СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕКИ
METHOD TO MEASURE PARAMETRES OF RIVER

Изобретение относится к инженерной экологии речной сети и может быть использовано при гидрологических исследованиях реки и ее притоков по водосборным бассейнам, экологическом мониторинге загрязнения речной системы и качества речной воды, а также при обосновании мероприятий ландшафтного природоохранного обустройства территорий водосборных бассейнов речной системы по отдельным притокам.
Известен способ измерения длины реки до мест впадения притоков (см. брошюру: Макет проекта установления водоохранных зон и прибрежных полос рек, озер и водохранилищ в РСФСР. - М.: Министерство мелиорации и водного хозяйства РСФСР, 1990. - 40 с. - С.11), включающий перечисление реки и ее притоков в следующей последовательности: основное русло, притоки в порядке впадения от устья к верховью, причем в такой же последовательности перечисляют озера и водохранилища, если они являются каскадами речной системы. Основными параметрами реки являются длина реки от устья до впадения притоков, а также площадь водосборного бассейна всей реки и ее отдельных притоков, начиная от устья.
Недостатком этого способа является то, что он не соответствует естественному течению водотока и тем самым речная система не получает достоверного статистического описания длины основного русла по местам впадения отдельных притоков. Такое неверное измерение не позволяет получать достоверные биотехнические закономерности поведения речной сети, например, в период весеннего половодья. А это в свою очередь не дает возможности научно обосновать эколого-технические меры предотвращения ущерба в хозяйствах, находящихся в бассейнах реки и ее притоков.
Известен также способ измерения длины реки до мест впадения притоков (см. учебное пособие: практикум по гидрологии, гидрометрии и регулированию стока. / Е.Е.Овчаров, Н.Н.Захаровская, И.В.Прошляков и др. / Под ред. Е.Е.Овчарова. - М.: Агропромиздат, 1988. - 224 с. - С.59-65), включающий следующие действия: перед измерением фиксируют на крупномасштабной карте исток и устье реки, разделяют ее на участки с однородной извилистостью, заканчивающиеся устьем притока, построение гидрографической схемы, откладывание на гидрографической схеме длины главной реки в масштабе и нанесение отметок расстояний до впадения притоков, а под углом 45 градусов к прямой линии главной реки откладывание длины притоков с выписыванием названий притоков и их длины. Результаты измерений от устья к верховью до истока главной реки заносят в таблицу в журнале.
Недостатком также является то, что результаты измерений не соответствует естественному течению водотока и тем самым речная система не получает достоверного статистического описания основного русла и его притоков различными закономерностями, состоящими из известных устойчивых законов распределения. При этом не учитывается площадь водосбора каждого из притоков, что не позволяет выявлять биотехнические закономерности изменения расхода воды в реке и ее модуля стока (обеспеченности водой) в период весеннего половодья. А это также позволяет давать только грубые прогнозы максимальных обеспечений русла реки весенними паводками.
Технический результат - расширение функциональных возможностей измерений длины русла реки и площади водосбора ее притоков и повышение точности привязки результатов этих измерений к поведению основного русла реки в весеннее половодье.
Этот технический результат достигается тем, что способ измерения параметров реки, включающий фиксирование на крупномасштабной карте истока и устья реки, разделение ее на участки, построение гидрографической схемы, откладывание на гидрографической схеме длины главной реки в масштабе и нанесение отметок расстояний до впадения притоков, а под углом 45 градусов к прямой линии главной реки откладывание длины притоков с выписыванием названий рек и их длины, занесение в таблицу результатов измерений от устья к верховью до истока основного русла реки, отличающийся тем, что разделение и измерение основного русла реки начинают вдоль течения реки от истока до первого притока первого порядка, затем измеряют расстояние вдоль основного русла реки до места впадения этого притока, а также измеряют площадь его водосборного бассейна, после этого вычисляют расчетные гидрологические параметры, затем измеряют расстояние от истока до второго притока первого порядка и дополнительно измеряют площадь его водосбора, а затем снова вычисляют расчетные параметры, после этого цикл измерений и расчетов повторяют по всем притокам первого порядка, расположенным вдоль основного русла реки до достижения устья, причем в таблицу результатов измерений и расчетов заносят значения параметров реки дважды - до и после мест впадения всех притоков первого порядка, начиная от истока реки, а полученные табличные данные моделируют также дважды по влиянию расстояния от истока до устья реки и других параметров на нарастающие значения других более сложных параметров реки.
