Новые проблемы в области управления водными ресурсами: будущая роль Комиссии по гидрологии (КГи)

Новые проблемы в области управления водными ресурсами: будущая роль Комиссии по гидрологии (КГи) Введение

Карл Хофиус в своей статье «Эволюционирующая роль ВМО в области гидрологии и управления водными ресурсами», опубликованной в этом номере Бюллетеня, умело описывает эволюцию Программы по гидрологии и водным ресурсам в ВМО за последние 50 лет. За это время оперативная гидрология стала частью деятельности ВМО, что подтверждается девизом ВМО «Погода, климат и вода». Вопросы, которые мне задают в последнее время, таковы: «Куда двигаться дальше?» и «Каковы проблемы на ближайшие 50 лет?»

Первое, что надо сделать, чтобы решить стоящие перед нами задачи, – определить ключевые проблемы, которые должны решать менеджеры в области водных ресурсов с учетом эволюции этих проблем с течением времени. Например, г-н Хофиус в конце своей статьи вполне обоснованно подчеркивает важность гидрологии при обсуждении проблемы изменения климата.

В настоящее время ключевые проблемы сводятся к следующему:

• 
  изменение климата: хотя мы постоянно убеждаемся в изменчивости климата, большинство исследований, анализов и методов управления основывалось на стационарности гидрологического ряда, т.е. хотя возможны флуктуации, среднее значение остается примерно таким же. В настоящее время увеличивается объем данных о трендах в гидрологических рядах. Многие регионы сталкиваются с проблемой засушливого и теплеющего климата и, следовательно, потенциального уменьшения водных ресурсов;
  
• 
  повышение уязвимости к неблагоприятным метеорологическим явлениям: в Техническом документе МГЭИК об изменении климата и водных ресурсах подчеркивается возможность повышения частоты и суровости метеорологических явлений. С увеличением численности населения, проживающего в опасных районах, первоочередной проблемой будет обеспечение безопасности жизни и имущества;
  
• 
  растущие потребности городов: городское население продолжает расти и продолжает увеличиваться площадь городов, увеличивая тем самым нагрузку на системы водоснабжения и уменьшая площадь пахотных земель, а в некоторых случаях увеличивая нагрузку на водосборные бассейны;
  
• 
  превышение объема подачи воды в водопроводных системах: вода во многих водопроводных системах подается с учетом ее объема в предыдущий период или существующей потребности, что не соответствует ее наличию в текущий момент или в будущем; таким образом, во многих системах объем подачи превышается;
  
• 
  неограниченный забор воды: во многих районах отсутствуют планы или ограничения на забор воды (например, забор речных и грунтовых вод). Это привело к уменьшению объема воды. Распространение плотин на фермах в некоторых районах также способствовало уменьшению объема воды, поступающей в речные системы;
  
• 
  изменение землепользования: очистительная рубка леса, расширение плантаций и открытие новых площадей для сельского хозяйства – все это оказывает влияние на водные ресурсы; непреднамеренные события, например, разрушительные лесные пожары могут сократить водообеспеченность и вызвать проблемы, связанные с качеством воды. Изменение землепользования даже в пределах сельскохозяйственных районов отражается как на водообеспеченности, так и на водопользовании.
  

С этими областями связана деятельность и ответственность национальных гидрометеорологических служб (НМГС). Задача НМГС состоит в том, чтобы обеспечить надежную, объективную и своевременную информацию, необходимую для понимания водных ресурсов района, подведомственного данной НМГС, включая:

• 
  сведение к минимуму числа жертв и потери имущества в результате стихийных бедствий, связанных с водой, таких, как наводнения, засухи и перемещение суши;
  
• 
  эффективное управление ресурсами грунтовых и поверхностных вод для использования в быту, сельском хозяйстве, торговле, промышленности, экологии и в сфере развлечений;
  
• 
  защита и увеличение водных ресурсов для обеспечения здоровья человека и качества окружающей среды;
  
• 
  поддержка физического и экономического развития ресурсов района на благо современного и грядущего поколений.
  

Чтобы НМГС должным образом реагировали на эти побудительные мотивы, они должны создать программы, которые позволили бы эффективно управлять ресурсами с экологической и экономической точек зрения. Поэтому главными задачами в будущем будет усовершенствование информации о водных ресурсах, а также средств и методов управления ими с учетом изменения климата.

При определении этих задач мне бы хотелось сосредоточиться на четырех основных областях, которые позволяют сквозной системе предоставлять гидрологические услуги, в частности наблюдения (включая измерение, передачу и прием), мониторинг, анализ и оценку (включая моделирование), продукцию и услуги (включая их доставку) и вспомогательные исследования (включая исследования безоблачного неба).

Все больше внимания уделяется стокам для сохранения таких экосистем, как заболоченные земли. В будущем мы должны рассматривать окружающую среду как полноправного и приоритетного пользователя воды. Наблюдения

# Потребность в информации о воде никогда не была настолько высока, как сегодня, и полагаю, что в будущем она будет еще выше. Поговорка «Нельзя управлять тем, что невозможно измерить» не потеряет своего смысла в будущем, в котором ресурсы будут более ограниченными.

