|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Печатается в авторской редакцииСтр 1 из 11Следующая ⇒
Н.В. Балацкая
Науки о земле
Гидрологические расчеты Учебное пособие по практическим работам
Красноярск 2008 г
Балацкая Наталья Владимировна, Озерский Дмитрий Андреевич. Науки о Земле. Гидрологические расчеты. Учебное пособие по практическим работам. - Красноярск: Изд. СФУ. - 2008. - 86 с.
Учебное пособие составлено для студентов специальностей 280202 и 280201 дневной и заочной формы обучения, по дисциплине " Науки о Земле" в соответствии с действующими нормативными документами.
Печатается по постановлению редакционно-издательского совета университета
Рецензент - д.т.н., профессор, член Российского общества по механике грунтов, геотехнике и фундаментостроению Г. И. Кузнецов
Ó СФУ, 2008 Ó Балацкая Н.В., Озерский Д.А.
Печатается в авторской редакции ВВЕДЕНИЕ Учебное пособие составлено для практических занятий по дисциплине «Науки о Земле» к разделу «Гидрология», позволяющее освоить теоретический материал и приобрести навыки решения гидрологических задач, что способствует сформировать комплекс соответствующих профессиональных навыков у будущих инженеров-экологов. Учебное пособие позволит освоить теоретические основы определения расчетных характеристик годового стока, определение максимального и минимального стока, водно-балансовые расчеты при наличии и отсутствии гидрологических наблюдений, определять годовой сток различной обеспеченности и расчеты дождевых максимумов, а также получить прикладные знания в области гидрогеологии. В данном пособии приведены основные понятия и определения, без знания которых будущий специалист не сможет пользоваться инструктивно-нормативными документами, применяемыми в гидрологических расчетах, запроектировать такие гидротехнические или агромелиоративные мероприятия, которые обеспечивают изменения естественного режима в соответствии с потребностями народного хозяйства. Можно установить связь гидрологии с другими науками, изучающими поверхностные воды на суше: а) с топографией – наукой, изучающей формы рельефа земной поверхности и составляющей часть курса «Геодезия»; б) с гидрогеологией – наукой о происхождении и движении подземных (грунтовых) вод. Гидрогеология входит в состав курса «Инженерная геология»; в) с почвоведением – наукой, изучающей поверхностный слой земли, которая является базой для растительного покрова и существенно влияет на испарение и сток с поверхности земли; г) с метеорологией – наукой, изучающей атмосферные условия земли (температуру и влажность воздуха, ветер, осадки и др.); д) с гидравликой – наукой, изучающей законы движения воды. Кроме того, гидрология связана с вопросами химии воды (засоление озер и водохранилищ), с гидробиологией (зарастание речных русел) и рядом других наук. В зависимости от изучаемых водных объектов гидрологию можно разделить на ряд наук: а) океанологию, изучающую режим морей ) и океанов; б) гидрологию суши, изучающую режим рек; в) озероведение, изучающее жизнь озер; г) гляциологию, изучающую ледники; д) мерзлотоведение — науку о районах вечной мерзлоты. Все эти науки в полном объеме излагаются в гидрометеорологических институтах и в университетах.
Методические указания составлены в соответствии с программой курса «Науки о земле» для студентов специальностей по направлению 2802200 (специальностей 280201 и 280202) дневной и заочной формы обучения.
