Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы гидрологии. Учебное пособие для СПО
.pdf
составлена номограмма (рис. 21), позволяющая определить норму
суммарного испарения в зависимости от нормы осадков (
него радиационного баланса (
). Норму осадков находят для данно-
B
N
) и сред-
x
N
го пункта по климатологическому справочнику, норму радиационного баланса – по карте.
Метод турбулентной диффузии, разработанный А.Р. Константи-
новым, основан на установлении закономерностей перемещения водяного пара в приземном слое атмосферы. В результате специальных
исследований была установлена связь вертикальных градиентов температуры и влажности
воздуха, а также скорости ветра – с температурой и влажностью воздуха, измеренными на метеорологических
станциях. По полученным зависимостям А.Р. Константинов разработал расчетные графики для определения суточного испарения по
срочным значениям температуры и влажности воздуха, измеренным
на метеостанции, а также номограмму для вычисления среднего многолетнего годового испарения по средней
годовой температуре
и влажности воздуха (рис. 22). Техническими условиями рекомендуется применять этот метод для расчета испарения в районах избыточного и достаточного увлажнения.
Рис. 21. Номограмма для вычисления среднего многолетнего годового
испарения (Е, мм/год) по уравнению связи
51
Рис. 22. Номограмма для вычисления среднего многолетнего годового
испарения Е по средней годовой температуре (t°) и влажности (
) воздуха
e
мб
Температура воздуха и почвы. Влияние температуры воздуха
и почвы на речной сток проявляется через размеры испарения и через
интенсивность снеготаяния. Неравномерное распределение стока
внутри года вызвано тем, что в холодный период года осадки в виде
снега накапливаются на водосборе, а в период половодья, в связи с
резким повышением температуры воздуха, во
много раз увеличивается сток. При промерзшей почве поверхностный сток будет больше,
чем с талой почвы, так как в последнем случае часть воды теряется на
фильтрацию в почву. Температура воздуха и почвы характеризуется
суточными, годовыми и многолетними колебаниями. Максимум температуры почвы в средних широтах наблюдается в 14÷15 часов, минимум –
перед восходом солнца. Амплитуда колебания температуры
почвы зависит от ее теплопроводности, теплоемкости и цвета. С глубиной амплитуда суточных колебаний постепенно уменьшается
и ниже глубины 70÷100 см начинается слой постоянной суточной
температуры. Максимум температуры на поверхности почвы (в годовом ходе) наблюдается в июле-августе, минимум – в январе. Амплитуда годовых колебаний
температуры на большей части Российской
Федерации составляет около 30 °С (в то время как амплитуда колебания температуры воздуха, например, в Среднем Поволжье, составляет
52
84 °С). В зимнее время температура почвы с глубиной повышается,
летом – понижается. Годовые колебания температуры почвы распространяются на глубину около 20 м.
53
4. РЕЧНОЙ СТОК
4.1. Характеристики речного стока
Количественными характеристиками стока реки в определенном
створе являются [4, 5, 8].
3
1. Мгновенный, или секундный расход воды Q, м
ство воды, протекающей через поперечное сечение потока в секунду.
Имея секундный расход воды, можно путем несложных вычислений
получить: средний суточный, средний декадный, средний месячный,
средний годовой, средний многолетний расход воды.
2
2. Модуль стока М, л/с·км
– количество воды, стекающей с еди-
/с – количе-
ницы площади водосбора. Модуль обычно выражается в литрах в се-
2
кунду с 1 км
. Между модулем и расходом воды существует соотно-
шение:
F
3
10⋅
,
(33)
M
Q
=
где F – площадь водосбора.
Величина модуля дает представление о водности данной реки и
позволяет сравнивать ее с водностью других рек. Исходя из формулы
(32), зная модуль стока, можно определить расход воды:
10
FMQ⋅
.
3
(34)
3. Объем стока (W, м
=
3
) – количество воды, прошедшее через по-
перечное сечение реки за определенный период времени. Объем сто-
3
ка за год обычно выражают в млн м
. Зная средний годовой секунд-
ный расход воды, можно получить годовой объем по формуле:
6
,
QW
1056,31 ⋅=
где
6
1056,31 ⋅ – количество секунд в году.
Величину годового объема стока можно выразить через модуль
стока:
54
(35)
M
FM
⋅
W ⋅⋅⋅=
6
⋅=
1056,31 .
