площадь.
2. Рассчитать уклон (I) поверхности ледника с помощью уравнения
I = (Hmax - Hmin): L, (3)
где Hmax - Hmin – разность (м) верхней и нижней высотных отметок ледника, L – расстояние (м) между этими отметками.
3. Подставив в формулу (2) все необходимые параметры, вычислить скорость движения льда.
Задание 3. По карте удельного баланса массы льда (рис. 3) определить гляциодинамическое состояние ледника Марух (Кавказ).
Методические указания:
1. С помощью миллиметровки или палетки рассчитать площади контуров с различным удельным балансом массы льда в области питания и области абляции.
2. Определить средневзвешенные значения массы льда в областях с положительным и отрицательным балансом. Для удобства расчетов заполнить таблицу 3. Вычисление осуществляется путем перемножения площадей контуров на средние значения соответствующих им интервалов с последующим суммированием результатов и делением на общую площадь ледника.
Таблица 3
Данные для расчета гляциодинамического состояния ледника Марух
| Значения удельной массы льда (М, г/см2) | Площадь контура (F, см2) | М х F | Средневзвешенное значение удельной массы льда |
| Область питания (положительного баланса) | |||
| 200-150 | |||
| 150-100 | |||
| 100-50 | |||
| 50-0 | |||
| Всего | |||
| Область абляции (отрицательного баланса) | |||
| 0…-50 | |||
| -50…-100 | |||
| -100…-150 | |||
| -150…-200 | |||
| -200…-250 | |||
| -250…-300 | |||
| -300…-350 | |||
| Всего |
 |
Рис. 2. План ледника Верхнего в горах Памира (380 с.ш., 720 в.д.)
1- границы ледника, 2 – снеговая граница, 3 – область питания, 4 – область абляции, 5 – высотные отметки, м
 |
Рис. 3. Карта удельного баланса массы льда ледника Марух на Кавказе
3. На основании сравнения средневзвешенных значений масс льда в области питания и области абляции рассчитать дисбаланс и сделать вывод о гляциодинамическом состоянии ледника Марух.
ТЕМА 3. ЗАЛЕГАНИЕ И ДВИЖЕНИЕ ГРУНТОВЫХ ВОД
Материалы и оборудование:
- Калька (10 х 10 см);
- Миллиметровка (10 х 10 см);
- Простой карандаш, ластик, линейка;
- Калькулятор.
Понятия и определения.
Грунтовые воды – это подземные воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, залегающего на первом выдержанном по площади водоупорном пласте. Их свободная поверхность называется уровнем или зеркалом грунтовых вод. Расстояние от земной поверхности до уровня (зеркала) грунтовых вод является глубиной залегания грунтовых вод, а расстояние от кровли водоупорного пласта до уровня грунтовых вод – мощностью водоносного горизонта.
Фильтрация – движение по порам и трещинам грунта свободной (гравитационной) воды под действием силы тяжести и гидростатического давления в сторону уклона поверхности водоносного горизонта или в сторону уменьшения напора. При ламинарном режиме скорость движения грунтовых вод записывается в виде закона фильтрации Дарси:
Vф = KфI, (4)
где Vф – скорость фильтрации, Кф – коэффициент фильтрации, I – гидравлический уклон, равный уклону поверхности уровня грунтовых безнапорных вод. Иными словами скорость фильтрации – это отношение расхода фильтрационного потока Qф к площади поперечного сечения в пористой среде Wп:
Vф = Qф: Wп (5).
Коэффициент фильтрации (м/сут) – величина, выражающая действительную скорость фильтрации в порах и трещинах горных пород при гидравлическом уклоне, равном 1.
Задание 1. По карте землепользования фермерского хозяйства (рис. 4) и данным о глубине залегания грунтовых вод (табл. 4) составить карту гидроизогипс с сечением 1 м; определить направление потока грунтовых вод; уклон потока между скважиной 1 и источником II; выявить связи между грунтовыми водами и рекой; определить глубину залегания грунтовых вод на участке А, выбранном под строительство силосных ям и оценить пригодность выбранного места, если проектная глубина ям 2,5 м.