Однако сбор высококачественной гидрологической информации трудоемок и дорогостоящ. Несмотря на значительные успехи в области записи информации (регистраторы данных) и передачи информации (по телефону и с помощью спутниковой телеметрии), отмечается слабый прогресс в области усовершенствования измерения руслового речного стока.

Наибольшим успехом, возможно, является разработка акустических доплеровских профилографов течений (АДПТ). АДПТ используется для измерения скорости движения воды по водяному столбу. АДПТ, закрепленный якорем на дне моря, может измерять скорость течения не только на дне, но и на равных интервалах по всей глубине до поверхности моря. Прибор можно также закрепить горизонтально на плотинах или мостовых сваях на реках и каналах для измерения профиля течения от одного берега до другого и до дна лодки или поплавка для измерения постоянного течения по мере движения лодки. В районах очень большой глубины приборы опускаются с поверхности с помощью кабеля.

Значительные усовершенствования в области коммуникации и управления базами данных отмечены в прошлом и продолжат осуществляться в будущем. Так что можно ожидать, что многие методы приема и усвоения данных и другие аналитические методы, используемые в метеорологии, будут применяться и в гидрологии, особенно с учетом того, что предполагается выполнять совместное моделирование.

Однако в последнее время не наблюдается активной работы в области взаимного сравнения различных приборов, методов измерений и механизмов доставки и хранения данных, и слабо ведется работа по обучению использованию приборов. Первостепенные задачи на будущее можно сформулировать следующим образом:

• 
  разработка приборов и методов измерения, которые позволят повысить точность информации о водных ресурсах;
  
• 
  обеспечение соответствия методов измерения требуемым стандартам;
  
• 
  обеспечение сбора, хранения и оперативной передачи соответствующих метаданных;
  
• 
  усовершенствование доступа к информации о речном русловом стоке в реальном времени и к другой информации об этом ресурсе и его использовании;
  
• 
  использование спутниковых методов измерения, предоставляя при этом информацию об их точности и надежности;
  
• 
  определение согласованного на международном уровне стандартного формата обмена гидрологической информацией посредством разработки и оценки концептуальной модели информации о водных ресурсах.
  

ВМО играет лидирующую роль в этой области и, учитывая новые соглашения с Международной организацией по стандартизации, должна и дальше предоставлять консультации и проводить вспомогательные оценки (такие, как взаимные сравнения) в рамках Структуры управления качеством – гидрология. В будущем важным моментом будет стандартизация данных на национальном, региональном и международном уровнях, а также осведомленность об ограничениях и неопределенностях. Следует также продолжать оказывать помощь менее развитым странам посредством таких инициатив, как Всемирная система наблюдений за гидрологическим циклом (ВСНГЦ).
Мониторинг, анализ и оценка

Контроль информации является первой ступенькой на лестнице оценки данных. Для того чтобы данные достигли наивысшего потенциала, они должны пройти анализ и использоваться в разработке гидрологической информационной продукции и услуг, которые позволят усовершенствовать развитие и управление ресурсом.

Руководство ВМО по гидрологической практике содержит сведения о научной основе гидрологического моделирования, которая создает базу для оценки водных ресурсов и гидрологического прогнозирования.

Задачи на будущее в этой области состоят в разработке методов анализа и моделирования, которые обеспечат единый подход к управлению ресурсами. Расширение возможностей моделирования тесно связано с достижениями в области расширения возможностей компьютеров. Модели обычно разрабатываются на основе научных исследований и изучения физических свойств движения воды по ландшафту. В последние годы возможности моделирования расширились с точки зрения большей интеграции между элементами гидрологического цикла и более тесной взаимосвязи между разработчиками метеорологических и гидрологических моделей. Конкретными примерами служат радиолокационные и спутниковые оценки дождевых осадков, входные данные численного прогноза погоды в гидрологические модели и усовершенствованная информация о сезонном ориентировочном прогнозе климата, включенная в гидрологические прогностические системы.

Кроме того, достигнуты значительные успехи в области пространственного моделирования информации и продукции с использованием технологии географических информационных систем (ГИС). Гидрологи используют технологию ГИС для интеграции различных данных в одну управляемую систему.

Мониторинг водных ресурсов: наблюдение является первой ступенькой на лестнице оценки данных.

Например, комплект инструментов в Arc Hydro облегчает создание, манипуляцию и отображение гидрологических характеристик и объектов в среде ArcGIS. Задача состоит в том, чтобы обеспечить реалистичность моделей и возможность их применения на практике.

Следует постоянно помнить, что качество результатов и продуктов моделирования пока еще будет в значительной степени зависеть от качества гидрологической информации, полученной в естественных условиях.

ВМО может помочь в реализации этих задач, осуществляя техническое руководство и обеспечивая доступ к новейшим технологиям, повышая их доступность и совершенствуя вспомогательную документацию. Полезным вкладом будут также консультации относительно использования и пригодности новых методов для районов, страдающих от дефицита данных.

