Анализ условий формирования и расчет основных статистических характеристик стока реки Кегеты

Курсовой проект

по теме: "Анализ условий формирования и расчет основных статистических характеристик стока реки Кегеты"

Введение

Целью курсовой работы является овладение основами научно-технического анализа, гидрологического анализа, гидрологических характеристик и явлений, закрепление теоретических знаний и самостоятельное применение их на практике при выполнении гидрологических исследований и расчетов.

Для анализа условий формирования и расчета основных статистических характеристик стока реки Кегеты в данной курсовой работе использовано таблиц, трафиков и рисунков.

Всего в курсовой работе 3 части. В первой части определяются гидрографические характеристики реки и речного бассейна. Сюда входит длина реки, ее извилистость, уклон. Также здесь определяются морфометрические характеристики бассейна (площадь водосбора, длина и ширина бассейна, коэффициенты, характеризующие бассейн).

Во второй части определяются физико-географические факторы стока: географическое положение, геологическое строение бассейна, растительный покров, орография и рельеф бассейна, средняя высота водосбора, осадки, испарение.

В третьей части определяется внутригодовое распределение по аналогии с распределением реального года. За лимитирующий месяц принят февраль, а за лимитирующий сезон – январь, февраль, март. За начало гидрологического года принято 1-е апреля.

1. Гидрографические характеристики реки и речного бассейна

1.1 Характеристики гидрографической сети

Гидрографической сетью называется совокупность всех водных объектов (водотоков и водоемов), расположенных на некоторой территории и находящихся во взаимосвязи и взаимодействии. Гидрографическая сеть может быть некоторым образом описана с помощью таких характеристик, как длины основной реки и ее притоков, извилистость реки, густота речной сети, разветвленность рек, озерность и заболоченность.

В том случае, когда имеют в виду только водотоки, говорят о речной сети или речной системе. Эти два понятия схожи, но когда говорят о речной системе, подразумевают еще и четко выраженный речной бассейн.

Все основные характеристики речной сети можно определить по карте приемлемого масштаба с использованием необходимых инструментов и применением соответствующих формул. На рис. 1 помещена часть топографической карты масштаба 1: 200 000 с изображением речного бассейна р. Кегеты в ее течении. Створ, ограничивающий интересующий нас участок реки с соответствующим бассейном, находится на гидропосте Лесной кордон.

Длина реки

Длиной реки называется расстояние от истока реки до устья, измеренное вдоль реки. При этом истоком реки является то место, где начинается постоянное течение воды, а устьем-то место, где река кончается. Истоком может быть ледник, родник, озеро или болото, а устьем – место впадения ее в другую реку, озеро или море. Иногда река просто теряется в песках или «тонет» в карстовых породах, не донося свои воды до другого водного объекта. Тогда говорят, что у реки слепое устье.

Длина реки может быть определена по карте с использованием штангенциркуля. Производится это следующим образом. Устанавливают раствор штангенциркуля равным, например, 5 мм, помещают прибор в точку начала отсчета (обычно это исток, но может быть и устье) и начинают «шагать» вдоль реки, повторяя все ее изгибы и подсчитывая количество «шагов». Чем меньше раствор циркуля и чем более спрямлено русло реки, тем более точными будут измерения. В процессе измерения постоянно проверяют неизменность раствора. Для обеспечения большей точности измерение повторяют второй раз, но в обратном направлении. За окончательное значение принимается среднее между двумя отсчетами.

Очевидно, формула для определения длины реки имеет вид:

L = α nM, (1)

где α – поправочный коэффициент, вводимый на извилистость, определяется визуально, n – среднее количество отложений, М – значение раствора циркуля в масштабе карты.

Русла рек бассейна р. Кегеты характеризуются малой извилистостью, поэтому достаточно принять значение коэффициента α равным 1,01. Масштаб карты 1: 200 000 говорит о том, что 1 см на карте соответствует 2 км на местности. Значит, раствору штангенциркуля в 5 мм соответствует 1 км длины реки и M = 1.

Данные измерений по карте и полученные результаты вычисления длин по формуле (1) для основной реки и главных притоков удобно свести в таблицу (табл. 1).

