3323
.pdf3323 |
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ |
|
|
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА |
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»
Кафедра «Мосты и транспортные тоннели»
Г И Д Р О Л О Г И Я
Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 271501.65 «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей»
очной и заочной форм обучения
2-е издание, исправленное и дополненное
Составители: М.С. Шмыров В.А. Збрицкий
Самара
2014
1
УДК 556
Гидрология : методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 271501.65 «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей» очной и заочной форм обучения / составители : М.С. Шмыров, В.А. Збрицкий. – 2-е изд., испр. и доп. – Самара : СамГУПС, 2014. – 19 с.
В методических указаниях приведены теоретические основы, формулы и другие сведения для выполнения лабораторных работ.
Утверждены на заседании кафедры 30.09.2013 г., протокол № 1. Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.
Составители: Шмыров Максим Сергеевич Збрицкий Владимир Александрович
Рецензенты: д.т.н., профессор, зав. каф. «Мосты и транспортные тоннели» СамГУПС В.Г. Рахчеев; к.т.н., доцент кафедры «Высшая математика» СамГУПС В.Л. Шур
Подписано в печать 23.01.2014. Формат 60×90 1/16. Усл. печ. л. 1,2. Тираж 50 экз. Заказ 9.
© Самарский государственный университет путей сообщения, 2014
2
Общие требования по выполнению лабораторных работ
Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Гидрология» предназначены для студентов-строителейочной и заочной форм обучения.
Методические указания построены таким образом, чтобы студенты получили общие сведения о масштабах и разнообразии различных гидрологических явлений и объектов, закономерностях их распространения, роли в природе и жизни человека, научились определять гидрографические и гидрометрические характеристики и элементы стока, анализировать и обрабатывать информацию о водах разного генезиса.
Методические указания охватывают 4 темы, включающих 4 задания, для выполнения которых необходимо использование литературных источников, приведенных в библиографическом списке.
Для успешного выполнения лабораторных работ рекомендуется соблюдать следующие требования:
•задания аккуратно выполнить в отдельной тетради;
•обязательно указать тему, задание, привести табличные и графические материалы, перечислить этапы выполнения работы, сделать вывод;
•графические материалы выполнить в тетради, на миллиметровке простым карандашом с указанием масштабов, необходимых индексов, легенды, нумерации и подписи к рисункам (выполнить снизу). Таблицы нумеровать и подписывать сверху.
В лабораторных работах для всех именованных величин употребляется Международная система (СИ). Вычисления необходимо выполнять с точностью до двух значащих цифр. Отчет по лабораторным работам производится в форме собеседования с преподавателем.
Выполнение указанных условий и требований в комплексе с самостоятельным творческим подходом к выполнению лабораторных работ обеспечит высокий уровень теоретических знаний и практических умений и навыков у студентов.
3
Лабораторная работа № 1
ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЧНОГО СТОКА
Цель работы: рассчитать характеристики речного стока.
Теоретические сведения
Общая характеристика речного стока. Годовой сток рек является результатом суммирования двух генетически разнородных видов стока – подземного и поверхностного. В свою очередь, поверхностный сток формируется за счет стока талых снеговых вод и стока летне-осенних дождевых и зимних паводков. В условиях Центрального Черноземья дождевой сток в летний период наблюдается редко и, как правило, невелик. Поверхностный сток осенних и особенно зимних паводков в отдельные годы может достигать более существенных значений, однако в большинстве случаев он также невелик. В целом, сток дождевых летне-осенних и зимних паводков в пределах рассматриваемой территории не превышает 5% от общего поверхностного стока. Основная составляющая поверхностного стока в условиях Центрального Черноземья – весенний поверхностный сток. Данные факторы и условно постоянное питание подземными водами, которое получает река из соответствующего водоносного горизонта, является генетической предпосылкой для существования в каждом конкретном речном бассейне достаточно выраженной зависимости годового стока реки от весеннего поверхностного стока (В. М. Мишон). Анализ графиков связи годового и весеннего поверхностного стока большинства рек показывает, что для юго-восточных (лесостепных и степных) районов, где подземный сток сравнительно мал, а доля весеннего поверхностного стока в годовом стоке велика, отмечается высокий уровень корреляции (коэффициент корреляции r = 0,85÷0,95). Питание рек в меженный период осуществляется преимущественно подземными водами. Минимальный речной сток отмечается два раза в год: в летний и зимний периоды года. Режим летней межени обычно нарушается редкими дождевыми паводками, а зимой – поверхностным притоком во время оттепелей. Летне-осенняя межень наступает в конце мая – начале июня, а окончание приходится на ноябрь (в 2008 г. – середина ноября). При отсутствии осенних паводков летне-осенняя межень плавно переходит в зимнюю межень. Продолжительность летне-осенней межени колеблется в пределах 95÷180 суток. Минимальные среднемесячные расходы летне-осенней межени в годы 50 % и 95 % обеспеченности по всем рекам-аналогам территории ниже, нежели расходы в зимнюю межень. Зимняя межень устанавливается обыкновенно во второй половине ноября – начале декабря. Продолжительность зимней межени составляет 60÷130 суток. Завершается зимний меженный период, как правило, в первой декаде – середине марта.
