3164

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 лабораторных 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 лабораторных 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. – 19 с.

В методических указанияхприведены теоретические основы, формулы и другие сведения для выполнения лабораторных 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 (СамГУПС); к.т.н, доцент, заведующий кафедрой «Путь и строительство

железных дорог» В.А. Покацкий (СамГУПС)

Подписано в печать 06.02.2013. Формат 60×90 1/16. Усл. печ. л. 1,2. Тираж 100 экз. Заказ 6.

© Самарский государственный университет путей сообщения, 2013

2

Общие требования по выполнению лабораторных работ

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Гидрология» предназначены для студентов-строителей очной и заочной форм обучения.

Методические указания построены таким образом, чтобы студенты получили общие сведения о масштабах и разнообразии различных гидрологических явлений и объектов, закономерностях их распространения, роли в природе и жизни человека, научились определять гидрографические и гидрометрические характеристики и элементы стока, анализировать и обрабатывать информацию о водах разного генезиса.

Методические указания охватывают 4 темы, включающих 4 задания, для выполнения которых необходимо использование литературных источников, приведенных в библиографическом списке.

Для успешного выполнения лабораторных работ рекомендуется соблюдать следующие требования:

•задания аккуратно выполняются в отдельной тетради;

•обязательно указываются тема, задание, приводятся табличные и графические материалы, перечисляются этапы выполнения работы, пишется вывод;

•графические материалы выполняются в тетради, на миллиметровке простым карандашом с указанием масштабов, необходимых индексов, легенды, нумерации и подписи к рисункам (выполняется снизу). Таблицы нумеруются и подписываются сверху.

Впрактических работах для всех именованных величин употребляется Международная система (СИ). Вычисления необходимо выполнять с точностью до трех значащих цифр. Отчет студентами по лабораторным работам производится в форме собеседования с преподавателем.

Выполнение указанных условий и требований в комплексе с самостоятельным творческим подходом к выполнению лабораторных работ обеспечит высокий уровень теоретических знаний и практических умений и навыков у студентов.

4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЧНОГО СТОКА

Цель работы: рассчитать характеристики речного стока.

Понятия и определения

Общая характеристика речного стока. Годовой сток рек является результатом суммирования двух генетически разнородных видов стока – подземного и поверхностного. В свою очередь, поверхностный сток формируется за счет стока талых снеговых вод и стока летне-осенних дождевых и зимних паводков. В условиях Центрального Черноземья дождевой сток в летний период наблюдается редко и, как правило, невелик. Поверхностный сток осенних и особенно зимних паводков в отдельные годы может достигать более существенных значений, однако в большинстве случаев он также невелик. В целом, сток дождевых летне-осенних и зимних паводков в пределах рассматриваемой территории не превышает 5 % от общего поверхностного стока. Основная составляющая поверхностного стока в условиях Центрального Черноземья – весенний поверхностный сток. Данные факторы и условно постоянное питание подземными водами, которое получает река из соответствующего водоносного горизонта, является генетической предпосылкой для существования в каждом конкретном речном бассейне достаточно выраженной зависимости годового стока реки от весеннего поверхностного стока (В. М. Мишон). Анализ графиков связи годового и весеннего поверхностного стока большинства рек показывает, что для юго-восточных (лесостепных и степных) районов, где подземный сток сравнительно мал, а доля весеннего поверхностного стока в годовом стоке велика, отмечается высокий уровень корреляции (коэффициент корреляции r = 0,85–0,95). Питание рек в меженный период осуществляется преимущественно подземными водами. Минимальный речной сток отмечается два раза в год: в летний и зимний периоды года. Режим летней межени обычно нарушается редкими дождевыми паводками, а зимой – поверхностным притоком во время оттепелей. Летнеосенняя межень наступает в конце мая – начале июня, а окончание приходится на ноябрь (в 2008 г. – середина ноября). При отсутствии осенних паводков летне-осенняя межень плавно переходит в зимнюю межень. Продолжительность летне-осенней межени колеблется в пределах 95–180 суток. Минимальные среднемесячные расходы летнеосенней межени в годы 50 % и 95 % обеспеченности по всем рекам-аналогам территории ниже, нежели расходы в зимнюю межень. Зимняя межень устанавливается обыкновенно во второй половине ноября – начале декабря. Продолжительность зимней межени составляет 60–130 суток. Завершается зимний меженный период, как правило, в первой декаде – середине марта.

Для количественной оценки речного стока применяются следующие характеристики:

Объем стока (W, м3) – количество воды, протекающее в русле реки через данный

5

где T – время, число секунд в году (31,54 · 106 с), Q – средний расход, м3/с.

Норма стока (Y, м3/с) – средняя арифметическая величина стока (расхода), вычисленная за длительный (более 50 лет) период. Также она рассчитывается по формуле:

где W – объем стока, м3; F – площадь водосбора, км2.

Коэффициент стока (α, η, безразм) – отношение величины (объема или слоя) стока к количеству выпавших на площадь водосбора атмосферных осадков, обусловивших возникновение стока:

где d – средний многолетний дефицит влажности воздуха, мм.