При использовании справочных данных по ранее измеренным расстояниям от устья до мест впадения притоков вычисляют нарастающее расстояние от истока основного русла реки до мест впадения притоков вычитанием от полной длины главной реки измеренных расстояний от устья реки к верховью до мест впадения притоков.
За расчетные параметры принимают расход воды в основном русле реки и модуль стока по обеспеченности основного русла реки водой в весеннее половодье, при этом в таблицу результатов измерений значения измеренных параметров реки по площади водосбора, расходу воды и модуля стока обеспеченности основного русла водой заносят дважды - до и после мест на основном русле впадения всех притоков первого порядка.
Полученные табличные данные моделируют также дважды по влиянию расстояния от истока до устья реки на нарастающие значения других параметров реки по обобщенной формуле:
где y - изучаемый показатель до и после мест впадения притоков - нарастающие площади водосбора речной сети, расходы воды в реке в весеннее половодье, модули стока речной воды в период весеннего половодья;
0
y - начальное значение принятого показателя в точек истока основного русла реки;
x - объясняющая переменная - нарастающее расстояние до мест впадения притоков, а также до и после мест впадения притоков нарастающие площади водосбора речной сети, расходы воды в реке в весеннее половодье;
1
6
a…a - параметры статистической модели, описывающей общую закономерность нарастающего изменения измеренных и расчетных параметров реки от истока до устья основного русла.
Сущность технического решения заключается в том, что основное русло реки рассматривается целиком без разделения на отдельные участки по извилистости от истока до устья, то есть по ходу естественного движения основного водотока реки.
Сущность технического решения заключается также в том, что длина основного русла реки измеряются от истока до устья путем наращивания расстояний до следующего притока к предыдущим измеренным расстояниям. При этом измерения выполняют от истока до устья реки с учетом места впадения притоков на местности, по карте или же с использованием компьютерной программы измерений на электронных картах водосборных бассейнов всей реки и ее притоков.
Сущность технического решения заключается также и в том, что любые другие параметры реки, кроме возрастающего расстояния от истока до мест впадения притоков, измеряются или рассчитываются по измеренным данным дважды - до и после впадения притока. Сравнением двух закономерностей и соответствующих графиков этих закономерностей изменения какого-либо параметра от истока до устья русла реки выполняют экологическую и гидрологическую оценку качества речной сети по мере ее наращивания от истока реки до ее устья.
Сущность технического решения заключается также и в том, что любые другие параметры реки, кроме возрастающей площади водосбора от истока до мест впадения притоков, рассчитываются по измеренным данным также дважды - до и после впадения притока. Сравнением двух закономерностей и соответствующих графиков этих закономерностей изменения какого-либо параметра от истока до устья русла реки в зависимости от возрастающей площади водосбора речной сети выполняют экологическую и гидрологическую оценку качества речной сети по мере ее наращивания от истока реки до ее устья.
Положительный эффект достигается тем, что результаты измерений возрастающих от истока до устья реки значений расстояний и площади водосбора до и после мест впадения притоков позволяют выявить картину гидрографического поведения речной сети в целом, а также по наращивающимся частям от истока до устья главного русла реки.
