Тема 8. Расчёты водохранилища сезонного регулирования
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра экономики природопользования
Г И Д Р О Л О Г И Я
Методические указания
К практическим занятиям
для студентов, обучающихся по специальности
«Геоэкология»
Волгоград – 2002.
Рецензент: доцент кафедры «Экономика природопользования»,
кандидат биологических наук Ю.П.Мухин
Печатается по решению учебно-методической комиссии
факультета управления и региональной экономики
(протокол № 5 от 1.03.2002)
Залепухин В.В.
Гидрология: Методические указания к практическим занятиям для студентов, обучающихся по специальности «Геоэкология». – Волгоград: Издательство Волгоградского государственного университета, 2001. - 48 с.
Методические указания предназначены для решения практических задач по водохозяйственным расчетам, наиболее часто встречающимся в ходе оценки водных ресурсов и гидрометрических наблюдений за водными объектами.
Для студентов факультета управления и региональной экономики, обучающихся по специальности «Геоэкология».
Издательство
|
|
|
Волгоградского © В.В.Залепухин, 2002.
государственного © Издательство Волгоградского
университета государственного университета
ВВЕДЕНИЕ.
Курс гидрологии как науки, изучающей качественные и количественные закономерности распределения, использования и охраны водных ресурсов, является логическим продолжением дисциплин «Учение о гидросфере» и «Социо-экологические проблемы гидросферы». Однако в этих курсах студенты-геоэкологи изучают главным образом качественные аспекты состояния водных ресурсов. Между тем в практической деятельности будущему экологу обязательно придется столкнуться с различными вариантами водохозяйственных расчетов, входящих в систему управления водными ресурсами и рационального водопользования, или с расчетами сбросов различных соединений в водные объекты, чем занимаются природоохранные организации.
Необходимость создания методических указаний по гидрологии обусловлена стремлением собрать воедино 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. Поэтому в каждой теме приводятся ссылки на соответствующий лекционный материал, либо на литературу для самостоятельного изучения по той или иной теме.
|
|
|
Главная цель создания методических указаний – ознакомить будущих специалистов-геоэкологов с основными расчетами, применяемыми в процессах проектирования и эксплуатации водных объектов, в том числе искусственно созданных.
Тема 1. Измерение и расчет скоростей течения.
Лекционный материал:
1. Виды наблюдений на гидрологических постах и станциях.
2. Гидрологический створ.
3. Поперечный профиль реки и его характеристики.
Количественные параметры водных объектов базируются на данных гидрометрических измерений. Водность любой реки можно охарактеризовать величиной расхода воды Q, который представляет количество воды, протекающей через живое сечение реки за 1 секунду. Расход воды является основной единицей измерения речного стока и измеряется в м³/с. Расход воды может быть определен непосредственно путем измерения скорости течения и площади живого сечения. Все остальные характеристики стока (объём стока W, модуль стока М, слой стока h и др.) рассчитываются с учетом расходов воды.
|
|
|
Измерение скоростей течения в реке является одним из основных видов гидрометрических работ и ведется на гидрологических постах, станциях и створах. Знание скоростей течения важно также для судоходства и лесосплава, при строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений на реках (плотин, мостов, водозаборов и т.д.). Поток воды всегда распадается на ряд струй, имеющих различные скорости движения и образующих завихрения и вертикальные циркуляции. Характер распределения скоростей внутри речного потока определяется уклоном дна, рельефом речного бассейна и дна реки, кривизной русла, наличием препятствий на дне реки (водной растительности, наносов и др.). Скорости течения измеряют на гидрологическом створе, в котором различают промерные и скоростные вертикали. На промерных вертикалях измеряют глубины водных объектов, а на скоростных, кроме глубин, и скорости течения. Прямое измерение скоростей течения может быть проведено при помощи поплавков, гидрологических вертушек; гидрометрических трубок; лазерных, электромагнитных, ультразвуковых измерителей потока.
|
|
|
Наиболее часто в гидрометрии применяют приборы, в которых скорость потока влияет на количество оборотов ротора (вращающейся части). Такую вертушку опускают на необходимую глубину на металлической штанге или тросе и измеряют скорость течения в отдельных точках потока на выбранных скоростных вертикалях. Число скоростных вертикалей определяется формой и размерами поперечного сечения речного русла и как правило совпадает с промерными вертикалями, хотя возможен вариант, когда количество промерных вертикалей вдвое больше, чем скоростных.
Таблица 1.
Количество скоростных вертикалей
в зависимости от ширины реки.
| Ширина реки, м | Расстояние между скоростными вертикалями, м |
| 2 - 5 | 0,5 - 1 |
| 5 – 20 | 1 - 2 |
| 20 - 30 | 2 |
| 30 - 40 | 3 |
| 40 - 60 | 4 |
| 60 - 80 | 6 |
| 80 - 100 | 8 |
Число точек измерения скорости на каждой вертикали определяется глубиной на вертикали и требуемой точностью измерения расхода воды. В большинстве случаев скорости измеряют в точках 0,2 h и 0,8 h на всех вертикалях в свободном ото льда русле. При наличии ледяного покрова измерение скоростей течения ведут на 0,15; 0,50 и 0,85 h. При сокращенном способе измерений скорость измеряют на 0,6 h. При измерении скоростей течения необходима, как минимум, двукратная повторность измерений.
Поскольку скорость течения меняется и по глубине, и по живому сечению потока, для практических целей вводят понятие средней скорости течения. На каждой вертикали она может быть вычислена по формулам:
При измерении в двух точках v ср.= (v0,2 +v0,8) / 2 (1.1.)
При измерении скорости в одной точке v ср. = v 0,6. (1.2.)
Измерение скоростей течения в поверхностном слое осуществляется с помощью поверхностных поплавков или гидрометрических шестов. Для определения поверхностной скорости по длине реки разбивают 3-4 створа, причём участок, на котором проводятся измерения должен быть прямолинейным, а время прохождения поплавка между двумя створами должно составлять не менее 30 секунд. Скорость движения поплавка v (в м/с) рассчитывается путём деления расстояния между створами L (в метрах) на время движения поплавка от верхнего створа к нижнему t с (в секундах). Измерение следует повторить для 8-10 поплавков и вывести среднее значение t ср. Тогда
V ср. = L / t ср. (1.3.)
При отсутствии фактических измерений, но при наличии данных о поперечном сечении, средняя скорость потока может быть рассчитана по формуле Шези:
v ср. = С 
, (1.4.)
где R – гидравлический радиус потока, I – продольный уклон водной поверхности, С – скоростной коэффициент Шези.
Если у нас есть данные о строении поперечного сечения русла реки, то при сечении, близком к прямоугольному, формула Шези примет вид: v ср. = С 
где R = h ср.; (1.5.)
Для параболического сечения русла v ср. = (1.6.)
Значение коэффициента С может быть определено по формулам Базена или Павловского. В эмпирической формуле Базена учитывается коэффициент шероховатости русла, определяемый по таблице М.Ф.Скрибного
С = (1.7.)
где γ – коэффициент шероховатости, R- гидравлический радиус, м.
Таблица 2.