Продукция и услуги

По мере движения вперед станет все более важной тесная взаимосвязь между существующими структурами наблюдений, анализа и исследований и конкретными пользователями услуг и продукции, предоставляемых НМГС в виде оценок доступности водных ресурсов, проектно-конструкторской информации для гидротехнических сооружений, средств мониторинга и управления, прогнозов паводков и стока и предупреждений о наводнениях. Поэтому большой интерес у НМГС вызывает использование новых коммуникационных механизмов, службы коротких сообщений (СКС) и Интернета, а также будущие разработки в этих областях. Эти тесные взаимосвязи будут важным механизмом как для проектирования, так и для разработки новых более качественных средств обеспечения информацией об ограничениях и неопределенности, а также о возможных усовершенствованиях и полученной выгоде.

Приведем два примера: обеспечение гидрологической информацией в виде оценок доступности воды и прогнозы уровня паводков. Наличие Интернета и представление информации на Web-сайте привели к большим изменениям в способе оценки информации и обеспечили своевременность предоставления информации. В настоящее время гидрологическая информация передается в реальном времени (в графическом и табличном формате) и обычным делом является получение исторической информации через Интернет. Кроме того, через Интернет можно получить гидрологические отчеты и материалы изучения конкретного случая. Будущие достижения позволят повысить качество и доступность этой информации и усовершенствовать ее представление. Например, предоставление карт подъема воды при паводках, как часть процесса прогнозирования и предупреждения о паводках позволит группам скорой помощи действовать более эффективно и планировать ответные действия на основе более точной информации.

На основе вышесказанного можно с уверенностью утверждать, что основной задачей в будущем является разработка моделей и методов, позволяющих предоставлять продукцию и услуги в поддержку управления водными ресурсами в условиях изменяющейся окружающей среды. Изменение климата и рост численности населения и впредь будут способствовать появлению новых и более усовершенствованных услуг и продукции. В соответствии с этим Комиссия по гидрологии предложила сотрудничество с Комиссией по климатологии, которое сосредоточится на следующих областях:

• 
  завершение идентификации станций, чувствительных к климату, и анализ их данных (включая получение данных (при содействии Глобального центра данных по стоку) и выполнение исследований по обнаружению тренда);
  
• 
  подготовка руководящего материала по прогнозированию сезонного стока (в рамках темы гидрологического прогнозирования и уменьшения опасности гидрологических бедствий);
  
• 
  подготовка руководящего материала по потенциальному использованию современных возможностей моделирования регионального климата для оценки и управления водными ресурсами;
  
• 
  подготовка руководящего материала относительно потребности в климатической информации лиц, занятых в области управления водными ресурсами, для использования в долгосрочном планировании и проектных работах;
  
• 
  подготовка руководящего материала по прогнозам и индексам засухи, включая количественное выражение неопределенностей.
  

Рост численности населения и изменение климата являются основными побудительными мотивами для появления новых усовершенствованных гидрологических услуг и продукции, а также для устойчивого управления водными ресурсами.

Исследования
Исследования и разработки для предоставления гидрологической продукции и услуг можно разделить на следующие четыре категории:

• 
  гидрологические информационные системы: деятельность сосредоточена на разработке системной архитектуры для гидрологической информации, которая может развиваться при изменении источников данных, сфер применения и технологии;
  
• 
  информационная продукция: деятельность включает разработку методологий, моделей данных и методов создания и поддержки фундаментальной гидрологической информационной продукции в поддержку управления, прогнозирования, оценки и учета гидрологической информации;
  
• 
  учет и оценка водных ресурсов: разработка пространственно-временной информации о распределении и использовании водных ресурсов. Эта информация будет использоваться для разработки водного баланса, оценки водных ресурсов, учета национальных водных ресурсов и взаимодействия компонентов гидрологического цикла в разных масштабах;
  
• 
  гидрологические прогнозы и предсказания: расширение услуг гидрологических прогнозов от краткосрочного прогнозирования паводков до непрерывного прогнозирования стока, подъема воды и потребности в воде с заблаговременностью до нескольких дней, а также прогнозы наличия водных ресурсов с заблаговременностью от одного до нескольких сезонов.
  

Чтобы обеспечить эффективное управление водными ресурсами, важно понять и предсказать движение и наличие воды во всех компонентах гидрологического цикла, а также уметь моделировать воздействия различных ландшафтных изменений на распределение и наличие воды. Разработка имитационной модели системы Земля дает такую возможность посредством моделирования всей атмосферы Земли. С помощью такого моделирования можно предсказать наличие и распределение воды в пространственных масштабах от небольших водосборов и речных бассейнов до более крупных площадей, и во временных масштабах от нескольких часов до нескольких недель и более. Выходные данные могут включать наличие воды (с точки зрения речного стока) в водохранилище для использования и распределения запасов воды, а также такие переменные, как почвенная влага – эти данные будут полезными при принятии решений во многих прикладных сферах сельского хозяйства, таких, как водоснабжение.
Сотрудничество между национальными метеорологическими и гидрологическими службами
Будущее гидрологических служб все больше будет связано с метеорологическими службами. Поэтому к другим областям, которые ВМО рассматривает в качестве будущей арены деятельности, относятся следующие:

• 
  более точные и заблаговременные прогнозы погоды, особенно прогнозы осадков;
  
• 
  более точные сезонные ориентировочные прогнозы;
  
• 
  радиолокационные и спутниковые оценки дождевых осадков;
  
• 
  обеспечение комплексной продукции.
  

