3163
.pdf3163 |
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 практических работ для студентов специальности 271501 «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей» очной формы обучения
Составители: М.С. Шмыров В.А. Збрицкий
Самара
2013
1
УДК 556
Гидрология : методические указания к выполнению практических работ для студентов специальности 271501 – «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей» очной формы обучения / составители : М.С. Шмыров, В.А. Збрицкий. – Самара : СамГУПС, 2013. – 20 с.
Методические указания предназначены для решения практических задач по гидрологическим расчетам, наиболее часто встречающимся в ходе оценки водных ресурсов и гидрометрических наблюдений за водными объектами.
В методических указаниях приведены теоретические основы, формулы и другие сведения для выполнения практических работ.
Утверждены на заседании кафедры 24.09.2012 г., протокол № 1. Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.
Составители: Шмыров Максим Сергеевич Збрицкий Владимир Александрович
Рецензенты: д.т.н, профессор заведующий кафедрой «Мосты и транспортные тоннели» В.Г. Рахчеев; к.т.н, доцент, заведующий кафедрой «Путь и строительство железных дорог» В.А. Покацкий
Подписано в печать 06.02.2013. Формат 60×90 1/16. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 7.
© Самарский государственный университет путей сообщения, 2013
2
Введение
В практической деятельности будущему инженеру специальности «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей» придется столкнуться с различными вариантами гидрологических расчетов.
Необходимость создания методических указаний по гидрологии обусловлена стремлением собрать различные материалы, связанные с расчетами важнейших гидрологических характеристик водных объектов. Данные указания не охватывают всего объема курса «Гидрологии», изучение которого предусмотрено Государственным общеобразовательным стандартом, и могут рассматриваться как практикум по гидрометрии и водохозяйственным расчетам.
Главная цель создания методических указаний – ознакомить будущих специалистов с основными расчетами, применяемыми в процессах проектирования и эксплуатации водных объектов, в том числе искусственно созданных.
Практические работы должны быть выполнены и представлены в стандартных тетрадях либо на листах бумаги формата А4. Практические работы должны быть написаны аккуратно, разборчивым почерком, без сокращения слов. В практических работах для всех именованных величин употребляется Международная система (СИ). Вычисления необходимо выполнять с точностью до трех значащих цифр. Отчет студентами по практическим работам производится в форме собеседования с преподавателем.
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1
Определение среднего многолетнего стока реки
Цель работы: научиться определять средний многолетний сток реки по эмпирическим формулам.
Дано: средние многолетние значения для бассейна реки (табл. 1).
Таблица 1
Средние многолетние |
|
|
|
|
Вариант |
|
|
|
|
|
значения для бассейна реки |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
Осадки X0, мм |
502 |
512 |
522 |
532 |
542 |
552 |
562 |
572 |
582 |
592 |
Дефицит влажности d0, мм |
2,85 |
2,95 |
3,05 |
3,15 |
3,25 |
3,35 |
3,45 |
3,55 |
3,65 |
3,75 |
Испарение Z0, мм |
388 |
400 |
410 |
420 |
430 |
440 |
450 |
460 |
470 |
480 |
3
Задание
1. Рассчитать средний многолетний сток Y0 по формулам М.А. Великанова и Д.Л. Соколовского, Б.В. Полякова, П.С. Кузина, С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля
иуравнению водного баланса.
2.Сопоставить полученные результаты.
3.Сделать выводы.
Краткие теоретические сведения
Речной сток понимают как перемещение воды в процессе ее круговорота в природе в форме стекания по речной сети. Здесь подчеркивается роль речного стока как звена круговорота воды на земном шаре, возвращающего океану часть воды, которая переносится атмосферой в виде пара из океана на сушу. Из океана испаряется больше воды, чем выпадает в виде осадков, практически на величину, соответствующую годовому стоку рек в океан. Разность осадков и испарения с поверхности океана (47 тыс. км3/год) представляет собой тот источник воды, который питает ежегодно все воды суши.