Для количественной оценки речного стока применяют следующие характеристики: 1. Объем стока (W, м3) – количество воды, протекающее в русле реки через данный
замыкающий створ, за определенный промежуток времени (за год):
4
где T – время, число секунд в году (31,54 |
· 106 с),,Q – средний расход, м3/с. |
(1) |
2. Норма стока (Y, м3/с) – средняя |
арифметическая величина стока (расхода), |
вы- |
численная за длительный (более 50 лет) период. Также она рассчитывается по формуле:
/ |
, |
2 |
(2) |
где А – слой стока, мм; F – площадь водосбора, км |
; T – время, число секунд в году |
||
(31,54 · 106 с). |
|
|
|
3. Модуль стока (М, л/с·км2) – количество воды, стекающей с единицы площади |
|||
(1 км2) за единицу времени (с): |
, |
|
|
/ |
|
(3) |
где Q – средний расход, м3/с; F – площадь водосбора, км2.
4.Слой стока (А, мм) – слой воды в мм, равномерно распределенный по площади F
истекающий с водосбора за некоторый промежуток времени:
/ , |
(4) |
где W – объем стока, м3; F– площадь водосбора, км2.
5. Коэффициент стока (α, η, безразм.) – отношение величины (объема или слоя) стока к количеству выпавших на площадь водосбора атмосферных осадков, обусловивших возникновение стока:
/ , |
(5) |
где А–слой стока, мм; Х – количество осадков, мм. Коэффициент стока изменяется от 0 до 1. Иногда его определяют с помощью эмпирических формул, например:
1 |
, |
, |
(6) |
где d – средний многолетний дефицит влажности воздуха, мм.
Задание. По данным, приведенным в табл. 1, и на основании формул (1)–(6) рассчитать характеристики речного стока, помеченные вопросительным знаком.
5
Таблица 1
Тестовые задачи для расчета характеристик речного стока
Вариант |
Y, |
Q, |
F, |
Х, |
W, |
M, |
А, мм |
α(η) |
d, |
|
м3/с |
м3/с |
км2 |
мм |
м3 |
л/с · км2 |
|
|
мм |
0 |
– |
0,46 |
50 |
400 |
? |
? |
? |
? |
– |
1 |
0,15 |
– |
? |
? |
? |
– |
190 |
? |
2,2 |
2 |
– |
? |
40 |
500 |
13·106 |
? |
? |
? |
– |
3 |
– |
? |
50 |
600 |
? |
? |
300 |
? |
– |
4 |
– |
? |
40 |
1600 |
? |
? |
? |
0,31 |
– |
5 |
– |
? |
70 |
500 |
? |
10,4 |
? |
? |
– |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
– |
? |
90 |
600 |
26·106 |
? |
? |
? |
– |
7 |
– |
0,40 |
70 |
500 |
? |
? |
? |
? |
– |
8 |
– |
? |
30 |
200 |
? |
? |
180 |
? |
– |
9 |
? |
– |
50 |
450 |
? |
– |
? |
? |
2,5 |
Примечание: «?» – найти, «–» – данные отсутствуют.
Выполнение работы
1.По формуле (1) определить объем стока (W, м3).
2.Зная расход (Q) и площадь водосбора (F), определить из формулы (3) модуль стока (М, л/с · км2), для чего значение расхода переводится из м3/с в л/с.
3.Слой стока (А, мм) рассчитать с помощью формулы (4), для чего предварительно объем стока и площадь водосбора перевести соответственно в мм3 и мм2.
4.Коэффициент стока (α(η)) вычислить согласно формуле (5).
Таким образом, все искомые величины будут найдены. Аналогично с применением формул (1)–(6) решаются все тестовые задачи.
Лабораторная работа № 2
МОРФОЛОГИЯ РУСЛА И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОТОКА
Цель работы: научиться строить профиль водного сечения реки, определять его площадь, ширину реки, смоченный периметр, гидравлический радиус, среднюю и максимальную глубины реки и проводить изотахи.