Новизна технического решения заключается в том, что впервые расстояния вдоль главной реки измеряются до мест впадения притоков с возрастанием от истока до устья. Также существенной новизной является то, что к этим возрастающим от нуля до полной длины основного русла реки расстояниям привязываются нарастающие площади водосборных бассейнов притоков. Причем площадь нарастающей от истока до устья речной сети измеряется дважды - до и после точки впадения притока. Кроме того, любые расчетные параметры водотока и самой речной сети, в зависимости от возрастающего расстояния от истока реки до ее устья и в зависимости от нарастающей площади водосбора речной сети, также определяют дважды - до и после впадения притока. Такое разделение до и после притока позволяет сравнить между собой две последовательности изменения одного и того же гидрологического или иного показателя. А разница между двумя закономерностями дает картину динамичности водотоков всей речной сети относительно основного русла. При этом предлагаемый способ ориентируется на малые реки.
Предлагаемое техническое решение обладает существенными признаками, новизной и значительным положительным эффектом. Материалов, порочащих новизну технического решения, нами не обнаружено.
На фиг.1 приведена гидрографическая схема реки Малая Кокшага со всеми притоками; на фиг.2 показан график и измеренные точки нарастания площади водосбора речной сети до мест впадения главных притоков (причем на этом и во всех последующих чертежах в правом верхнем углу показаны следующее условные обозначения: S - сумма квадратов отклонений остатков между фактическими и расчетными по выявленной математической модели значениями показателя; r - коэффициент корреляции выявленной закономерности по отношению к результатам измерений); на фиг.3 - то же на фиг.2, после мест впадения притоков; на фиг.4 - то же на фиг.2, для показателя расхода воды в основном русле реки до мест впадения притоков от истока до устья реки; на фиг.5 - то же на фиг.4, после мест впадения притоков; на фиг.6 - то же на фиг.2, для показателя модуля стока в весеннее половодье до мест впадения притоков; на фиг.7 - то же на фиг.6, после впадения притоков в основное русло реки; на фиг.8 - график для изучения влияния нарастающей площади водосбора речной сети по притокам первого порядка, начиная от истока до устья на изменение показателя расхода воды в весеннее половодье до мест впадения притоков; на фиг.9 - то же на фиг.8, после впадения притоков в основное русло реки; на фиг.10 - то же на фиг.8, по показателю модуля стока воды до впадения притоков в основное русло реки; на фиг.11 - то же на фиг.10, после впадения притоков в основное русло реки; на фиг.12 - график для изучения влияния нарастающего расходы речной воды по притокам первого порядка, начиная от истока до устья на изменение показателя модуля стока по обеспеченности основного русла в весеннее половодье, причем до мест впадения притоков; на фиг.13 - то же на фиг.12, после впадения притоков в основное русло реки;
Способ измерения параметров реки, например, на географической и топографической карте, включает следующие действия.
Вначале на крупномасштабной карте фиксируют исток и устье реки, разделяют ее на нарастающие участки вне зависимости от извилистости, начиная от истока реки. Затем рисуют гидрографическую схему, откладывая на гидрографической схеме длины главной реки в масштабе и наносят отметки расстояний до впадения притоков, а под углом 45 градусов к прямой линии главной реки откладывание длины притоков с выписыванием названий рек и их длины. После этого проводят измерения расстояний с помощью циркуля или курвиметра. Результаты измерений и расчетов заносят в таблицу.
Разделение и измерение основного русла реки начинают вдоль течения реки от истока до первого притока первого порядка. Затем измеряют расстояние вдоль основного русла реки до места впадения этого притока, а также измеряют площадь его водосборного бассейна. После этого вычисляют расчетные гидрологические параметры.
Затем измеряют расстояние от истока до второго притока первого порядка и дополнительно измеряют площадь его водосбора, снова вычисляют расчетные параметры.
После этого цикл измерений и расчетов повторяют по всем притокам первого порядка, расположенным вдоль основного русла реки до достижения устья. Причем в таблицу результатов измерений и расчетов заносят значения параметров реки дважды - до и после мест впадения всех притоков первого порядка, начиная от истока реки.
А полученные табличные данные моделируют также дважды по влиянию расстояния от истока до устья реки и других параметров на нарастающие значения других более сложных параметров реки.