Из 47 тыс. км3/год, возвращаемых океану сушей, на подземный сток, не дренируемый реками, приходится 2,5 тыс. км3, на ледниковый – 3,7 тыс. км3(жидкий, т. е. талые воды около 1 тыс. км3, в виде айсбергов – 2,7 тыс. км3), подавляющая часть приходится на речной сток – около 40,8 км3/год. Вместе с речным стоком замкнутой части суши (0,8 км3/год) это составляет около 41,5 тыс. км3/год.
По скорости возобновления природные воды подразделяются на медленно возобновляемые – вековые или статические запасы – и ежегодно возобновляемые. Потребность народного хозяйства в пресной воде в основном удовлетворяется ежегодно возобновляемыми водными ресурсами, количественно оцениваемыми величиной речного стока. Использование вековых запасов обычно не предусматривается в водохозяйственных планах, таккакэтовлечетзасобойнарушениеустановившегосяравновесиявприроде.
Водный баланс – соотношение за какой-либо промежуток времени (год, месяц, декаду и т.д.) прихода, расхода и аккумуляции (изменение запаса) воды для речного бассейна или участка территории, для озера, болота или другого исследуемого объекта. В отдельных, частных случаях нет необходимости в детальном учёте всех составляющих баланса.
Ход решения
Расчеты по эмпирическим формулам производятся в случаях отсутствия данных гидрометрических наблюдений метеорологических станций. Формулы основаны на уравнении
η , |
1 |
где η0 – коэффициент среднего годового стока.
Для определения коэффициента стока η0 применяются различные формулы. Формула М.А. Великанова – Д.Л. Соколовского имеет вид
4
η |
1 |
|
|
|
|
, |
2 |
|
|
|
|
|
|||||
где d0 – средний многолетний дефицит |
влажности воздуха для водосбора, мм. |
|||||||
4,8 |
|
|
|
|||||
Предельное значение d0 = 4,8. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Подставляя в формулу (1) известные значения, получим слой стока Y0 |
|
|||||||
Формула Б.В. Полякова имеет вид |
η |
|
9 |
9 |
, |
3 |
||
|
|
где k – коэффициент, определенный по карте изолиний и для данного района (табл. 2).
Таблица 2
- |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
k |
0,84 |
0,85 |
0,86 |
0,87 |
0,88 |
0,89 |
0,90 |
0,91 |
0,92 |
0,93 |
Подставляя известные значения d0 и k в формулу Б.В. Полякова, получим η0 и, следовательно, Y0.
Формула П.С. Кузина имеет вид
где α– районный коэффициент для |
данного водосбора (табл. 3). |
4 |
||
η |
1 |
, |
Таблица 3
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
α 477·10-6 490·10-6 505·10-6 525·10-6 355·10-6
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
360·10-6 |
|
|
|
|
365·10-6 |
370·10-6 |
375·10-6 |
380·10-6 |
Подставляя значения d0, X0, и α в формулу (4), получаем η0 и, следовательно, Y0. Формула С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля имеет вид
η |
11 |
|
, |
|
5 |
где обозначения известны. Подставив исходные |
значения, получим |
Y |
по формуле |
||
11 |
|
0 |
|||
С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля. |
|
|
|
|
6 |
Уравнение водного баланса за многолетний период имеет вид: |
|
||||
|
|
. |
|
|
По известным данным получаем Y0.
Сопоставление результатов вычисления стока по различным формулам для расчетного створа представляется в виде таблицы 4.
Таблица 4
Способ вычисления |
|
Высота слоя стока, мм |
формула (1) |
|
|
формула (2) |
|
|
|
|
|
формула (3) |
|
|
формула (4) |
|
|
формула (5) |
|
|
|
|
|
|
5 |
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2
Расчет максимального расхода дождевого поводка реки по методу аналогии
Цель работы: научиться рассчитывать расход дождевого паводка реки вероятностью превышения P = 1 % по методу аналогии.