Водно-балансовые расчеты
Под уравнением водного баланса понимается математическое выражение, описывающее соотношение прихода и расхода воды с учетом изменения ее запасов за выбранный интервал времени для водосбора или участка территории, водного объекта, страны, материка. Уравнение водного баланса, или метод водного баланса, является самым распространенным и основным методом исследований и расчетов, связанных с изучением общих закономерностей влагооборота и изменения отдельных элементов водного баланса. Идея водного баланса основана на общем положении закона сохранения материи (воды) при всех ее перемещениях, проявлениях и превращениях. Для любого контролируемого " контура количество воды, вошедшей в контур, за вычетом воды, вышедшей из него, должно равняться увеличению или уменьшению ее внутри контура. Метод водного баланса широко используется не только для анализа и расчета бытовых условий в бассейнах рек, озер и внутренних морей, но и позволяет запроектировать такие гидротехнические или агромелиоративные мероприятия, которые обеспечивают изменения естественного режима в соответствии с потребностями народного хозяйства. Известно, что строительство крупных водохозяйственных комплексов приводит к изменению не только стока, но и других компонентов водного баланса. Например, при орошении больших территорий на местном стоке с возведением водохранилищ увеличивается испарение с речных водосборов и повышается уровень грунтовых вод. Но поскольку суммарное количество влаги (осадки и конденсация), получаемое данным физико-географическим районом, почти не изменится (или мало изменится), то весь комплекс водохозяйственных и агротехнических мероприятий будет влиять на изменение отдельных элементов водного баланса. Новый заданный водный режим можно рассчитать, пользуясь уравнением водного баланса. Уравнения водного баланса составляются для любого промежутка времени или для отдельных фаз гидрологического режима. Метод водного баланса позволяет сопоставить отдельные элементы прихода и расхода влаги в различные промежутки времени в пределах определенной территории и установить степень их влияния на общий водный режим данной территории. С помощью уравнения водного баланса, зная надёжно измеряемые компоненты, косвенным путем определяют те составляющие, которые не поддаются измерениям. Развитие и применение метода водного баланса дает возможность путем обобщения, интерполяции и генетического анализаполучить гидрологическую оценку водных объектов даже при недостаточных наблюдениях, а иногда и при полном их отсутствии и избавляет от непосредственного измерения характеристик стока на всех интересующих нас водных объектах. Опыт гидрологических исследований и расчетов показал возможность удовлетворять основные запросы водохозяйственного проектирования путем использования систематических наблюдений только на опорной сети без постановки гидрометрических наблюдений на всех многочисленных реках и водотоках. Рационально размещенная опорная сеть позволяет путем научного анализа и обобщений результатов наблюдений за гидрологическими и метеорологическими элементами создать картину водного баланса обширных территорий, а также рассчитать и спроектировать новый водный баланс после реконструкции всего водного хозяйства района или бассейна. Уравнения водного баланса, или водно-балансовый метод исследований, имеют широкое и возрастающее с каждым годом значение. Они используются для оценки влияния леса, агро- и лесомелиоративных мероприятий и других видов хозяйственной деятельности на сток вообще и перераспределение его составляющих. В зависимости от решаемых задач, степени детализации и обеспеченности необходимыми материалами уравнения водного баланса могут быть чрезвычайно разнообразными.
Уравнение речных бассейнов
Рис. 1.2. Зависимость водности рек от числа прорезаемых водоносных горизонтов (по К. П. Воскресенскому).
Такой речной бассейн представляет собой замкнутую систему с отсутствием притока и оттока воды по периферии и замыкаемую одним вытекающим водотоком, русло которого глубоко врезано и дренирует воды всех подземных горизонтов. Для такого речного бассейна уравнение (1.1) перепишем в виде
Поскольку система замкнутая, то поверхностный и подземный приток извне отсутствует ( Систематически измеряются на стационарной сети станций только осадки и сток. Конденсация, являющаяся дополнительной приходной частью водного баланса, обычно не измеряется. Почти во всех географических зонах конденсация меньше испарения. Если же учесть, что суммарное испарение с речных бассейнов не поддается непосредственным измерениям, а рассчитывается приближенно, то разность
Решая (1.3) относительно общего слоя стока, получим
Уравнение (1.4) применимо к речным бассейнам, русла которых дренируют подземный сток всех горизонтов зоны активного водообмена. Как уже отмечалось, бассейны представляют собой замкнутые системы (рис. 1.2 а). Для водосборов русла которых дренируют не все подземные горизонты (рис. 1.2 б, в ), уравнение (1.4) запишется в виде
где K1 и K2 – дренируемая и не дренируемая части подземного стока руслом данного водосбора, причем K1 + K2=1, 0. Относительно водотоков, питающихся только поверхностными водами (суходолы) (рис. 2.2 г), уравнение (1.4) справедливо в виде
Уравнения (1.4) – (1.6) отражают компоненты водного баланса, средние за любой ограниченный промежуток времени (год, сезон, месяц, отдельную фазу режима). Они учитывают ту часть осадков, которые выпали в рассматриваемый промежуток времени, а также потери на испарение и сток за это время. Но не всё осадки (за вычетом испарения) успевают стечь к концу периода: часть из них расходуется на пополнение запасов влаги в бассейне, часть же начальных бассейновых запасов стекла в течение рассматриваемого промежутка времени; разность запасов влаги на начало и конец периода обозначена Уравнения водного баланса речных водосборов (1.4) – (1.6) включают лишь основные компоненты и не отражают особенности, которые могут быть в отдельных случаях. Так, в некоторых случаях дополнительно учитываются несоответствие подземных и поверхностных водоразделов, сток воды, в подрусловом потоке, наличие карстовых образований. Дополнительно учитываются различного вида водозаборы, переброска стока в другие бассейны или из других бассейнов и другие водохозяйственные мероприятия, осуществляемые в бассейне.