Методические указания.
1. Сделать на кальке выкопировку карты землепользования фермерского хозяйства (рис. 4).
2. По карте с помощью горизонталей определить абсолютные отметки устья скважин и занести их во второй столбец таблицы 4.
 |
Рис. 4. Карта землепользования фермерского хозяйства
Таблица 4
Данные для построения карты гидроизогипс
| № скважины | Абсолютная отметка устья скважины, м | Глубина залегания грунтовых вод, м | Абсолютная отметка зеркала грунтовых вод, м |
| 5,2 | |||
| 4,5 | |||
| 4,3 | |||
| 5,0 | |||
| 4,1 | |||
| 2,0 | |||
| 4,0 | |||
| 1,0 | |||
| 2,6 | |||
| 0,5 |
3. Зная абсолютную отметку устья каждой скважины и глубину залегания грунтовых вод, определяем вычитанием из первого второго абсолютные отметки положения зеркала грунтовых вод. Полученные значения заносятся в третий столбец таблицы 4.
4. На кальке проставить возле каждой скважины индексы, состоящие из: числитель – абсолютная отметка зеркала грунтовых вод, знаменатель – глубина залегания грунтовых вод.
5. По данным числителя, применяя метод интерполяции, построить гидроизогипсы, выделив их синим цветом и проставив значения.
6. По значениям и изгибу гидроизогипс определить направление подземного стока, указав его в 2-3 местах стрелками. При этом отметить питают ли грунтовые воды р. Сосновка или воды реки поглощаются в грунт.
7. Определить уклон потока между скважиной 1 и источником II по формуле (3).
8. Определить глубину залегания грунтовых вод на участке А (как разность абсолютных отметок участка и зеркала грунтовых вод) и сделать заключение о пригодности места под силосные ямы.
Задание 2. Рассчитать скорость движения и расход грунтовых вод между скважиной 2 и источником II (рис. 4).
Методические указания.
1. Рассчитать скорость движения грунтовых вод по закону фильтрации Дарси (4), для чего из таблицы 5 выбрать соответствующее варианту значение коэффициента фильтрации, а из рисунка 4 по формуле (3) определить гидравлический уклон между скважиной 2 и источником II.
Таблица 5
Коэффициенты фильтрации некоторых видов грунта
| Вариант | Название грунта | Коэффициент фильтрации, м/сут |
| Галечник | 100-200 | |
| Песок с галькой | 50-100 | |
| Песок крупнозернистый | 15-50 | |
| Песок среднезернистый | 5-15 | |
| Песок мелкозернистый | 1-5 | |
| Песок глинистый | 0,5-1,0 | |
| Супесь | 0,1-0,5 | |
| Суглинок легкий | 0,1-0,01 | |
| Суглинок тяжелый | 0,01-0,001 | |
| Глина | 0,001-0,0001 и менее |
2. Вычислить поперечного сечения подземного потока, имеющего мощность водоносного горизонта равную ¼ глубины залегания зеркала грунтовых вод в скважине 2 и ширину 30 м.
3. Определить расход грунтовых вод, используя формулу (5).
ТЕМА 4. МОРФОЛОГИЯ РУСЛА И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОТОКА
Материалы и оборудование:
- Миллиметровка (30 х 15 см);
- Простой карандаш, ластик, линейка;
- Калькулятор.
Понятия и определения.
Морфологические особенности русла реки могут быть охарактеризованы с помощью плана или поперечного профиля. Поперечный профиль реки – это график изменения отметок дна и водной поверхности поперек русла. Сечение русла реки вертикальной плоскостью перпендикулярной направлению течения называется водным сечением потока. Часть площади водного сечения, где наблюдаются скорости течения, является площадью живого сечения (W, м2).
Ширина реки (В, м) – это кратчайшее расстояние между урезами воды на обоих берегах.