Теоретические сведения
Морфологические особенности русла реки могут быть охарактеризованы с помощью плана или поперечного профиля. Поперечный профиль реки – это график изменения отметок дна и водной поверхности поперек русла. Сечение русла реки вертикальной плоскостью, перпендикулярной направлению течения называется водным сечением по-
6
тока. Часть площади водного сечения, где наблюдаются скорости течения, является площадью живого сечения (W, м2).
Ширина реки (В, м) – это кратчайшее расстояние между урезами воды на обоих берегах.
Средняя глубина (Нср., м) – отношение площади живого сечения к ширине реки:
ср |
/В. |
(1) |
Смоченный периметр (Р, м) – длина линии дна между урезами воды на поперечном профиле речного русла. Для крупных рек Р ≈В.
Гидравлический радиус (R, м) – отношение площади живого сечения к смоченному периметру:
/ . |
(2) |
Распределение скоростей в живом сечении русла можно представить с помощью изотах и эпюр (рис. 1).
Рис. 1. Изотахи (А) и эпюры (Б) в живом сечении реки
Изотахи – линии на профиле, соединяющие в живом сечении реки точки с одинаковыми скоростями воды, т. е. это линии равных скоростей.
Эпюры (годографы) – кривые изменения скоростей воды в реке по вертикали, изображенные на плоскости, параллельной направлению течения.
Динамическая ось потока (стрежень) – линия, соединяющая по длине потока (в плане) точки отдельных живых сечений с наибольшими скоростями.
Задание. По данным табл. 1 построить профиль водного сечения реки, определить его площадь, ширину реки, смоченный периметр, гидравлический радиус, среднюю и максимальную глубины реки и провести изотахи. Сделать выводы.
7
Таблица 1
Ведомость измеренных скоростей течения в живом сечении р. Ока, пост № 1, 27.07.1990 г.
№ про- |
Расстояние |
Глубина, |
Скороститечения(м/с) напромерныхвертикаляхвточках |
Вариант |
||||
мерной |
от левого |
Н, м |
0,1Н (от |
0,2Н |
0,6Н |
0,8Н |
0,1Н |
|
вертикали |
берега, м |
|
поверхности) |
|
|
|
(от дна) |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
Ур. лев. б. |
0 |
0,00 |
|
|
|
|
|
Общ. |
1 |
10 |
0,66 |
|
|
|
|
|
Общ. |
2 |
20 |
0,78 |
0,48 |
0,45 |
0,43 |
0,42 |
0,35 |
А |
3 |
30 |
0,90 |
0,51 |
0,49 |
0,46 |
0,43 |
0,28 |
Б |
4 |
40 |
1,14 |
0,49 |
0,46 |
0,43 |
0,34 |
0,28 |
А |
5 |
50 |
1,30 |
0,46 |
0,45 |
0,44 |
0,39 |
0,27 |
Б |
6 |
60 |
1,50 |
0,47 |
0,46 |
0,43 |
0,39 |
0,31 |
А |
7 |
70 |
1,96 |
0,51 |
0,51 |
0,45 |
0,42 |
0,38 |
Б |
8 |
80 |
2,16 |
0,60 |
0,58 |
0,50 |
0,46 |
0,44 |
А |
9 |
90 |
2,32 |
0,72 |
0,70 |
0,62 |
0,55 |
0,48 |
Б |
10 |
100 |
2,00 |
0,69 |
0,67 |
0,59 |
0,48 |
0,42 |
А |
11 |
110 |
1,44 |
0,64 |
0,62 |
0,57 |
0,48 |
0,41 |
Б |
12 |
120 |
0,78 |
|
|
|
|
|
Общ. |
Ур. прав. б. |
130 |
0,00 |
|
|
|
|
|
Общ. |
Выполнение работы
1.По данным о глубине промерных вертикалей и расстоянию от берега (колонки 2
и3 табл. 1) построить на миллиметровке профиль дна, получив таким образом, водное сечение. Вертикальный и горизонтальный масштаб выбрать самостоятельно в соответствии с форматом миллиметровки и размахом значений в табл. 1. Точки дна соединить прямыми линиями.
2.Определить площадь каждой части водного сечения, заключенной между промерными вертикалями:
|
/2, |
hi и hi+1 |
(3) |
где а – расстояние между промерными вертикалями, м; |
– глубина соседних |
||
промерных вертикалей, м. |
|
|
|
3. Определить общую площадь живого сечения реки: |
|
|
|
∑ |
… |
. |
(4) |
4.Определить смоченный периметр, измерив его на чертеже с помощью линейки и переведя в метры согласно выбранному горизонтальному масштабу.