Водный баланс озер
Озера делятся на бессточные и проточные. Средний многолетнийводный баланс бессточных озер относительно постоянного среднегомноголетнего уровня записывается уравнением
Частные случаи: l) если 2) если F6 > > F –площадь водосборного бассейна озёра очень велика по сравнению с площадью его зеркала тогда даже при Для проточных озер уравнение водного баланса имеет вид
где
Пример 1.1.
Пользуясь данными табл.1.1, установить методом водного баланса среднюю за период 1987 – 1994 гг. величину испарения с поверхности озера, F= 1400 км2. Таблица 1.1 Элементы водного баланса озера за отдельные годы, см
х + y1 + ω 1 = z + y2 + ω 2 + Δ u z = (х + y1 + ω 1) – (y2 + ω 2 + Δ u) х = 388 мм, y1 + ω 1 = 561 мм, y2 = 46 мм, ω 2 = 60 мм, Δ u = 2 z = (388+561) – (46+60+2) = 841 мм. Пример 1.2. Пользуясь данными табл.2, установить ежегодные величины сработки или накопления запасов воды в Каспийском море и составить средний годовой за шестилетие 1995-2000 гг. водный баланс. Таблица 1.2 Элементы водного баланса Каспийского моря за отдельные годы, мм
Пример 3.1. Определить расходы воды р. Енисея у г. Енисейска заданных обеспеченностей: р = 5, 10, 25, 50, 75, 95, 97 и 99%. Для решения поставленной задачи необходимо: 1) вычислить параметры кривой обеспеченности Q0, Cv и Cs; 2) построить кривые обеспеченности — эмпирическую и теоретическую; 3) по принятой теоретической кривой обеспеченности вычислить расходы воды заданной обеспеченности. Продолжительность наблюдений над стоком Енисея у г. Енисейска 60 лет — с 1903 по 1966 г. за исключением 1906, 1922, 1923 и 1924 гг., когда имелись перерывы в наблюдениях. Вычисления Qo, Cv и Cs сводятся в стандартную таблицу (табл. 3.11); Cv и Са вычисляются методом моментов. В графе 1 таблицы выписывается порядковый номер, который используется в формуле при определении эмпирической обеспеченности, в графах 2 - 3 — годы и средние годовые расходы или модули в хронологическом порядке. В графе 4 годовые расходы расположены в убывающем порядке от наибольшего, который имеет первый номер убывающего ряда, до наименьшего с порядковым номером 60. Затем определяются (k -1)2, (k -1)3 – четыре знака после запятой. Контроль вычислений Значения Cv и Ся вычисляются по алгебраическим суммам и Таблица 3.11. Подсчет коэффициента вариации и асимметрии годового стока р. Енисея у г. Енисейска F= 1420 000 км2
Q0=7640 м3/сек
Параметры кривой обеспеченности годового стока р. Енисея у г. Енисейска, вычисленные по 60-летнему ряду наблюдений, и их средние квадратические ошибки, Q0 = 7640 м3/сек, Ошибки определения Q0 и Cv незначительны, и вычисленные значения Qo и Си могут быть приняты для дальнейших расчетов. Ошибка Cs при n = 60 годам получилась большой. Поэтому расчетную кривую обеспеченности выбираем из двух теоретических кривых, построенных при Cs вычисленном и Cs = 2 Cv. Кривые обеспеченности построим для расходов. Сначала строим эмпирическую кривую обеспеченности. Для этого пользуемся графами 5 и 11 табл. 3.11. Построение выполняем на специальной клетчатке (см. рис. 3.1). Затем вычисляем ординаты теоретических кривых обеспеченности. Так как Cv =0, 11, то для построения теоретических кривых обеспеченности пользуемся таблицами биномиальной кривой (приложение 6 и 7). Вычисления ординат кривой при Cs = 0, 57 сводятся в табл. 3.12. Значения ФР выписываем из строчки приложения 6, соответствующей Cs=0, 57. Значения kp и Qp. При CS=2CV пользуемся таблицей ординат кривой обеспеченности (приложение 7), где приводятся значения kp, соответствующие Cv (значения kp выписываем из строки Cv = 0, 11). По вычисленным QP построены две теоретические кривые обеспеченности, совмещенные с эмпирической кривой (рис. 1). Сопоставление совмещенных кривых позволяет сделать вывод, что теоретическая кривая обеспеченности, построенная при Cs=0, 57, лучше соответствует эмпирической кривой (наблюденным точкам) во всем диапазоне и поэтому она принимается в качестве расчетной (табл. 3.13).