Русловые коэффициенты естественных водотоков
(по М.П.Скрибному)
| Характеристика русла | 1 / n | n | γ | |
| 1. | Естественное русло в благоприятных условиях (чистое, прямое, незасоренное, земляное, со свободным течением) | 40 | 0,025 | 1,25 |
| 2. | Русла постоянных водотоков равнинного типа (преимущественно больших и средних рек) в благоприятных условиях состояния ложа и течения воды. Периодические потоки (большие и малые) при очень хорошем состоянии поверхности и формы ложа. | 30 | 0,033 | 2,00 |
| 3. | Сравнительно чистые русла постоянных равнинных водотоков в обычных условиях, извилистые, с незначительными искажениями в направлении струй или прямые, но с неправильностями в рельефе дна (отмели, промоины, местами камни). Земляные русла периодических водотоков в относительно благоприятных условиях. | 25 | 0,040 | 2,75 |
| 4. | Русла больших и средних рек, значительно засоренные, извилистые и частично заросшие, каменистые, с неспокойным течением. Периодические (ливневые и весенние) водотоки, несущие во время паводка заметное количество наносов, с крупногалечниковым или покрытым растительностью (травой и др.) ложем. Поймы больших и средних рек, сравнительно хорошо разработанные, покрытые нормальным количеством растительности (травы, кустарника) | 20 | 0,050 | 3,75 |
| 5. | Русла периодических водотоков, сильно заросшие и извилистые. Достаточно заросшие, неровные, плохо разработанные поймы рек с наличием промоин, кустарников, деревьев, заводей. Галечно-валунные русла горного типа, с неправильной поверхностью водного зеркала. Порожистые участки равнинных рек. | 15 | 0,067 | 5,50 |
| 6. | Реки и поймы, весьма сильно заросшие, со слабым течением и с большими глубокими промоинами. Валунные, горного типа русла с бурным и пенистым течением, с изрытой поверхностью водного зеркала и летящими брызгами воды | 12,5 | 0,080 | 7,00 |
| 7. | Поймы, весьма сильно заросшие, но с сильным косоструйным течением, заводями и др. Русла горноводопадного типа с крупновалунным извилистым строением ложа, ярко выраженными перепадами воды, сильной пенистостью и значительным шумом потока. | 10 | 0,100 | 9,00 |
| 8. | Реки болотного типа с зарослями, кочками, многочисленными застойными зонами. Поймы с большими мёртвыми пространствами и местными углублениями-озёрами и пр. | 7,5 | 0,133 | 12,00 |
| 9. | Потоки, подобные селевым, состоящие из грязи, камней и др. Сплошь облесённые глухие поймы таёжного типа. | 5,0 | 0,200 | 20,00 |
| 10. | Склоны бассейнов в естественном состоянии (множитель m может составлять от 1 до 4 в зависимости от характера склона) | 2,5 m | --- | --- |
Для определения скоростного коэффициента Шези по формуле Н.Н.Павловского существует специальная таблица, в которой рассматривается величина n, обратная коэффициенту шероховатости γ в формуле Базена и приводимая в таблице 3.
Таблица 3.
Значения коэффициента Шези по Н.Н.Павловскому.
| R, м | n | |||||||||
| 0,020 | 0,025 | 0,030 | 0,035 | 0,040 | 0,050 | 0,080 | 0,100 | |||
| 0,10 | 30,6 | 22,4 | 17,3 | 13,8 | 11,2 | 8,1 | 3,7 | 2,3 | ||
| 0,12 | 32,6 | 23,5 | 18,3 | 14,7 | 12,1 | 8,2 | 4,1 | 2,7 | ||
| 0,14 | 33,0 | 24,5 | 19,1 | 15,4 | 12,8 | 9,3 | 4,5 | 3,0 | ||
| 0,16 | 34,0 | 25,4 | 19,9 | 16,1 | 13,4 | 10,0 | 4,8 | 3,3 | ||
| 0,18 | 34,8 | 26,2 | 20,6 | 16,8 | 14,0 | 10,4 | 5,2 | 3,6 | ||
| 0,20 | 35,7 | 26,9 | 21,3 | 17,4 | 14,5 | 10,9 | 5,4 | 3,8 | ||
| 0,22 | 36,4 | 27,6 | 21,9 | 17,9 | 15,0 | 11,2 | 5,8 | 4,1 | ||
| 0,24 | 37,1 | 28,3 | 22,5 | 18,5 | 15,5 | 11,8 | 6,0 | 4,3 | ||
| 0,26 | 37,8 | 28,8 | 23,0 | 18,9 | 16,0 | 12,2 | 6,4 | 4,5 | ||
| 0,28 | 38,4 | 29,4 | 23,5 | 19,4 | 16,4 | 12,5 | 6,6 | 4,8 | ||
| 0,30 | 39,0 | 29,9 | 24,0 | 19,9 | 16,8 | 12,8 | 6,8 | 5,0 | ||
| 0,35 | 40,3 | 31,1 | 25,1 | 20,9 | 17,8 | 13,6 | 7,5 | 5,5 | ||
| 0,40 | 41,5 | 32,2 | 26,0 | 21,8 | 18,6 | 14,4 | 8,0 | 5,9 | ||
| 0,45 | 42,5 | 33,1 | 26,9 | 22,6 | 19,4 | 15,0 | 8,5 | 6,4 | ||
| 0,50 | 43,5 | 34,0 | 27,8 | 23,4 | 20,1 | 15,6 | 8,9 | 6,8 | ||
| 0,55 | 44,4 | 34,8 | 28,5 | 24,0 | 20,7 | 16,2 | 9,4 | 7,2 | ||
| 0,60 | 45,2 | 35,5 | 29,2 | 24,7 | 21,3 | 16,7 | 9,8 | 7,6 | ||
| 0,65 | 45,9 | 36,2 | 29,8 | 25,3 | 21,9 | 17,2 | 10,2 | 7,9 | ||
| 0,70 | 46,6 | 36,9 | 30,4 | 25,8 | 22,4 | 17,7 | 10,6 | 8,3 | ||
| 0,75 | 47,3 | 37,5 | 30,9 | 26,4 | 22,9 | 18,2 | 11,0 | 8,6 | ||
| 0,80 | 47,9 | 38,0 | 31,5 | 26,8 | 23,4 | 18,5 | 11,3 | 8,9 | ||
| 0,85 | 48,4 | 38,4 | 31,8 | 27,2 | 23,8 | 18,8 | 11,5 | 9,1 | ||
| 0,90 | 48,8 | 38,9 | 32,3 | 27,6 | 24,1 | 19,3 | 11,9 | 9,5 | ||
| 0,95 | 49,5 | 39,5 | 32,8 | 28,1 | 24,6 | 19,7 | 12,2 | 9,8 | ||
| 1,00 | 50,0 | 40,0 | 33,3 | 28,6 | 25,0 | 20,0 | 12,5 | 10,0 | ||
| 1,10 | 50,9 | 40,9 | 34,1 | 29,3 | 25,7 | 20,6 | 13,0 | 10,5 | ||
| 1,20 | 51,8 | 41,6 | 34,8 | 30,0 | 26,3 | 21,2 | 13,5 | 10,9 | ||
| 1,30 | 52,5 | 42,3 | 35,5 | 30,6 | 26,9 | 21.8 | 14,0 | 11,4 | ||
| 1,40 | 53,2 | 42,9 | 36,1 | 31,2 | 37,4 | 22,2 | 14,3 | 11,8 | ||
| 1,50 | 53,9 | 43,6 | 36,7 | 31,7 | 28,0 | 22,7 | 14,8 | 12,1 | ||
| 1,60 | 54,5 | 44,1 | 37,2 | 32,2 | 28,4 | 23,1 | 15,1 | 12,4 | ||
| 1,70 | 55,1 | 44,7 | 37,7 | 32,7 | 28,9 | 23,5 | 15,4 | 12,8 | ||
| 1,80 | 55,6 | 45,5 | 38,0 | 33,0 | 29,2 | 23,8 | 15,7 | 13,0 | ||
| 1,90 | 56,1 | 45,6 | 38,4 | 33,4 | 29,7 | 24,2 | 16,0 | 13,3 | ||
| 2,00 | 56,6 | 46,0 | 38,9 | 33,8 | 30,0 | 24,8 | 16,2 | 13,6 | ||
| 2,50 | 58,7 | 47,9 | 40,6 | 35,4 | 31,5 | 25,8 | 17,4 | 14,6 | ||
| 3,00 | 60,3 | 49,3 | 41,9 | 36,1 | 32,5 | 26,6 | 18,2 | 15,2 | ||
| 3,50 | 61,5 | 50,3 | 42,8 | 37,4 | 33,3 | 27,4 | 18,7 | 15,7 | ||
| 4,00 | 62,5 | 51,2 | 43,6 | 38,1 | 33,9 | 27,9 | 18,9 | 16,0 | ||
| 4,50 | 63,4 | 51,7 | 44,1 | 38,5 | 34,4 | 28,4 | 19,2 | 16,1 | ||
| 5,00 | 64,1 | 52,4 | 44,6 | 38,9 | 34,6 | 28,5 | 19,3 | 16,2 | ||
При необходимости проводится интерполяция данных.
