Характеристики водности рек

24

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ИРКУТСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

КАФЕДРА ЗЕМЛЕУСТРОЙСТВА

Расчетно-графическая работа

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ГИДРОЛОГИЯ»

Иркутск 2008

Содержание

Введение

1. Характеристики водности рек

2. Расчеты испарения

2.1 Определение испарения с малого водоема при отсутствии данных наблюдений

2.2 Определение испарения суши с помощью карты изолиний испарения

2.3 Определение испарения с суши по уравнению связи теплового и водного балансов

3. Вычисление расхода воды аналитическим способом

4. Расчет годового стока

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Значение гидрологии, гидрометрии и регулирования стока определяется главными задачами водного хозяйства как отрасли науки и техники, охватывающей учет, изучение, использование, охрану водных ресурсов, а также борьбу с вредным действием вод.

Гидрология - это наука, изучающая гидросферу, включая океаны и моря, реки, озера, болота, почвенные и грунтовые воды, снег и ледники, влагу атмосферы, а также ее свойства и протекающие в ней процессы и явления во взаимосвязи с атмосферой, литосферой (земной корой) и биосферой.

Вода - основная среда, обеспечивающая обмен веществ и развитие организмов. С древнейших времен жизнь человека и развитие культуры связаны с водой. Она широко используется в промышленности, энергетике, сельском и рыбном хозяйстве, в медицине и т.д. Вода - объект изучения физики, химии, механики и других наук.

Гидрология тесно связана с метеорологией - наукой об атмосфере и происходящих в ней процессах, и в первую очередь с той ее частью, которая исследует влагооборот и испарение с поверхности воды. Взаимосвязь гидросферы с литосферой наиболее отчетливо проявляется в процессах формирования земной поверхности под влиянием деятельности воды. В свою очередь, рельеф земной поверхности оказывает существенное влияние на образование водных потоков. Поэтому гидрология имеет много общего с геоморфологией - наукой, изучающей закономерности возникновения и развития форм земной поверхности.

Раздел гидрологии, изучающий поверхностные воды, называется гидрологией суши или континентальной гидрологией. Раздел гидрологии по изучению воды океанов и морей называют гидрологией океанов и морей или океанологией.

Гидрология грунтовых (подземных) вод называется гидрогеологией. В гидрологию входят те разделы гидрогеологии, которые изучают взаимодействие поверхностных и подземных вод, питание рек грунтовыми водами и др. Разделы гидрогеологии, изучающие способы поиска и добычи грунтовых вод, их взаимодействие с горными породами, относят к геологии.

Различают гидрологию рек (речная гидрология, или потамология), озер (лимнология), болот (тельматология), водохранилищ, ледников (гляциология). Речная гидрология и речная гидравлика, изучающие движение воды в речных руслах и их формирование, дополняют друг друга. Речную гидравлику можно рассматривать как раздел гидрологии суши и как раздел гидравлики.

Гидрология, занимающаяся решение различных инженерных задач (в гидротехнике, гидромелиорации, гидроэнергетике, водоснабжении, строительстве мостов, автомобильных и железнодорожных дорог и т.д.) называется инженерной.

В результате широкого применения в гидрологии теории вероятностных процессов сформировалась стохастическая гидрология.

Гидрометрия - это наука о методах и средствах определения величин, характеризующих движение и состояние жидкости и режим водных объектов. В задачу гидрометрии входят определения: уровней, глубин, рельефа дна и свободной поверхности потока; напоров и давлений; скоростей и направлений течения жидкости, пульсаций скоростей и давлений; параметров волн; гидравлических уклонов; расходов жидкости; мутности потока; расходов наносов и пульпы; элементов термического и ледового режимов потоков.

Регулирование речного стока - это наука о перераспределении (увеличение или уменьшение) во времени объемов речного стока в замыкающем створе реки по сравнению с ходом поступления воды на поверхность водосбора.

1. Характеристики водности рек

Цель занятия - изучить и определить основные характеристики речного бассейна, связанные с ее гидрологическим режимом.

Задачи:

· освоить основные понятия гидрологических характеристик бассейна реки;

· изучить основные характеристики, отображающие водный режим реки.

Исходные данные:

· река и пункт наблюдений (р. Мура - п. Ирба);

· площадь водосбора (F=9320 км²);

· расход воды (Q=24,3 м³/с);

· высота годового слоя осадков (x=405 мм).

Требуется: вычислить модуль стока (q, л/с•км²); определить высоту слоя стока (y, мм); рассчитать объем годового стока (V, км³); найти коэффициент стока (?).