Под давлением таких факторов, как рост численности населения и изменение климата, национальные гидрологические службы (НГС) и впредь будут уделять большое внимание устойчивому управлению водными ресурсами. Поэтому будут охотно приняты любые средства, которые облегчат принятие решений и помогут НГС выполнять свою миссию. В этом отношении национальные метеорологические службы имеют все возможности для оказания помощи НГС, и поэтому продолжение сотрудничества между ними очень важно.

Статья взята из Официального сайта Всемирной метеорологической организации

Отчет по гидрологической практике

/ Отчет по гидрологической практике

Гидрология – это наука, изучающая гидросферу, ее свойства и протекающие в ней процессы и явления.

Цель учебной гидрологической практики – закрепить основные положения теоретического курса общей гидрологии на основе непосредственного ознакомления с водными объектами, научиться обращаться с устройством гидрометрической вертушки ГР-21М, обработать полевые материалы наблюдений и составить отчёт о произведённой работе.

1 Гидрологическая характеристика реки Сож

Река Сож протекает по Смоленской области России, по Могилевской и Гомельской областям, является левым притоком Днепра (вторым по величине и водности).

Длина реки 648 км (в Беларуси 493 км), общая площадь водосбора 42,1 тыс. км- (в Беларуси21,5 тыс. км 2 ). Общее падение отметок воды в реке 111,6 м (в Беларуси 41 м). Коэффициент извилистости реки 2,09, Средний уклон водной поверхности 0,17 ‰, наибольший в верховье 1,15 ‰, где выделяются участки с резким изменением падения профиля реки, что связано с влиянием современных; тектонических движений.

Сож берет своё начало в 12 км южнее Смоленска. Основные притоки: правые Вихра, Волчес, Проня, Уза; левые - Хмара, Остер, Бесядь (Весеть, Бяседь), Ипуть, Уть.

Притоки Сожа, протекающие по территории Гомельской области: правые - Овсовина, Косолянка (Коселянка. Косяланка. Перегонка). Вилейка, Кормянка, Добрич (Добрица, Добриха, канал Добрица), Горна (канал Горна), Чечера, Линп, канал Ржавец, Уза; левые Жауница, Кляпинка, канал Осетский, Дороживель (Змейка), Девица, Беляевка (Куринка), Молинка, Покоть Калиновка (Гвива, Утонька), Неманка, Беседь (Бесеть, Бяседь), канал Ветковскнй, Спонка, канал Перегон, канал Чистые Лужи, Ипуть, Уть, канал Урут, Терюха, Немыльня.

Гидрографическая сеть древовидного типа в бассейне Сожа развита хорошо и относительно равномерно. Общая длина речной системы, насчитывающей 3410 рек, составляет 16 220 км, густота речной сети - 0,38 км/км 2 .

Водосбор асимметричный, более развит по левобережью, грушевидной формы: верхняя его часть находится на юго-западной окраинeСмоленской возвышенности, средняя - на Оршанско-Могилёвской равнине; нижняя в границах Гомельского Полесья.

Относится к двум гидрологическим районам: Верхне-Днепровскому и Припятскому. Водораздел везде четко выражен, на северо-западе проходит вдоль левобережных притоков Днепра, на востоке отделяет правые притоки р. Десна. Общая длина водораздельной линии 945 км, коэффициент ее развития равен 1,30. Наибольшая длина водосбора 325 км, средняя ширина 130 км, коэффициент ширины 0,40. Рельеф в верховье мелко холмистый, на большей части - это слабоволнистая наклоненная на юг равнина с отдельными моренными грядами в виде прерывистых холмов высотой 5-20 м, с участками расширения лесоподобных отложений, изрезанными оврагами, ложбинами. Средняя высота абсолютных отметок водосбора - 175 м над уровнем моря, средний уклон - 9,82‰. В верховье водосбора преобладают суглинистые грунты, на юге их дополняют песчаные и супесчаные. Южнее Гомеля распространены участки перевиваемых песков. Торфяно-подзолисто-глеевые грунты встречаются лишь пятнами среди лесов, в западинах и поймах рек. Основные леса - хвойные вересково-мшистые и бруснично-зеленомошные; в междуречье Сожа и Прони и широколиственно-еловые. В нижнем течении Сожа преобладают сосновые леса и дубравы. Ели растут отдельными участками. Лесистость около 25%. Луга характерны для верхней части водосбора. Болота низинные, расположены по долинам притоков и верхней части водосбора (самое большое - болото Дикое). Общая заболоченность территории составляет порядка 10% (в том числе 2 % занимает заболоченный лес). Озер мало (менее 1%) - это отдельные водоемы с площадью зеркала до 1 км 2. Пойменные и искусственные пруды встречаются по всему водосбору.

