3163

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Мосты и транспортные тоннели»

Г И Д Р О Л О Г И Я

Методические указания к выполнению практических работ для студентов специальности 271501 «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей» очной формы обучения

Составители: М.С. Шмыров В.А. Збрицкий

Самара

2013

1

УДК 556

Гидрология : методические указания к выполнению практических работ для студентов специальности 271501 – «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей» очной формы обучения / составители : М.С. Шмыров, В.А. Збрицкий. – Самара : СамГУПС, 2013. – 20 с.

Методические указания предназначены для решения практических задач по гидрологическим расчетам, наиболее часто встречающимся в ходе оценки водных ресурсов и гидрометрических наблюдений за водными объектами.

В методических указаниях приведены теоретические основы, формулы и другие сведения для выполнения практических работ.

Утверждены на заседании кафедры 24.09.2012 г., протокол № 1. Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Составители: Шмыров Максим Сергеевич Збрицкий Владимир Александрович

Рецензенты: д.т.н, профессор заведующий кафедрой «Мосты и транспортные тоннели» В.Г. Рахчеев; к.т.н, доцент, заведующий кафедрой «Путь и строительство железных дорог» В.А. Покацкий

Подписано в печать 06.02.2013. Формат 60×90 1/16. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 7.

© Самарский государственный университет путей сообщения, 2013

2

Введение

В практической деятельности будущему инженеру специальности «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей» придется столкнуться с различными вариантами гидрологических расчетов.

Необходимость создания методических указаний по гидрологии обусловлена стремлением собрать различные материалы, связанные с расчетами важнейших гидрологических характеристик водных объектов. Данные указания не охватывают всего объема курса «Гидрологии», изучение которого предусмотрено Государственным общеобразовательным стандартом, и могут рассматриваться как практикум по гидрометрии и водохозяйственным расчетам.

Главная цель создания методических указаний – ознакомить будущих специалистов с основными расчетами, применяемыми в процессах проектирования и эксплуатации водных объектов, в том числе искусственно созданных.

Практические работы должны быть выполнены и представлены в стандартных тетрадях либо на листах бумаги формата А4. Практические работы должны быть написаны аккуратно, разборчивым почерком, без сокращения слов. В практических работах для всех именованных величин употребляется Международная система (СИ). Вычисления необходимо выполнять с точностью до трех значащих цифр. Отчет студентами по практическим работам производится в форме собеседования с преподавателем.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1

Определение среднего многолетнего стока реки

Цель работы: научиться определять средний многолетний сток реки по эмпирическим формулам.

Дано: средние многолетние значения для бассейна реки (табл. 1).

Таблица 1

3

Задание

1. Рассчитать средний многолетний сток Y0 по формулам М.А. Великанова и Д.Л. Соколовского, Б.В. Полякова, П.С. Кузина, С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля

иуравнению водного баланса.

2.Сопоставить полученные результаты.

3.Сделать выводы.

Краткие теоретические сведения

Речной сток понимают как перемещение воды в процессе ее круговорота в природе в форме стекания по речной сети. Здесь подчеркивается роль речного стока как звена круговорота воды на земном шаре, возвращающего океану часть воды, которая переносится атмосферой в виде пара из океана на сушу. Из океана испаряется больше воды, чем выпадает в виде осадков, практически на величину, соответствующую годовому стоку рек в океан. Разность осадков и испарения с поверхности океана (47 тыс. км3/год) представляет собой тот источник воды, который питает ежегодно все воды суши.

Из 47 тыс. км3/год, возвращаемых океану сушей, на подземный сток, не дренируемый реками, приходится 2,5 тыс. км3, на ледниковый – 3,7 тыс. км3(жидкий, т. е. талые воды около 1 тыс. км3, в виде айсбергов – 2,7 тыс. км3), подавляющая часть приходится на речной сток – около 40,8 км3/год. Вместе с речным стоком замкнутой части суши (0,8 км3/год) это составляет около 41,5 тыс. км3/год.

По скорости возобновления природные воды подразделяются на медленно возобновляемые – вековые или статические запасы – и ежегодно возобновляемые. Потребность народного хозяйства в пресной воде в основном удовлетворяется ежегодно возобновляемыми водными ресурсами, количественно оцениваемыми величиной речного стока. Использование вековых запасов обычно не предусматривается в водохозяйственных планах, таккакэтовлечетзасобойнарушениеустановившегосяравновесиявприроде.

Водный баланс – соотношение за какой-либо промежуток времени (год, месяц, декаду и т.д.) прихода, расхода и аккумуляции (изменение запаса) воды для речного бассейна или участка территории, для озера, болота или другого исследуемого объекта. В отдельных, частных случаях нет необходимости в детальном учёте всех составляющих баланса.