Средняя глубина (Нср., м) – отношение площади живого сечения к ширине реки:
Нср. = W: В. (6)
Смоченный периметр (Р, м) – длина линии дна между урезами воды на поперечном профиле речного русла. Для крупных рек Р≈В.
Гидравлический радиус (R, м) – отношение площади живого сечения к смоченному периметру:
R = W: P. (7)
Распределение скоростей в живом сечении русла можно представить с помощью изотах и эпюр (рис. 5).
Изотахи – линии, соединяющие в живом сечении реки точки с одинаковыми скоростями воды, т.е. это линии равных скоростей.
Эпюры (годографы)– кривые изменения скоростей воды в реке по вертикали, изображенные на плоскости параллельной направлению течения.
Динамическая ось потока (стрежень) – линия, соединяющая по длине потока (в плане) точки отдельных живых сечений с наибольшими скоростями.
Задание 1. По данным таблицы 6 построить профиль водного сечения реки, определить его площадь, ширину реки, смоченный периметр, гидравлический радиус, среднюю и максимальную глубины реки и провести изотахи.
Методические указания.
1. По данным о глубине промерных вертикалей и расстоянию от берега (колонки 2 и 3 таблицы 6) построить на миллиметровке профиль дна, получив, таким образом, водное сечение. Вертикальный и горизонтальный масштаб выбрать самостоятельно в соответствии с форматом миллиметровки и размахом значений в таблице 6. Точки дна соединить прямыми линиями.
2. Определить площадь каждой части водного сечения, заключенной между промерными вертикалями:
Wi = a(hi + hi+1): 2,
где а – расстояние между промерными вертикалями; hi и hi+1 – глубина соседних промерных вертикалей.
 |
Рис. 5. Изотахи (А) и эпюры (Б) в живом сечении реки
Таблица 6
Ведомость измеренных скоростей течения в живом сечении р. Ока, пост №1, 27.07.1990
| № промерной вертикали | Расстояние от левого берега, м | Глубина, (Н, м) | Скорости течения (м/с) на промерных вертикалях в точках | Вариант | ||||
| 0,1Н (от поверх.) | 0,2Н | 0,6Н | 0,8Н | 0,1Н (от дна) | ||||
| Ур.л.б. | 0,00 | Общ. | ||||||
| 0,66 | Общ. | |||||||
| 0,78 | 0,48 | 0,45 | 0,43 | 0,42 | 0,35 | А | ||
| 0,90 | 0,51 | 0,49 | 0,46 | 0,43 | 0,28 | Б | ||
| 1,14 | 0,49 | 0,46 | 0,43 | 0,34 | 0,28 | А | ||
| 1,30 | 0,46 | 0,45 | 0,44 | 0,39 | 0,27 | Б | ||
| 1,50 | 0,47 | 0,46 | 0,43 | 0,39 | 0,31 | А | ||
| 1,96 | 0,51 | 0,51 | 0,45 | 0,42 | 0,38 | Б | ||
| 2,16 | 0,60 | 0,58 | 0,50 | 0,46 | 0,44 | А | ||
| 2,32 | 0,72 | 0,70 | 0,62 | 0,55 | 0,48 | Б | ||
| 2,00 | 0,69 | 0,67 | 0,59 | 0,48 | 0,42 | А | ||
| 1,44 | 0,64 | 0,62 | 0,57 | 0,48 | 0,41 | Б | ||
| 0,78 | Общ. | |||||||
| Ур.п.б. | 0,00 | Общ. |
3. Определить общую площадь живого сечения реки:
∑W = Wi + Wi+1 + … + Wn.
4. Определить смоченный периметр, измерив его на чертеже с помощью линейки и переведя в метры согласно выбранному горизонтальному масштабу.
5. Используя формулу (7), рассчитать гидравлический радиус.
6. Используя формулу (6), вычислить среднюю глубину реки.
7. Определить максимальную глубину по промерной ведомости (табл. 6).