Таблица 1. Ведомость измерения длин рек в бассейне реки Кегеты

Извилистость

Важной гидрографической характеристикой реки является степень извилистости русла, определяемая коэффициентом извилистости:

K_изв = L/L', (2)

где L – длина реки на рассматриваемом участке, измеренная с учетом всех извилин, а L' – длина отрезка, соединяющего по прямой линии начало и конец реки на данном участке. Из формулы следует, что K_изв – величина безразмерная и не может быть меньше 1. Причем K_изв = 1 соответствовало бы случаю, когда река совершено прямая, т.е. L' = L. Чем больше значение коэффициента К_изв , тем более река извилиста. Горные реки, как правило, характеризуются наиболее спрямленными руслами, а значит, наименьшими значениями К_изв .

Для р. Кегеты L = 22 км, а L' = 21,56 км, так что коэффициент извилистости по формуле (2) имеет значение:

K_изв = 22 / 21,56 = 1,02.

Гидрографическая схема речной сети

Река со всеми своими притоками может быть условно изображена в виде гидрографической схемы. Схематичность изображения подразумевает то, что реки утрачивают свою извилистость и представлены как отрезки прямых, а притоки проведены под произвольным углом (обычно порядка 30–40°) к главной реке. Истинными соблюдаются лишь длины рек (в масштабе) и взаимное расположение притоков.

Итак, построение такой схемы происходит следующим образом: по горизонтали в выбранном масштабе откладывается линия главной реки (обычно исток остается слева, а устье – справа), от нее проводятся (также в масштабе) притоки из точек их впадения, причем местоположение этих точек определяется по расстоянию от устья, вычисленному ранее (табл. 1). У линий выписываются названия притоков (или их номера при отсутствии названия), их длина в км и расстояние от устья до мест впадения притоков.

Гидрографическая схема р. Кегеты изображена на рис. 2.

Продольный профиль и уклон реки

Продольный профиль и уклон реки тесно связанны между собой. Продольный профиль представляет собой графическое построение, которое позволяет проследить, как меняются высотные отметки точек реки на протяжении реки от истока к устью. На профиле наглядно видно, какие участки реки характеризуются большей крутизной, а какие более пологи. Уклон реки дает представление о величине такого высотного изменения и делает возможным количественное сравнение крутизны различных участков реки.

Чаще всего реки берут начало в горах или на возвышенностях, и потому в верхнем течении им свойственно резкое понижение высоты и быстрое, бурное течение. Это тем более справедливо для рек Кыргызстана, которые начинаются высоко в горах. То же можно сказать и о р. Кегеты, исток которой имеет отметку около 3805 м. В таких случаях говорят, что в верхнем течении уклон рек имеет большие значения. Далее по течению уклон, обычно, уменьшается, и в так называемом среднем течении реки становятся всё более спокойными. И в нижнем течении уклон реки становится малозначительным или даже почти нулевым, а эрозия, преобладающая на более высоких участках рек, уступает свою главенствующую роль процессам аккумуляции. Это общее правило хорошо выполняется для достаточно крупных рек, протекающих большей частью на обширных равнинах, но для таких небольших рек, как р. Кегеты, протекающих к тому же почти полностью в горной области, уклоны остаются значительными практически на всем протяжении реки. Это можно проследить на графике продольного профиля на рис. 3.

Продольный профиль строится на основании данных о высотах отдельных характерных точек русла и длине участков реки между этими точками. Эти данные можно снять с той же топографической карты на рис. 1. Характерными точками можно считать места резкого увеличения или уменьшения глубин, пороги, перекаты, острова, устья притоков, места подпора, изменений ширины русла и др. Но определить их по карте не представляется возможным. Поэтому применяют другой подход. Измеряют расстояния от истока до всех пересекающих реку горизонталей, определяют высотные отметки точек пересечения реки с горизонталями, а также высоты истока и устья. В прямоугольной системе координат по горизонтальной оси откладывают расстояния от истока, по вертикальной оси – высотные отметки и строят график продольного профиля, соединяя отрезками точки, координаты которых определены по карте. График сопровождается поясняющей таблицей. Данные в этой таблице привязаны к характерным точкам, на основании которых построен график, и включают в себя следующие пункты: расстояние от истока, высотные отметки точек, падение высоты (определяется как разность между высотами соседних точек), уклон на участке и средний уклон для всей реки в целом (понятие «уклон» рассматривается ниже). Таким образом построен продольный профиль для р. Кегеты. Но на нем пропущены некоторые точки, которые не вносят существенного изменения в рельефность графика, для того чтобы не загромождать рисунок лишними данными.

Уклоном называется отношение падения реки на некотором участке к длине этого участка. Формула для вычисления уклона реки имеет вид:

i = ∆H / l, (3)

где ∆H – разность высотных отметок в начале и в конце участка реки [м], на котором необходимо вычислить уклон i, l – длина этого участка [м или км].