Дано:
Таблица 5
|
|
0 |
1 |
|
2 |
3 |
4 |
5 |
|
6 |
7 |
8 |
9 |
Площадь водосбора F, км2 |
|
8870 |
8880 |
|
8890 |
8900 |
8910 |
8920 |
|
8930 |
8930 |
8940 |
8950 |
Длина рек от истока до устья L, км |
|
234 |
244 |
|
254 |
264 |
274 |
284 |
|
294 |
296 |
297 |
299 |
Уклон на участке I, ‰ |
|
0,24 |
0,25 |
|
0,26 |
0,27 |
0,28 |
0,29 |
|
0,30 |
0,31 |
0,31 |
0,32 |
Степень залесенности бассейна fл, % |
|
|
|
|
|
60 |
|
|
|
|
|
||
Аналогом принимается |
река, |
расположенная |
в одной |
географической |
зоне; |
||||||||
Fa = 5700 км2, La = 195 км2, Ia |
= 0,31 ‰, fл.a |
= 60 %. |
|
|
|
|
|
|
|
Русла рек чистые, постоянные, протекающие в одинаковых равнинных условиях, озер и болот в водосборах нет.
Период наблюдений по реке-аналогу n = 14 лет, вычисленный расход за этот период
Q1% = 940 м3/с.
Задание:
1.Рассмотреть указания к методу расчета.
2.Выбрать расчетную формулу и вычислить расход вероятностью превышения Q1%.
3.Сделатьвыводы.
Краткие теоретические сведения
Одной из важнейших задач гидрологов является измерение расходов воды в реках. Во внутригодовом (сезонном) режиме рек выделяют ряд характерных периодов (фаз) в зависимости отизмененияусловийпитанияиособенностейводногорежима. Длябольшинства
рекмираразличаютследующиефазыводногорежима: половодье, паводки, межень. Половодье – это фаза водного режима реки, ежегодно повторяющаяся в данных
климатических условиях в один и тот же сезон и характеризующаяся наибольшей водностью, высоким и продолжительным подъемом уровня воды.
Паводок – это фаза водного режима, которая может многократно повторяться в различные сезоны года и характеризуется интенсивным, обычно кратковременным увеличением расходов и уровней воды и вызывается дождями или снеготаянием во время оттепелей. В отдельных случаях расход воды паводка может превышать расход воды половодья, в особенности на малых реках. Различают одно- и многопиковые паводки, одиночные паводки и паводочные периоды, когда на реке проходят серии паводков.
6
Межень – это фаза водного режима, ежегодно повторяющаяся в один и тот же сезон, характеризующаяся малой водностью, длительным стоянием низкого уровня и возникающая вследствие уменьшения питания реки. В межень реки обычно питаются только за счет подземных вод. На многих реках России выделяют два периода пониженного стока – летнюю и зимнюю межень.
Для рек в условиях теплого климата главный вид питания – дождевое. Сток таких крупнейших рек мира, как Амазонка, Ганг и Брахмапутра, Меконг, формируется в основном за счет дождевых вод. Этот вид питания рек в глобальном масштабе является главнейшим.
Каждый дождь характеризуется слоем выпавших осадков (мм), продолжительностью (мин, ч, сут), интенсивностью выпадения (мм/мин, мм/ч) и площадью распространения (км2). В зависимости от этих характеристик дожди можно, например, подразделить на ливни иобложные дожди.
Ход решения
В данной практической работе рассмотрено применение метода аналогии при расчетах дождевого паводка заданной вероятности превышения при условии отсутствия наблюдений в расчетном створе.
При наличии многолетних наблюдений на реке-аналоге расчет максимального дождевого паводка производится по формулам:
|
|
|
|
|
|
δ δ′ |
; |
|
7 |
|||
|
|
или |
δ |
|
δ′ |
|
||||||
|
|
Ф |
|
|
δ |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где q |
|
Ф |
|
δ |
|
|
реки- |
|||||
Pa – максимальный модуль стока расчетной вероятностью, |
превышения (P%) |
|||||||||||
|
8 |
аналога; δ1 – коэффициент, учитывающий зарегулированность максимального расхода проточными озерами; δ2’ – коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода заболоченного водосбора; Ф* – морфометрическая характеристика русла реки; n, n’ – показатели степени редукции 0,4/0,8 (n – числитель, n’ – знаменатель)
m – коэффициент, зависящий от |
|
1000 |
|
|
шероховатости русла и поймы, определяется по таблице 6. |
||||
Ф |
|
, |
9 |
Остальные обозначения известны.