Долина реки преимущественно трапецеидальная, хорошо выраженная, глубокоизрезанная (20-30 м).

Ширина долины в верховье - от 0,3 до 1 км, на большом протяжении - от 1,5 до 3 км, в среднем течении - до 5 км, в нижнем течении - до 7 км, при слиянии с долиной Днепра - до 20 км. Склоны обрывистые, умеренно крутые высотой 15-25 м местами - до 35-40 м, изрезаны оврагами, ложбинами, долинами притоков, Правый, склон более открытый, левым - поросший лесом и кустарником. Почти на всем протяжении выде­ляются пойма с 2-мя уровнями (низким - 1,5-2,5 м над урезом воды и высоким: - 3 4. м.) и 2 надпойменные террасы.

Пойма двусторонняя, местами левобережная или чередующаяся по берегам. Поверхность поймы до устья Проня ровная, открытая, ниже - холмистая; пересечена ложбинами, старыми руслами и небольшими озерам -старицам. Затопляется пойма на глубину 0,5 2,5 м, в устьевой части до 4-5 м, сроком 5-30 суток. Первая надпойменная терраса развита чаще на левобережье, высота ее на разных участках изменяется от 3-4 м до 5-8 м, а ширина - от 4 до 5 км. Это в основном аккумулятивная и эрозионная терраса. Вторая терраса аккумулятивная и эрозионно-аккумулятивная высотой от 12-13 м до 20-22 м, с максимальной шириной 15-18 км.

Русло извилистое. Особенно крупный изгиб река делает на участке, где на правобережье находятся, цепь концевых морен. В нижнем течении большое множество лу­ковиц, рукавов, стариц. Ширина реки в верхнем течении - от 40 до 80 м, в нижнем - от 90 до 125 м. Дно ровное, песчаное, рейсе реже песчано-илистое. Берега в верхнем и среднем течениях преимущественно крутые, высотой 1,5-4 м, ниже по течению - обрывистые; на луковинах, где русло подходит к коренному берегу - обрывистые, высотой до 12-15 м.

На период весеннего половодья приходится 57 % годового стока, на летне-осеннюю и зимнюю межень – 43%. Подъем уровня весной начинается в 3-й декаде марта или в середине апреля, продолжительностью от 10-15 дней в верхнем течении до 20-25 дней – в нижнем. Средняя высота подъёма уровней воды в реке над самой низкой меженью – от 4 до 5 м. наибольшая – от 6,0 до 7,5 м. Летне-осенняя межень наступает в мае-июне и часто нарушается дождевыми паводками, которые повышают уровень воды в реке до 1-2 м. за период 25-35 дней. Зимние уровни в среднем на 10-20 см. выше летних. Река замерзает в начале декабря, ледоход наблюдается в конце марта начале апреля от устья до верховья. Весенний ледоход длится 3-5 дней. Наибольшая толщина льда достигает 62-65 см. (чаще в марте). Средняя температура воды в июне-августе от19 до21 C, наибольшая в июне (28C). Особенность режима реки – большие колебания стока. Средний многолетний расход воды колеблется от 96,9 м 3 /с (1925г.) до 407 м 3 /с (1933г.). Годовой сток взвешенных наносов около Гомеля составляет 88 тыс. тонн.

Вода в реке гидрокарбонатно-кальциевого класса, умеренно жёсткая, средней минерализации от верховья к устью. В летнюю межень минерализация и жёсткость колеблется соответственно в пределах 240-421 мг/дм 3 и 3,2-5,4 мг экв/дм 3. в зимнюю увеличивается до 312-464 мг/дм 3 и 0,9-1,4 мг экв/дм 3. Агрессивная углекислота в воде содержится только в районе г. Гомеля в количестве не более 5 мг/дм 3. Цветность низкая, изменяется в течении года от 5 до 75?, увеличиваясь к устью. Окисляемость – в пределах 2-15 мг/дм 3. преобладающее содержание железа – 1 мг/дм 3. Наличие кислорода – от 5 до 11 мг/дм 3. в зимнюю межень – до 3 мг/дм 3. ВеличинаpHизменяется от 7,1 до 8,4.

В реке водится щука, окунь, плотва, лещ, линь, карась золотой, верховодка, головень. Река используется для судоходства, частично для промышленного водоснабжения и рыбного промысла. В верховье энергия реки ранее использовалась для небольших мельничных установок и колхозных ГЭС.

2 Устройства водомерного поста

Выбор места для поста. Размещают водомерные посты на водных объектах в соответствии с их целевым назначением. Посты гидрометеослужбы располагают в речном бассейне таким образом, чтобы при их сравнительно небольшом количестве можно было обеспечить достаточно полное изучение гидрологического режима бассейна в целом. На крупных реках водомерные посты устанавливают через 50–80 км, чаще всего ниже впадения наиболее значительных притоков.