8. Выделить на каждой промерной вертикали своего варианта точки, соответствующие 0,1Н (от поверхности), 0,2Н, 0,6Н, 0,8Н и 0,1 (от дна). Проставить возле них значения скорости течения (колонки 4-8).
9. Методом интерполяции провести изотахи через каждые 0,05 м/с, начиная с 0,30 м/с. Каждая изотаха должна плавно, не упираясь в дно, выходить на поверхность. В разрывах указать ее значение.
Задание 2. По данным таблицы 6 построить эпюры на промерных вертикалях №2 и №10 (вариант А), №3 и №11 (вариант Б), сравнить их средние скорости и сделать вывод о влиянии на морфологию русла.
Методические указания.
1. При построении эпюр скоростей отложить в вертикальном направлении общую глубину промерной вертикали и отметить на ней точки измерения скоростей. Из этих точек в горизонтальном направлении в соответствии с самостоятельно выбранным масштабом отложить скорости течения, изображенные в виде отрезков. Концы отрезков соединить плавной линией (рис. 5, Б).
2. Для левой и правой эпюры рассчитать средние значения скорости, которые сравнить между собой.
3. На основании сравнения средних скоростей и конфигурации эпюр сделать заключение о причинах различной крутизны правого и левого склонов русла, положении фарватера, соотношении эрозионных и аккумулятивных процессов.
ТЕМА 5. ПОСТРОЕНИЕ ГИДРОГРАФА И ЕГО ГЕНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Материалы и оборудование:
- Миллиметровка (20 х 20 см);
- Простой карандаш, ластик, линейка;
- Калькулятор.
Понятия и определения.
Для характеристики режима стока рек строится гидрограф – график изменения расходов воды (Q, м3/с) во времени Q = f(t). Это графическое изображение колебаний среднесуточных или среднедекадных расходов воды в течение года или в различные сезоны года. При этом водоносность реки определяется ее питанием. Выделяют снеговое, дождевое, грунтовое и ледниковое питание. На основании различных соотношений разных видов питания строится классификация рек М.И. Львовича. Если один из видов питания дает более 80% годового стока, говорят об исключительном значении данного вида питания. Если на его долю приходится от 50 до 80% - этому виду придается преимущественное значение. Если же ни один вид питания не дает более 50% стока, такое питание называют смешанным. Для ледникового питания диапазоны градаций (50 и 80%) снижены до 50 и 25%.
Задание 1. По данным таблицы 7 построить гидрограф р. Сулы (вариант А), р. Сосновки (вариант Б), расчленить его по видам питания, определить величину снегового, дождевого и грунтового питания и преимущественный тип питания.
Методические указания.
1. По данным таблицы 7 и в соответствии с масштабами построить на миллиметровке график изменения расходов в течение года. На оси ординат отложить значения расхода, на оси абсцисс – месяцы, разделенные на декады.
Рис. 6. Гидрограф реки с весенним половодьем
1 – грунтовое питание, 2 – снеговое питание, 3 – дождевое питание
Таблица 7
Среднедекадные расходы (Q, м3/с) и температура воздуха (t, 0С) р. Сула у с. Варва в 1982 г. (А) и р. Сосновка у с. Васильевка в 1983 г. (Б)
| Дата | А | Б | Дата | А | Б | ||||
| Q | t | Q | t | Q | T | Q | t | ||
| 5.01 | -6 | 5.07 | +8 | +8 | |||||
| 15.01 | -2 | -5 | 15.07 | +9 | +8 | ||||
| 25.01 | -5 | -7 | 25.07 | +9 | +10 | ||||
| 5.02 | -2 | -6 | 5.08 | +9 | +12 | ||||
| 15.02 | -5 | 15.08 | +8 | +12 | |||||
| 25.02 | -5 | 25.08 | +10 | +10 | |||||
| 5.03 | +6 | -3 | 5.09 | +9 | +9 | ||||
| 15.03 | +3 | -1 | 15.09 | +8 | +7 | ||||
| 25.03 | +5 | +4 | 25.09 | +6 | +4 | ||||
| 5.04 | +4 | +6 | 5.10 | +2 | +2 | ||||
| 15.04 | +3 | +4 | 15.10 | +2 | +1 | ||||
| 25.04 | +8 | +4 | 25.10 | +1 | |||||
| 5.05 | +7 | +5 | 5.11 | ||||||
| 15.05 | +7 | +6 | 15.11 | -1 | -2 | ||||
| 25.05 | +6 | +6 | 25.11 | -2 | -3 | ||||
| 5.06 | +6 | +8 | 5.12 | -3 | -4 | ||||
| 15.06 | +7 | +6 | 15.12 | -6 | -4 | ||||
| 25.06 | +8 | +6 | 25.12 | -6 | -5 |
Вариант А. Ледостав до 1.03. и с 1.12, ледоход до 10.03, забереги с 1.11.