Таблица 3.12. Вычисление ординат кривой обеспеченности годовых расходов воды р. Енисея у г. Енисейска N = 60, Q0 = 7640 м3/сек, Cv = 0, 11
Таблица 3.13. Годовые расходы воды р. Енисея у г. Енисейска заданных обеспеченностей Qo = 7640 м3/сек, и Cv = 0, 11, Cs=0, 57.
Рис.3.1. Кривые обеспеченности средних годовых расходов воды р. Енисея у г. Енисейска, n =60, Q0=7640 м*/сек, Cv = 0, 11, Cs=0, 57.
Пример 3.2. Определить параметры кривой обеспеченностей и значения годового стока разной обеспеченности р. Илека (F= 11 000 км2) р=5, 10, 25, 50, 75, 95, 97 и 99%. Для решения поставленной задачи необходимо: 4) вычислить параметры кривой обеспеченности Q0, Cv и Cs; 5) построить кривые обеспеченности – эмпирическую и теоретическую; 6) по принятой теоретической кривой обеспеченности вычислить расходы воды заданной обеспеченности. Cv и Са вычисляются методом моментов.
Пример 4.2. Определить минимальные средние месячные расходы воды в зимний и летне-осенний сезоны, обеспеченные на 5, 15, 25, 75, 90, 99 %. Сведения о стоке исследуемой реки имеются с 1963 по 1995 г. Результаты произведенной выборки минимальных средних месячных (30-дневных) расходов воды за зимний и летне-осенний сезоны приведены в таблица 4.2. Таблица 4.2 Минимальные средние месячные (30-дневные) расходы воды реки
Максимальные расходы воды
Под максимальными расходами воды рек и малых водотоков понимаются наибольшие в году значения мгновенных или срочных расходов, наблюдаемые во время весеннего половодья или дождевых паводков. На малых водотоках со значительным внутрисуточным изменением уровней и расходов, особенно в период дождевых паводков, пик паводка может пройти между установленными сроками наблюдений. Поэтому срочные максимальные расходы бывают меньше мгновенных. В свою очередь средний суточный максимум меньше срочного. Эта разница бывает значительной на очень малых водотоках и уменьшается с возрастанием площади водосбора реки. Расчеты следует производить для мгновенных максимальных расходов воды. По генетическому признаку, или происхождению, максимальные расходы воды подразделяются на: а) образующиеся в основном от таяния снегов на равнинах, б) от таяния снегов в горах и ледников, в) от дождей, г) от совместного действия снеготаяния и дождей – смешанные максимумы.