10
3
6
1056,31
FM
(36)
4. Слой стока (h, мм) – высота слоя воды, полученного при рав-
номерном распределении объема стока за период по всей площади
водосбора. Высоту слоя стока обычно выражают в миллиметрах для
сравнения его со слоем выпавших осадков или слоем испарения.
Слой стока можно выразить через объем:
⋅
⋅
10
3
W
h
=
F
W
=
F
.
36
1010
⋅
(37)
Средний годовой слой стока (мм/год) можно выразить через мо-
дуль, исходя из следующего равенства:
6
10
10
⋅⋅=⋅Fh
,
3
(38)
3
1056,31
MF
отсюда:
h ⋅= 56,31
M =
,
(39)
h
.
(40)
56,31
5. Модульный коэффициент (К) – отношение любой характери-
стики стока за какой-либо период (год, сезон, месяц) к среднему многолетнему ее значению:
W
h
h
iiii
====
W
,
0000
(41)
где
Q
Q
M
K
Q
,
,
,
M
i
h
i
i
– соответственно, расход, модуль, слой и объем сто-
W
i
M
ка за год;
,
,
,
Q
M
0
h
0
0
– средние значения расхода, модуля, слоя, объема из
W
0
ряда в (п) лет.
Модульный коэффициент К широко используется в гидрологических расчетах. По его величине судят о водности данного года или
периода (если K > 1, то год или период многоводный, если К < 1, то
год или период маловодный, так как сток меньше среднего многолетнего значения).
55
6. Коэффициент стока (α) – отношение слоя стока (h, мм) к слою
осадков (х, мм) за рассматриваемый период. Коэффициент стока по-
казывает, какая часть выпавших осадков стекает (α всегда меньше
единицы). Например, коэффициент стока р. Волги у г. Самары составляет 0,29, а в южных районах Заволжья – лишь 0,14.
4.2. Годовой сток
Количество воды, стекающей с данного
бассейна за год, называет-
ся годовым стоком. Годовой сток не является величиной постоянной
во времени, так как он зависит от меняющихся климатических факторов, а также от физико-географических характеристик бассейна. Путем длительных наблюдений установлено, что колебания годового
стока носят циклический характер, выражающийся в последовательной смене многоводных и
маловодных лет [2, 4, 11, 14]. Циклы могут
различаться как по своей длительности, так и по размерам отклонений стока от среднего многолетнего значения. Некоторые циклы выражены четко, в других на общем фоне повышенного стока встречаются отдельные маловодные годы или наоборот – в маловодном
цикле встречаются многоводные годы. Продолжительность циклов –
от 10÷15 лет до 20÷30 лет
. Причиной циклических колебаний стока
являются колебания солнечной активности, вызывающие изменения
общей циркуляции атмосферы, а следовательно, и изменение климатических условий, влияющие на сток.
Норма годового стока. Нормой годового стока называется сред-
няя величина годового стока за многолетний период. При этом ряд
наблюдений должен быть такой длительности, при которой дальнейшее
увеличение числа членов ряда не меняет значения нормы.
Норму стока можно получить с достаточной точностью по ряду,
включающему наибольшее число полных циклов колебаний водности реки. Норма стока является очень важной характеристикой стока, которую необходимо обязательно определять при проектирова-
56
σ
σ
σ
σ
нии гидротехнических сооружений, водохранилищ, оросительных
систем и т.д.
Расчет нормы годового стока. При расчете нормы стока могут
встречаться три следующих случая:
1 – имеется длительный ряд наблюдений за стоком;
2 – короткий период наблюдений;
3 – наблюдения отсутствуют.
Рассмотрим случаи в соответствии с СП 33-101-2003 «Определение основных расчетных гидрологических характеристик» [17].
1. Определение нормы стока при
наличии многолетних гид-
рометрических наблюдений. В этом случае норму стока вычисляют
как среднее арифметическое значение из ряда годовых величин стока:
N
Q
где
Q
=
N
– годовые величины стока, м3/с;
Q
i
i
1
,
N
(42)
N – число лет наблюдений.
Такое значение нормы может быть получено тогда, когда N стремится к бесконечности. При ограниченном числе лет наблюдений п,
как это обычно встречается в расчетах, среднее арифметическое значение ряда (
) отличается от истинного значения нормы (
Q
0
личину относительной средней квадратичной ошибки (
) на ве-
Q
N
) получен-
n
ного среднего арифметического значения:
,
±=
nN
(43)
где
n
Величина
QQ
0
– относительная средняя квадратичная ошибка нормы, %.