Формула Шези основана на допущении равномерного движения воды в русле реки. Поскольку в естественных условиях движение, близкое к равномерному, наблюдается только при высоких уровнях, то наиболее точное значение средней скорости потока может быть получено для многоводных периодов в режиме реки
Тема 2. Расчёт расходов воды
аналитическим методом.
Лекционный материал:
1. Речной сток и его характеристики.
2. Поперечный профиль реки и его характеристики.
Водный режим и водность любой реки характеризуются рядом показателей, важнейшим из которых является расход воды Q – это количество воды, протекающее через живое сечение реки за 1 секунду, и измеряется в м3 / с. То есть расход воды можно определить по формуле:
Q = w · v (2.1.),
где w – площадь живого сечения реки в м²,
v – средняя скорость течения в м/с.
Расход воды является основной характеристикой стока, поскольку он основан на данных прямых наблюдений – измерениях скоростей течения и промерах глубин. Все остальные характеристики стока (объём стока, модуль стока и др.) рассчитываются с учётом расхода воды.
Чтобы рассчитать расход воды, нам нужны данные, пригодные для построения поперечного профиля реки. Как показано в теме 1, необходимо установить расстояния между промерными и скоростными вертикалями, провести соответствующие измерения глубин и скоростей течения. Далее необходимо построить в приемлемом масштабе поперечный профиль реки и внести данные в таблицу расчётов (столбцы 1-4).
Таблица 4.
Вычисление расходов воды аналитическим способом.
| Промеры глубины | Вычисление площади w | Вычисление расхода воды Q | |||||||||||||||||
| № верти- калей | Расстояние от постоянного на- чала, м | Глу-бина, м | Сред- няя глубина между про- мер- ными верти калями, м | Рас- стоя-ние между про-мер- ными верти каля- ми, м | Площадь вод- ного сечения, м² | Средняя скорость, м/с | Час- тич- ный рас- ход между ско- рост- ными верти каля- ми, м³/c | ||||||||||||
| Про- мер- ных | Ско- рост- ных | между про мер- ными верти каля- ми | между ско рост- ными верти каля- ми | на ско рост- ной верти кали | между скорост- ными верти каля- ми
| ||||||||||||||
| Урез левого берега | -- | 21,00 | 0,00 |
|
|
|
|
|
|
| |||||||||
|
| 0,30 | 4,00 | 1,20 | -- | -- | -- | -- | ||||||||||||
| 1 | -- | 25,00 | 0,60 |
|
|
|
|
|
|
| |||||||||
|
| 1,15 | 5,00 | 5,75 | 6,95 | -- | 0,258 | 1,79 | ||||||||||||
| 2 | 1 | 30,00 | 1,70 |
|
|
|
|
|
|
| |||||||||
|
| 2,05 | 5,00 | 10,25 | -- | 0,387 | -- | -- | ||||||||||||
| 3 | -- | 35,00 | 2,40 |
|
|
|
|
|
|
| |||||||||
|
| 2,40 | 5,00 | 12,00 | 22,25 | -- | 0,579 | 12,88 | ||||||||||||
| 4 | 2 | 40,00 | 2,40 |
|
|
|
|
|
|
| |||||||||
|
| 2,32 | 5,00 | 11,60 | -- | 0,771 | -- | -- | ||||||||||||
| 5 | -- | 45,00 | 2,25 |
|
|
|
|
|
|
| |||||||||
|
| 2,15 | 5,00 | 10,75 | 22,35 | -- | 0,749 | 16,74 | ||||||||||||
| 6 | 3 | 50,00 | 2,05 |
|
|
|
|
|
|
| |||||||||
|
| 2,00 | 5,00 | 10,00 | -- | 0,727 | -- | -- | ||||||||||||
| 7 | -- | 55,00 | 1,95 |
|
|
|
|
|
|
| |||||||||
|
| 1,82 | 5,00 | 9,10 | 19,10 | -- | 0,684 | 13,08 | ||||||||||||
| 8 | 4 | 60,00 | 1,70 |
|
|
|
|
|
|
| |||||||||
|
| 1,62 | 5,00 | 8,10 | -- | 0,642 | -- | -- | ||||||||||||
| 9 | -- | 65,00 | 1,55 |
|
|
|
|
|
|
| |||||||||
|
| 1,48 | 5,00 | 7,40 | 15,50 | -- | 0,592 | 9,17 | ||||||||||||
| 10 | 5 | 70,00 | 1,42 |
|
|
|
|
|
|
| |||||||||
|
| 1,48 | 5,00 | 7,40 | -- | 0,541 | -- | -- | ||||||||||||
| 11 | -- | 75,00 | 1,53 |
|
|
|
|
|
|
| |||||||||
|
|
| 1,57 | 5,00 | 7,85 | 15,25 | -- | 0,505 | 7,70 | |||||||||||
| 12 | 6 | 80,00 | 1,61 |
|
|
|
|
|
|
| |||||||||
|
|
| 1,58 | 5,00 | 7,.90 | -- | 0,469 | -- | -- | |||||||||||
| 13 | -- | 85,00 | 1,56 |
|
|
|
|
|
|
| |||||||||
|
|
| 1,30 | 5,00 | 6,50 | -- | -- | -- | -- | |||||||||||
| 14 | -- | 90,00 | 1,05 |
|
|
|
|
|
|
| |||||||||
|
|
| 0,52 | 3,00 | 1,56 | 15,96 | -- | 0,313 | 5,00 | |||||||||||
| Урез правого бере- га | -- | 93,00 | 0,00 |
|
|
|
|
|
|
| |||||||||
| ∑ |
|
|
|
| 117 | 117 |
|
| 66,4 | ||||||||||
Порядок расчёта выглядит следующим образом:
а) рассчитывается средняя глубина между промерными вертикалями, записывается в столбец 5;
б) рассчитывается расстояние между промерными вертикалями и записывается в столбец 6;
в) рассчитывается площадь между соседними промерными вертикалями; записывается в столбец 7. Сумма всех площадей представляет собой живое сечение реки, эту сумму можно подсчитать как между промерными, так и скоростными вертикалями.
г) определяются частичные расходы воды между соседними скоростными (или промерными) вертикалями по формуле 2.1., их сумма представляет собой общий расход воды, проходящей через данный створ. Следует учитывать, что скорость воды вблизи берега принимается как две трети скорости воды на ближайшей скоростной вертикали: 0,258 м/с составляют 2/3 от 0,387 м/c ( строки 4 и 6, столбцы 9 и 10).
