Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

610

.pdf
Скачиваний:
3
Добавлен:
06.12.2022
Размер:
2.55 Mб
Скачать

55

И247

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

А.Т. Иващенко, О.В. Соболева

ВОДОХРАНИЛИЩНЫЕ РАСЧЕТЫ ПРИ НЕДОСТАТКЕ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ

Задания и методические указания по выполнению контрольной работы

3

Новосибирск 2008

УДК 556

И247

И в а щ е н к о А . Т . , С о б о л е в а О . В . Водохранилищные расчеты при недостатке гидрологических наблюдений: Задания и метод. указ. по выполнению контрольной работы. – Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2008. – 28 с.

Методические указания содержат исходные данные для выполнения контрольной работы, а также включают основные положения по расчету гидрологических характеристик реки при отсутствии гидрометрических данных, по расчетам регулирования стока реки и определению характеристик водохранилища.

Предназначены для студентов заочной формы обучения по специальности 270112 «Водоснабжение и водоотведение».

Рассмотрены и рекомендованы к печати на заседании кафедры «Гидравлика, водоснабжение, водные ресурсы и экология».

Ответственный редактор канд. техн. наук, доц. К.Л. Кунц

Р е ц е н з е н т

завкафедрой «Водные изыскания и гидрология» НГАВТ д-р техн. наук, проф. В.А. Седых

©Иващенко А.Т., Соболева О.В., 2008

©Сибирский государственный университет путей сообщения, 2008

4

5

ВВЕДЕНИЕ

Гидрология – наука, занимающаяся изучением природных вод, явлений и процессов, в них протекающих, а также определяющих распространение вод по земной поверхности и в толще грунтов.

Инженерная гидрология — совокупность тех областей гидрологии, которые непосредственно связаны с практическим применением гидрологии к решению инженерных водохозяйственных задач. Это преимущественно область гидрологических расчетов или расчетов и прогнозов речного стока. В основе гидрологических расчетов лежат данные систематических наблюдений на стационарной (или временной) сети гидрологических постов и станций на водных объектах (реках, озерах, каналах и т.п.). Данные ежегодных и многолетних гидрологических наблюдений обобщаются, систематизируются и публикуются в Государственном водном кадастре.

Гидрометрия использует методы и приборы для измерения и количественной оценки гидрологических характеристик рек: уровней воды, глубин, скоростей течения, расходов воды и наносов.

Гидротехнические сооружения — это инженерные сооружения, предназначенные для использования природных водных ресурсов (грунтовых вод, рек, озер, водохранилищ) или для предотвращения вредного воздействия воды на окружающую среду (размыв берегов, наводнения, сели). При помощи гидротехнических сооружений можно непосредственно управлять водотоками и водоемами в соответствии с требованиями потребителей (регулировать уровни и расходы воды, режим наносов, изменять направление водного потока, осуществлять пропуск льда и т.д.).

Рекомендуется следующий порядок изучения курса:

посещение установочных лекций и практических занятий;

самостоятельное изучение теоретического материала по рекомендуемой литературе;

выполнение контрольной работы;

защита контрольной работы и сдача зачета.

На начальной и последующих стадиях изучения предмета следует особое внимание уделить освоению гидрологической терминологии.

Основные термины и понятия гидрологии

Уровень воды (УВ) высота поверхности воды, отсчитываемая относительно некоторой постоянной плоскости сравнения (см. рис. 1), вычисляется по формуле

Z = H0 + hпр.

Глубина h (реки, озера) — расстояние по вертикали от поверхности воды в реке, озере и т.д. до дна (см. рис. 1).

Рис. 1. Схема к определению уровня воды на гидрологическом посту: Н0 отсчет по водомерной рейке; hпр — приводка

Гидрограф — график изменения расходов воды во времени за год или часть года (рис. 2).