При выборе пункта для установки водомерного поста необходимо соблюдать ряд технических требований. Водомерные посты следует располагать на прямолинейных участках реки с не размываемым руслом. Посты должны быть защищены от ледохода и возможных ударов плывущих предметов. Водомерные посты можно располагать ниже устьев притоков на расстоянии от них не менее пятикратной ширины реки.

Водомерные посты нельзя устраивать в пунктах, находящихся в зоне подпора от искусственных сооружений (плотин, мостов и т. п.) на длинных прямых участках рек, расположенных по направлению господствующих ветров, так как показания на них будут искажаться за счет сгонов и нагонов воды. Для удобства обслуживания водомерные посты целесообразно располагать вблизи населенных пунктов.

Типы водомерных постов. Водомерные посты принято различать по нескольким признакам: назначению, продолжительности действия, способу устройства и др. По назначению водомерные посты делятся на опорные и специальные, по продолжительности действия – на постоянные и временные. Постоянные посты подразделяются на посты непрерывного и сезонного действия. На постоянных постах непрерывного действия, к которым относятся все опорные посты гидрометеослужбы, ведутся наблюдения круглый год в течение многолетнего периода. Постоянные посты сезонного действия устраивают на судоходных реках для оценки транспортных возможностей водных путей в навигационный период. Временные водомерные посты создают для изучения гидрологического режима рек в створах, где намечается строительство гидротехнических сооружений. По окончании изыскательских работ такие посты закрывают.

По устройству водомерные посты делятся на реечные, свайные, самопищущие, дистанционные, посты для фиксации максимальных и минимальных уровней и др.

Устройство водомерных постов.Реечный водомерный пост представляет собой неподвижно установленную в воде вертикальную рейку с отчетливо нанесенными делениями. Рейки прикрепляют или к существующим сооружениям, например, к устоям мостов (рис. 2.1, а), или к специально забитым сваям (рис. 2.1,б). При больших скоростях течения или сильном волнении рейки целесообразно устанавливать в специальных ковшах – ямах, вырытых в берегах и сообщающихся с руслом посредством небольших канав.

Рис. 2.1. Типы водомерных постов:

а. б – реечные;в – свайные;г – переносная рейка

Длина рейки водомерного поста определяется амплитудой колебания уровня воды. Ее нулевое деление устанавливается на 30–50 см ниже самого низкого уровня. Верхний конец рейки должен на такую же величину возвышаться над горизонтом самых высоких вод.

Реечные водомерные посты являются самыми простыми наблюдательными пунктами. Однако устройство их на реках с пологими берегами и большой амплитудой колебания уровня воды, а также при сильном ледоходе, сопряжено со значительными трудностями. В этих случаях приходится устанавливать более капитальные свайные водомерные посты.

Свайный водомерный пост состоит из ряда свай, забитых в дно и берег реки по прямой линии, перпендикулярной к направлению течения (рис.2.1,в). Количество свай и расстояние между ними зависит от амплитуды колебания уровня воды и рельефа берега. Сваи располагают таким образом, чтобы разность высот головок соседних свай составляла не более 0,8 м. Головка нижней сваи должна быть погружена в воду при самом низком уровне на 25–50 см, а верхней – возвышаться на такую же высоту над самым высоким уровнем. Свайные водомерные посты образуются стандартными металлическими винтовыми сваями длиной 220 см, которые завинчиваются в грунт. Головка сваи окрашивается белой масляной краской, и на ней с двух сторон черной краской надписывается номер сваи. Сваи нумеруют сверху вниз с берега к реке. При отсутствии стандартных свай устанавливают временные деревянные или из отрезков металлических труб или балок. Головки свай должны быть строго горизонтальны. Основное требование к установке свай – неизменность их высотного положения.

Измерение уровней воды на свайном посту производится при помощи переносной рейки длиной 1,0–1,2 м, деревянной или металлической (рис.2.1, г). Для отсчета уровня рейку устанавливают в вертикальное положение на головку первой от уреза воды затопленной сваи. При значительном волнении применяется специальная рейка с успокоителем ГР-23.

Реечные и свайные водомерные посты нивелируются, для чего у каждого поста устанавливается неизменная в высотном отношении точка, называемая репером. Цель нивелировки реечного поста – установить отметки нулевого деления рейки, а свайного – отметки головок всех свай. Репер устанавливают в створе водомерного поста на расстоянии 15–20 м от возможной границы затопления.

Самопишущие водомерные посты непрерывно регистрируют колебания уровней воды. Установка самопишущего поста необходима при значительном суточном ходе уровня, а также при резких колебаниях уровня, вызываемых дождевыми паводками, приливами, сгонно-нагонными ветрами, работой гидротехнических сооружений.

Основной частью самопишущего поста является прибор – самописец для автоматической записи колебаний уровня воды. При большом разнообразии систем самописцев уровня все типы их состоят из двух основных элементов: датчика уровня и записывающего устройства.