Ход решения

Расчеты по эмпирическим формулам производятся в случаях отсутствия данных гидрометрических наблюдений метеорологических станций. Формулы основаны на уравнении

где η0 – коэффициент среднего годового стока.

Для определения коэффициента стока η0 применяются различные формулы. Формула М.А. Великанова – Д.Л. Соколовского имеет вид

4

где k – коэффициент, определенный по карте изолиний и для данного района (табл. 2).

Таблица 2

Подставляя известные значения d0 и k в формулу Б.В. Полякова, получим η0 и, следовательно, Y0.

Формула П.С. Кузина имеет вид

Таблица 3

Подставляя значения d0, X0, и α в формулу (4), получаем η0 и, следовательно, Y0. Формула С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля имеет вид

По известным данным получаем Y0.

Сопоставление результатов вычисления стока по различным формулам для расчетного створа представляется в виде таблицы 4.

Таблица 4

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2

Расчет максимального расхода дождевого поводка реки по методу аналогии

Цель работы: научиться рассчитывать расход дождевого паводка реки вероятностью превышения P = 1 % по методу аналогии.

Дано:

Таблица 5

Русла рек чистые, постоянные, протекающие в одинаковых равнинных условиях, озер и болот в водосборах нет.

Период наблюдений по реке-аналогу n = 14 лет, вычисленный расход за этот период

Q1% = 940 м3/с.

Задание:

1.Рассмотреть указания к методу расчета.

2.Выбрать расчетную формулу и вычислить расход вероятностью превышения Q1%.

3.Сделатьвыводы.

Краткие теоретические сведения

Одной из важнейших задач гидрологов является измерение расходов воды в реках. Во внутригодовом (сезонном) режиме рек выделяют ряд характерных периодов (фаз) в зависимости отизмененияусловийпитанияиособенностейводногорежима. Длябольшинства

рекмираразличаютследующиефазыводногорежима: половодье, паводки, межень. Половодье – это фаза водного режима реки, ежегодно повторяющаяся в данных

климатических условиях в один и тот же сезон и характеризующаяся наибольшей водностью, высоким и продолжительным подъемом уровня воды.

Паводок – это фаза водного режима, которая может многократно повторяться в различные сезоны года и характеризуется интенсивным, обычно кратковременным увеличением расходов и уровней воды и вызывается дождями или снеготаянием во время оттепелей. В отдельных случаях расход воды паводка может превышать расход воды половодья, в особенности на малых реках. Различают одно- и многопиковые паводки, одиночные паводки и паводочные периоды, когда на реке проходят серии паводков.

6

Межень – это фаза водного режима, ежегодно повторяющаяся в один и тот же сезон, характеризующаяся малой водностью, длительным стоянием низкого уровня и возникающая вследствие уменьшения питания реки. В межень реки обычно питаются только за счет подземных вод. На многих реках России выделяют два периода пониженного стока – летнюю и зимнюю межень.

Для рек в условиях теплого климата главный вид питания – дождевое. Сток таких крупнейших рек мира, как Амазонка, Ганг и Брахмапутра, Меконг, формируется в основном за счет дождевых вод. Этот вид питания рек в глобальном масштабе является главнейшим.

Каждый дождь характеризуется слоем выпавших осадков (мм), продолжительностью (мин, ч, сут), интенсивностью выпадения (мм/мин, мм/ч) и площадью распространения (км2). В зависимости от этих характеристик дожди можно, например, подразделить на ливни иобложные дожди.

Ход решения

В данной практической работе рассмотрено применение метода аналогии при расчетах дождевого паводка заданной вероятности превышения при условии отсутствия наблюдений в расчетном створе.

При наличии многолетних наблюдений на реке-аналоге расчет максимального дождевого паводка производится по формулам:

аналога; δ1 – коэффициент, учитывающий зарегулированность максимального расхода проточными озерами; δ2’ – коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода заболоченного водосбора; Ф* – морфометрическая характеристика русла реки; n, n’ – показатели степени редукции 0,4/0,8 (n – числитель, n’ – знаменатель)

Остальные обозначения известны.

Формулы (7) и (8) применяются в зависимости от формы водосборов и уклонов сопоставляемых рек. Для сравнения формы водосборов и уклонов двух рек характеристики L и I определяются по формулам:

7

2–3 I.

Выбранные водосборы рек-аналогов должны иметь близкие значения суточных осадков вероятностью превышения P = 1 %.

Выбор расчетной формулы производится по результатам проверки соотношений

(10) и (11).

