Формирование стока поверхностных вод

Понятия – водораздельная линия, водосборная площадь, бассейн.

Для понимания данного раздела необходимо иметь общее представление о водосбор-

ном бассейне.

Водораздельной линией (или водоразделом) называется линия проходящая по наивыс-

шим абсолютным точкам местности. От водораздела поверхностные воды стекают в разные

стороны. Площадь ограниченная водораздельной линией, называется водосборной площадью

или водосбором. Грунтовые воды, как и поверхностные, стекают в данный водоем с опреде-

ленной площади, называемой водосбором грунтовых вод. Он также ограничен водораздель-

ной линией, проходящей по наивысшим точкам водоупорного слоя грунта, однако выявить

ее бывает очень трудно. В связи с этим в гидрологии введено понятие «бассейн», под кото-

рым понимают площадь, с которой стекают поверхностные и грунтовые воды. Эта площадь

приравнивается к площади водосбора поверхностных вод, при этом пренебрегают несовпа-

дением водораздельных линий этих водосборов.

Чтобы очертить на топографической карте водосбор оврага, балки или реки, необходи-

мо провести линнию водоразделв из их устья замыкающего створа, перпендикулярную го-

ризонталям и проходящую между одноименными горизонталями, и замкнуть ее на другом

конце замыкающего створа.

Элементы баланса воды для бассейна

Уравнение водного баланса для бассейна за данный промежуток времени можно запи-

сать:

X = y + a + b,

Где x – объем выпавших осадков, y - объем поверхностного стока, b – объем воды по-

шедший на изменение запаса воды в бассейне (изменения уровня грунтовых вод, объема во-

доемов, влажности почвы). 11

Отношение объема поверхностного стока к объему выпавших осадков называется ко-

эффициентом стока : = y/x.

При одинаковом количестве осадков коэффициент стока зависит главным образом, от

водопроницаемости почв и грунтов. Обычно тяжелые по гранулометрическому составу поч-

вы имеют меньшую водопроницаемость по сравнению с легкими. Почвы с уплотненными

горизонтами также обладают низкой водопроницаемостью.

Большое значение для водопроницаемости почв имеет водопрочность их структуры,

зависящая от содержания и качественного состава гумуса, состава обменных оснований и

других факторов.

Растительность также оказывает многообразное влияние на водопроницаемость. Над-

земная часть растений предохраняет поверхность почв от разрушения прямыми ударами до-

ждевых капель, а корневая система повышает водопрочность структуры почвы, и после от-

мирания оставляет в почве пустоты и микропустоты, по которым вода быстро проникает

вглубь почвенного профиля. Поэтому естественные лугово-степные ландшафты и лес, обла-

дают исключительно высокой водопроницаемостью и, следовательно, малыми объемами по-

верхностного стока.

Для обрабатываемых почв большое значение имеет глубина, направление и вид обра-

ботки.

Таблица. 3

Коэффициент стока при дождях

Почвы Суточный слой осадков, мм

80 100 1

Дерново-подзолистые и серые

лесные; черноземы суглинистые

0, 35

0,37

0,40

0,47

0,51

Черноземы обыкновенный и юж-

ный, каштановые почвы на лессах

0,20

0,24

0,28

0,33

0,37

Бурые и серо-бурые почвы серо-

земы супесчаные и песчаные

0,15

0,19

0,23

0,31

0,34

Величина коэффициента стока зависит также от крутизны склона. Чем круче склон, тем

больше скорость стекания и, следовательно, меньше время взаимодействия почвы с данной

порцией воды. Поэтому с увеличением крутизны склона коэффициент стока возрастает.

Величина коэффициента стока зависит и от длины склона. Ее увеличение, при прочих

равных условиях, приводит к уменьшению (редукции) стока прежде всего в связи с увеличе-

нием доли поверхности занятой водой и участвующей во впитывании.

Коэффициент стока при весеннем снеготаянии зависит от водопоглотительной способ-

ности мерзлых почв, которая определяется количеством свободных не занятых льдом пор.

Последнее зависит от исходной пористости почв, сложения пахотного горизонта, осенней

влажности, степени и глубины промерзания почв. Кроме этого объем весеннего стока обу-

славливается запасами воды в снеге, характером погоды при снеготаянии.

Таблица 4

Коэффициент весеннего стока для некоторых районов России

Районы Угодье

Озимые Зябь Мн.

Травы

Центральный 0,5 - 0,8 0,4 – 0,6 0,6 - 0,85

Центрально-

черноземный

0,5 – 0,75 0,3 – 0,5 0,6 – 0,8

Поволжский 0,4 – 0,6 0,1 – 0,3 0,5 – 0,712

Западно-

Сибирский

0,5 – 0,6 0,45–0,6 0,7 – 0,85

Многофакторная зависимость коэффициента поверхностного стока весной отражена в

цифровых показателях таблицы.

Поверхностный сток с определенной водосборной площади за какой-либо промежуток

времени, называется суммарным объемом стока обозначается – М и выражается в литрах,

кубических метрах или км.

Сток с бассейна за одну секунду называется расходом стока обозначается – Q.

Слой стока h – это суммарный объем стока М (м

) разделенный на площадь водосбора

F (км

), измеряется в мм;

Величина стока с единицы водосборной площади называется модулем стока и обычно

измеряется в литрах в сек. с 1 га ( л/ [с.га]) обозначается q.

Среднее многолетнее значение стока называется его нормой и может выражаться его

средним расходом, слоем и модулем. Поскольку наиболее удачным для картографирования

является модуль стока, его величину, отнесенную к центру тяжести водосборной площади,

наносят на карту и вычерчивают карту изолиний норм стока. По такой карте легко можно

определить средний многолетний объем годового стока с определенной территории.