Таким образом, расчёт расходов воды аналитическим способом основан на определении живого сечения реки по поперечному профилю и реальном измерении скоростей воды в данном створе.
Тема 3. Расчёты обеспеченности и повторяемости
гидрологических величин.
Лекционный материал:
1. Обеспеченность и повторяемость гидрологических величин.
Водность любой реки может быть оценена величиной годового стока – объёмом воды, прошедшим через живое сечение за определённый отрезок времени, т.е. за один год. Колебания годового стока, как и других гидрологических величин, обусловлены достаточно большим количеством меняющихся факторов (климатических, метеорологических, антропогенных и др.) и подвержены существенным изменениям от года к году. Поэтому их часто изучают при помощи методов математической статистики и теории вероятностей. Многолетние изменения годового стока можно изучать по так называемым кривым повторяемости и обеспеченности среднегодовых расходов реки. Под повторяемостью понимается отношение числа лет с определённым расходом воды к общему периоду наблюдений; под обеспеченностью – вероятность превышения числа лет с определённым расходом, над числом лет с меньшим расходом. Для таких расчётов необходимы данные по расходам за значительный период (не менее 50 лет), которые должны разбиты на ряд интервалов. Расчёт ведётся табличным методом.
Предположим, что мы имеем данные расходов за 77 лет, минимальный расход составляет 650 м³/с, максимальный – 2550 м³/с ( по Т.А.Берниковой и А.Г.Демидовой, 1977). Разобьём расходы с интервалом в 200 м³/с и внесём имеющиеся данные в таблицу.
Таблица 5.
Расчёт обеспеченности и повторяемости
гидрологических величин.
| Интервалы расходов, м³/с | Повторяемость (частота) | Обеспеченность | ||
| Число случа- ев (лет) | % | Число случа- ев (лет) | % | |
| 2599 -- 2400 | 1 | 1,3 | 1 | 1,3 |
| 2399 – 2200 | 3 | 3,9 | 4 | 5,2 |
| 2199 – 2000 | 5 | 6,5 | 9 | 11,7 |
| 1999 – 1800 | 8 | 10,4 | 17 | 22,1 |
| 1799 – 1600 | 15 | 19,4 | 32 | 41,5 |
| 1599 – 1400 | 17 | 22,1 | 49 | 63,6 |
| 1399 – 1200 | 12 | 15,7 | 61 | 79,3 |
| 1199 – 1000 | 9 | 11,7 | 70 | 91,0 |
| 999 – 800 | 6 | 7,7 | 76 | 98,7 |
| 799 – 600 | 1 | 1,3 | 77 | 100 |
| Сумма | 77 | 100,0 | -- | -- |
Следовательно, величина повторяемости показывает, насколько часто в ряду наблюдений встречается тот или иной интервал расходов воды: минимальный расход в 650 м³/с отмечен лишь в один год из 77 лет наблюдения – это и составляет 1,3%. Точно так же и максимальный расход также встретился только один раз – его повторяемость составила также 1,3%. Величина обеспеченности демонстрирует, насколько часто встречается изучаемая характеристика – среднегодовой расход – не ниже меньшей границы интересующего нас интервала, сколько лет обеспечивается значение расхода воды, не ниже заданного. Например, расход воды в интервале от 1199 до 1000 м³/с и более в ряду наблюдений отмечался 70 раз, это значение было обеспечено в 91% случаев.
След., чем ниже расход воды, тем больше вероятность его превышения (т.е. обеспеченность), и, наоборот, чем больше среднегодовой расход, тем меньше его реальная обеспеченность. Это имеет наглядную форму – при минимальном расходе воды в реке оказываются затопленными все отметки уровня, минимальные расходы имеют практически 100%-ную обеспеченность и встречаются каждый год.
Расходы, средние для данной реки имеют максимальную повторяемость (частоту) и среднюю (близкую к 50%) обеспеченность; минимальные расходы имеют наименьшую повторяемость и максимальную обеспеченность; максимальные расходы воды имеют минимальную повторяемость и обеспеченность.
По эмпирическим данным могут быть построены кривые повторяемости и обеспеченности, где по оси ординат откладывают интервалы расходов, а по оси абсцисс – значения повторяемости и обеспеченности в % (рис. 1):
Рис. 1. Кривые повторяемости (1) и обеспеченности (2)
 |
среднегодовых расходов воды.
Знание вероятностей повторяемости и обеспеченности имеет важное практическое значение. При строительстве различных гидротехнических сооружений всегда возникает необходимость учёта максимальных расходов воды – от этого зависит безопасность эксплуатации. При проектировании систем питьевого водоснабжения, наоборот, необходимо ориентироваться на минимальные расходы воды, но имеющие 100%-ную обеспеченность.
В практической деятельности чаще приходится иметь дело с непродолжительными рядами наблюдений, по которым трудно построить надёжную кривую обеспеченности. В этом случае пользуются теоретическими кривыми обеспеченности, построенными на основе математических методов – анализа коэффициентов вариации, коэффициентов асимметрии и модульных коэффициентов. В таких расчётах 100%-ной обеспеченности соответствует не минимальный (как в нашем примере), а нулевой расход воды.
Тема 4. Зависимости между уровнями и расходами воды в реке.
Лекционный материал:
1. Движение воды. Гидрологическая характеристика рек.
2. Речной сток и его характеристики.
Уровень воды в любом водотоке подвержен колебаниям, связанным с изменениями водного режима в различные сезоны года. Между расходами и уровнями воды существуют зависимости, описываемые уравнениями гидравлики. Имея данные по расходам воды, измеренных при различных уровнях, можно установить зависимость для определенного створа и соответствующего сечения водотока. Такая зависимость выражается графически в виде кривой Q = Q(H) и называется кривой расходов воды. По уровням Н, полученных на водомерных постах, с помощью таких кривых определяют расходы воды Q, не измеряя их. Кривые расходов применяют при расчётах стока воды, при проектировании и эксплуатации гидротехнических сооружений и т.д.
В зависимости от продолжительности периода, в течение которого сохраняется зависимость между Н и Q, различают временные и многолетние кривые расходов. Ориентировочно можно считать, что срок действия первых ограничен двумя годами, а вторых – более длительным периодом.
Зависимость, в которой одному значению Н соответствует единственное значение Q, называется однозначной и справедлива для постоянного свободного русла. Отсутствие такой связи между площадью водного сечения, расходами и уровнем воды свидетельствует о неустойчивости и деформациях русла – вследствие зарастаемости, ледового подпора и других факторов.
Основными данными, необходимыми для построения кривых расходов, служат многолетние данные, полученные в результате постоянных наблюдений на водомерных постах.
Таблица 6.