За расчетные параметры принимают расход воды в основном русле реки и модуль стока по обеспеченности основного русла реки водой в весеннее половодье, при этом в таблицу результатов измерений значения измеренных параметров реки по площади водосбора, расходу воды и модуля стока обеспеченности основного русла водой заносят дважды - до и после мест на основном русле впадения всех притоков первого порядка
Полученные табличные данные моделируют также дважды по влиянию расстояния от истока до устья реки на нарастающие значения других параметров реки по обобщенной формуле
где y - изучаемый показатель до и после мест впадения притоков - нарастающие площади водосбора речной сети, расходы воды в реке в весеннее половодье, модули стока речной воды в период весеннего половодья;
0
y - начальное значение принятого показателя в точке истока основного русла реки;
x - объясняющая переменная - нарастающее расстояние до мест впадения притоков, а также до и после мест впадения притоков нарастающие площади водосбора речной сети, расходы воды в реке в весеннее половодье;
1
6
a…a - параметры статистической модели, описывающей общую закономерность нарастающего изменения измеренных и расчетных параметров реки от истока до устья основного русла.
Способ измерения параметров реки реализуется, например, с использованием топографической крупномасштабной карты малой реки и ее притоков, следующим образом.
Вначале на крупномасштабной карте фиксируют исток и устье реки, разделяют ее на нарастающие участки вне зависимости от извилистости, начиная от истока реки. Затем рисуют гидрографическую схему, откладывая на гидрографической схеме длины главной реки в масштабе и наносят отметки расстояний до впадения притоков, а под углом 45 градусов к прямой линии главной реки откладывание длины притоков с выписыванием названий рек и их длины. После этого проводят измерения расстояний с помощью циркуля или курвиметра. Результаты измерений и расчетов заносят в таблицу.
Разделение и измерение основного русла реки начинают вдоль течения реки от истока до первого притока первого порядка. Затем измеряют расстояние вдоль основного русла реки до места впадения этого притока, а также измеряют площадь его водосборного бассейна. После этого вычисляют расчетные гидрологические параметры.
Затем измеряют расстояние от истока до второго притока первого порядка и дополнительно измеряют площадь его водосбора, снова вычисляют расчетные параметры.
После этого цикл измерений и расчетов повторяют по всем притокам первого порядка, расположенным вдоль основного русла реки до достижения устья. Причем в таблицу результатов измерений и расчетов заносят значения параметров реки дважды - до и после мест впадения всех притоков первого порядка, начиная от истока реки.
А полученные табличные данные моделируют также дважды по влиянию расстояния от истока до устья реки и других параметров на нарастающие значения других более сложных параметров реки.
За расчетные параметры принимают расход воды в основном русле реки и модуль стока по обеспеченности основного русла реки водой в весеннее половодье, при этом в таблицу результатов измерений значения измеренных параметров реки по площади водосбора, расходу воды и модуля стока обеспеченности основного русла водой заносят дважды - до и после мест на основном русле впадения всех притоков первого порядка
Полученные табличные данные моделируют также дважды по влиянию расстояния от истока до устья реки на нарастающие значения других параметров реки по обобщенной формуле:
где y - изучаемый показатель до и после мест впадения притоков - нарастающие площади водосбора речной сети, расходы воды в реке в весеннее половодье, модули стока речной воды в период весеннего половодья;
0
y - начальное значение принятого показателя в точек истока основного русла реки;
x - объясняющая переменная - нарастающее расстояние до мест впадения притоков, а также до и после мест впадения притоков нарастающие площади водосбора речной сети, расходы воды в реке в весеннее половодье;
1
6
a…a - параметры статистической модели, описывающей общую закономерность нарастающего изменения измеренных и расчетных параметров реки от истока до устья основного русла.
Пример. В табл.1 приведены результаты измерений и расчетов по семи параметрам основного русла малой реки Малая Кокшага. Она протекает по территории респбулки Марий Эл с севра на юг и впадает в Волгу чуть ниже плотины Чебоксарской ГЭС.