Датчик уровня может быть поплавочным, манометрическим и др. Поплавочное устройство датчика является наиболее распространенным в гидрометрии.

На гидрологической сети широко распространены самописцы «Валдай» суточного и ГР-38 месячного действия.

Самописец «Валдай» предназначается для непрерывной записи колебаний уровня воды (рис. 2.2). Он состоит из поплавковой системы и регистрирующего механизма. Поплавковая система состоит из пустотелого металлического поплавка 1 с грузом 2, который прикрепляется под поплавком. Поплавок подвешен на мягком тросе 3, на противоположном конце которого прикреплен груз-противовес 4. Поплавок и груз крепятся к тросу специальными зажимами 5. Трос надевается на поплавковое колесо 6, представляющее собой два соединенных диска – малый и большой. Поплавковая система при колебаниях уровня воды приводит во вращение барабан 7 самописца, сцепляющийся с осью поплавкового колеса.

Рис. 2.2. Схема устройства самописца «Валдай».

Установка желаемого масштаба записи (табл. 2.1) достигается следующим образом. Для записи хода уровня в масштабах 1:1 и 1:2 поплавковое колесо закрепляется на основной оси прибора 8; масштаб записи 1:1 будет получен при наложении троса на малый диск, а наложение троса на большой диск дает масштаб 1:2. Поплавок при указанных масштабах записи навешивается слева от поплавкового колеса. Для записи хода уровня в масштабах 1:5 и 1:10 поплавковое колесо закрепляется на вспомогательной оси 9. Трибка 10 сдвигается до сцепления ее с шестерней 11. Для получения записи в масштабе 1:5 трос надевается на малый диск, а для получения масштаба 1:10 – на большой диск. Поплавок при масштабах записи 1:5 и 1:10 навешивается справа от поплавкового колеса.

Таблица 2.1. Выбор масштаба записи уровня воды

Амплитуда колебания уровня, м

Регистрирующий механизм самописца состоит из барабана 7, часового механизма 12 и каретки 13 с пером, скользящей по двум направляющим стержням вдоль образующей барабана. Барабан вращается на подвижном центре, укрепленном в левом боку корпуса, и на основной оси 8 поплавкового колеса, укрепленной в правом боку корпуса. Для надевания ленты на барабан подвижный центр оттягивается от опорного гнезда и устанавливается на предохранитель. Барабан движением вперед и влево вынимают из прибора. Лента с обрезанными уголками накладывается на барабан, концы ее заправляются в прорезь и зажимаются поворотом рычага на щеке барабана. Установка барабана в прибор производится в обратном порядке.

Часовой механизм помещен во влагонепроницаемой коробке. Он действует от гиревого привода. На верхней стороне коробки укреплена заводная головка 14 и выведены два рычага – один из них, с индексом «ВКЛ», служит для пуска и остановки часового механизма, а другой, с индексами «П» (прибавить) и «У» (убавить), предназначен для регулировки хода.

Каретка с пером передвигается вдоль барабана действием часового механизма, передаваемым на каретку через стальную струну, навитую одним концом на барабанчик заводной головки 14; на свободном конце струны подвешена гиря 15. Каретка скреплена со струной зажимным винтом и после завода часового механизма может быть передвинута и закреплена в требуемом исходном положении.

Конструкция прибора допускает производить запись уровня при многократных оборотах барабана. На рис. 2.3,а показана запись подъема уровня, при котором барабан больше двух раз обернулся вокруг оси, на рис.2.3,б – развертка этой записи.

Для нормальной работы самописца уровня необходимо обеспечить своевременный завод часового механизма и смену ленты. При смене ленты производят следующие работы:

Рис. 2.3. Запись хода уровня на ленте самописца при многократном

обороте барабана (а ), развертка этой записи (б ).

1) подготавливают новую ленту; на ней проставляют порядковый номер, дату ее постановки, название реки и пункта наблюдения;

2) измеряют уровень на внешнем (на реке, озере) и внутреннем (в приемном резервуаре-колодце) постах с приведением отсчетов к нулю графика поста;

3) на старой ленте самописца делают засечку пером самописца на конце линии записи уровня и около засечки выписывают часы и минуты снятия ленты и величину уровня, приведенного к нулю графика поста, после чего старую ленту снимают;

4) заводят часовой механизм и проверяют правильность действия пишущего приспособления и часового механизма;

5) прочищают и заправляют чернилами перо самописца;

6) надевают на барабан новую ленту, на нее накладывают перо в точке, соответствующей времени и уровню в этот момент; на ленте делают засечку пером и около нее записывают время (час и минуты) и уровень по контрольному посту.

Усовершенствованной конструкцией самописца «Валдай» является прибор ГР-116 – самопищущий, поплавковый, с регистрацией уровня на диаграммной ленте и с цифровой индикацией, а также с преобразователем уровня в электрической сигнал для подключения к автоматической гидрометеостанции. Верхний предел измерения 10 м, масса прибора 16 кг.