Исходные данные для построения кривых расходов
(водомерный пост № 124).
|
| Дата |
| Уро- вень воды над ну- лём, м |
Рас- ход воды м³ /с | Пло-щадь вод-ного сече-ния, м² | Скорость течения, м | Ши- рина реки, м | Глубина, м | |||
| Сред-няя | Наи-боль-шая | Средняя | Наи-боль-шая | ||||||||
| 1 | 07.02 | лд | 130 | 2,74 | 28,8 | 0,10 | 0,14 | 38,3 | 1,09 | 1,50 | |
| 2 | 28.02 | лд | 138 | 2,73 | 28,1 | 0,10 | 0,15 | 38,6 | 1,14 | 1,68 | |
| 3 | 06.04 | лд | 160 | 8,38 | 36,3 | 0,23 | 0,36 | 40,1 | 1,33 | 1,90 | |
| 4 | 08.04 | лд | 174 | 13,1 | 41,4 | 0,32 | 0,46 | 41,0 | 1,45 | 2,04 | |
| 5 | 10.04 | лд | 221 | 33,2 | 62,0 | 0,54 | 0,72 | 44,0 | 1,82 | 2,51 | |
| 6 | 17.04 | св | 286 | 111 | 112 | 0,99 | 1,33 | 58,5 | 1,91 | 3,13 | |
| 7 | 18.04 | св | 293 | 113 | 117 | 0,97 | 1,32 | 59,6 | 1,96 | 3,20 | |
| 8 | 20.04 | св | 288 | 112 | 114 | 0,98 | 1,27 | 58,6 | 1,95 | 3,22 | |
| 9 | 21.04 | св | 274 | 102 | 106 | 0,96 | 1,26 | 56,3 | 1,88 | 3,05 | |
| 10 | 22.04 | св | 259 | 86,8 | 97,9 | 0,89 | 1,18 | 52,7 | 1,86 | 2,90 | |
| 11 | 23.04 | св | 247 | 80,4 | 91,6 | 0,88 | 1,13 | 49,8 | 1,84 | 2,80 | |
| 12 | 24.04 | св | 239 | 71,7 | 87,5 | 0,82 | 1,07 | 47,9 | 1,83 | 2.65 | |
| 13 | 25.04 | св | 232 | 67,5 | 84,4 | 0.80 | 1,02 | 46,3 | 1,82 | 2,63 | |
| 14 | 26.04 | св | 226 | 64,8 | 81,7 | 0,79 | 1,03 | 45,1 | 1,81 | 2,55 | |
| 15 | 27.04 | св | 218 | 57,7 | 77,8 | 0,74 | 0,98 | 43,7 | 1,78 | 2,45 | |
| 16 | 29.04 | св | 211 | 52,6 | 74,9 | 0,70 | 0,93 | 43,3 | 1,73 | 2,39 | |
| 17 | 02.05 | св | 200 | 46,4 | 70,2 | 0,66 | 0,87 | 42,6 | 1,65 | 2,30 | |
| 18 | 03.05 | св. | 194 | 41,9 | 67,6 | 0,62 | 0,84 | 42,3 | 1,60 | 2,22 | |
| 19 | 05.05 | св. | 184 | 36,1 | 63,5 | 0,57 | 0,75 | 41,8 | 1,52 | 2,12 | |
| 20 | 07.05 | св. | 173 | 29,0 | 58,9 | 0,49 | 0,69 | 40,9 | 1,44 | 2,02 | |
| 21 | 09.05 | св. | 165 | 23,5 | 55,5 | 0,42 | 0,61 | 40,5 | 1,37 | 1,95 | |
| 22 | 11.05 | св | 158 | 20,3 | 52,7 | 0,39 | 0,55 | 40,1 | 1,31 | 1,87 | |
| 23 | 14.05 | св. | 152 | 17,4 | 50,6 | 0,34 | 0,50 | 39,5 | 1,28 | 1,82 | |
| 24 | 02.07 | св. | 126 | 5,78 | 39,6 | 0,15 | 0,33 | 38,0 | 1.04 | 1,53 | |
| 25 | 25.08 | св. | 123 | 4,87 | 38,3 | 0,13 | 0,30 | 37,8 | 1,01 | 1,40 | |
| 26 | 27.08 | св. | 122 | 4,80 | 37,7 | 0,13 | 0,28 | 37,8 | 1,00 | 1,36 | |
| 27 | 16.09 | св. | 138 | 11,3 | 44,4 | 0,25 | 0,56 | 38,5 | 1,15 | 1,66 | |
| 28 | 15.10 | св. | 136 | 9,32 | 43,8 | 0,21 | 0,39 | 38,4 | 1,14 | 1,64 | |
| 29 | 02.12 | лд. | 161 | 10,6 | 46,4 | 0,23 | 0,34 | 40,2 | 1,33 | 1,84 | |
| 30 | 25.12 | лд. | 168 | 10,5 | 46,8 | 0,22 | 0,34 | 40,5 | 1,47 | 1,93 | |
Примечание: лд – ледостав, св. – свободное русло.
Кривую расходов Q = Q(H) строят в системе прямоугольных координат совместно с кривыми площадей водного сечения и средних скоростей (рис. 2). По оси ординат откладывают уровни Н, а по оси абсцисс – расходы воды Q, площади водного сечения w и средние скорости v на трёх различных шкалах, чтобы избежать перекрытия кривых на графике. По точкам выстраивают плавные кривые, чтобы они возможно более точно осредняли данные измерений, а разброс от кривой был минимальным (рис. 2).
Если при помощи кривой возникает необходимость определения многих расходов, то целесообразно составить расчётную таблицу: по рисунку 2 с кривой снимают данные расходов через определённый интервал Н ( например, через 10 см), а промежуточные значения находят при помощи прямолинейной интерполяции.
Таблица 7.
Расчётная таблица к кривой расходов.
| Н, см | Расходы (м3/сек) | |||||||||
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
| 120 | 4 | 4,3 | 4,7 | 5,0 | 5,4 | 5,7 | 6,0 | 6,4 | 6,7 | 7,1 |
| 130 | 7,4 | 7,9 | 8,3 | 8,8 | 9,2 | 9,7 | 10,2 | 10,6 | 11,1 | 11,5 |
| 140 | 12 | 12,5 | 13,0 | 13,5 | 14,0 | 14,5 | 15,0 | 15,5 | 16,0 | 16,5 |
| 150 | 17 | 17,5 | 18,0 | 18,5 | 19,0 | 19,5 | 20,0 | 20,5 | 21,0 | 21,5 |
| 160 | 22 | 22,5 | 23,0 | 23,5 | 24,0 | 24,5 | 25,0 | 25,5 | 26,0 | 26,5 |
| 170 | 27 | 27,5 | 28,0 | 28,5 | 29,0 | 29,5 | 30,0 | 30,5 | 31,0 | 31,5 |
| 180 | 33 | 33,6 | 34,2 | 34,8 | 35,4 | 36,0 | 36,6 | 37,2 | 37,8 | 38,4 |
| 190 | 39 | 39,6 | 40,2 | 40,8 | 41,4 | 42,0 | 42,6 | 43,2 | 43,8 | 44,4 |
| 200 | 45 | 45,6 | 46,2 | 46,8 | 47,4 | 48,0 | 48,6 | 49,2 | 49,8 | 50,4 |
| 210 | 52 | 52,7 | 53,4 | 54,1 | 54,8 | 55,5 | 56,2 | 56,9 | 57,6 | 58,3 |
| 220 | 59,5 | 60,2 | 61,0 | 61,8 | 62,5 | 63,2 | 64,0 | 64,8 | 65,5 | 66,25 |
| 230 | 67 | 67,8 | 68,5 | 69,2 | 70,0 | 70,8 | 71,5 | 72,2 | 73,0 | 73,8 |
| 240 | 74,5 | 75,2 | 76,0 | 76,8 | 77,5 | 78,2 | 79,0 | 79,8 | 80,5 | 81,2 |
| 250 | 82 | 82,8 | 83,5 | 84,2 | 85,0 | 85,8 | 86,5 | 87,2 | 88,0 | 88,8 |
| 260 | 89,5 | 90,2 | 91,0 | 91,8 | 92,5 | 93,2 | 94,0 | 94,8 | 95,5 | 96,2 |
| 270 | 97 | 97,8 | 98,5 | 99,2 | 100,0 | 100,8 | 101,5 | 102,2 | 103,0 | 103,8 |
| 280 | 106 | 106,9 | 107,8 | 108,7 | 109,6 | 110,5 | 111,4 | 112,3 | 113,2 | 114,1 |
| 290 | 115 | 115,9 | 116,8 | 117,7 | 118,6 | 119,5 | 120,4 | 121,3 | 122,2 | 123,1 |
Следует учитывать, что из-за стеснения живого сечения – вследствие зарастания русла или льдообразования – пропускная способность русла уменьшается, что отражается на кривой расходов – измеренные расходы и средние скорости смещаются влево от кривой.