Уклон – величина безразмерная и может выражаться в десятичных дробях или в промилле (‰) в зависимости от выбора единицы измерения l в формуле (3). Уклоны для р. Кегеты вычислены в промилле, т.е. в тысячных долях i. Как видно из рис. 3, максимальный уклон 160 ‰ река Кегеты имеет на первых 4400 м от места своего образования, далее по реке до точки с абсциссой 11,4 км на разных участках уклон колеблется от 100 до 150 ‰, а ниже по течению – от 20 до 100 ‰.

1.2 Морфометрические характеристики бассейна

Речным бассейном называется часть земной поверхности, включая толщу почвогрунтов, с которой происходит сток дождевых, талых, подземных вод в речную систему. При этом различают сток поверхностный, происходящий по поверхности земли, и подземный в толще горных пород. Линия на земной поверхности, разделяющая сток по двум противоположным направлениям, называется водоразделом. Водораздельная линия, ограничивающая речной бассейн, хорошо прослеживается в горах, проходит по вершинам горных хребтов и направляет выпавшие атмосферные осадки по двум противоположным склонам в два или более соседних бассейна. Сложнее определить водораздел на равнинных территориях и тем более трудно установить водоразделы для подземного стока. Поэтому во всех случаях речной бассейн отождествляют с поверхностным водосбором [1].

К морфометрическим характеристикам бассейнов относятся параметры речного водосбора: площадь, форма, высота и уклон.

Площадь водосбора реки Кегеты

На карте (рис. 4) выделены водосборные площади главной реки, основных притоков и бесприточные пространства (бпп). Для удобства выделенные площади вынесены на отдельный рисунок (рис. 5) и пронумерованы. По этому изображению с помощью палетки произведены измерения площадей. Результаты измерений сведены в таблицу (табл. 2).

Измерение площадей выглядит так. Прежде всего, необходимо установить цену деления палетки в масштабе карты. Длина стороны ячейки используемой палетки равна 5 мм, что соответствует на карте 1 км. Следовательно, площадь одной ячейки в масштабе карты равна 1 км² . После того, как цена деления определена, палетку накладывается на карту и подсчитывается количество ячеек, приходящееся на тот или иной водосбор. Сумма неполных ячеек делится пополам и складывается с количеством целых ячеек. Полученное число и есть искомая площадь, выраженная в км² .

Таблица 2. Ведомость измерения площади водосбора р. Кегеты

Длина и ширина бассейна

Длина бассейна L определяется расстоянием от устья реки до наиболее удаленной точки бассейна. Если бассейн имеет правильную форму, она определяется по прямой. Но такое бывает нечасто. Обычно бассейн имеет неправильную изогнутую форму. В таких случаях L измеряется по медиане. Медиана представляет собой линию, которая проходит через центры окружностей, вписанных в бассейн и касающихся двух противоположных сторон бассейна.

На рис. 5 проведена медиана для бассейна Кегеты. Ее длина в масштабе карты L = 24 км.

Средняя ширина бассейна B_ср [км] определяется делением площади бассейна F на его длину L:

B_ср = F/L. (4)

Для р. Кегеты B_ср = 178 / 24 = 7.4 км.

Наибольшая ширина бассейна В_max характеризуется длиной наибольшего перпендикуляра к линии длины бассейна. Как видно на рис. 5, наибольший перпендикуляр пересекает бассейн р. Кегеты на расстоянии около 14,4 км по главной реке от устья и составляет 12 км.

Коэффициенты, характеризующие бассейн

Коэффициент асимметрии бассейна а характеризует неравномерность распределения площадей правой и левой частей бассейна (по отношению к главной реке) и вычисляется по формуле

, (5)

где F_л и F_пр – площади левобережной и правобережной частей бассейна [км² ]. Коэффициент асимметрии бассейна Кегеты, вычисленный по формуле (5), составляет α = 44/178 = 0,25. Как можно судить по формуле, знак «+» отражает тот факт, что F_л > F_пр , а модуль коэффициента α характеризует величину превышения.

Коэффициент вытянутости водосбора d характеризуется отношением длины водотока к средней ширине водосбора и определяется по формуле

d = L² /F. (6)

Коэффициент формы водосбора – величина обратная коэффициенту вытянутости:

d¹ = B/L = F/L² . (7)

Для бассейна Кегеты коэффициенты d и d¹ по формулам (6) и (7) соответственно составляют 3.24 и 0.3.