5.Используя формулу (2), рассчитать гидравлический радиус.
8
6.Используя формулу (1), вычислить среднюю глубину реки.
7.Определить максимальную глубину по промерной ведомости (табл. 1).
8.Выделить на каждой промерной вертикали своего варианта точки, соответствующие 0,1Н (от поверхности), 0,2Н, 0,6Н, 0,8Н и 0,1 (от дна). Проставить возле них значения скорости течения (колонки 4–8).
9. Методом интерполяции провести изотахи через каждые 0,05 м/с, начиная с 0,30 м/с. Каждая изотаха должна плавно, не упираясь в дно, выходить на поверхность. В разрывах указать ее значение.
Лабораторная работа № 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ РЕКИ
Цель работы: научиться определять мощность реки и выражать ее в лошадиных силах и кВт.
Дано: Река (табл. 1), средний многолетний расход воды реки в устье (м3/с), и падение реки от истока до устья (м) и общая длина реки (км) берутся студентами самостоятельно.
Таблица 1
Реки для задания
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
р. Обь |
р. Иртыш |
р. Ока |
р. Енисей |
р. Лена |
р. Амур |
р. Сура |
р. Волга |
р. Днепр |
р. Дон |
Задание. Вычислить полную и удельную мощность реки. Сделать выводы.
Теоретические сведения
Рекой называется водный поток, протекающий в естественном русле и питающийся за счет поверхностного и подземного стока речного бассейна.
Атмосферные осадки не сразу попадают в реки. Сток их осуществляется сначала в виде временных потоков, возникающих в период таяния или выпадения дождей. Сливаясь вместе, они дают начало постоянным потокам – сначала ручьям, малым речкам, а затем рекам. Водность рек увеличивается притоком подземных вод, дренируемых речными руслами. Реки выносят свои воды в океаны, моря или озера. Река, впадающая в один из таких водоемов, называется главной рекой, а реки, впадающие в нее, – ее притоками. Совокупность всех рек, сбрасывающих свои воды через главную реку в море или озеро, называется речной системой или речной сетью.
Реки, озера, болота, балки, овраги данной территории составляют гидрографическую сеть этой территории. Таким образом, речная сеть есть часть гидрографической сети.
9
Различают притоки различных порядков. Реки, впадающие непосредственно в главную реку, называют притоками первого порядка, притоки этих притоков – притоками второго порядка и т. д.
Мощность реки может быть вычислена для всей ее длины (кадастровая, или полная, мощность), для отдельного участка, а также на единицу ее длины (удельная мощность).
Для вычисления кадастровой мощности (или мощности) реки на участке используется формула
y |
, |
(1) |
где N – полная, или кадастровая, мощность реки; y – плотность воды, равная 1 г/см3; Q – расход воды, м3/с; H – падение в метрах.
Плотностью называется масса единицы объема или отношение массы тела из данного вещества к его объему при абсолютно плотном состоянии вещества. Плотность выражается в г/см3. Масса 1 см3 чистой воды при 4° С равна 1 г, и поэтому плотность воды равна единице. Плотность жидкостей измеряется ареометрами – стеклянными сосудами, имеющими форму стержня, погруженными в жидкость. Ареометры плавают, погружаясь на различную глубину, в зависимости от плотности жидкости.
Мощность реки может быть выражена также в лошадиных силах (1 л.с. = 0,073 кВт = = 75 кгс·м/с, Вт = Дж/с = кг·м2/с3) или киловаттах (1 кВт = 1,36 л.с.).
Единицы измерения в разных странах различаются, и лошадиная сила в Швеции не совсем то же самое, что в Америке. В Европе под одной лошадиной силой понимают мощность, необходимую для поднятия 75 килограммов на один метр за секунду или 75 килограмм-силы-метров в секунду. В то же время, в США одна лошадиная сила означает мощность, необходимую для поднятия 550 фунтов на один фут за секунду, что соответствует 33000 фунт-силы-футов в минуту.
Так как уклоны реки обычно заметно изменяются от истоков к устью, то полную, или кадастровую мощность, полученную для отдельных участков, можно найти по формуле:
, |
2 |
где N – полная, или кадастровая, мощность реки; Qi – средний многолетний расход воды на отдельном участке, м3/с; Hi – падение уровня воды на участке, м; –ускорение свободного падения, зависящее от высоты над уровнем моря и от географической широты места. Оно изменяется от 9,83 м/с2 на полюсе и до 9,78 м/с2 на экваторе. На широте Москвы ускорение свободного падения принимается равным = 9,8 м/с2.
Удельную мощность реки вычисляют по формуле
10