6

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q, м /с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

 

 

 

 

 

 

 

 

Гидрограф

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

Половодье

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Паводок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

Межень

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Межень

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

3

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

25

27

29

31

33

35

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т, декады

Рис. 2. Гидрограф

Половодье — фаза водного режима реки — ежегодно повторяющийся период, характеризующийся наибольшей в году водностью, высоким и длительным подъемом уровня, обычно сопровождающимся выходом воды на пойму.

Паводок — быстрый, сравнительно кратковременный подъем уровня воды, завершающийся быстрым спадом и, в отличие от половодья, возникающий нерегулярно.

Межень — периоды, характеризующиеся низкой водностью вследствие снижения поступления воды с водосборной площади. Обычно приурочена к одним и тем же срокам внутри годового цикла.

Гидрологический режим — закономерные изменения состояния водного объекта во времени, обусловленные физико-географическими свойствами бассейна.

Гидрометрический створ — закрепленный на местности поперечник через реку, в котором измеряются скорости течения, расходы воды и расходы наносов (рис. 3).

Рис. 3. Гидрометрический створ

7

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ. ОФОРМЛЕНИЕ РАСЧЕТОВ

Исходные данные для контрольной работы принимают по прил. А–В. Условные обозначения гидравлических и гидрологических характеристик и порядок их величины приведены в табл. 1.

Таблица 1

Условные обозначения гидравлических и гидрологических характеристик и порядок их величины

Наименование

Условное

Точность и размерность

Примеры

обозначе-

характеристики

величин

округления

ние

 

 

 

Расход воды

Q

До трех значащих цифр, м3

10,9; 745;

 

 

 

1240

Мутность

ρ

До трех значащих цифр, но

82,7; 125

не точнее 0,1 г/м3

Модуль стока

M

До двух-трех значащих цифр

2,43; 10,7

0,01; 0,1; 1л/(с км2)

Объем стока

W

1 106 м3/год

215 106

 

 

 

 

Модульный

k

0,01

0,29; 2,15

коэффициент

 

 

 

Испарение с водной

hисп

0,01м

0,64

поверхности

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент

Cv

0,01

0,21

вариации

 

 

 

Коэффициент

Cs

0,01

0,47; 0,96

асимметрии

 

 

 

Из пятнадцати вариантов задания на контрольную работу студент должен принять вариант, номер которого укажет преподаватель.

Успешному выполнению контрольной работы должно предшествовать изучение курса гидрологии, гидрометрии и гидротехнических сооружений.

Для лучшего усвоения отдельных вопросов при расчете и проектировании водохранилищного узла в тексте методических указаний дается ссылка на литературу, в которой студент может ознакомиться более детально с изучаемым материалом. При выполнении контрольной работы может быть использована и другая литература по гидрологии, гидрометрии и гидротехническим сооружениям.

Исходные данные:

1.Внутригодовое распределение стока реки по декадам в долях от среднегодового расхода для маловодного расчетного года (см. прил. А).

2.Кривые зависимости площади зеркала и объемов воды в водохранилище от уровня воды в

нем, т.е. ω = f(H) и W = f(H) (см. прил. Г).

3.Гидрографические характеристики реки и ее бассейна (см. прил. Б) по вариантам.

4.Допустимое превышение горизонта воды в водохранилище над нормальным подпорным уровнем, принять от 1 м до 2 м.

5.Глубина промерзания грунта — 1,8 м.

6.Грунт для тела плотины — тощий суглинок.

7.Расчетная обеспеченность при регулировании стока, класс капитальности сооружений, полезное потребление воды из водохранилища, срок службы водохранилища (см. прил. В) по вариантам.

Требуется:

1.Установить необходимость устройства водохранилища и вид регулирования речного стока.

2.Определить полезный объем водохранилища графическим методом с использованием интегральной кривой стока.

3.Определить характеристики водохранилища:

а) мертвый объем и уровень мертвого объема (УМО); б) полный объем и нормальный подпорный уровень (НПУ).

4.Определить максимальные расходы талых и дождевых вод при нормальных и чрезвычайных условиях эксплуатации и строительства гидроузла.

8

5. Определить расчетные сбросные расходы через гидроузел при нормальных и чрезвычайных условиях его эксплуатации.