Тема 5. Расчёты испарения с водной поверхности и с суши.
Лекционный материал:
1. Водный баланс.
2. Испарение и факторы, его определяющие.
Расчёты испарения имеют важное значение в связи с оценкой и динамикой водного баланса и водных ресурсов любого государства и региона. Они используются при проектировании и эксплуатации водохранилищ, расчётов запаса воды в почвах, эксплуатации мелиоративных систем и т.д.
Испарение с водной поверхности.
На испарение с водной поверхности оказывают влияние такие факторы, как площадь водоёма, его глубина и защищённость. Слой испаряющейся влаги с больших водоёмов значительно больше, чем с малых – вследствие увеличения скорости ветра и высоты волн. Водоёмы, защищённые по берегам строениями, горами, высокой растительностью, испаряют влаги меньше, чем открытые, и т.д.
Прямые наблюдения над испарением с водной поверхности ведут с помощью бассейнов-эталонов площадью 20 м2 и глубиной 2 м; испарителей особой конструкции ГГИ-3000 и ГГИ-3000М.
Применительно к расчётам испарения все водоёмы делятся на три группы: а) малые – площадью до 5 км2 округлой или квадратной формы, имеющие среднюю длину разгона воздушного потока над водной поверхностью до 3 км; б) средние, чьи показатели составляют соответственно от 5 до 40 км2 и до 10 км; в) большие – с площадью более 40 км2 и средней длиной разгона свыше 10 км. Показатели испарительных бассейнов соответствуют испарению с малых водохранилищ и прудов площадью до 5 км2, испарение с водоёмов больших размеров возрастает на 15 – 20 %.
В обычных расчётах требуется определить среднемноголетнее испарение и распределить его по месяцам внутри года.
Порядок расчёта следующий:
1. Среднемноголетнее испарение (норма испарения) с малых
водоёмов, расположенных в равнинных условиях, определяют по формуле:
Ēн = Ē20· kН· kз· kΩ (5.1.),
где: Ē20 – среднемноголетнее испарение с эталонного бассейна площадью 20 м2, определяется по карте изолиний испарения, рассчитанной для таких бассейнов (приложение 6); например, для Московской области такой показатель равен 550 мм, а для Волгоградской – от 450 до 550 мм.
KН – поправочный коэффициент на глубину водоёма, зависит от природной зоны, в которой расположен водоём, и его средней глубины (таблица 8).
Таблица 8.
Выбор поправочного коэффициента на глубину водоёма.
|
Природная зона | Средняя глубина водоёма, м | |||||
| 2 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | |
| Тундровая и лесная | 1,00 | 0,99 | 0,97 | 0,95 | 0,94 | 0,92 |
| Лесостепная | 1,00 | 0,98 | 0,96 | 0,95 | 0,94 | 0,92 |
| Степная | 1,00 | 0,96 | 0,95 | 0,94 | 0,93 | 0,93 |
| Полупустынная | 1,00 | 1,00 | 0,99 | 0,98 | 0,98 | 0,97 |
| Пустынная | 1,00 | 1,00 | 1,00 | 1,00 | 1,00 | 1,00 |
Примечание: при необходимости проводится интерполяция.
Поправочный коэффициент kз (защищённости) определяют в зависимости от отношения средней высоты препятствий (в метрах) hз к средней длине разгона воздушного потока D (в метрах):
| hз / D | 0,01 | 0,03 | 0,05 | 0,07 | 1,00 | 0,20 | 0,30 | 0,40 | 0,50 |
| Kз | 0,96 | 0,89 | 0,84 | 0,80 | 0,76 | 0,70 | 0,64 | 0,57 | 0,51 |
Поправочный коэффициент на площадь водоёма kΏ для тундровой, лесной и лесостепной зон составляет:
| Площадь водоёма, км2 | 0,01 | 0,05 | 0,10 | 0,50 | 1,00 | 2,00 | 5,00 |
| ķΏ | 1,03 | 1,03 | 1,11 | 1,18 | 1,21 | 1,23 | 1,26 |
Для остальных зон этот коэффициент принимается за 1.
Внутригодовое распределение испарения по месяцам вычисляют с помощью таблицы 9, зоны в этой таблице выбирают по схеме районирования ( приложение 7).
Таблица 9.
Внутригодовое распределение испарения
с поверхности малых водоёмов
(в %% от годовой суммы за безледоставный период)
| Зоны | М е с я ц | |||||||||||
| 01 | 02 | 03 | 04 | 05 | 06 | 07 | 08 | 09 | 10 | 11 | 12 | |
| I | -- | -- | -- | -- | 20 | 45 | 30 | 5 | -- | -- | -- | -- |
| II | -- | -- | -- | -- | 7 | 28 | 33 | 23 | 9 | -- | -- | -- |
| III | -- | -- | -- | -- | 16 | 25 | 21 | 20 | 14 | 4 | -- | -- |
| IY | -- | -- | -- | 3 | 16 | 22 | 21 | 19 | 12 | 6 | 1 | -- |
| Y | -- | -- | -- | 6 | 14 | 20 | 21 | 19 | 12 | 6 | 2 | -- |
| YI | -- | -- | 3 | 6 | 13 | 17 | 20 | 19 | 13 | 7 | 2 | -- |
| YII | -- | 1 | 4 | 7 | 13 | 16 | 19 | 17 | 12 | 7 | 3 | 1 |
| YIII | 2 | 3 | 4 | 7 | 12 | 15 | 16 | 16 | 12 | 7 | 4 | 2 |
В формулу 5.1. иногда вводят ещё один поправочный коэффициент, необходимый в тех случаях, когда направление разгона ветра над водной поверхностью не соответствует максимальной длине водоёма, либо водоём имеет неправильную (не округлую) форму.
Испарение с поверхности суши.
Методы расчёта испарения с поверхности суши основаны на использовании уравнений теплового и водного балансов, на закономерностях переноса влаги от испаряющей поверхности в атмосферу. Они методы требуют применения большого математического аппарата и вычислительной техники. Поэтому в практической деятельности используют приближённые расчёты. Среднемноголетнее годовое испарение с больших площадей суши (до 9900 км2) удобно определять по карте изолиний испарения, построенной на основе уравнений водного баланса для суши по разности среднемноголетних годовых сумм атмосферных осадков и среднемноголетнего годового стока рек (приложение 6). Для данного региона расчётную величину находят путём интерполяции между двумя соседними изолиниями.
Погрешность снимаемых с такой карты значений для равнинной территории Российской Федерации составляет 15%, но возрастает до 20% в горных местностях и районах Крайнего Севера.
Тема 6. Характеристики водохранилища.
Лекционный материал:
1. Регулирование стока.
2. Характеристики водохранилищ. Батиграфические и объёмные кривые.
