Гідрометрія

Валентин Стецюк

Гідрологічні дослідження в експедиції проводились з 1991 до 1997 року, але найповніше в 1994 році і були обумовлені тим, що дані державних гідрологічних постів з кінця вісімдесятих років стали практично недоступними для громадськості. Вони мали головною метою визначення розходу води на різних ділянках Дністра. Для цього як можна точніше вимірювався профіль річки, що робилося з використанням теодоліту спеціалістом-геодезистом. Вибір створу робився згідно існуючих вимог [1]. Вода в Дністрі не була дуже висока, тому для промірів глибини і одночасно, звичайно, відстані використовувалася геодезична рейка, а де глибини перевищували два метри – ручний лот або саморобна намітка та мірна стрічка. В останньому випадку катамаран ставав на якір, котрий щоправда не завжди тримав через сильну течію. Течія заважала проводити також і вимірювання швидкості. Німецька вертушка, яка при цьому використовувалася, була дуже незручна в роботі, особливо при вимірюваннях на глибинах, які не дозволяли спостерігати візуально за її положенням. Врешті-решт ми були змушені обмежуватися двома точками вимірювань. Першою точкою була глибина 5 см під поверхнею, а другою на відстані 5 см від дна. В цілому ж про точність вимірювань можна сказати, що вона була досить задовільною на малих глибинах до 1.2 – 1.3 м.

Малюнок 3:1. Побудова ізотах

Розхід води обчислювався графічним методом, а саме – методом ізотах [2]. Спочатку будувався поперечний профіль річки, на який потім наносилися ізотахи (малюнок 3:1). Оскільки нам з власного досвіду було відомо, що ізотахи, як і епюра швидкостей по ширині, повторюють профіль річки, особливо коли він добре виражений [3], задача побудови ізотах значно спрощується. Маючи дві епюри швидкостей, придонну й підповерхневу (вони на діаграмі показані нижче профіля річки), можна дуже легко побудувати прибережні ізотахи. Принцип побудови зрозумілий з креслення.

Для великих глибин повстає проблема з вертикальним розподілом швидкостей. В нашому випадку вона була вирішена таким чином. Для найбільшої глибини (в разі необхідності це можна робити і для інших вертикалей) будується вертикальна епюра швидкостей. Для цього ми вже маємо дві точки (придонну і підповерхневу), а також знаємо приблизний закон розподілу від точки a до точки b. Він приблизно може бути прийнятий за параболічний. Отже, проміжні швидкості обчислювалися за формулою :

y_i = a(v_i — v_g) + 0.05

де yi – висота над рівнем дна, vi – значення швидкості на цій висоті, vg – придонна швидкість, 0.05 – висота (в м), на котрій вимірювалася придонна швидкість, a – коефіцієнт пропорційності, котрий можна знайти за формулою :

a = (y — 0.05)/(v_i — v_g)

де v_i – підповерхнева швидкість, а y – висота для цієї швидкості, отже, всі дані нам відомі.

Далі за першою формулою обчислюються швидкості для різних висот, і глибинні ізотахи обчислюються вже за трьома точками (c, d, e) з врахуванням конфігурації попередніх. Останньою будується ізотаха найбільшої швидкості (точки cn, dn, en). Звичайно, метод побудови ізотах значно спрощений, але для Дністра на тих ділянках, де проводилися вимірювання, він досить виправданий. Подальше обчислення розходу води вже велося нормальним відомим методом [4]. Дані, отримані цим методом (вимірювані та обчислені) подаються нижче.

Таблиця 3:1. Результати гідрологічних вимірів 1994 р.

S – площа перетину русла у створі, м2

Q – розхід води у створі, м3/с

Vmax – максимальна швидкість течії у створі, м/с

Vсер – середня швидкість течії у створі, м/с

K = Vсер / Vmax

Малюнок 3:2. Гідрологічні показники Дністра

З цієї діаграми чудово видно, як за рахунок допливів набирає потужність стік Дністра (попри коливання, пов'язані з погодою). Чітка антикореляція [8] перерізу течії та середньої швидкості показує, що визначальним є локальний рельєф русла : чим більший його ухил, тим швидша течія і тим меншим стає переріз потоку. І навпаки, на плесах з незначним ухилом течія уповільнюється і ріка розливається, збільшуючи переріз. Порівняння цих кривих з кривою розходу показує, що збільшення розходу води у Дністрі здійснюється в основному за рахунок збільшення перерізу; роль збільшення швидкості видається незначною.

Можна гадати, що з підвищенням рівня води ця ситуація зміниться і зростання розходу буде обумовлюватись зростанням швидкості. Можливо, на цьому можна побудувати якусь класифікацію режимів стоку.