Отчетные материалы

Графики: гидрограф среднедекадных расходов для маловодного года расчетной обеспеченности — строится на листе миллиметровки формата А4 в ручном или компьютерном варианте; интегральная кривая стока и отдачи для маловодного года расчетной обеспеченности — строится на листе миллиметровки формата А3 в ручном или компьютерном варианте.

В пояснительной записке должны быть приведены гидрологические, водохозяйственные расчеты для устройства водохранилищного узла. Текст записки может быть изложен в рукописном варианте или на компьютере.

2. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ГОДОВОГО СТОКА, ПОСТРОЕНИЕ ГИДРОГРАФА

И ИНТЕГРАЛЬНОЙ КРИВОЙ СТОКА

Расчет характеристик годового стока при отсутствии гидрометрических данных осуществляется согласно СНиП 2.01.14–83 [1] с использованием способов практических вычислений, рекомендуемых в работах [2–5].

Определение среднемноголетнего расхода заданной обеспеченности

Для установления необходимости устройства водохранилища рекомендуется вычертить гидрограф реки для маловодного года заданной расчетной обеспеченности р % и нанести на гидрограф полезное потребление воды Qнетто.

Для построения гидрографа определяются характеристики годового стока. а) Средний многолетний модуль стока Мо, л/(с км2).

Модуль стока определяется при помощи карт изолиний среднемноголетних модулей стока, составленных Б.Д. Зайковым [3, 5] по координатам центра тяжести речного бассейна, или по прил. Е.

б) Среднемноголетний расход, м3/с, вычисляют по формуле

Q0 =

M 0 F

.

(1)

1000

 

 

 

в) Среднемноголетний объем стока, м3/год, составит:

 

W0 = 31,54 106 Q0.

(2)

г) Коэффициент вариации — определяется по формуле Д.Л. Соколовского и М.Э. Шевелева

Cv = 0,78 – 0,29 lgM0 – 0,063 lg(F + 1),

(3)

где F — площадь бассейна, км2, принимают по прил. Б.

д) Коэффициент асимметрии, принимаемый для годового стока как

Cs = 2Cv.

(4)

е) Среднемноголетний объем стока в маловодный год заданной обеспеченности, м3/год, рассчи-

тывается по зависимости

 

Wp% = kp%W0,

(5)

где kp% — модульный коэффициент стока для маловодного года заданной обеспеченности Р%. Модульный коэффициент вычисляют по формуле

kp% = ФСv + 1,

(6)

где Ф — ордината отклонения от середины кривой обеспеченности, определяемая по таблице С.И. Рыбкина (прил. Д или прил. 2 [1]) по известному значению Сs и заданной величине Р%, значение записывают в формулу с учетом знака.

ж) Среднемноголетний расход заданной обеспеченности, м3/с:

 

 

Qp% = kp% Q0.

(7)

 

Вычисления среднедекадных расходов в маловодный год приводятся в табл. 2.

 

 

 

 

Таблица 2

 

 

Определение среднедекадных расходов воды

 

 

 

 

 

 

Месяцы и декады

Коэффициент в долях

Среднедекадный

 

 

от среднемноголетнего

расход, м3

 

9

 

 

расхода (прил. А)

 

Январь

1-я декада

0,2

0,2 Qp%

 

 

 

2-я декада

0,2

0,2 Qp%

 

 

 

3-я декада

0,2

0,2 Qp%

 

Февраль

1-я декада

0,25

0,25 Qp%

 

 

 

2-я декада

0,25

0,25 Qp%

 

 

 

3-я декада

0,25

0,25 Qp%

 

 

и т.д.

 

 

 

 

 

 

По результатам вычисления среднедекадных расходов строится гидрограф реки для маловодного года на листе миллиметровки формата А4 или А3, для этого по оси абсцисс откладывается время в декадах, а по оси ординат — расходы, м3/с (рис. 4). На рисунок нанести линию водоотдачи (соответствует величине Qбр).