По условию задания в водосборах озер и болот нет, лесистость одинакова и в расчетные формулы она не входит.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3

Определение минимальных расходов воды реки при отсутствии наблюдений

Цель работы: научиться определять минимальные расходы воды реки при отсутствии наблюдений обеспеченностью 80, 90, 95 %.

Дано: средние годовые расходы заданной обеспеченности (табл. 7).

Таблица 7

Распределение стока по месяцам в процентах от годового за год с низкой меженью

(табл. 8).

Задание

1. Установить месяц, в котором сток в процентах от годового будет наименьшим.

8

2.Определить минимальные расходы заданной обеспеченности.

3.Сделать выводы.

Краткие теоретические сведения

Расходом воды называется её объем, протекающий через поперечное сечение потока в единицу времени. Для крупных водотоков – рек, каналов, водосбросов гидротехнических сооружений и т. п. – расход выражается в кубических метрах в секунду; расходы малых водотоков – родников, ручьев, лабораторных лотков и пр. – в литрах в секунду.

Расход воды является одним из основных гидравлических элементов потока. Для рек расход воды – важнейшая характеристика, определяющая другие ее параметры, как, например, уровень воды, скорость течения, уклон водной поверхности и др. На основании систематических определений расходов воды вычисляют величины средних суточных расходов, максимальные и минимальные расходы, а также объемы стока реки за тот или иной интервал времени.

Существующие методы определения расхода воды можно разделить на две основные группы: непосредственное измерение и косвенное определение.

К первой группе относится так называемый объемный метод, основанный на измерении расхода посредством мерных сосудов, подставляемых под струю воды. При этом измеряется время наполнения мерного сосуда. Расход определяется делением объема воды в сосуде на время наполнения. Практически этот метод применим только на малых водотоках – ручьях, родниках, лабораторных лотках и т. п. Этим методом можно измерять расход с большой точностью.

Косвенное определение расхода воды может выполняться различными методами, общей характерной особенностью которых является то, что в них измеряется не сам расход (объем воды), а отдельные элементы потока, при этом величина расхода получается путем вычислений. К таким методам относятся:

1)определение расхода по измеренным скоростям течения и площади поперечного сечения потока, сокращенно называемый методом «скорость–площадь»;

2)определение расхода с помощью мерных устройств: гидрометрических лотков, водосливов. В данном случае измеряемой величиной является напор на водосливе или во входной части лотка, при этом расход определяется по гидравлическим зависимостям;

3)определение расхода методом смешения; он имеет несколько разновидностей (электролитический, тепловой, колориметрический). В настоящее время применяется

9

преимущественно электролитический метод, в котором расход воды определяется в зависимости от изменения электропроводности вводимого в поток раствора электролита при смешении его с водной средой.

Метод «скорость–площадь» наиболее распространен в речной гидрометрии. Площадь поперечного сечения потока определяется по результатам измерений глубин, а скорости в отдельных точках живого сечения измеряются чаще всего гидрометрической вертушкой; реже для измерения скоростей применяют другие приборы или поплавки. К данному методу следует также отнести расчетный способ определения расхода по площади живого сечения и средней скорости потока, вычисленной по формуле Шези. В дальнейшем мы главное внимание обратим на способы определения расхода с применением гидрометрических вертушек, наиболее распространенные внастоящеевремявречнойгидрометрии.

Метод определения расхода с помощью мерных устройств применяется чаще всего при измерении небольших расходов воды – на малых речках, ручьях, логах, оросительных каналах. Кроме того, этим методом пользуются для определения расходов воды через водопропускные отверстия гидротехнических сооружений с целью учета стока воды на гидроузлах.

Метод смешения применяется главным образом на горных реках с большими скоростями течения, небольшими глубинами и сложным рельефом дна, где метод «скорость–площадь» не обеспечивает достаточную точность измерения скоростей течения и площади живого сечения. Необходимым условием успешного применения этого метода является хорошо выраженный турбулентный режим движения воды, при котором обеспечивается хорошее перемешивание вводимого в поток раствора с водной средой.

Ход решения

Метод расчета заключается в следующем. Для рек, по которым имеются кривые обеспеченности годового стока в процентах от годового стока и месячное распределение стока в процентах от годового для года с низкой меженью, минимальный расход заданной обеспеченности может быть вычислен по формуле

%12

мин %

QP% – средний годовой расход заданной обеспеченности.

Рассмотрим применение этого метода на данном примере. Из таблицы 8 видно, что в январе процент месячного стока будет наименьшим, a = 1 %.

Минимальный расход обеспеченности определяется по формуле (12).

Данным методом можно рассчитать минимальные расходы заданной обеспеченности для неизученного района при отсутствии материалов наблюдений, пользуясь картами годовых модулей стока; распределение стока по месяцам можно определить по методу аналогии с ближайшими районами.

10