Изменчивость стока.

При проектировании противоэрозионных сооружений и мероприятий недостаточно

знать средние показатели стока, так как при расчете гидросооружений на средние значения

объемов стока, они не справятся с безопасным сбросом стока при выпадении более крупных

ливней, чем средние. Поэтому противоэрозионные сооружения рассчитывают на максималь-

ный сток, который может встретиться один раз в некоторое число лет, т. е. вводится понятие

обеспеченности стока (или вероятности превышения). Обеспеченностью сока называется

частота появления стока расчетной величины ( или превышающей расчетную) на протяже-

нии длительного отрезка времени. Обеспеченность принято выражать в процентах. Если сток

бывает не менее заданной величины десять раз в 100 лет, то обеспеченность составляет 10%;

если 5 раз в 100 лет, то 5% и так далее.

Для проектирования гидротехнических противоэрозионных сооружений и мероприя-

тий выбирается обеспеченность 5-10%, а для лесомелиоративных и агротехнических – 10-

25%. Очевидно, что чем меньше выбранная обеспеченность, тем большая гарантия сохран-

ности созданных сооружений.

Критические скорости водного и воздушного потоков.

Пусть на дне потока лежит частица со средним диаметром d . Рассмотрим силы дейст-

вующие на эту частицу. На переднюю ее грань поток оказывает положительное давление,

как на любое препятствие встречающееся на пути потока. На тыльную - отрицательное , за

счет образования за частицей зоны завихрений и циркуляций. Сумма сил, обусловленных

положительным давлением на переднюю грань частицы и отрицательным давлением на зад-

нюю, называется лобовой силой Pл. Кроме этого, на частицу действует подъемная сила Рп,

обусловленная положительным давлением потока на нижнюю грань передней части частицы

и отрицательным давлением на верхнюю грань, возникающим при обтекании ее потоком.

В результате совокупного воздействия этих сил при достижении определенной скоро-

сти, частица отрывается и перемещается путем перекатывания. Та наименьшая скорость по-

тока, при которой еще не происходит перемещение частиц называется неразмывающей

скоростью. V н

При дальнейшем увеличении скорости потока, число частиц почвы или грунта, вовле-

ченных в движение, увеличивается. При этом некоторые частицы начинают передвигаться

не только перекатыванием, но и скачками. Подскакивают частицы по очень крутой траекто-

рии, а снижаются по пологой. Высота скачка прямо пропорциональна отношению плотности 13

среды к плотности частицы. Поэтому при одинаковом силовом воздействии потока на части-

цу почвы высота скачка в воздушном потоке примерно в 800 раз больше, чем в водном. Ско-

рость водного потока, при которой начинается скачкообразное движение частиц, называется

скорость начала скачка V2. При скоростях потока в интервале между Vн V2, происходит

формирование гряд на дне потока, которые движутся к устью потока. При скорости выше V2

наблюдается размывание гряд и их полное исчезновение.

Дальнейшее увеличение скорости водного потока приводит к появлению в потоке

взвешенных частиц, называется скоростью начала взвешивания частиц - Vв.

Предположим далее, что скорость потока несущего взвешенные наносы, начинает

уменьшаться. Тогда по достижению некоторой величины этой скорости начинается оседание

взвешенных частиц на дно. Минимальная скорость потока, при которой этого не происходит,

называется незаиляющей скоростью V нез.

Перечисленные выше скорости потока имеют определенный физический смысл, и важ-

ны для познания процесса формирования русла водного потока. Для процесса эрозии почв

наибольшее значение имеет так называемая размывающая скорость потока V р, под кото-

рой понимается та наименьшая скорость, при которой наступает непрекращающийся

срыв почвенных частиц, приводящий к заметной эрозии почв.

Размывающая и неразмывающая скорости потока связаны соотношением: Vр = 1,41

Vн.

Определение размывающей скорости водного потока для конкретных почвенных усло-

вий представляет довольно сложную задачу. Так формула размывающей скорости

М.С.Кузнецова(1981) включает следующие показатели:

Vpw- донная размывающая скорость потока для почвы исходной влажности w, м/с;

g- ускорение силы тяжести;

m1-коэффициент, зависящей от типа наносов в потоке;

m2 -коэффициент, характеризующий связывающее действие корневых систем растений

и зависящий от содержания корней диаметром менее 1 мм;

- o -соответственно, плотность твержой фазыпочвы и воды, т/м3;

n

-коэффициент, характеризующий пульсацию скоростей в потоке и принимаемый рав-

ным 2,3 для потоков на склонах;

P- порозность почвенных агрегатов,%;

d w-средневзвешенный размер водопрочных агрегатов после мокрого просеивания;

- угол наклона потока, град;

C

н

у- нормативная усталостная прочность почвы на разрыв, характеризующая межагре-

гатное сцепление, т/м2.

К- коэффициент однородности почвы по сцеплению. Таким образом использование

этой формулы позволяет довольно точно определить размывающую (критическую) скорость

водного потока для любой почвы, исходя из показателей некоторых ее свойств и раститель-

ности. Знание критических (размывающих)скоростей необходимо для оценки потенциальной

опасности развития эрозии и для расчета противоэрозионных мероприятий. В процессе экс-

периментальных работ выявлено, что величина смыва почв не превышает допустимых пре-

делов, если скорость потока оказывается ниже или равной так называемой допустимой ско-

рости потокаVдоп., составляющей 0,8 размывающей скорости:

Vдоп., =0,8Vр.

Для расчета размывающих скоростей потока существует целый ряд более сложных

формул, в которых применяются трудно определяемые показатели почв, грунтов, расти-

тельности, тальвега водотока и др.