Вариант Б. Ледостав до 25.03. и с 25.11, ледоход до 10.04, забереги с 1.11.
2. Над графиком изменения расходов построить график ледовых явлений (данные ниже таблицы 7). Периоды ледостава обозначить заштрихованной линией толщиной 3 мм, ледохода – незаштрихованной, заберегов – вертикальной штриховкой.
3. Над графиком ледовых явлений вычертить график температурных изменений в течение года.
4. Расчленить полученный гидрограф на снеговое, дождевое и грунтовое питание. Для этого найти на графике самый высокий пик расхода, приходящийся на снеговое питание (определяется по смене отрицательных температур положительными). Считается, что в этот период грунтовое питание равно 0 (рис. 6). Ближе к лету его доля увеличивается, а количество снеговых вод уменьшается, и к концу мая они иссякают. Поэтому справа и слева от точки с нулевым питанием грунтовых вод провести отрезки к ближайшим впадинам (участки кривой, где падение расхода сменяется его увеличением) на гидрографе. Все пики расходов (кроме самого большого) срезать отрезками, соединяющими соседние впадины кривой. Область графика, расположенная ниже срезающих отрезков, относится к грунтовому питанию. Срезанные пики, находящиеся в диапазоне положительных температур имеют дождевое питание. Остальная часть графика – снеговые воды. Участки графика с различным питанием заштриховать согласно условным знакам легенды.
5. Подсчитать количество см2, приходящихся на каждый вид питания. Для удобства полученные результаты занести в таблицу 8.
Таблица 8
Расчет объемов разного вида питания реки
| Питание | Площадь в см2 | «Цена» 1 см2 | Объем питания | |
| м3 | % | |||
| Снеговое | ||||
| Дождевое | ||||
| Грунтовое | ||||
| Годовой объем стока | ∑ |
6. Определить «цену» 1 см2 в единицах объема (м3). Для этого 1 см вертикального масштаба (например, 10 м3/с) надо умножить на 1 см горизонтального (например, 2 декады, т.е. 20 сут): 1 см2 = 10 м3/с · 20 сут · 86400 с = 17,28 · 106 м3.
7. Перемножив данные колонок 2 и 3 таблицы 8, рассчитать объемы стока снегового, дождевого и грунтового питания.
8. Используя классификацию М.И. Львовича, проанализировать процентное соотношение разных видов питания и определить преимущественный тип питания.
ТЕМА 6. ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЧНОГО СТОКА
Материалы и оборудование:
- Набор тестовых задач;
- Калькулятор.
Понятия и определения.
Для количественной оценки речного стока применяются следующие характеристики:
Объем стока (W, м3) – количество воды, протекающее в русле реки через данный замыкающий створ, за определенный промежуток времени (за год):
W = TQ, (8)
где T – время, число секунд в году (31,54 · 106 с), Q – средний расход, м3/с.
Норма стока (У, м3/с) – средняя арифметическая величина стока (расхода), вычисленная за длительный (более 50 лет) период. Также она рассчитывается по формуле:
У = AF/T, (9)
где А – слой стока, мм; F – площадь водосбора, км2; T – время, число секунд в году (31,54 · 106 с).
