Взаимосвязь поверхностных и подземных вод. Методические указания к лабораторной работе для студентов специальности 320600 «Комплексное использование и охрана водных ресурсов»

Камчатский государственный технический университет Кафедра экологии и природопользования

Дисциплина «Гидрология и регулирование стока»

ВЗАИМОСВЯЗЬ ПОВЕРХНОСТНЫХ И ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Методические указания к лабораторной работе для студентов специальности 320600 «Комплексное использование и охрана водных ресурсов»

Петропавловск-Камчатский 2003

УДК 556 ББК 26.22 И24

Ивашкевич Г.В. И24

Взаимосвязь поверхностных и подземных вод. Методические указания к лабораторной работе для студентов специальности 320600 «Комплексное использование и охрана водных ресурсов». – Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2003. – 8 с.

Методические указания к лабораторной работе «Взаимосвязь поверхностных и подземных вод» предназначены для студентов специальности 320600 «Комплексное использование и охрана водных ресурсов» и составлены в соответствии с рабочей программой дисциплины «Гидрология и регулирование стока». Обсуждены на заседании кафедры ЭиП 10 июня 2002 г., протокол № 28.

УДК 556 ББК 26.22

© КамчатГТУ, 2003 © Ивашкевич Г.В., 2003

2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ВЗАИМОСВЯЗЬ ПОВЕРХНОСТНЫХ И ПОДЗЕМНЫХ ВОД 1. Цель работы: Произвести расчленение гидрографа общего стока (вариант индивидуальный) р. Авача — г. Елизово по видам питания методом Б.И.Куделина. 2. Дано: - гидрограф стока воды за 1946 г. (рис. 1). 3. Задание: - Рассмотреть общие положения метода. - Выделить грунтовый сток в период половодья. - Определить объем стока за год. - Вычислить характеристики стока: а) поверхностного б) грунтового. 4. Теоретические пояснения: Расчленение гидрографа общего стока заключается в графическом выделении на гидрографе объемов воды, сформированных различными источниками питания (дождевое, снеговое, подземное, ледниковое). При оценке естественных ресурсов или подземного питания применение метода генетического расчленения гидрографа теоретически обосновано тем, что в среднем многолетняя величина питания подземных вод эквивалентна подземному стоку зоны интенсивного водообмена. Наиболее подробно, на первом этапе, вопрос был разработан Б. И. Куделиным . Подземное питание рек осуществляется за счет стока в реки грунтовых и артезианских вод. Динамика подземного стока из отдельных водоносных горизонтов зависит от степени гидравлической связи этих горизонтов с рекой, схема которых представлена на рис. 1. а. Водоносные горизонты, не имеющие гидравлической связи с рекой. Режим стока из этих горизонтов близок к режиму поверхностного стока с некоторым смещением фаз хода уровня вправо (запаздывание) по оси времени. б. Водоносные горизонты, гидравлически связанные с ре 3

Рис. 1. Гидрограф р. Авача - г. Елизово за 1946 г. 1 - подземный сток, 2 - поверхностный сток. кой: Режим стока из этих горизонтов имеет противоположную направленность фаз по сравнению с поверхностными водами. Максимуму поверхностного стока соответствует минимум подземного стока. в. Водоносные горизонты, имеющие периодическую гидравлическую связь с рекой. Режим стока из этих горизонтов имеет смешанный характер. При восходящей стадии весеннего половодья в прибрежной зоне образуются обратные гидравлические уклоны грунтового потока и происходит инфильтрация речных вод в берега. При спаде половодья зеркало грунтового потока приобретает наклон к реке и начинается обратный сток в реку профильтровавшейся в берега речной воды. Б.И.Куделин условно называет «береговым регулированием поверхностного стока» явление инфильтрации речных вод в берега в восходящей стадии половодья и возврат их в реку на спаде половодья. В последнее время развивается вопрос о составлении русловых водных балансов, в которых производится учет воды, участвующей в береговом регулировании. Общая продолжительность берегового регулирования поверхностного стока соответствует времени Т, равному приблизительно общему периоду весеннего половодья. Гидрологическое значение берегового регулирования состоит в том, что поверхностный сток, сформировавшийся за счет снеговых вод и атмосферных осадков, поступивший склоновым стоком до створа реки, благодаря взаимодействию с берегами и грунтовыми водами прибрежной зоны вре4

менно теряется для поверхностного стока, превращаясь в грунтовые воды. Эти воды сохраняются в берегах в период восходящей стадии половодья (вследствие подпора от высоких вод в реке) и после пика половодья возвращаются в реку и увеличивают сток реки на спаде половодья (положительный подземный сток). Таким образом, в процессе берегового регулирования происходит лишь перераспределение поверхностного стока внутри весеннего половодья. Подземное питание рек за счет основных запасов подземных вод водосбора в период высоких уровней резко сокращается, а для случая полной гидравлической связи грунтовых вод с рекой подземное питание в период половодья можно принять равным нулю. При этом следует учитывать размер водосбора и закономерности развития подземного стока. При смешанном питании необходимо учитывать сток из источников и родников, расположенных выше высоких уровней в реке. 2. Выделение грунтового стока на гидрографе р. Авача - г. Елизово связано со следующим порядком вычислений: а. Начало весеннего половодья во всем бассейне отмечается одновременно 23 марта, поэтому и прекращение стока грунтовых вод в реку из водоносных горизонтов, гидравлически связанных с рекой, наступает одновременно. На рис. 1.9 это отмечено линией АВ, соответствующей 23 марта. Подземное питание (вследствие подпора) прекратилось с 23 марта, но грунтовые воды, поступившие в русло в верховьях до 23 марта, стекают вниз по реке вместе с паводочной волной. Скорость добегания рассчитана по датам наступления пика половодья в верхнем створе - Заимке fi = 5/IV, и в замыкающем створе - Елизове f2 = 11/IV. Расстояние между указанными створами Z = 274 км. Скорость добегания вычисляем по формуле Vдоб =