Задание. По данным, приведенным в таблице 1, и на основании формул (1–6) рассчитать характеристики речного стока, помеченные вопросительным знаком.

Таблица 1

Примечание: «?» – найти, «-» – данные отсутствуют.

6

Выполнение работы:

1.По формуле (1) определить объем стока (W, м3).

2.Зная расход (Q) и площадь водосбора (F), определить из формулы (3) модуль стока (М, л/с · км2), для чего значение расхода переводится из м3/с в л/с.

3.Слой стока (А, мм) рассчитать с помощью формулы (4), для чего предварительно объем стока и площадь водосбора перевести соответственно в мм3 и мм2.

4.Коэффициент стока (α(η)) вычислить согласно формуле (5).

Таким образом, все искомые величины будут найдены. Аналогично с применением формул (1–6) решаются все тестовые задачи.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

МОРФОЛОГИЯ РУСЛА И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОТОКА

Цель работы: научиться строить профиль водного сечения реки, определять его площадь, ширину реки, смоченный периметр, гидравлический радиус, среднюю и максимальную глубины реки и проводить изотахи.

Понятия и определения

Морфологические особенности русла реки могут быть охарактеризованы с помощью плана или поперечного профиля. Поперечный профиль реки – это график изменения отметок дна и водной поверхности поперек русла. Сечение русла реки вертикальной плоскостью перпендикулярной направлению течения называется водным сечением потока. Часть площади водного сечения, где наблюдаются скорости течения, является площадью живого сечения (W, м2).

Ширина реки (В, м) – это кратчайшее расстояние между урезами воды на обоих берегах.

Средняя глубина (Нср., м) – отношение площади живого сечения к ширине реки:

изотах и эпюр (рис. 1).

Изотахи – линии, соединяющие в живом сечении реки точки с одинаковыми скоростями воды, т.е. это линии равных скоростей.

7

Таблица 2

Ведомость измеренных скоростей течения в живом сечении р. Ока, пост № 1, 27.07.1990 г.

8.Выделить на каждой промерной вертикали своего варианта точки, соответствующие 0,1Н (от поверхности), 0,2Н, 0,6Н, 0,8Н и 0,1 (от дна). Проставить возле них значения скорости течения (колонки 4–8).

9.Методом интерполяции провести изотахи через каждые 0,05 м/с, начиная с 0,30 м/с. Каждая изотаха должна плавно, не упираясь в дно, выходить на поверхность. В разрывах указать ее значение.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ РЕКИ

Цель работы: рассмотреть формулы расчета мощности и выразить её в лошадиных силах и кВт.

Дано: река (табл. 3), средний многолетний расход воды реки в устье (м3/с), площадь водосбора (км2) и падение реки от истока до устья (м) и общая длина реки (км) берутся студентами самостоятельно.

Таблица 3

Реки для задания

9

Задание. Вычислить полную и удельную мощность реки. Сделать выводы.

Понятия и определения

Рекой называется водный поток, протекающий в естественном русле и питающийся за счет поверхностного и подземного стока речного бассейна.

Атмосферные осадки не сразу попадают в реки. Сток их осуществляется сначала в виде временных потоков, возникающих в период таяния или выпадения дождей. Сливаясь вместе, они дают начало постоянным потокам – сначала ручьям, малым речкам, а затем рекам. Водность рек увеличивается притоком подземных вод, дренируемых речными руслами. Реки выносят свои воды в океаны, моря или озера. Река, впадающая в один из таких водоемов, называется главной рекой, а реки, впадающие в нее, – ее притоками. Совокупность всех рек, сбрасывающих свои воды через главную реку в море или озеро, называется речной системой или речной сетью.

Реки, озера, болота, балки, овраги данной территории составляют гидрографическую этой территории. Таким образом, речная сеть есть часть гидрографической сети.

Различают притоки различных порядков. Реки, впадающие непосредственно в главную реку, называются притоками первого порядка, притоки этих притоков – притоками второго порядка и т. д.

Мощность реки может быть вычислена для всей её длины (кадастровая, или полная, мощность), для отдельного участка, а также на единицу её длины (удельная мощность).

Для вычисления кадастровой мощности или мощности реки на участке используется формула

Мощность реки может быть выражена также в лошадиных силах (1 л. с. = 0,073 кВт = 75 кгс·м/с) или киловаттах (1 кВт = 1,36 л. с.).

Так как уклоны реки обычно заметно изменяются от истоков к устью, то полную, или кадастровую мощность, полученную для отдельных участков, находим по формуле, кВт:

9,8 , 12

где N – полная, или кадастровая, мощность реки; Qi – средний многолетний расход воды на отдельном участке, м3/с; Hi – падение уровня воды на участке, метры.

Удельная мощность реки вычисляется по формуле

где N – кадастровая мощность или мощность на участке, кВт или л. с.; L – длина реки или участка, километры. Можно вычислить также и отношение кадастровой мощности реки к площади бассейна.

10