Самописец уровня длительного действия ГР-38 рассчитан на автономную работу в течение 32 суток. В комплект прибора входят сменные шестерни, позволяющие устанавливать самописец на сроки автономной работы также 16 и 8 суток. При каждом из указанных сроков барабан с диаграммной лентой делает один оборот, поэтому масштаб записи времени тем меньше, чем больше срок автономной работы самописца: при работе в течение 32 суток – 0,5 мм/ч, в течение 16 суток – 1 мм/ч, в течение 8 суток – 2 мм/ч.

Пределы регистрации изменений уровня воды при масштабе записи уровня 1:10 – 3 м, а при масштабе 1:20 – 6 м.

Установка самописца уровня. В качестве опоры самописца могут использоваться элементы гидросооружений, а при отсутствии последних – сваи или специальная конструкция берегового колодца (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Береговой тип установки самописца.

Колодец устраивается на берегу так, чтобы его верхняя поверхность была не менее чем на 1 м выше наивысшего уровня воды, а дно его – ниже на 1,0–1,5 м наинизшего уровня.

Дистанционные водомерные посты служат для передачи непрерывно или в определенные сроки показаний уровнемера на расстояние. Они имеют большое значение для диспетчерской службы на гидроэлектростанциях, шлюзах, водохранилищах, оросительных системах, а также в малонаселенных и труднодоступных районах, так как они не требуют постоянного обслуживания наблюдателем.

Дистанционный водомерный пост состоит из следующих основных элементов: датчика, канала связи, регистрирующего устройства, источника питания (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Блок-схема дистанционного водомерного поста:

ЧЭ – чувствительный элемент, П – преобразователь,

РУ – регистрирующее устройство, ИП – источник питания.

Датчик состоит из чувствительного элемента и преобразователя. Чувствительный элемент непосредственно воспринимает изменения уровня. Применяются следующие типы чувствительных элементов: бесконтактные электрические, электроконтактные, поплавковые, гидростатические, акустические.

Бесконтактные электрические чувствительные элементы представляют собой металлический электрод в виде стержня, покрытый слоем изоляции. Электрод вместе со средой (водой) образует конденсатор, емкость которого зависит от глубины погружения электрода.

Электроконтактные чувствительные элементы бывают непрерывного, дискретного и омического типов. Действие приборов первого типа основано на использовании контакта поискового электрода или пары электродов с поверхностью воды с последующей логической обработкой сигнала системой автоматического поиска.

К приборам второго типа относятся электроконтактные рейки, контакты на которых расположены на определенных расстояниях; при этом осуществляется дискретная регистрация положений уровня воды при его колебаниях. Действие омических приборов основано на том, что при погружении в воду натянутой проволоки, по которой пропускается переменный ток, падение напряжения изменяется обратно пропорционально глубине ее погружения.

Действие поплавкового чувствительного элемента ясно из описания самописцев «Валдай» и ГР-38.

Действие гидростатических чувствительных элементов основано на регистрации давления столба воды над прибором, устанавливаемым на дне водоема. В качестве чувствительного элемента используют сильфон, манометрическую коробку с упругой мембраной, на которую наклеены тензометрические датчики, сопротивление которых изменяется с изменением давления, а, следовательно, и уровня. В буйковом преобразователе изменение уровня воды вызывает соответствующее изменение выталкивающей (архимедовой) силы, приложенной к вертикально расположенному цилиндру, частично погруженному в жидкость. В свою очередь, эта сила вызывает пропорциональное изменение сопротивлений тензодатчиков, наклеенных на упругой пластине, соединенной с цилиндром. Буйковые преобразователи позволяют измерять уровни в пределах 0–16 м.

В акустическом преобразователе генератор ультразвука, расположенный над поверхностью воды посылает непрерывный сигнал, который отражается от этой поверхности и возвращается к приемнику, находящемуся в том же генераторе, с некоторым запаздыванием. Время запаздывания или частота запаздывания пропорциональны уровню. Акустические преобразователи позволяют измерять уровни от 1 до 64 м.

Назначение преобразователя состоит в преобразовании информации, поступающей в него от чувствительного элемента, в форму сигнала, удобную для передачи на регистрирующее устройство. Наиболее часто информация преобразуется в электрические сигналы – дискретные или непрерывные, которые передаются по каналу связи (проводной или беспроводной) в центр обработки и анализа информации. Регистрирующее устройство может быть в виде самописца, стрелочного, шкального или цифрового указателя. Полученная информация вводится в ЭВМ для обработки.

Нуль графика и нуль наблюдений поста. При составлении таблиц и графиков колебания уровней воды все уровни принято отсчитывать от воображаемой горизонтальной плоскости, называемой плоскостью нуля графика водомерного поста. В качестве нуля графика назначается наинизшая отметка дна реки в створе поста. При таком выборе нуля графика высота всех уровней воды над ним, даже самых низких, окажется положительной. Положение нуля графика сохраняется неизменным на все время действия поста. Это дает возможность сопоставлять данные многолетних наблюдений.