книги из ГПНТБ / Быков В.Д. Гидрометрия учебник

РАЗДЕЛ VI

О П Р Е Д Е Л Е Н ИЕ ЗАВИСИМОСТИ МЕЖДУ РАСХОДАМИ И УРОВНЯМИ И ПОДСЧЕТ СТОКА ВОДЫ

Глава 20

ПОСТРОЕНИЕ КРИВОЙ РАСХОДОВ ПРИ ОДНОЗНАЧНОЙ ЗАВИСИМОСТИ МЕЖДУ РАСХОДАМИ И УРОВНЯМИ

20.1. Основные понятия

Зависимость между расходами и уровнями выражается гра­ фически кривой расходов, которая строится для определения стока воды. Стоком называется количество воды, протекшей через по­ перечное сечение водотока за определенное время. Вычисление стока производится, как правило, ежегодно за прошедший год. Внутри годового цикла обычно выделяют отдельные периоды, для которых величина стока вычисляется различными методами, на­ пример период ледостава, период развития водной раститель­ ности и др.

в деформируемом, заросшем или зашугованном русле реки. Наи­ более простой вид она приобретает в случае равномерного движе­ ния воды в недеформируемом русле с постоянной формой попе­ речного сечения, чего в естественных реках практически не бывает.

с ними рекомендуется книга Г. В. Железнякова [29]. Практически определение зависимости между расходом и уровнем произво­ дится на основе материалов наблюдений; таким путем получается коррелятивная зависимость.

В гидрометрии принято определять зависимость Q=f(H), т. е. зависимость расходов от уровней, хотя физически независимым переменным является расход воды, а уровень — функцией. Так при­ нято потому, что измерения уровней на гидрологических постах производятся ежедневно в стандартные сроки, а измерения расходов

вследствие большой трудоемкости делаются значительно реже. Частота измерения расходов различна для разных сезонов года и неодинакова для рек с различными режимами. Более часто из­

за годовой цикл сводятся в таблицу, носящую название «Измерен­ ные расходы воды». Следовательно, для построения кривой рас­ ходов используется столько точек, сколько было измерено в тече­ ние года расходов воды.

Кривая расходов строится в прямоугольной системе координат

258

значиой зависимостью, так как она не является функциональной: точки измеренных расходов всегда ложатся на графике с неко­ торым разбросом, что связано как с погрешностями измерений расходов и уровней, так и влиянием целого ряда причин, нару­ шающих связь расходов и уровней.

Однозначная связь охватывает нередко только ограниченный период времени. Для некоторых рек она может сохраняться в те­ чение года или нескольких лет. Однозначная кривая расходов всегда направлена выпуклостью вверх.

Во многих случаях зависимость Q = f{H) приобретает весьма сложный вид. Это объясняется влиянием различных причин, иска­ жающих эту зависимость. К их числу относятся: 1) неустановив­ шееся движение воды, 2) ледяные образования в русле, 3) зара­ стание русла водной растительностью, 4) неустойчивость русла — размывы и аккумуляция наносов, 5) переменный подпор. В по­ добных случаях однозначная зависимость нарушается: одному и тому же уровню соответствуют разные величины расходов воды. Например, при ледяном покрове при одном и том же уровне рас­ ход меньше, чем в открытом русле; при прохождении паводка при одном и том же уровне расход на подъеме больше, чем на спаде.

Перед тем как приступить к построению кривой расходов, необ­ ходимо проанализировать исходные материалы. Расходы, измерен­

и сокращенным способами, а также измеренные поплавками, ме­

и т. д. могут вызвать погрешности измерений. При анализе опре­ деляют уровень, при котором возможен выход воды из основного русла на пойму, выявляют наличие на пойме протоков, проверяют

на глаз по середине полосы рассеивания точек расходов, изме­ ренных при свободном состоянии русла, т. е. при отсутствии ледя­ ного покрова и водной растительности. На том же чертеже строят

откладывают: для кривой площадей — площади живого сечения при соответствующих уровнях воды, а для кривой средних скоростей — средние скорости течения. Эти шкалы проводят с некоторым сме­

кверху, что объясняется расширением профиля сечения реки с по­

к оси v, а при выходе воды на пойму получает перелом в сторону оси Н; это связано с уменьшением средней скорости ввиду значи­ тельного увеличения площади живого сечения.