Формулы (7) и (8) применяются в зависимости от формы водосборов и уклонов сопоставляемых рек. Для сравнения формы водосборов и уклонов двух рек характеристики L и I определяются по формулам:
∆
∆
,
,
, |
10 |
. 11
7
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 6 |
|
|
|
|
|
|
||||
Категория |
|
Характеристика русла и поймы в среднем по всей длине реки |
|
|
Коэффициент |
||||
русла рек |
|
от истока до замыкающего створа |
|
|
|
|
m |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1 |
Сравнительно чистые русла |
постоянных |
равнинных |
водотоков. |
Русла |
|
11 |
||
периодическихводотоков(сухихлогов) вотносительноблагоприятныхусловиях |
|
||||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
||||||
|
Русла (больших и средних рек) значительно засоренные, извилистые и |
|
|
||||||
2 |
частично заросшие, каменистые, с неспокойным течением. Периодические |
|
9,0 |
||||||
водотоки, несущие во время паводка заметное количество наносов с |
|
||||||||
|
|
|
|||||||
|
крупногалечным или покрытым растительностью ложем |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
||||||
3 |
Галечно-валунные русла горного типа, с неправильнойповерхностью водного |
|
7,0 |
||||||
зеркала. Руслапериодическихводотоков, сильнозасоренныеиизвилистые |
|
||||||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Формула |
(7) рекомендуется |
при условии |
L ≈ |
La и I |
≈ |
Ia. |
Формула (8) |
||
применяется при условии, если La находится в пределах 1,5–2,0 |
L и |
Ia в пределах |
2–3 I.
Выбранные водосборы рек-аналогов должны иметь близкие значения суточных осадков вероятностью превышения P = 1 %.
Выбор расчетной формулы производится по результатам проверки соотношений
(10) и (11).
По условию задания в водосборах озер и болот нет, лесистость одинакова и в расчетные формулы она не входит.
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3
Определение минимальных расходов воды реки при отсутствии наблюдений
Цель работы: научиться определять минимальные расходы воды реки при отсутствии наблюдений обеспеченностью 80, 90, 95 %.
Дано: средние годовые расходы заданной обеспеченности (табл. 7).
Таблица 7
- |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
Qгод80%, км2 |
8,16 |
8,17 |
8,18 |
8,19 |
8,2 |
8,21 |
8,22 |
8,23 |
8,24 |
8,25 |
Qгод90%, км2 |
7,34 |
7,35 |
7,36 |
7,37 |
7,38 |
7,39 |
7,40 |
7,41 |
7,42 |
7,43 |
Qгод95%, км2 |
6,32 |
6,33 |
6,34 |
6,35 |
6,36 |
6,37 |
6,38 |
6,39 |
6,4 |
6,41 |
Распределение стока по месяцам в процентах от годового за год с низкой меженью
(табл. 8).
Задание
1. Установить месяц, в котором сток в процентах от годового будет наименьшим.
8
2.Определить минимальные расходы заданной обеспеченности.
3.Сделать выводы.
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 8 |
Внутригодовое распределение стока, % |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Характеристика водности года |
Сток в процентах от годового |
За год |
Средний расход |
||||
|
|
|
|
|
|
Q, м3/с |
|
|
I |
II |
… |
X |
XI |
|
|
Год с минимальным значением расходов |
1,0 |
1,5 |
… |
4,8 |
3,8 |
100 |
5,77 |
в летнюю межень – 1933 г. (р. Пра) |
|
|
|
|
|
|
|
Краткие теоретические сведения
Расходом воды называется её объем, протекающий через поперечное сечение потока в единицу времени. Для крупных водотоков – рек, каналов, водосбросов гидротехнических сооружений и т. п. – расход выражается в кубических метрах в секунду; расходы малых водотоков – родников, ручьев, лабораторных лотков и пр. – в литрах в секунду.