К максимумам смешанного происхождения относятся максимальные расходы воды, в образовании которых невозможно установить превалирующую роль талых или дождевых вод. При анализе и расчетах максимальных расходов воды с применением методов математической статистики максимумы различного генетического происхождения рассматриваются раздельно. Практическая важность вопроса определяется тем, что многие элементы половодья или паводков необходимо учитывать при строительстве гидротехнических сооружений. Особенно важно знать максимальные расходы воды весеннего половодья и дождевых паводков, от величины которых зависят размеры наиболее массовых сооружений – мостовых переходов через реки и малые водотоки, большое количество которых ежегодно строится на автомобильных и железных дорогах, а также размеры водосбросных и водопропускных отверстий других сооружений. От правильного определения максимальных расходов воды и работы водосбросных отверстий зависит бесперебойность работы сооружения или дороги, безопасность пли судьба всего сооружения и прилегающих к реке объектов, а также, и стоимость сооружения. Завышенные максимальные расходы воды повысят общую стоимость сооружения, что снизит его экономическую эффективность. Занижение максимальных расходов приведет к разрушению сооружения, затоплению прилегающей к реке местности, материальному убытку и человеческим жертвам. Расчетные ежегодные вероятности превышения, или обеспеченности, максимальных расходов воды определяются в зависимости от класса капитальности сооружения и нормируются общими техническими указаниями, рекомендуемыми или обязательными для проектных организаций. Все гидротехнические сооружения по своей капитальности делятся на несколько классов. Сооружения высоких классов капитальности должны служить несколько сот лет. Чтобы они работали бесперебойно, их водосбросные отверстия нужно рассчитывать на пропуск максимальных расходов воды очень редкой повторяемости. Временные гидротехнические сооружения рассчитываются на максимальные расходы воды более частой повторяемости. Строительными нормами и правилами [СНиП II–И 7–65] установлены следующие расчетные ежегодные вероятности превышения, или обеспеченности, максимальных расходов воды в зависимости от класса капитальности сооружения:
Класс сооружения ……..I II III IV Р °/о……………………0, 01 0, 1 0, 5 1
Временные гидротехнические сооружения V класса рассчитываются на пропуск максимальных расходов 10%-ной обеспеченности. Постоянные водопропускные сооружения на автомобильных дорогах рассчитываются на максимальные расходы воды следующих обеспеченностей:
Категория дороги……………………….I – II III – IV Бровка насыпи……………………………1, 0 2, 0 Отверстия мостов, труб…………………1, 0 2, 0 Ответвленные водоотводы………….....…2, 0 4, 0 Обвалование населенных пунктов, вход в шахты, тоннели и пр.……………. 0, 1 0, 1
При этом если наблюденный максимальный расход имеет обеспеченность меньше 1%, то он принимается в качестве расчетного. Технические условия проектирования железных дорог предусматривают расчеты отверстий мостов и труб на пропуск следующих расходов: а) наибольшего обеспеченностью 0, 33% для больших и средних мостов и 0, 2% для малых мостов и труб; б) расчетного обеспеченностью, указанной ниже:
Категория железной дороги…………………… I II III Класс сооружения по степени капитальности I I и II II Обеспеченность расхода, %............................1 (для труб 2) 1 (для труб2) 2
В зависимости от степени достаточности (длительности) ряда наблюдений и надежности исходных данных применяются следующие методы расчета максимальных расходов воды: а) при наличии длительного ряда гидрометрических наблюдений строится эмпирическая кривая обеспеченности, и верхняя часть экстраполируется за пределы наблюдений до заданных обеспеченностей с помощью теоретической кривой обеспеченности;
в) при наличии короткого ряда наблюдений, недостаточного для приведения его к длительному периоду, а также при отсутствии наблюдений по расчетному створу расчет производится косвенными методами – по методу аналогии или по формулам с обеспеченными параметрами. Дождевые максимумы. Дожди, по предложению Д. Л. Соколовского, можно разделить на три группы: 1) ливни – короткие и интенсивные дожди продолжительностью не более двух-трех часов и средней интенсивностью α 2) ливневые дожди продолжительностью от нескольких часов до нескольких суток со средней интенсивностью α 3) обложные дожди продолжительностью от двух-трех суток и более со средней интенсивностью α Ливни характерны для засушливых районов, в