н

деленных значениях уровня через равные интервалы путем умно­ жения соответствующих величин площади на среднюю скорость. При этом руководствуются правилом, что если полученная вели­ чина расхода отличается от снятой с кривой Q = f(H) больше чем

пользуясь построенной кривой расходов, составляют расчетную

интервала можно было бы принимать за прямые для прямолиней­

260

уровней вычисляют по интерполяции и заносят в соответствующие графы.

20.3. Подсчет стока воды

Ежедневные (средние суточные) расходы воды определяют по средним суточным уровням. В случае очень резких суточных ко­ лебаний стока вычисление средних суточных расходов производят как среднее арифметическое, взвешенное во времени, из срочных значений расходов воды, вычисленных для моментов, когда изме­ рялся уровень воды. Такой порядок вычисления средних суточных расходов воды применяют, в частности, при подсчете стока с ма­ лых водосборов, оборудованных самописцами уровней, например на стоковых станциях.

Полученные значения средних суточных расходов воды запи­ сывают в таблицу «Ежедневные расходы воды», сокращенно ЕРВ. В ней помещают значения расходов за весь год, при этом указы­ вают значения средних расходов за сутки, декады, месяцы, год, кроме того, указывают значения наименьшего и наибольшего рас­ ходов за месяцы и за год; экстремальные значения расходов за каждый месяц вычисляют по срочным измерениям уровня.

Таблицы ЕРВ публикуются в гидрологических ежегодниках. Они служат основой для определения стока воды за требуемые периоды времени.

Учет стока воды на гидроузлах. В главе 19 были описаны ме­ тоды определения расходов воды на гидроузлах. Средний суточ­ ный суммарный расход воды через гидроузел определяется сложе­ нием всех средних суточных расходов через турбины, водосливную плотину, шлюзы и другие водопропускные отверстия, а также уте­ чек и фильтрации. Таким путем вычисляют средние суточные рас­ ходы за каждый день года.

Учет стока воды на крупных ГЭС, а также на головных соору­ жениях оросительных систем выполняют имеющиеся на них спе­ циальные подразделения, в обязанность которых входит органи­ зация и проведение измерений расходов воды через турбины и все водопропускные отверстия, эксплуатация водомерных устройств и вычисление стока. Сведения о средних суточных расходах воды через створ сооружений гидроузла ежемесячно передаются управ­ лениям Гидрометслужбы, где они анализируются и подготавли­ ваются к опубликованию в гидрологических ежегодниках.

261

Глава 21

Э К С Т Р А П О Л Я Ц И Я К Р И В Ы Х Р А С Х О Д О В

Экстраполяцией кривой расходов называют продление ее вверх и вниз за пределы измеренных расходов воды. Экстраполяция не­ обходима для подсчета стока воды. Расходы воды обычно бывают измерены не при всех наблюдавшихся уровнях. Это особенно отно­ сится к высоким уровням при прохождении паводков и половодий; измерение расходов в этих условиях связано с техническими труд­ ностями, а также часто бывает невозможно из-за кратковремен­ ности периода пика паводка.

Принято считать кривую расходов надежной, если она обосно­ вана измерениями расходов при 80% амплитуды уровней пли более. При этом в остальной части амплитуды, не обоснованной измере­ ниями расходов, должна производиться экстраполяция.

Наиболее часто в гидрометрической практике проводится экстраполяция кривой расходов вверх. Если не обоснованная изме­ рениями расходов часть амплитуды уровней мала, то экстраполя­

близко к равномерному, для экстраполяции вверх разработаны достаточно простые и надежные способы. Наибольшие затрудне­

как правило, наблюдается неравномерное движение воды, картина которого бывает весьма сложна при наличии на пойме протоков, участков с различной шероховатостью и др.

Экстраполяция кривой расходов вниз обычно не вызывает за­ труднений.

Способов экстраполяции кривых расходов разработано много. Рассмотрим только основные, наиболее часто применяемые способы.

Следует отметить, что в некоторых случаях возникает необхо­ димость экстраполяции кривых расходов вверх до отметок, значи­ тельно превышающих положение наблюденных высоких уровней. Это бывает, в частности, необходимо для расчета кривых подпора при проектировании крупных гидроузлов. При этом от точности расчета положения кривых подпора зависит правильное определе­ ние границ затопления территории создаваемым водохранилищем. Методы экстраполяции кривых расходов для подобных случаев разработаны еще недостаточно; обычно экстраполируют «по тен­ денции».