Порядок выполнения работы:

Река Мура впадает в Ангару, являясь её левым притоком. Площадь водосбора - 9320 км². Высший уровень воды за год - 537 см, низший - 209 см, средний уровень воды за год - 388 см. Наибольший расход воды за год 33,9 м³/сек, наименьший - 13,1 м³/сек, средний расход воды за год - 23,7 м³/сек. Годовой слой стока - 81 мм. Средняя продолжительность половодья 55 суток, за это время стекает 84% от годового стока вод. Паводок длится 13 суток. Наивысшая температура воды в году 21,9?С приходится на 17 июля. С первой декады ноября по последнюю декаду апреля река находится под ледяным покровом, толщина которого достигает 112 см.

Модуль стока:

Слой стока:

Объём стока:

Коэффициент стока:

Выводы

В 4 варианте дана р. Мура в пункте наблюдения Ирба. Имея данные: площадь водосбора - 9320 км², расход воды - 24,3 м³/сек, высота годового слоя осадков - 405 мм, мы получили следующие характеристики водности рек:

· модуль стока - 2,61 л/с•км²;

· высота слоя стока - 82,22 мм;

· объем годового стока - 0,77 м³;

· коэффициент стока - 0,203.

Последний показатель отражает, в районе с какой влажностью находится пункт наблюдения, в данном случае с. Ирба. Исходя из полученных данных можно сказать, что район относится к засушливым, так как в таких районах коэффициент стока уменьшается до нуля, а в районах избыточного увлажнения возрастает до 0,7. В данном случае =0,203.

2. Расчеты испарения

Цель - рассчитать испарение с поверхности воды и с поверхности суши различными методами.

Задача - определить испарение:

1) с малого водоема при отсутствии данных наблюдений.

2) с суши с помощью карты изолиний испарения.

3) с суши по уравнению связи водного и теплового балансов.

2.1 Определение испарения с малого водоема при отсутствии данных наблюдений

Исходные данные: площадь водоема, расположенного вблизи г. Иркутска

S = 4,5 км², средняя глубина H= 3,0 м, средняя длина разгона воздушного потока D = 4,5 км, средняя высота препятствий на берегу h= 12 м.

Требуется: вычислить среднемноголетнее испарение.

Порядок выполнения.

Среднемноголетнее испарение с малых водоемов, расположенных в равнинных условиях определяют по выражению:

,

где - среднемноголетнее испарение с эталонного бассейна площадью 20 м², мм;

к_н, к_з, к_? - поправочные коэффициенты соответственно на глубину водоема, на защищенность водоема от ветра древесной растительностью, строениями, крутыми берегами и другими препятствиями, а также на площадь водоема.

Среднемноголетнее испарение с бассейна площадью 20 м² находят на карте изолиний. Так, для Муры Е₂₀ = 350 мм.

Поправочный коэффициент на глубину водоема находят в зависимости от местоположения водоема и средней глубины. Для р. Мура, расположенной в лесостепной зоне, при = 3,0 м, к_н = 0,995.

Поправочный коэффициент к_з определяют в зависимости от отношения средней высоты (м) препятствий h_р к средней длине (м) разгона воздушного потока D, следовательно,

; К= 0,98

Поправочный коэффициент на площадь водоема к_? для лесостепной зоны при ? = 4,5 км² равен 1,25.

Находим среднемноголетнее испарение:

Е_в = 350•0,995•0,98•1,25 = 427 мм

2.2 Определение испарения с суши с помощью карты изолиний испарения

Исходные данные: карта среднегодового слоя испарения с суши.

Требуется: определить среднемноголетнее годовое испарение.

Порядок выполнения.

По карте находим расположение Иркутского района и замечаем, что изолиния проходит на отметке 350 мм. Следовательно, для Иркутского района среднемноголетнее годовое испарение (норма) равно 350 мм.

2.3 Определение испарения с суши по уравнению связи теплового и водного балансов

Исходные данные: среднемноголетний слой осадков х = 405 мм, радиационный баланс R = 120 кДж/см², сумма среднемесячных положительных температур воздуха за год равна 54,3.

Требуется: определить среднемноголетнее годовое испарение.

Порядок выполнения.

1. По номограмме находим, что при х = 405 мм и R = 120 кДж/см² среднемноголетний слой испарения Е_с = 320 мм.

2. Для расчета испарения используют уравнение В.С. Мезенцева, которое имеет следующий вид:

,

где - максимально возможное испарение, мм;

- общее увлажнение, мм;

- параметр, учитывающий гидравлические условия стока.

3. Для определения максимально возможного испарения используем формулу И.В. Карнацевича:

Где ?t - сумма среднемесячных положительных температур воздуха за год.

