Федеральное агентство морского и речного транспорта

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Волжская государственная академия водного транспорта

Кафедра водных путей и гидротехнических сооружений

Водные пути и речная гидравлика

Ч а с т ь 1

Методические указания

к выполнению контрольной работы по дисциплине «Водные пути и речная гидравлика» для студентов заочного обучения

специальности 180402 «Судовождение»

Составители: А.Н. Ситнов, Н.В. Кочкурова, А.К. Ишков,

Н.В. Железнова

Нижний Новгород

Издательство ФГОУ ВПО «ВГАВТ»

2008

УДК 627.09

В62

Отв. редактор – к.т.н., проф. Р.Д. Фролов

Водные пути и речная гидравлика : метод. указания к выпол. контр. работы для студ. заоч. обуч. специальности 180402 «Судовождение» / сост.: А.Н. Ситнов, Н.В. Кочкурова, А.К. Ишков, Н.В. Железнова. – Н. Новгород : Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2008. – 36 с.

Рассматриваются темы контрольной работы и задания. Даются вопросы для самопроверки. Приводится пример расчета.

Для студентов заочного обучения.

Работа рекомендована к изданию кафедрой водных путей и гидротехнических сооружений (протокол № 40 от 11 ноября 2007 г.).

© ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2008

Введение

Методические указания содержат материалы к выполнению и оформлению контрольной работы по курсу «Водные пути и речная гидравлика». Работа выполняется студентами заочного отделения специальности «Судовождение» (180402).

Варианты заданий приведены в конце методических указаний к каждой теме контрольной работы и принимаются по последним цифрам зачетной книжки студента. Контрольная работа выполняется в тетради с приведением необходимых графических материалов на миллиметровой бумаге и высылается в вуз до экзаменационной сессии.

1. Характеристика гидрологического режима участка судоходной реки

1.1. Общие положения

Судоходное состояние внутренних водных путей в значительной мере зависит от гидрологического режима водоема. Определение его параметров изложено в литературе [1, 2, 3, 4, 5].

Эффективная работа водного транспорта невозможна без учета уровенного режима водоема, режима скоростей течений, ледового режима и других факторов. Перечисленные параметры влияют на величину загрузки судов, скорость их хода, продолжительность навигационного периода.

Для квалифицированной оценки судоходного состояния конкретного участка водного пути и возможности ее последующего учета при организации работы флота или управлении судном специалисты водного транспорта должны знать закономерности изменения гидрологического режима водоема.

Учитывая, что судоходное состояние водного пути в первую очередь зависит от гидрологического режима водоема, в данном задании рассматриваются основные параметры, характеризующие водный режим участка пути. Наиболее затруднительными для судоходства обычно являются речные участки внутренних водных путей, поэтому для оценки гидрологического режима выбран участок реки в свободном состоянии.

Одной из наиболее важных характеристик реки является ее водность. Речной сток (водность) в основном характеризуется расходом воды Q, м³/с.

По данным наблюдений на гидрологических постах за изменениями расхода воды в реке, строят график зависимости среднесуточного расхода воды от времени наблюдений. Значение расхода воды Q откладывают на вертикальной оси, время в сутках – на горизонтальной (рис. 1). Этот график называется гидрографом.

Уровенный режим водоема характеризуется графиком колебаний уровня воды Н = f(t), где на вертикальной шкале откладываются отметки рабочего (то есть наблюдаемого в конкретный момент времени) уровня воды относительно нуля графика, а на горизонтальной – время (рис. 2). Нуль графика обозначает условную плоскость отсчета, называемую нулем гидрологического поста. В некоторых случаях нуль графика может оказаться выше низких рабочих уровней воды. Тогда кривая графика колебаний уровня частично расположится ниже горизонтальной шкалы и отметки рабочего уровня будут иметь отрицательные значения.

Отметки уровня воды принято выражать в виде:

– условных отметок, которые определяют величину отклонения поверхности воды в рассматриваемый момент от условной плоскости отсчета – нуля графика гидрологического поста; измеряются в сантиметрах;

– абсолютных отметок, которые отсчитываются от уровня Балтийского моря (абсолютный нуль); измеряются в метрах (мБС) и вычисляются по формуле

,

(1)

где Н_0граф – абсолютная отметка нуля графика гидрологического поста, м;

Н _усл – условная отметка уровня воды, м.

При оценке судоходных условий используется так называемый проектный уровень – низкий судоходный уровень, по отношению к которому устанавливают гарантированные габариты судового хода.

Рис. 1. Гидрограф

Рис. 2. График колебаний уровня воды

Разница между отметками рабочего и проектного уровней воды называется срезкой и определяется по формулам:

,	(2)
,	(3)
где – условная отметка рабочего уровня воды, см;
– условная отметка проектного уровня воды, см;
– абсолютная отметка рабочего уровня воды, м;
– абсолютная отметка проектного уровня воды, м.