21.1. Экстраполяция кривых расходов для беспойменных створов

Беспойменным створом называется створ, в котором отсут­ ствует пойма, т. е. при высоких положениях уровня воды поток остается в главном русле. С точки зрения методики экстраполя-

262

нием. Этот способ применяют в случаях, если не обоснованная из­ мерениями часть кривой расходов не превышает 10% амплитуды уровней и профиль поперечного сечения реки в пределах этой зоны не имеет резких переломов, а шероховатость русла существенно не изменяется.

В этом случае кривую расходов продолжают в том же направ­ лении на глаз до отметки наивысшего уровня осредненно ко всем точкам измеренных наибольших расходов. Экстраполированный участок кривой показывают обычно пунктиром.

Экстраполяция кривой расходов по элементам расхода. Этот способ заключается в том, что раздельно экстраполируют кривые <a = f(H) и v — f(H). Экстраполированные участки этих кривых используют для продления кривой расходов до высшего уровня. Кривую co = f ( # ) продолжают вверх, определяя величины пло­ щадей живого сечения по поперечному профилю створа при за­ данных уровнях. Кривую средних скоростей экстраполируют непо­ средственным продолжением на глаз. Расход воды определяют умножением площади живого сечения на среднюю скорость тече­ ния. Чаще всего ограничиваются только определением наиболь­

а русло реки при высоких уровнях имеет более сложную конфи­ гурацию и к тому же переменную шероховатость, то применяют другие способы экстраполяции. В этих условиях для успешной экстраполяции большое значение имеет наличие измеренных укло­ нов водной поверхности; при этом экстраполяция выполняется с помощью формулы Шези.

При отсутствии измеренных уклонов применяют другой прием, основанный на эмпирически установленном факте, что зависимость Q = f((d]/r!гСр) во многих случаях в верхней зоне амплитуды уров­ ней принимает вид прямой линии, экстраполяция которой не пред­ ставляет затруднений. На этом основан известный очень давно способ Дж . Стпвенса (1907 г.). Возможность применения способа Стивенса в последнее время подтверждена работами Д. Е. Скородумовой и Р. А. Шестаковой, при этом даже расширены пределы его применения.

Экстраполяция с помощью формулы Шези. Как уже указано, такую экстраполяцию производят только при наличии надежно измеренных уклонов водной поверхности. Хорошие результаты

263

получаются для рек, в которых движение воды можно принимать за равномерное, для которого справедлива формула Шези. Уста­ новлено, что в этих условиях при высоких уровнях воды величина коэффициента Шези сохраняет постоянное значение, C~const. Эта закономерность подтвердилась на большом материале натурных

Рис. 21.1. Экстраполяция кривой расходов по элементам расхода.

нием площади живого сечения, определяемой по профилю створа, на среднюю скорость течения, определяемую по формуле Шези:

рения уклонов водной поверхности, затем ее экстраполируют до требуемого высокого уровня непосредственным продолжением (рис. 21.2 а) . При наличии измеренных уклонов при высоких уров­ нях кривая проводится без экстраполяции.

Для построения кривой С = /(Я) по измеренным расходам вы­ числяют значения коэффициентов Шези по формуле (15.2). Кри­ вую C = f(H) экстраполируют непосредственным продолжением до требуемого высокого уровня (рис. 21.26).

264

обычно хорошие результаты для сравнительно крупных рек со сред­

в верхней части обычно переходящей в прямую, что представляет

пли точки на графике ложатся с большим разбросом, то данный способ неприменим. При незначительной кривизне считается допу­ стимым экстраполировать линию Q = f (со У /гС р) по тенденции верх­ него участка обоснованной измерениями расхода части. Если эта кривая имеет незначительную, но переменную по направлению кри­

начало координат, как это имеет место при прямолинейности верх­

265

расходы и соответствующие им уровни, для каждого расхода за­

По данным таблицы строят график зависимости Q =f (соУ 1гср);

значения Q откладывают по осп абсцисс, а значения a>y/iCp— по осп ординат. Это построение дела­ ют на том же листе, на кото­ ром построена и кривая рас­ ходов; ось абсцисс служит общей шкалой Q (рис. 21.4).

тем расходы переносят графически вверх до пересечения с линиями соответствующих уровней; по полученным точкам проводят кривую расходов в зоне экстраполяции. Если зона экстраполяции невелика, то нередко ограничиваются одной точкой — значением максималь­ ного расхода, как это показано на рис. 21.4.

Применяют другой прием экстраполяции по способу Стивенса.

266