Звичайно, цікаво порівняти отримані дані з даними попередніх років. Але вибіркове порівняння мало що дає. Необхідні багаторічні щодобові виміри, лише тоді можна визначити, чи міняє річка свій гідрологічний режим [9]. А поки що можна сказати, що Дністер має дуже нестійкий режим. Цей висновок підтверджують і дані державних гідрологічних постів. В 1991 році, коли експедиція почала свої гідрологічні дослідження, розхід води в Дністрі коливався на цій самій ділянці, але в червні – липні, в діапазоні від 100 м3/с до 260 м3/с. Причому в с.Заліски розхід був 135 м3/с, в районі Голешова падав до 75 м3/с, а далі знову різко зростав до Раковця до максимального значення 260 м3/с і знову падав. В два наступні роки спостерігалася подібна безсистемність, причому в 1993 році повторилася вперше після 1988 року велика повінь. В районі Петрилова ввечері 23 липня вода піднімалася із швидкістю 20 см на годину. Наступного дня вранці рівень стабілізувався, а по обіді почав спадати. Експедиція вийшла з Петрилова на катамаранах о 18 годині, а перед 20-ю була вже за Гориглядами, пройшовши в цей день приблизно 25 км. З такою швидкістю ми ще не рухалися ніколи. Тоді в районі Раковця вода піднімалася на три метри. Але вже 6 серпня біля Василева розхід води дорівнював 144 м3/с. Для порівняння в наступному 1994 році, коли за словами місцевих жителів дощів не було два місяці, в цьому місці розхід води дорівнював 70 м3/с. Наступна велика повінь на Дністрі відбулася в 1997 році і практично носила катастрофічний характер. Вода піднімалася до шести метрів і вище. Від нижньої течії Стрвяжа і аж до гирла Стрия водою було покрито десятки квадратних кілометрів зелених угідь і ріллі. Гідрологічні вимірювання в умовах експедиції було неможливо проводити через велику швидкість і великі глибини. Перше вимірювання профіля річки і швидкостей стало можливим лише після трьох тижнів після початку повені. Все це говорить, наскільки водний режим Дністра залежить від кількості опадів. Щоправда, відсутність дощів влітку 1994 року давала експедиції можливість без перешкод контролювати водний баланс Дністра та його допливів, що ще раз доводить, що підземне живлення незначне, просто непомітне. Але можна припускати, що стік Дністра за останні десятиліття зменшився. В минулому столітті річний розхід води в районі Заліщиків коливався з незначною амплітудою довкола відмітки 250 м3/с. Тепер такий розхід води буває тільки в повноводні роки.

Таблиця 3:2. Функція розподілу швидкості води у Дністрі

1 – відносна швидкість V / V_сер

2 – доля розходу води Q / Q_заг

3 – станція спостережень згідно таблиці 3:1.

Була в експедиції спроба відшукати в гідрології Дністра щось для нього типове на всіх ділянках. Йдучи за вказівками основоположника російської гідрологічної науки Глушкова [10], ми спробували будувати криві розподілу швидкостей для різних пунктів вимірювань, коли по осі абсцис відкладали значення швидкості по відношенню до середньої швидкості в створі, а по осі ординат – відповідну їм частку площі профілю, виражену в відсотках від загальної площі. Криві виходили різнотипні, з різними значеннями максимумів, а самі максимуми були значно розсунуті по відношенню один до одного. Ліва частина кривих мала різної форми уступи, хоча далі поступово знижувалася до значення 3 – 5 % в районі відносних швидкостей 0.2 – 0.3 від середньої. Права ж частина кривої завжди різко спадала до такого самого значення в районі 1.3 – 1.7 відносної швидкості. Тоді була зроблена спроба знайти залежність відносного розходу води відповідно до відносної швидкості в створі. Дані вимірювань (див. таблицю 3:2) після апроксимації звести до теоретичного графіку такої залежності вдалося (малюнок 3:3).

Малюнок 3:3. Розподіл відносного розходу води у Дністрі

Крива розподілу є досить загальною характеристикою, її можна використовувати для приблизних розрахунків розходу води, побудови ізотах і т.д. Вистачить зробити тільки заміри ширини річки, швидкості та глибини в двох – трьох точках (серед них конче мають бути максимальні значення). Крім того, треба розрахувати також середню швидкість Vсер = K Vmax, де K можна прийняти рівним 0.65.

Примітки

1. Руководство по гидрологической практике : пер.с англ. – Л. : 1975 г.

2. Руководство по гидрологической практике…; Быков В.Д., Васильев А.В. Гидрометрия. – Л. : 1977 г.

3. підтвердження цьому можна знайти і в спеціальній літературі (Быков В.Д., Васильев А.В. вказ. праця).

4. Быков В.Д., Васильев А.В. вказ. праця.

5. Велика частина вимірів швидкості виявилась втраченою. Розхід обраховано, прийнявши K = 0.6.

6. Майже всі дані вимірів були втрачені, розхід обраховано як суму двох попередніх величин.

7. Нижче за течією розхід виявився меншим, ніж вище. Це пояснюється тим, що в цей рік було дуже сухе літо, на той час вже давно не було дощів, вода в Дністрі швидко спадала. Цей факт треба постійно мати на увазі при аналізі результатів, які тут подаються. Перший дощ пішов 13.09.1994 р.

8. тобто коли максимумам однієї кривої відповідають мінімуми другої.

9. Щоправда, Дністер має багаторічні циклічні коливання цього режиму.

10. Глушков В.Г. Вопросы теории и методы гидрологических исследований. – М. : 1961 г., с. 339 – 340.