Модуль стока (М, л/с·км2) – количество воды, стекающей с единицы площади (1 км2) за единицу времени (с):
M = Q/F, (10)
где Q – средний расход, м3/с; F – площадь водосбора, км2.
Слой стока (А, мм) – слой воды в мм, равномерно распределенный по площади F и стекающий с водосбора за некоторый промежуток времени:
A = W/F, (11)
где W – объем стока, м3; F – площадь водосбора, км2.
Коэффициент стока (ά, η, безразм.) – отношение величины (объема или слоя) стока к количеству выпавших на площадь водосбора атмосферных осадков, обусловивших возникновение стока:
ά (η) = А/Х, (12)
где А - слой стока, мм; Х – количество осадков, мм. Коэффициент стока изменяется от 0 до 1. Иногда его определяют с помощью эмпирических формул, например:
ά (η) =1- 
, (13)
где d – средний многолетний дефицит влажности воздуха, мм.
Задание 1. По данным, приведенным в таблице 9, и на основании формул (8-13) рассчитать характеристики речного стока, помеченные вопросительным знаком.
Таблица 9
Тестовые задачи для расчета характеристик речного стока
(индексы характеристик согласно разделу Понятия и определения)
| Вариант | У, м3/с | Q, м3/с | F, км2 | Х, мм | W, м3 | M, л/с ∙ км2 | А, мм | ά (η) | d, мм |
| - | 0,46 | ? | ? | ? | ? | - | |||
| 0,15 | - | ? | ? | ? | - | ? | 2,2 | ||
| - | ? | 13∙106 | ? | ? | ? | - | |||
| - | ? | ? | ? | ? | - | ||||
| - | ? | ? | ? | ? | 0,31 | - | |||
| - | ? | ? | 10,4 | ? | ? | - | |||
| - | ? | 26∙106 | ? | ? | ? | - | |||
| - | 0,40 | ? | ? | ? | ? | - | |||
| - | ? | ? | ? | ? | - | ||||
| ? | - | ? | - | ? | ? | 2,5 | |||
| пример | - | 0,20 | ? | ? | ? | ? | - |
Примечание: «?» - найти, «-» - данные отсутствуют.
Методические указания.
Рассмотреть решение на примере, приведенном в таблице 9.
1. По формуле (8) определить объем стока (W, м3):
W = QT = 0,20 м3/с ∙ 31,54 ∙ 106 с = 6308000 м3 = 6,3 ∙ 106 м3.
2. Зная расход (Q) и площадь водосбора (F), определить из формулы (10) модуль стока (М, л/с ∙ км2), для чего значение расхода переводится из м3/с в л/с:
М = Q/F = 200 л/с: 35 км2 = 5,7 л/с ∙ км2.
3. Слой стока (А, мм) рассчитать с помощью формулы (11), для чего предварительно объем стока (W = 6,3 ∙ 106 м3) и площадь водосбора (Q = 35 км2) перевести, соответственно, в мм3 и мм2:
А = W/F = 6,3 ∙ 106∙ 109 мм3: 35 ∙ 1012 мм2 = 180 мм.
4. Коэффициент стока (ά (η)) вычислить согласно формуле (12):
ά (η) = А/Х = 180 мм: 250 мм = 0,72.
Таким образом, все искомые величины найдены. Аналогично с применением формул (8-13) решаются все тестовые задачи.
ТЕМА 7. МОРФОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОЗЕРА
Материалы и оборудование:
- Калька (15 х 15 см);
- Миллиметровка (15 х 15 см) – 2 шт;
- Простой карандаш, ластик, линейка;
- Калькулятор.
Понятия и определения.
Озеро – это естественный водоем с замедленным водообменом.
Длина озера – кратчайшее расстояние между двумя наиболее удаленными точками береговой линии, измеренное по поверхности.
Максимальная ширина озера – перпендикуляр к длине озера в наиболее широкой его части.