Расход воды является одним из основных гидравлических элементов потока. Для рек расход воды – важнейшая характеристика, определяющая другие ее параметры, как, например, уровень воды, скорость течения, уклон водной поверхности и др. На основании систематических определений расходов воды вычисляют величины средних суточных расходов, максимальные и минимальные расходы, а также объемы стока реки за тот или иной интервал времени.
Существующие методы определения расхода воды можно разделить на две основные группы: непосредственное измерение и косвенное определение.
К первой группе относится так называемый объемный метод, основанный на измерении расхода посредством мерных сосудов, подставляемых под струю воды. При этом измеряется время наполнения мерного сосуда. Расход определяется делением объема воды в сосуде на время наполнения. Практически этот метод применим только на малых водотоках – ручьях, родниках, лабораторных лотках и т. п. Этим методом можно измерять расход с большой точностью.
Косвенное определение расхода воды может выполняться различными методами, общей характерной особенностью которых является то, что в них измеряется не сам расход (объем воды), а отдельные элементы потока, при этом величина расхода получается путем вычислений. К таким методам относятся:
1)определение расхода по измеренным скоростям течения и площади поперечного сечения потока, сокращенно называемый методом «скорость–площадь»;
2)определение расхода с помощью мерных устройств: гидрометрических лотков, водосливов. В данном случае измеряемой величиной является напор на водосливе или во входной части лотка, при этом расход определяется по гидравлическим зависимостям;
3)определение расхода методом смешения; он имеет несколько разновидностей (электролитический, тепловой, колориметрический). В настоящее время применяется
9
преимущественно электролитический метод, в котором расход воды определяется в зависимости от изменения электропроводности вводимого в поток раствора электролита при смешении его с водной средой.
Метод «скорость–площадь» наиболее распространен в речной гидрометрии. Площадь поперечного сечения потока определяется по результатам измерений глубин, а скорости в отдельных точках живого сечения измеряются чаще всего гидрометрической вертушкой; реже для измерения скоростей применяют другие приборы или поплавки. К данному методу следует также отнести расчетный способ определения расхода по площади живого сечения и средней скорости потока, вычисленной по формуле Шези. В дальнейшем мы главное внимание обратим на способы определения расхода с применением гидрометрических вертушек, наиболее распространенные внастоящеевремявречнойгидрометрии.
Метод определения расхода с помощью мерных устройств применяется чаще всего при измерении небольших расходов воды – на малых речках, ручьях, логах, оросительных каналах. Кроме того, этим методом пользуются для определения расходов воды через водопропускные отверстия гидротехнических сооружений с целью учета стока воды на гидроузлах.
Метод смешения применяется главным образом на горных реках с большими скоростями течения, небольшими глубинами и сложным рельефом дна, где метод «скорость–площадь» не обеспечивает достаточную точность измерения скоростей течения и площади живого сечения. Необходимым условием успешного применения этого метода является хорошо выраженный турбулентный режим движения воды, при котором обеспечивается хорошее перемешивание вводимого в поток раствора с водной средой.
Ход решения
Метод расчета заключается в следующем. Для рек, по которым имеются кривые обеспеченности годового стока в процентах от годового стока и месячное распределение стока в процентах от годового для года с низкой меженью, минимальный расход заданной обеспеченности может быть вычислен по формуле
%12
мин %
где a – наименьший процент месячного распределения стока для года с низкой меженью; |
||
100 |
, |
12 |
QP% – средний годовой расход заданной обеспеченности.
Рассмотрим применение этого метода на данном примере. Из таблицы 8 видно, что в январе процент месячного стока будет наименьшим, a = 1 %.
Минимальный расход обеспеченности определяется по формуле (12).
Данным методом можно рассчитать минимальные расходы заданной обеспеченности для неизученного района при отсутствии материалов наблюдений, пользуясь картами годовых модулей стока; распределение стока по месяцам можно определить по методу аналогии с ближайшими районами.
10