График нарастания площади бассейна реки по длине главной реки

Этот график дает представление о характере увеличения площади бассейна от истока к устью. Для его построения необходимо знать площади водосборов основных притоков реки, площади межбассейновых пространств и расстояния от устья по главной реке до мест впадения притоков. Все эти данные приведены в табл. 1 и 2.

Точкой отсчета на графике выбирается устье, в выбранном масштабе по горизонтальной оси от нее откладывается длина главной реки [км], по вертикали – площади [км² ]. Отдельно строится график нарастания для правого берега (вниз от оси абсцисс) и для левого берега (вверх от нее). На том же чертеже обычно строится и суммарный по двум берегам график нарастания площади бассейна реки путем геометрического суммирования ординат графиков нарастания площадей по правому и левому берегам. Суммирование площадей производится в точках, соответствующих местам впадения по правому и левому берегу последовательно всех притоков в направлении от истока к устью главной реки.

График нарастания площади бассейна р. Кегеты, построенный по описанному выше принципу, представлен на рис. 6.

2. Физико-географические факторы стока

Определяющее значение для стока и его распределения в течение года имеет взаимодействие двух факторов: климата и подстилающей поверхности, которые будут рассмотрены в этой главе.

2.1 Факторы подстилающей поверхности

Географическое положение и геологическое строение бассейна

Кегеты представляет собой небольшую реку на юго-западе горной системы Тянь-Шань. Тянь-Шань – это крупное горное поднятие в Центральной Азии, протянувшееся с запада на восток на 2450 км, которое находится в окружении среднеазиатских и китайских пустынь. Как известно, неровности земной поверхности формируют климатические особенности, несвойственные данному региону, влияют на перераспределение поступающего тепла, количества выпадающих осадков и значения всех зависящих от этих характеристик метеовеличин и, следовательно, существенно меняют климатическую картину и режим речного стока.

Кегеты берет начало в центральной части Кыргызского хребта и стекает по его северному склону. Длина ее на рассматриваемом отрезке, как установлено ранее, от истока до створа вблизи поста Лесной кордон составляет 22 км. Бассейн невелик по площади (около 178 км² ) и полностью лежит в субтропических широтах. Протяженность бассейна в географических координатах такова: от 74°20' в.д. до 74°25' в.д. по широте и от 42°30' с.ш. до 42°40' с.ш. по меридиану.

В домезозойской структуре на территории Кыргызстана выделяют 4 крупные структурные области: Северный, Срединный и Южный Тянь-Шань и Северный Памир. Бассейн р. Кегеты относится к Яссинско-Майдантооской зоне Южного Тянь-Шаня. Эта зона обособляется в восточной половине области Кыргызского хребта.

Растительный и почвенный покров

По данным источника [4], 56% территории бассейна занимает горно-луговая, субальпийская и альпийская растительность, требующая для своего произрастания постоянного высокого увлажнения. Луговая растительность не очень густая (покрытие поверхности почвы растительностью всего 60 – 80%) и достигает высоты до 1 м. Субальпийский пояс представлен густой растительностью (степень покрытия 85 – 90%) высотой 35 – 50 см. Альпийская растительность покрывает почву на 50 – 80% и достигает высоты 25 – 35 см.

Леса, редколесья и кустарники занимают значительные территории (37%) и распространены по склонам хребтов северных и близких к ним экспозиций.

Скалистые участки гребней и склонов, осыпи и современные морены в области ледников занимают 7% бассейна и имеют изреженный растительный покров в виде отдельных экземпляров альпийских трав или подушковидных растений.

Перечисленные виды растительности формируют соответствующие типы почв: горные коричневые и горно-лесные (20%) и светло-бурые лугово-степные (80%). Почвообразующими породами первой группы являются рыхлые лёссовые и лёссовидные породы на делювиальных и элювиальных отложениях. По механическому составу они мелкозернистые, щебнистые и хрящевато-щебнистые. Водопроницаемость достигает 1,8 – 2,12 мм/мин, лесные почвы, прикрытые лесной подстилкой, полностью поглощают дождевые и талые воды и поверхностного стока не дают.

Почвы второй группы занимают самые высокие участки склонов хребтов. Эти почвы маломощны, слабо дифференцированы на горизонты и щебнисты, формируются под альпийским и субальпийским плотным лугово-степным травостоем. Характерно близкое залегание почвенно-грунтовых вод.

Орография и рельеф бассейна

Долина р. Кегеты направлена субмеридианально с юга на север. С юга Кыргызским хребет. Таким образом, долина имеет уклон с юга на север и оказывается наветренной для


29-04-2015, 00:48