частности для лесостепной и степной зон европейской территории России. Как правило, они охватывают небольшие площади порядка десятков, реже сотен квадратных километров. Поэтому они могут вызвать значительные паводки лишь на малых водотоках с бассейном до 100 – 200 км², реже 1000 км². Многочисленные формулы по расчету дождевых максимумов разрабатывались в двух направлениях: 1) для определения размеров городских водостоков; 2) для расчета отверстий мостов. Кратко остановимся на каждом из этих направлений. Водостоки рассчитывают на пропуск дождевых и снеговых вод. Наибольшие расчетные расходы с водосборов населенных пунктов образуются при выпадении дождей. Однако не весь объем выпавших осадков попадает в водостоки. Часть его расходуется на инфильтрацию в грунт, испарение и смачивание растительного покрова. Это учитывается при определении расчетного расхода дождевых вод по формуле
где q – расчетная интенсивность дождя, л/сек на 1 га; σ – коэффициент стока; F – площадь бассейна, га; η – коэффициент неравномерности выпадения дождя, зависящий от площади стока и продолжительности дождя. Средние значения η составляют 0, 8 – 0, 9. При площади в 200 га и менее коэффициент η может быть принят равным единице. Значения коэффициента σ колеблются в больших пределах: от 0, 9 для бетонных и асфальтовых покрытий и до 0, 10 – 0, 20 – для садов и парков. Наибольшую сложность при вычислениях представляет собой величина q. На основании длительных наблюдений за ливнями впервые в Советском Союзе эта величина наиболее полно была изучена П. Ф. Горбачевым. Он исходил из того положения, что интенсивность дождя q изменяется в обратной зависимости от его продолжительности t:
где 166, 7 – переводной коэффициент; α – климатический коэффициент, колеблющийся в европейской части России от 0, 025 – на севере до 0, 053 – на юге; Н – среднегодовое количество осадков в мм высоты слоя; Р – период однократного переполнения водостоков в годах с колебаниями от 1 до 25 лет. Дальнейшее усовершенствование величины расчетной интенсивности дождя q было выполнено рядом авторов и научно-исследовательскими коллективами. Наибольшее признание получила формула Ленинградского научно-исследовательского института коммунального хозяйства, принятая в нормах и технических условиях проектирования канализации населенных мест (СНиП П-Г, 6-62):
Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-03-16; Просмотров: 1725; Нарушение авторского права страницы
Сначала составим уравнение водного баланса общего вида для речного бассейна, у которого достаточно хорошо выражен водораздел, а поверхностный и подземный водоразделы совпадают (рис. 1.2 а).
.(1.2)
), а отток поверхностных и подземных вод составит общий сток 
назовем потерями на испарение и обозначим 
. Изменение запасов влаги в почво-грунтах бассейна за рассматриваемый промежуток времени может иметь положительный и отрицательный знак 
). Тогда уравнение (1.2) для бассейна замкнутого контура запишется так: 
. (1.3)
.(1.4)
. (1.5)
.(1.6)
. Общий относительный объем и интенсивность обмена запасов влаги в бассейне, особенно подземных вод, характеризуют бассейновое регулирование стока. Степень бассейнового регулирования определяется размерами водосбора, характеристиками почво-грунтов, геологическим строением и глубиной залегания подземных водоносных горизонтов.
(1.7)
– осадки на зеркало озера; 
– суммарный приток воды, отнесенный к площади зеркала озера, 
– испарение с зеркала озера.
> 
– в озере появился излишек воды, повышается уровень и оно превращается из бессточного в проточное; 
, (1.8).
– сток из озера, отнесенный к площади зеркала озера.
, модульные коэффициенты расходов убывающего ряда 
(гр. 5) и значения (k -1), (k -1)2, (k -1)3 (гр. 6 - 9). Вычисления выполняются с точностью k – два знака после запятой, 
(числу членов ряда); 
. Погрешности за счет округления k при вычислении его с помощью логарифмической линейки обычно не велики, и если невязка не превышает 0, 2—0, 4, то она разбрасывается в ряд k. Грубые ошибки вычисления k и (k—1)2 скажутся на точности Cv и кривой обеспеченности, и поэтому значения k должны быть исправлены.
.
; 
%
; 
%
%, Cv = 0, 11, 
б) при наличии короткого ряда наблюдений, недостаточного для построения кривых обеспеченности, но достаточного для приведения его к длительному ряду, имеющийся короткий ряд приводится к длительному ряду и по последнему строятся кривые обеспеченности; 
10– 20 мм/час; 
, (5.20)
, (5.21)
При этом для величины А им была установлена такая зависимость: 
, (5.22)
, (5.23)