Нарастание максимальных расходов весеннего половодья расчетной обеспеченности р. Малая Кокшага
Приток малой реки
Измеренные параметры
Рассчитанные параметры реки
Расстояние L, км
Площадь водосбора S, км<sup>2</sup>
Расход воды Q, м<sup>3</sup>/с
Модуль стока q, м<sup>3</sup>/(с км<sup>2</sup>)
до
после
до
после
до
после
Исток М.Кокшаги
0
0
0
0
0
0.475
0.475
Устье р.Нурма
16.07
111.65
159.72
52.98
80.97
0.475
0.507
Устье р.Шулка
25.79
270.95
367.77
127.52
166.09
0.471
0.452
Устье р.Кордемка
29.71
391.91
578.03
175.75
233.79
0.448
0.404
Устье р,Ошла
51.52
853.13
1399.73
344.36
456.96
0.404
0.326
Устье р.Манага
58.36
1449.88
1635.62
488.20
569.15
0.337
0.348
Устье р.Б.Ошла
64.34
1676.80
2373.76
580.30
684.90
0.346
0.289
Устье р.М.Кундыш
110.29
3112.86
4355.19
757.79
904.81
0.243
0.208
Устье М.Кокшаги
146.27
4848.49
4848.49
947.61
947.61
0.195
0.195
Нарастающее расстояние. Примем параметр нарастающего от истока до устья расстояния за объясняющую переменную, а остальные шесть параметров реки - за показатели. По схеме на фиг.1 на основном русле малой реки находятся места впадения семи притоков первого порядка.
Площадь водосбора речной сети нарастает по формулам:
- до впадения притоков в основное русло малой реки (фиг.2)
- после впадения притоков в основное русло (фиг.3)
Характер изменения площади водосбора при возрастании расстояния от истока до устья основного русла малой реки значительно меняется.
Расход воды в реке в весеннее половодье изменяется по формулам:
- до впадения притоков в основное русло малой реки (фиг.4)
- после впадения притоков в основное русло (фиг.5)
Модуль стока речной воды (обеспеченность)весной изменяется так:
- до впадения притоков в основное русло малой реки (фиг.6)
- после впадения притоков в основное русло (фиг.7)
Разница в производном показателе весьма заметная. На верховье малой реки обеспеченность водой после мест впадения притоков становится гораздо больше, чем это наблюдается в сравнении до мест впадения притоков.
Нарастающая площадь водосбора. Этот измеренный планиметром территориальный параметр речной сети, принятый как объясняющая переменная, с высокой точностью характеризует изменение расхода воды в основном русле малой реки по формулам биотехнического закона:
- до впадения притоков в основное русло малой реки (фиг.8)
- после впадения притоков в основное русло (фиг.9)
Модуль стока весной изменяется вдоль малой реки от истока до устья по следующим формулам биотехнического закона:
- до впадения притоков в основное русло малой реки (фиг.10)
- после впадения притоков в основное русло (фиг.11)
Нарастающий расход воды. Этот расчетный параметр влияет на модуль стока или обеспеченность основного русла малой реки водой в период весеннего половодья по формулам биотехнических закономерностей:
- до впадения притоков в основное русло малой реки (фиг.12)
- после впадения притоков в основное русло (фиг.13)
По этому показателю разница между конструкциями формул заметная. По формул (12) после мест впадения притоков наблюдается кризис (дефицит) в обеспеченности весной с увеличением расхода речной воды в основном русле речной сети. При этом заметна волновая составляющая, которая образуется из-за влияния города Йошкар-Ола.
Предлагаемый способ обладает простотой возрастающего параметрического описания речной сети и значительно повышает точность соотнесения данных измерений расстояний главной реки от ее истока до устья, а также площади водосбора ее притоков, с результатами экологических, гидротехнических, гидрометрических и гидрологических исследований. При этом предлагаемый способ позволяет составлять геоинформационные системы по отдельным сериям измерений от истока до устья отдельных притоков малой реки.