не должна превышать 5 % – средняя квадратичная
n
ошибка нормы зависит от числа лет наблюдений (чем меньше ряд,
тем больше ошибка), а также от степени колебания годового стока
в течение многолетнего периода относительно среднего значения, то
есть от изменчивости стока, выражаемой коэффициентом вариации
. Относительная средняя квадратичная ошибка вычисляется в про-
C
v
57
σ
σ
σ
центах от среднего арифметического значения стока за расчетный период:
σ
ν
%
n
⋅=
n
,
%100
(44)
C
где n – число лет наблюдений над годовым стоком;
– коэффициент вариации годового стока, определяемый по
C
ν
формуле:
C
где
– среднее квадратичное отклонение годовых величин стока от
x
их среднего за период значения (
x
=
ν
,
Q
0
). Величина
Q
0
определяется по
x
формуле:
2
)(
−
σ
=
x
QQ
i
0
.
1
−
n
При продолжительности наблюдений более 30 лет в формуле (46)
под корнем в знаменателе величина n.
Из формулы (43) видно, что легко установить число лет наблюдений n для получения нормы с необходимой точностью:
22
100
C
⋅
n
ν
=
σ
.
2
n
(45)
(46)
(47)
Расчетный период для определения нормы стока необходимо выбирать с учетом цикличности многолетних колебаний стока. Каждый
цикл имеет многоводную и маловодную фазы, на протяжении которых взаимно компенсируются отклонения стока от средней величины. Чем больше ряд включает законченных циклов, тем точнее расчет
нормы. Неполные циклы (имеющие только многоводную или
маловодную фазы) во внимание не принимаются. При периоде наблюдений более 60 лет норму стока вычисляют с учетом всего ряда, так как
прибавление числа лет в этом случае почти не изменит среднюю
арифметическую величину. Выделение циклов водности и фаз производится на основании разностных суммарных (интегральных) кривых
58
годового стока, которые обычно строятся по модульным коэффициентам К. Определяются отклонения модульных коэффициентов для
каждого года от их среднего многолетнего значения (от единицы),
которые последовательно суммируют и наносят на график
=− )()1( tfK (рис. 23).
Разностная интегральная кривая имеет следующее свойство: от-
клонение среднего модульного коэффициента
времени от единицы (то есть от среднего многолетнего значения
K за любой интервал
ср
)
K
равно тангенсу угла наклона линии, соединяющей точки начала
и конца интервала:
yy
−
нк
,
n
(48)
где
K
и
y
к
– конечная и начальная ординаты суммарной кривой для
y
н
ср
=−1
рассматриваемого отрезка времени; п – число лет в рассматриваемом
периоде.
Рис. 23. Разностная интегральная кривая модульных коэффициентов стока
р. Белой у г. Уфы
При положительном значении )1( −
K участок кривой имеет на-
ср
клон вверх, что соответствует многоводной фазе цикла; при отрица-
59
тельном значении )1( −K участок кривой имеет наклон вниз – мало-
водная фаза цикла. Пользуясь этим свойством, можно легко выделить
на интегральной кривой начало и конец цикла водности и соответствующих фаз для определения расчетного периода при вычислении
нормы.
2. Определение нормы стока при коротком ряде наблюдений.
При недостаточном объеме гидрометрических данных норму годового стока
можно определить следующими методами [17]:
а) методом корреляции;
б) графическим методом – по графику связи годовых величин сто-
ка в короткорядном пункте и бассейне-аналоге с многолетними данными по стоку;
в) аналитическим методом приведения стока к многолетнему пе-
риоду.
Все три метода основаны на приведении коротких рядов к дли-
тельному установлению
связи между стоком в недостаточно изученном бассейне и стоком в бассейне-аналоге. В соответствии с СП
33-101-2003 «Определение основных расчетных гидрологических характеристик» выбор реки-аналога производится с соответствующими
требованиями:
а) сходные климатические условия;
б) синхронные колебания стока во времени;
в) однородные условия формирования стока: примерно одинако-
вые почвогрунты, гидрогеологические
условия, залесенность, озер-
ность и заболоченность бассейнов рек;
г) по возможности близкие по размерам площади водосбора и их
средняя высота (для горных рек);
д) отсутствие существенно искажающих сток изъятий и сбросов
воды.
Кроме этого, при выборе аналога учитывается цикличность колебаний стока в сравниваемых бассейнах на основе разностной интегральной кривой
модульных коэффициентов. Для этой цели строятся
совмещенные разностные интегральные кривые по опорному пункту
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]