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q, м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

Линия водоотдачи

Qбр

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

3

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

25

27

29

31

33

35

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т, декады

Рис. 4. Гидрограф для маловодного года расчетной обеспеченности

Вычисление ординат интегральной кривой стока маловодного года заданной обеспеченности приводится в табл. 3. Интегральная кривая стока отражает закономерность его нарастания во времени.

Таблица 3

Вычисление ординат интегральной кривой стока

 

Число

Средне-

 

 

Суммарный сток

 

секунд в

декадный

Сток за декаду

Декада

на последний день

декаду

расход Qi,

Wi = Qi

3

 

T, м

 

3

 

Т, с

м3

 

 

декады W, м

 

 

Январь

 

 

 

 

 

 

W1 = Q1

Т =

 

 

1-я декада

864000

Q1 = 0,16

= 0,16 864000 =

W1 = W1 = 138240

 

 

 

= 138240

 

 

2-я декада

864000

Q2 = 0,16

W2 = 138240

W2 = W1 +

W2 =

= 276480

 

 

 

 

 

3-я декада

950400

Q3 = 0,16

W3 = 152064

W3 = W2 +

W3 =

= 428544

 

 

 

 

 

10

Окончание табл. 3

 

Число

Средне-

 

 

 

Суммарный сток

 

секунд в

декадный

 

Сток за декаду

Декада

 

на последний день

декаду

расход Qi,

 

 

3

 

 

Wi = Qi T, м

 

3

 

Т, с

м3

 

 

 

декады W, м

 

 

Февраль

 

 

 

1-я декада

864000

Q4 = 0,2

 

W4

=172800

W4 = W3 +

W4 =

 

= 601344

 

 

 

 

 

 

2-я декада

864000

Q5 = 0,2

 

W5

= 172800

W5 = W4 +

W5 =

 

= 774144

 

 

 

 

 

 

3-я декада

691200

Q6 = 0,2

 

W6

= 138240

W6 = W5 +

W6 =

 

= 912384

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Март

 

 

 

1-я декада

864000

Q7 = 0,2

 

W7

= 172800

W7 = W6 +

W7 =

 

= 1085184

 

 

 

 

 

 

2-я декада

864000

Q8 = 0,2

 

W8

= 172800

W8 = W7 +

W8 =

 

= 1257984

 

 

 

 

 

 

3-я декада

950400

Q9 = 0,2

 

W9

= 190080

W9 = W8 +

W9 =

 

= 1448064

 

 

 

 

 

 

В гр. «Среднедекадный расход» переписываются данные табл. 2.

Вычисление ординат кривой стока необходимо производить до декады, включающей максимальный сток половодья следующего за расчетным года (около 48 декад).

По данным табл. 3 строится интегральная кривая стока, образец которой представлен на рис. 5. При этом по оси абсцисс откладывается время в декадах, по оси ординат — суммарный объем стока на конец каждой декады.

 

35000000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30000000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

25000000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wплз

 

 

стока,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20000000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В

 

 

 

 

 

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Объём

15000000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10000000

 

 

 

1

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W бр

 

 

 

5000000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

4

7

10

13

16

19

22

25

28

31

34

37

40

43

46

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВремяT, дек.

 

Рис. 5. Интегральная кривая стока для маловодного года

 

 

 

 

расчетной обеспеченности:

 

 

 

 

 

1 — интегральная кривая естественного стока реки;

 

2 — интегральный график отдачи воды из водохранилища

3. ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ РАСЧЕТЫ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВИДА РЕГУЛИРОВАНИЯ СТОКА

Годовой объем отдачи воды из водохранилища, м3/год, вычисляют по формуле Wбрутто = kQнетто 31,54 106 = (1,1…1,2)Qнетто 31,54 106, (8)

где k — коэффициент, учитывающий потери воды из водохранилища, принимаемый в предварительных расчетах равным 10–20 % от полезного потребления Qнетто.