К основным характеристикам водохранилища относят:
а) полный объём водохранилища VНПУ – он соответствует отметке наивысшего проектного уровня (НПУ) в верхнем бьефе, который должен поддерживаться при нормальных условиях эксплуатации гидроузла. Он складывается из двух составляющих: мёртвого и полезного объёмов;
б) мёртвый объём VУМО – постоянная часть полного объёма водохранилища, которая в нормальных условиях эксплуатации не срабатывается и в регулировании стока не участвует. Он представляет как бы неприкосновенный запас, который может быть израсходован лишь в чрезвычайных условиях ( например, при постоянной засухе или необходимости срочного обеспечения водоснабжения). Мёртвый объём находят расчётным путём с учётом заиления водохранилища различными наносами, санитарно-технических и гидробиологических требований, обеспечения приемлемого качества воды, обеспечения условий для судоходства, рыбного хозяйства, гидроэнергетики, мелиорации и др.
в) полезный объём водохранилища VПЛЗ – основная рабочая часть объёма водохранилища, предназначенная для непосредственного регулирования стока. Полезный объём зависит от назначения водохранилища, вида регулирования стока. Определяется на основе водохозяйственного и технико-экономического расчётов.
При эксплуатации водохранилищ заблаговременно подготавливают ряд характеристик, необходимых для водохозяйственных расчётов. К ним относятся зависимости площади водной поверхности Ω и объёма воды V от уровня воды Н или глубин h. Кривые таких зависимостей называют батиграфическими кривыми (рис. 3).
Наряду с батиграфическими, строят также объёмные кривые – зависимости наполнения, площади водной поверхности, средней глубины водохранилища от объёма воды в нём (рис. 4).
Исходным материалом для построения батиграфических и объёмных кривых являются данные топографических измерений, показанные на крупномасштабных картах. Батиграфические и объёмные кривые строят в системе прямоугольных координат в определённом масштабе. Данные для построения представлены в таблице 10.
Таблица 10.
Исходные данные для расчёта характеристик водохранилища.
| Уровни воды Н м | Площадь водной поверхности, км2 | Разность уров- ней ∆Η, м | Объём, млн. м 3 | Сред- няя глу- бина, h ср., м | Литораль | ||||||||||
| ΩН | Ωср. | ΔV | V | Пло- щадь, ΩL, км 2 | Крите- рий, LΏ | ||||||||||
| 110 | 0 |
|
| 0 |
|
| |||||||||
|
| 1 | 2 | 2 |
|
| ||||||||||
| 112 | 2 |
|
| 2 | 1 | 2 | 1,0 | ||||||||
|
| 5 | 2 | 10 |
|
| ||||||||||
| 114 | 8 |
|
| 12 | 1,5 | 6 | 0,75 | ||||||||
|
| 11 | 2 | 22 |
|
| ||||||||||
| 116 | 14 |
|
| 34 | 2,4 | 6 | 0,43 | ||||||||
|
| 18 | 2 | 36 |
|
| ||||||||||
| 118 | 22 |
|
| 70 | 3,2 | 8 | 0,36 | ||||||||
|
| 28 | 2 | 56 |
|
| ||||||||||
| 120 | 34 |
|
| 126 | 3,7 | 12 | 0,35 | ||||||||
|
| 40 | 2 | 80 |
|
| ||||||||||
| 122 | 46 |
|
| 206 | 4,5 | 12 | 0,26 | ||||||||
|
| 54 | 2 | 108 |
|
| ||||||||||
| 124 | 62 |
|
| 314 | 5,1 | 16 | 0,26 | ||||||||
|
| 71 | 2 | 142 |
|
| ||||||||||
| 126 | 80 |
|
| 456 | 5,7 | 18 | 0,22 | ||||||||
|
| 90 | 2 | 180 |
|
| ||||||||||
| 128 | 100 |
|
| 636 | 6,36 | 20 | 0,20 | ||||||||
|
| 113 | 2 | 226 |
|
| ||||||||||
| 130 | 126 |
|
| 862 | 6,8 | 26 | 0,21 | ||||||||
|
| 143 | 2 | 286 |
|
| ||||||||||
| 132 | 160 |
|
| 1148 | 7,2 | 34 | 0,21 | ||||||||
|
| 181 | 2 | 362 |
|
| ||||||||||
| 134 | 202 |
|
| 1510 | 7,5 | 42 | 0,20 | ||||||||
В таблице 10 объём воды в водохранилище определён путём последовательного суммирования частичных объёмов, заключённых между смежными горизонталями. Объём первого придонного слоя вычисляют по формуле усечённого параболоида:
ΔV = 0,667 · Ω 1 · ΔΗ 01 (6.1.)
Объём воды, соответствующий какому-либо уровню Н, получают суммированием частичных объёмов, расположенных ниже этого уровня.
Средняя глубина водохранилища рассчитывается по формуле:
h ср. = V H / Ω Н (6.2.)
Критерий площади литорали (мелководной зоны) рассчитывается по формуле:
L Ω = Ω L / Ω Н (6.3.) причём к мелководной зоне водохранилища относят его прибрежную часть с глубиной не более 2 м. Очевидно, что с повышением уровня воды критерий литорали уменьшается.
При построении кривых масштаб принимается таким, чтобы кривые не пересекались (рис. 3 и 4). Ценность такого построения заключается в том, что по какому-то одному показателю (например, по отметке глубины Н над уровнем моря) можно определить самые разнообразные характеристики водохранилища, не прибегая к непосредственным измерениям.
Тема 7. Определение мёртвого объёма водохранилища.
Лекционный материал:
1. Характеристики водохранилищ.
Любое водохранилище вносит изменения в гидравлический режим водотока: уменьшаются скорости течения и уклоны свободной поверхности воды, растёт глубина потока, уменьшается транспортирующая величина потока и т.д. Наносы, которые увлекает за собой поток по дну или во взвешенном состоянии, постепенно осаждаются и откладываются в чаше водохранилища, лишь незначительная часть транзитом проходит в нижний бъеф гидроузла. Процесс заполнения водохранилища наносами называют заилением, он достаточно длителен и зависит от многих факторов: размеров и конфигурации водохранилища, устойчивости берегов, режима стока, состава наносов, режима сработки и колебаний уровня водохранилища и др. Продолжительность полного заиления до отметки НПУ носит название «срока заиления». Время заиляемости может быть определено по формуле:
t у = V НПУ / Vн , (7.1.)
где VНПУ – полный объём водохранилища при НПУ,
Vн – средний многолетний объём наносов, поступающих в водохранилище, м 3 в год.
Значение срока заиляемости принимается для крупных водохранилищ в 200 лет, а для малых водохранилищ и прудов – 50 лет.
При расчётах заиления употребляется также термин «срок службы водохранилища» – время, в течение которого наносами заполняется мёртвый объём водохранилища, т.е. срок в течение которого возможно регулирование санитарно-гидробиологического режима с помощью мёртвого объёма:
t сл. = V УМО / V н (7.2.),
где V УМО – мёртвый объём, V н – аналогично формуле 7.1.
Исходными данными для расчёта мёртвого объёма являются:
а) – батиграфические кривые (рис. 3); б) средний многолетний объём годового стока W 0 = 1100·106 м3; в) среднемноголетняя мутность воды во входном створе водохранилища ρ 0 = 1200 г / м3; г) транзитная часть наносов, сбрасываемая из водохранилища в нижний бьеф, δ = 0,3; д) количество донных наносов m = 10% от взвешенных; е) объёмная масса донных отложений γ отл. = 0,8 т / м3.
Необходимо рассчитать мёртвый объём и соответствующий ему уровень воды Н м.о., исходя из условий выполнения санитарнотехнических требований и обеспечения необходимого качества воды; а также допустимый срок службы водохранилища.