Z = 46 км/сут f 2 − f1

б. В замыкающем створе у г. Елизово до окончания половодья 8 мая (точка D на гидрографе) происходит береговое регулирование поверхностного стока и грунтовое питание отсутствует; отметим это вертикальной линией DE. В верховьях бассейна половодье окончилось 13 апреля и с этого момента в речную сеть стали поступать воды за счет основных запасов грунтовых вод в бассейне из водоносных горизон5

тов, гидравлически связанных с рекой. Эти воды достигнут расчетного створа согласно предыдущего через 8 суток от даты окончания половодья в верховьях, т. е. 21 апреля. Эту дату на гидрографе отметим точкой F. С 21 апреля с каждым днем в замыкающем створе расход грунтовых вод будет увеличиваться вследствие поступления грунтовых вод с менее удаленных частей бассейна. Нарастание расхода грунтовых вод будет происходить по прямой FD. 8 мая закончится береговое регулирование поверхностного стока по всему бассейну, и к этому времени заканчивается сток талых снеговых вод и река полностью переходит на грунтовое питание. Как видно из гидрографа, паводки в 1946 г. отсутствовали и вся остальная часть гидрографа относится к подземному стоку. 3. После произведенных расчетов на гидрографе, представляющем общий годовой сток (см. рис. 1), выделяются следующие площади: KASDFK - площадь поверхностного снегового стока, A'AKK' (I) и FDD'F'F (II) - площади грунтового стока (заштрихованные). По гидрографу можно определить следующие объемы стока за год: объем годового стока W м3, объем поверхностного снегового стока Wn м3, объем грунтового стока Wrp м3. Указанные объемы можно вычислить по гидрографу двумя приемами: 1) последовательным планиметрированием площадей: всего гидрографа, поверхностного снегового и грунтового стока; 2) вычислить объем годового стока аналитически, спланиметрировать площадь поверхностного снегового стока и объем грунтового стока получить вычитанием.

6

5. Применяемые материалы, приборы и оборудование: ежедневные расходы воды для построения гидрографа (вариант индивидуальный), миллиметровая бумага для построения гидрографа, набор фломастеров, калькулятор. 6. Выполнение работы. При расчленении гидрографа стока и выделении подземной составляющей следует иметь в виду, что подземное питание рек осуществляется за счет стока в реки грунтовых и артезианских вод. Динамика подземного стока из отдельных водоносных горизонтов зависит от степени гидравлической связи этих горизонтов с рекой. а. Водоносные горизонты, не имеющие гидравлической связи с рекой. Режим стока из этих горизонтов близок к режиму поверхностного стока с некоторым смещением фаз хода уровня вправо (запаздывание) по оси времени. б. Водоносные горизонты, гидравлически связанные с рекой: Режим стока из этих горизонтов имеет противоположную направленность фаз по сравнению с поверхностными водами. Максимуму поверхностного стока соответствует минимум подземного стока. в. Водоносные горизонты, имеющие периодическую гидравлическую связь с рекой. Режим стока из этих горизонтов имеет смешанный характер. Таким образом, подземное питание рек за счет основных запасов подземных вод водосбора в период высоких уровней резко сокращается, а для случая полной гидравлической связи грунтовых вод с рекой подземное питание в период половодья можно принять равным нулю. При этом следует учитывать размер водосбора и закономерности развития подземного стока. При смешанном питании необходимо учитывать сток из источников и родников, расположенных выше высоких уровней в реке. После произведенных расчетов на гидрографе, представляющем общий годовой сток (см. рис. 1), выделяются следующие площади: - площадь поверхностного снегового стока, - площади грунтового стока (заштрихованные).

7

7. Содержание отчета. В состав отчета входит расчлененный по источникам питания гидрограф, вычисленные и записанные на этом же формате характеристики стока отдельно грунтового и отдельно поверхностного. 8. Вопросы для самоконтроля. 8.1. В чем заключается сущность расчленения гидрографа? 8.2. Охарактеризуйте принципиальные подходы к выделению поверхностного питания. 8.3. Охарактеризуйте принципиальные подходы к выделению подземного питания. 8.4. Как определяются объемы поверхностного и грунтового питания.

9. Литература. 9.1. Богословский Б.Б. Общая гидрология.-Л.: Гидрометеоиздат, 1984 9.2. Давыдов Л.К., А.А. Дмитриева, Н.Г. Конкина.- Общая гидрология-Л.: Гидрометеоиздат, 1973.

8

Ивашкевич Геннадий Васильевич ВЗАИМОСВЯЗЬ ПОВЕРХНОСТНЫХ И ПОДЗЕМНЫХ ВОД Методические указания к лабораторной работе для студентов специальности 320600 «Комплексное использование и охрана водных ресурсов»

В авторской редакции Компьютерный набор, верстка Ивашкевич Г.В. Лицензия ИД № 02187 от 30.06.00 г. Подписано в печать 09.01.2003 г. Формат 61*86/16. Печать офсетная. Гарнитура Times New Roman Авт. л. 0,27. Уч.-изд. л. 0,42. Усл. печ. л. 0,49 Тираж 40 экз. Заказ № 9 Редакционно-издательский отдел Камчатского государственного технического университета Отпечатано полиграфическим участком РИО КамчатГТУ 683003, г. Петропавловск-Камчатский, ул. Ключевская, 35

9