Вид регулирования речного стока устанавливается путем соотношения величин Wр% и Wбрутто: при Wр% Wбрутто необходимо применить годичное регулирование, при Wр% < Wбрутто — многолетнее.

Полезный объем водохранилища при однолетнем регулировании стока определяется следующим образом. По оси абсцисс от точки, соответствующей концу года (36 декада), вверх откладывается отрезок, равный Wбр (см. рис. 5), верхняя точка которого соединяется с началом координат (линия 2). Полученная линия будет представлять собой интегральный график отдачи воды из водохранилища при постоянной величине Qбр. В точках перегиба интегральной кривой естественного стока (точки А и

11

В на рис. 5) проводятся касательные, параллельные интегральному графику отдачи воды. Отрезок по вертикали между полученными линиями дает величину полезного объема водохранилища Wплз.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВОДОХРАНИЛИЩА И ПОТЕРЬ ВОДЫ

Мертвый объем водохранилища определяется из следующих условий:

а) заиления его в течение заданного срока службы (n лет) в предположении, что все наносы, приносимые рекой, остаются в водохранилище;

б) создания средней глубины водохранилища при уровне мертвого объема (УМО) не менее 1,5– 2,0 м, что соответствует санитарно-техническим нормам его эксплуатации.

Для определения мертвого объема необходимо вычислить среднегодовой объем наносов, накапливающихся в водохранилище, без учета их транзитного выноса в нижний бьеф гидроузла. Среднегодовой объем наносов Wн, м3/год, вычисляют по формуле

ρW

 

1

+

α

o

 

 

Wн =

6o

 

 

,

(9)

γ1

 

 

10

 

 

 

γ2

 

где ρ — мутность, находится в зависимости от географических координат центра тяжести площади водосбора, определяется по карте Г.И. Шамова, приведенной в работах [4, 5, 6], или по прил. Ж, г/м3; γ1 и γ2 — объемные веса взвешенных и донных наносов, принимаемые соответственно в пределах: γ1 = 1…1,2 т/м3 и γ2 = = 1,5…1,8 т/м3; αо — отношение объема взвешенных наносов к объему донных наносов, принимается в пределах 0,05…0,1.

Мертвый объем Wмо, м3, исходя из заданного срока службы водохранилища, будет равен:

Wмо = nWн,

(10)

где n — срок службы водохранилища, лет.

Среднюю глубину воды в водохранилище при уровне мертвого объема (УМО) вычисляют по формуле

hср = Wωì î , (11)

ì î

где ωмо — площадь зеркала воды в водохранилище при УМО, определяемая по кривой ω = f(Н), млн м2.

Площадь зеркала воды в водохранилище при УМО определяется по топографическим характеристикам водохранилища, приведенным в прил. Г. Уровень мертвого объема Нмо, м, определяется по кривой связи W = f(H) и соответствует величине Wмо (см. прил. Г).

Полный объем водохранилища Wнпу, м3, составит:

Wнпу = Wмо + Wплз.

(12)

По кривой W = f(H) (см. прил. Г) определяют нормальный подпорный уровень (НПУ); площадь зеркала воды ωНПУ, млн м2, определяется по кривой связи ω = f(Н).

Потери воды из водохранилища складываются из потерь воды на испарение и потерь воды на фильтрацию.

Ориентировочные потери воды из водохранилища на испарение Wисп, м3/год, при отсутствии данных гидрологических наблюдений, можно определить по формуле

Wисп =

ωì î + ωí ï ó

h ,

(13)

 

 

2

èñï

 

 

 

 

где ωмо и ωнпу — площади зеркала воды при УМО и НПУ; hисп — средний годовой слой дополнительных потерь на испарение с водной поверхности, м, равен:

hисп = zв zс,

(14)

где zв — средний годовой слой испарения с водной поверхности, принимается по картам изолиний в зависимости от географических координат центра тяжести площади водосбора, приведенным в [4, 5], или по прил. И; zс — средний годовой слой испарения с поверхности суши, принимается по картам изолиний, приведенным в [4, 5], или по прил. К.

12

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]