Порядок расчёта следующий:
1. По санитарно-техническим условиям средняя глубина воды в водохранилище при минимальном наполнении должна быть не менее 2,5 м. По батиграфической кривой h ср.(Н) устанавливаем, что средней глубине в 2,5 м соответствует минимальный уровень Нmin =116 м, при котором минимальный объём водохранилища должен быть равен Vmin. = 40 млн. м3.
2. Принято, что удовлетворительное качество воды в водохранилище будет обеспечиваться при условии, что при уровне мёртвого объёма критерий литорали L Ω не будет превышать 0,35. По кривой LΩ (Н) на рис. 3 можно установить, что при уровне воды в 116 м, определённом исходя из санитарно-технических требований, L Ω = 0,43, т.е. требуемое условие не выполняется – площадь мелководья гораздо выше. Поэтому Hmin/ = 116,0 м никак не может быть принят в качестве мёртвого объёма. Возвращаемся к рис. 3, при LΩ = 0,35 уровень мёртвого объёма НУМО может быть предварительно принят в 119,5 м. Такому уровню соответствует объём водохранилища в 120 млн. м3.
3. Проверяем найденный объём на соответствие условий заиления наносами. Время заиления мёртвого объёма определяем по формуле 7.2., а среднегодовой объём отложений наносов в водохранилище по формуле:
(7.3.).
Подставляя в формулу имеющиеся данные, получим, что
объём наносов V н. равен 1,32 · 106 м3, а время заиления
мёртвого объёма в 120 млн. м3 составит 91 год.
Следовательно, полученный срок заиления мёртвого объёма водохранилища, удовлетворяющий и санитарно-техническим требованиям, и необходимому качеству воды, значительно превышает допустимый срок заиления для малых водохранилищ (50 лет). Поэтому можно принять значения Нм.о. = 119,5 м, Vм.о. = 120 млн. м3.
Тема 8. Расчёты водохранилища сезонного регулирования
таблично-цифровым балансовым методом.
Лекционный материал:
1. Характеристики водохранилища.
2. Водохозяйственный баланс.
3. Расчёты потерь воды из водохранилища.
Методы водохозяйственных расчётов водохранилищ подразделяются на балансовые (основанные на использовании длительных наблюдений за стоком) и обобщённые (опирающиеся на математическую статистику и теорию вероятностей). Балансовый метод чаще применяется к расчёту водохранилищ сезонного регулирования стока. При этом полезный объём водохранилища и другие его рабочие параметры определяют путём последовательного сопоставления объёмов расчётного стока и плановой отдачи за определённые интервалы времени (месяц, декаду и т.д.). Расчёт выполняют в два этапа: сначала находят параметры регулирования стока без учёта потерь воды из водохранилища, а затем уточняют режим регулирования с учётом потерь на фильтрацию, испарение и т.д.
В практике водохозяйственного проектирования балансовые расчёты таблично-цифровым способом широко распространены, исходными данными для них являются батиграфические кривые, внутригодовое распределение стока расчётной обеспеченности и плановая полезная отдача за месяц и за год.
Таблица 11.
Данные для балансового расчёта водохранилища
сезонного регулирования стока.
| Месяц | Расчётные характеристики | ||
| Сток W р 80%, млн. м3 | Плановая полез- ная отдача U, млн. м3 | Сток минус отдача ( + - превышение, -- - дефицит) | |
| 01 | 26 | 53 | --27 |
| 02 | 26 | 53 | --27 |
| 03 | 37 | 53 | --16 |
| 04 | 263 | 61 | +202 |
| 05 | 171 | 61 | +110 |
| 06 | 53 | 61 | -- 8 |
| 07 | 39 | 61 | --22 |
| 08 | 47 | 61 | --14 |
| 09 | 100 | 61 | +39 |
| 10 | 105 | 53 | +52 |
| 11 | 39 | 53 | --14 |
| 12 | 39 | 53 | --14 |
| За год | 945 | 684 | +261 |
Судя по данным таблицы 11, можно придти к выводу о необходимости сезонного регулирования стока, поскольку в течение 8 месяцев полезная отдача превышает расчётный сток. Регулирование возможно, т.к. суммарный годовой сток превосходит годовую полезную отдачу – то есть потребность всех отраслей в водных ресурсах.
За начало водохозяйственного года принимают апрель – месяц, с которого начинается наиболее многоводный период года (половодье). В таблице 12 приведен расчёт эксплуатации водохранилища в двух предельных вариантах: а) водохранилище наполняется до НПУ за счёт первых избытков, только после этого излишки воды сбрасываются в нижний бьеф; расчёт выполняется в хронологической последовательности («по ходу времени»), вычисляются объёмы наполнений и сбросов на конец каждого месяца; б) вначале при уровне Нм.о. сбрасываются излишки воды, а потом водохранилище заполняется до НПУ; расчёт идёт «против хода времени» от момента, когда имеется только мёртвый объём – т.е. начиная с конца водохозяйственного года, с марта месяца.
Тема 9. Оценка требований различных отраслей к водным
ресурсам и регулированию стока.
Водохранилища отличаются от других естественных и искусственных водоёмов специфическим и сложными гидрологическими и экологическими условиями, которые зависят от характера их использования различными отраслями народного хозяйства. Эти отрасли по-разному заинтересованы в том или ином режиме эксплуатации и выдвигают определённые требования к уровням и расходам воды, условиям их регулирования. Сводные данные о таких потребностях отраслей приводятся в таблицах 13 и 14.
Таблица 13.
Требования отдельных отраслей к режиму уровней
водохранилищ (по Исаеву, Карповой, 1989).
|
Компоненты водохозяйствен- ного комплекса |
| Элементы уровневого режима | ||||||||
| Достижение отметок НПУ каждый год | Уменьшение глубины сработки зимой | Сработка уровня после весенне-летнего нереста рыб | Форсировка уровня над НПУ | |||||||
| В межнавигаци- онный период | В период половодья | При прохожде- нии паводков | ||||||||
| Энергетика | --- | + | + * | -- * | + | + | + | |||
| Рыбное хозяйство | Водохранилище | + * | + | + | -- | -- | -- | |||
| Нижний бьеф | 0 * | + | 0 | -- | -- | 0 | ||||
| Водный транспорт | Водохранилище | + | + | -- | -- | + | 0 | |||
| Нижний бьеф | + | + | + * | -- | + | + | ||||
| Лесосплав | Водохранилище | + | + | -- | -- | 0 | 0 | |||
| Нижний бьеф | + | + | + * | -- | + | + | ||||
| Ирригация | Водохранилище | + | + | -- | -- | + | + | |||
| Нижний бьеф | + | + | 0 * | -- | + | + | ||||
| Водоснабжение | Водохранилище | + | + | -- | -- | + | -- | |||
| Нижний бьеф | + | -- | 0 * | + | + | + | ||||
| Сельскохозяй- ственные земли | Водохранилище | 0 * | 0 | 0 | 0 | -- | -- | |||
| Нижний бьеф | 0 * | + | -- | -- | -- * | + | ||||
Условные обозначения: «+» – отрасль заинтересована в указанном режиме; «—» – отрасль не заинтересована в указанном режиме; «0» – указанный режим не имеет значения для отрасли; * - указанное отношение изменяется в зависимости от района расположения водохранилища, состава компонентов водохозяйственного комплекса – потребителей и пользователей, водности года.
Колебания уровня воды в водохранилищах определяются количеством поступающей воды, использованием воды на хозяйственные нужды, режимом работы гидротехнических сооружений и др. Всем крупным водохранилищам свойственны колебания уровня, вызванные ветровыми нагрузками – сгонно-нагонные явления.
Таблица 14.
Дата добавления: 2019-11-25; просмотров: 672; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!