Средняя ширина – частное от деления площади зеркала озера на его длину.
Максимальная глубина – определяется по журналу промера глубин.
Средняя глубина – частное от деления объема озера на площадь его зеркала.
Длина береговой линии измеряется по нулевой изобате.
Изрезанность береговой линии определяется путем сравнения с длиной окружности круга, равновеликого по площади, согласно формуле:
.
Объем озера (объем котловины), заполненный водой до определенного уровня, - вычисляется как сумма отдельных слоев котловины, заключенных горизонтальными плоскостями, проведенными друг от друга на расстоянии h, где h – мощность элементарного слоя (сечение изобат):
, (14)
где Fi, Fi+1, Fn, Fn+1 – площади, ограниченные изобатами.
С изменением положения уровня воды в озере меняются все морфометрические характеристики. Изменение объема и площади озера в связи с изменением положения уровня (глубины) может быть представлено кривыми площадей (батиграфической кривой), объемов и средних глубин (рис. 7). Батиграфическая кривая показывает, какая площадь поверхности озера соответствует данной высоте стояния уровня или глубине, кривая объемов показывает, какой объем воды находится ниже любого заданного уровня (или глубины).
Задание 1. Используя план оз. Песчаного (рис. 8), определить длину (l, м), среднюю (Вср., м) и наибольшую (Вmax, м) ширину, среднюю (Нср., м) и максимальную (Нmax, м) глубину озера, длину (L, м) и изрезанность береговой линии (k), построить кривые площадей и объемов.
Методические указания.
1. Вычертить план оз. Песчаного на кальку.
2. Показать на плане отрезками длину и максимальную ширину и согласно масштабу определить их величины. Эти и другие искомые характеристики с их символами, формулами и значениями для удобства вписать в таблицу 10.
Таблица 10
Морфометрические характеристики озера Песчаного
| № | Характеристики | Символы и/или формулы | Значения |
| Длина озера, м | |||
| Максимальная ширина, м | |||
| Площадь водной поверхности, м2 | |||
| Средняя ширина, м | |||
| Мощность элементарного слоя, м | |||
| Максимальная глубина, м | |||
| Длина береговой линии, м | |||
| Изрезанность береговой линии | |||
| Объем озера, м3 | |||
| Средняя глубина, м |
3. Площадь водной поверхности озера определить с помощью палетки.
4. Аналогично рассчитать значения площадей, оконтуренных нижележащими изобатами для использования их в формуле (14). Полученные значения вписать в колонку 3 таблицы 11. Объемы элементарных слоев озера рассчитываются как полусуммы смежных площадей, умноженных на сечение изобат, а общий объем, как сумма объемов элементарных слоев.
5. Данные таблицы 11 использовать для построения кривых площадей и объемов (рис. 7). Кривые строятся на миллиметровке.
 |
Рис. 7. Кривые площадей и объемов озера Лесного
 |
Рис. 8. План оз. Песчаного
Таблица 11
Площади и объемы элементарных слоев оз. Песчаного
| Глубина, м | Индекс площади, Fi | Площадь, тыс. м2 | Индекс объема, Vi | Объем, тыс. м3 | |
| F0 | V0 | ||||
| F1 | |||||
| V1 | |||||
| F2 | |||||
| V2 | |||||
| … | … |
Задание 2. По данным рисунка 7 построить кривую изменения средних глубин озера Лесного.
Методические указания.
1. Построить на миллиметровке координатную плоскость. На оси абсцисс нанести значения средних глубин, на оси ординат – истинных глубин. Масштаб последней должен совпадать с вертикальным масштабом рис. 7.
2. Снять значения с кривых площадей и объемов от поверхности до дна через каждые 25 м и занести их в таблицу 12 (колонки 2 и 3).
Таблица 12
Данные для построения кривой средних глубин озера Лесного
| Глубина, м | Объем, км3 | Площадь, км2 | Средняя глубина, м |
| 0 (поверхность) | |||
| … | |||
3. Путем деления объема на площадь рассчитать среднюю глубину для каждой изобаты, кратной 25, включая поверхность. Данные внести в таблицу 12.