В течение года на реке наблюдаются следующие характерные временные периоды, свойственные рекам, находящимся в естественном (не зарегулированном водохранилищами) состоянии и повторяющиеся каждый год, но с разной продолжительностью и интенсивностью сопровождающих их колебаний уровня воды:

– зимний период, который наблюдается с начала процесса образования устойчивого ледяного покрова (ледостава) на реке и до его окончания (зимняя межень);

– весенний период, когда происходит таяние снега, сопровождающееся резким поднятием уровня воды в реке (половодье);

– летне-осенний период, сопровождающийся стоянием низких уровней воды с непродолжительными паводками, то есть некоторым поднятием уровня при выпадении атмосферных осадков (летне-осенняя межень).

Эти периоды наглядно иллюстрируются графиками Q = f(t) (рис. 1) и H = f(t) (рис. 2). Но для того, чтобы определить их границы, необходимо выделить характерные уровни воды, наблюдаемые в течение года (см. рис. 2):

– низкий зимний (цифра 1);

– конец ледостава (цифра 2);

– начало интенсивного подъема половодья, когда уровень воды поднимается не менее чем на 5 см за сутки (цифра 3);

– пик половодья (цифра 4);

– конец интенсивного спада половодья (цифра 5);

– наинизший меженный (цифра 6);

– начало ледостава (цифра 7).

При гидрологических прогнозах, оценке влияния величины сбрасываемого через гидроузел расхода воды на отметку уровня воды в нижнем бьефе используется график связи уровней и расходов воды Q = f(Н) (рис. 3). Кривая графика является осредненной линией, проходящей по полю точек. График Q = f(Н) строится по двум графикам: Q = f(t) (см. рис. 1) и Н = f(t) (см. рис. 2) – или соответствующим им таблицам.

Рис. 3. Кривая расходов воды

График связи уровней и расходов воды строится в следующем порядке:

1. По графику Q = f(t) для конкретного значения расхода воды определяют дату его наблюдения.

2. По графику H = f(t) для этой даты определяют значение отметки уровня воды.

3. Полученные значения расхода и отметки уровня воды откладывают на осях графика Q = f(Н) и на их пересечении ставят точку.

4. Повторяют те же действия для других значений расхода воды, руководствуясь при этом следующими правилами:

– количество точек на графике Q = f(Н) не должно быть меньше десяти, и они должны быть четко прорисованы;

– связь расходов и уровней устанавливается прежде всего для характерных семи уровней воды, наблюдаемых в течение года (см. описание графика H = f(t)), а также уровней на пике и спаде паводков и при необходимости – другие точки;

– самая высокая точка на графике Q = f(Н) должна соответствовать самому высокому уровню воды и соответствующему ей наибольшему расходу воды;

– самая низкая точка на графике показывает минимальное значение расхода воды или уровня.

Решение некоторых инженерных задач (установление высоты проектируемых причалов, пролетных строений мостов, отметок проектного уровня и др.) требует достаточно точной количественной оценки уровенного режима, в том числе и в перспективе. Для получения подобных данных прибегают к статистической обработке отметок уровней воды за большой ряд лет и построению расчетной кривой их продолжительности (обеспеченности).

График продолжительности стояния ежедневных уровней Н = f(Р) показывает продолжительность наблюдения конкретного уровня воды на данной отметке или выше ее (рис. 4).

Рис. 4. График продолжительности (обеспеченности) стояния уровней воды

Построение этого графика выполняют с учетом следующих рекомендаций:

– горизонтальная ось графика соответствует продолжительности навигации в сутках, вертикальная ось повторяет вертикальную ось графика H = f(t) и показывает условные отметки уровня воды в см;

– для построения кривой продолжительности стояния уровней воды график H = f(t) в пределах периода навигации разбивают горизонтальными линиями на 8–10 равных частей, при этом верхняя линия проходит через точку пика половодья, нижняя – через точку наинизшего меженного уровня воды;

– определяют продолжительность стояния n₁, n₂, n₃ и так далее в сутках уровней Н₁, Н₂, Н₃ и так далее, при этом уровень пика половодья принят за одни сутки, а наинизший меженный уровень – весь период навигации;

– точки с координатами (n₁, Н₁), (n₂, Н₂), (n₃, Н₃) и так далее отмечают на графике продолжительности и соединяют плавной кривой. Верхняя точка кривой соответствует периоду наблюдения за одни сутки и отметке уровня пика половодья, нижняя точка – продолжительности всего периода навигации и отметке наинизшего меженного уровня воды;

– для получения значений обеспеченности стояния уровней в процентах дополнительную горизонтальную ось разбивают на проценты, при этом 100% соответствует продолжительность стояния наинизшего меженного уровня воды, промежуток от 0 до 100% разбивается пропорционально.

Низкие уровни воды имеют высокую процентную обеспеченность. Например, проектный уровень соответствует обеспеченности 80–99% для различного разряда водных путей. Высокие уровни воды имеют низкую процентную обеспеченность. Например, уровень пика половодья с обеспеченностью 1–10% используется для назначения отметок территории портов различной категории.