4. Полученные величины средней глубины вынести в виде точек на график. Точки соединить плавной кривой.
ТЕМА 8. ТЕРМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ОЗЕР УМЕРЕННОГО ПОЯСА
Материалы и оборудование:
- Калька (15 х 15 см) – 2 шт;
- Миллиметровка (15 х 15 см) – 2 шт;
- Простой карандаш, ластик, линейка;
- Калькулятор.
Понятия и определения.
Годовой термический цикл в озерах умеренного пояса имеет 4 периода:
В начальный период весеннего нагревания наблюдается обратная стратификация слоев воды, т.е. температура от поверхности ко дну повышается. Позже она сменяется весенней гомотермией, когда весь объем воды имеет температуру придонных слоев.
Период летнего нагревания начинается с прямой стратификации (температура уменьшается с глубиной). В этот период наблюдается расслоение на 3 термические зоны:
· Гиполимнион – нижний слой с холодной «весенней» водой;
· Металимнион – слой температурного скачка, где вертикальный градиент температуры может достигать 8-100С на 1 м глубины.
· Эпилимнион – поверхностный, наиболее теплый слой воды.
Период осеннего охлаждения первоначально протекает в условиях прямой стратификации, а в дальнейшем при осенней гомотермии.
Период зимнего охлаждения начинается с момента установления обратной термической стратификации. Охлаждение приводит к замерзанию поверхностных слоев воды.
Термические периоды выделяются по внутригодовым изменениям температуры воздуха, поверхностных и придонных слоев воды (рис. 9).
 |
Рис. 9. Схема внутригодовых изменений температуры воздуха (1) и температуры в поверхностном (2) и придонном (3) слоях глубокого пресноводного озера в умеренных широтах северного полушария
Периоды: А – весеннего нагревания, Б – летнего нагревания, В – осеннего охлаждения, Г – зимнего охлаждения
Задание 1. По данным таблицы 13 построить график внутригодовых температур воздуха, поверхностных и придонных слоев воды оз. Широкого и выделить на нем термические периоды.
Таблица 13
Месячные значения температур воздуха, поверхностных и донных слоев
оз. Широкого
| Температура | Месяцы | |||||||||||
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | |
| воздуха | -15 | -12 | -4 | -2 | -9 | |||||||
| воды у поверхности | ||||||||||||
| Воды у дна |
Методические указания.
1. На миллиметровке построить координатную плоскость, нанеся на ось абсцисс температуры, а на ось ординат – месяцы. Масштаб выбрать самостоятельно.
2. Согласно таблице 13 вынести на координатную плоскость точки со значениями температур воздуха, поверхностных и донных слоев воды оз. Широкого, соединив их затем плавными линиями. Линии должны отличаться друг от друга по цвету или толщине.
3. Используя материалы учебника [13, c. 223-228]и лекций, выделить на графике периоды весеннего и летнего нагревания, осеннего и зимнего охлаждения.
4. Охарактеризовать условия в точках, где происходит смена термических периодов.
Задание 2. Используя рисунок 10, построить осредненный график распределения температур по глубине для периода летнего нагревания, выделив на нем эпилимнион, металимнион и гиполимнион.
 |
Рис. 10. Изотермы в водном сечении озера
Методические указания.
1. Перечертить рисунок 10 на кальку.
2. На промерных вертикалях №1 и №2 методом интерполяции определить температуру воды через каждый метр от поверхности до дна. Результаты занести в таблицу 14.
Таблица 14
Алгоритм расчета вертикального градиента температур оз. Глубокого
| Глубина, м | Температура, 0С | Вертикальный градиент температур, 0С/м | |||
| На вертикали №1 | На вертикали №2 | Средняя | |||
| … | … | … | … | ||
3. Для каждой строки таблицы рассчитать среднее арифметическое значение температуры (колонка 4).