мм

4. Находим испарение для Ирбы

мм

Вывод: данные расчеты испарения приобретают важное значение в связи с оценкой водного баланса. В результате расчетов получили:

· среднемноголетнее испарение с поверхности воды Е_в = 427 мм;

· среднемноголетнее испарение с поверхности суши Е_с = 320 мм.

3. Вычисление расхода воды аналитическим способом

Цель - найти основные гидрометрические характеристики реки.

Задача: вычислить расход воды.

Исходные данные: выписка из книжки для записи измерения расхода воды на реке.

Требуется: найти ширину реки (В, м); найти среднюю скорость реки (, м/с); найти максимальную глубину (h_max, м); найти среднюю глубину (, м); найти расход воды (Q, м³/сек); найти смоченный периметр (?, м); найти гидравлический радиус (R, м); найти максимальную скорость реки (V_max, м/сек); найти площадь живого сечения (?, м²).

Порядок выполнения работы.

Таблица. Вычисление расхода воды аналитическим способом

Столбцы 1, 2, 3, 4, 9 - известны.

Столбец 5 - глубина между промерными вертикалями - среднее значение между средними глубинами на урезе правого берега и первой промерной вертикалью и так далее.

Столбец 7 - площадь между промерными вертикалями - произведение столбца 5 - глубина между промерными вертикалями, и столбца 6 - расстояние между промерными вертикалями.

Столбец 8 - площадь между скоростными вертикалями - сумма площадей между соответствующими промерными вертикалями. Общая площадь водного сечения получена как сумма частичных площадей между промерными или скоростными вертикалями.

Столбец 10 - скорость между скоростными вертикалями - между урезами воды и первой или последней промерной вертикалью это произведение средней скорости на вертикали и коэффициента 0,7; между остальными скоростными вертикалями - их среднее значение.

Столбец 11 - расход воды между скоростными вертикалями - произведение значений столбца 8 - площадь сечения между скоростными вертикалями, и столбца 10 - средняя скорость между скоростными вертикалями. Общий расход определяется как сумма всех расходов между скоростными вертикалями.

Ширина реки - расстояние между геодезическим прибором и урезом левого берега вычесть расстояние между геодезическим прибором и урезом правого берега:

В = 24,7 м - 2 м = 22,7 м

Средняя скорость реки определяется по формуле:

Среднюю глубину реки находим с помощью выражения:

Смоченный периметр - ломаная линия по дну реки. Смоченный периметр всегда больше ширины реки (?>В).

В нашем случае: ?₁=2,15 м, ?₂=2,28 м, ?₃=2,04 м, ?₄=2,00 м, ?₅=2,01 м, ?₆=2,05 м, ?₇=2,01 м, ?₈=2,01 м, ?₉=2,02 м, ?₁₀=4,98 м

Гидравлический радиус определяем по формуле:

Выводы: из работы видно, что:

· расход воды на реке (Q) равен 22,14 м³/сек;

· площадь водного сечения (?) - 38,01 м²;

· ширина реки (В) - 22,7 м.;

· средняя глубина () - 1,67 м.;

· максимальная глубина (h_max) - 2,65 м.;

· средняя скорость течения () - 0,58 м/сек;

· максимальная скорость (V_max) - 0,73 м/сек;

· смоченный периметр (?) - 23,55 м.;

· гидравлический радиус (R) - 1,61 м.

4. Расчёт годового стока

Цель: изучить закон вероятности гамма-распределения.

Задачи: построить эмпирическую кривую; найти статистические параметры ряда; построить аналитические кривые обеспеченности гамма-распределения.

Задание 1 Построение эмпирической кривой обеспеченности среднегодовых расходов воды.

Исходные данные: среднегодовые расходы воды на реке по данным наблюдений за 28 лет.

Требуется: построить эмпирическую кривую обеспеченности среднегодовых расходов воды.

Порядок выполнения работы.

Чтобы построить эмпирическую кривую нужно заполнить таблицу.

Таблица 1 Вычисление эмпирической обеспеченности среднегодовых расходов воды

Модульный коэффициент К_i находим по формуле:

Для каждого модульного коэффициента вычисляем соответствующую ему эмпирическую обеспеченность Р по формуле:

В последнем столбце располагаем ранжированные в порядке убывания значения модульных коэффициентов К_р.

Эмпирическая кривая представляет собой зависимость К_р от Р.

Задание 2 Определение статистических параметров ряда.

Исходные данные: среднегодовые расходы воды на реке по данным наблюдений за 28 лет.

Требуется: найти среднеарифметическое ; отклонение ?; коэффициент асимметрии с_s; коэффициент вариации с_v.

Порядок выполнения работы.

Находим статистические параметры.

Таблица 2 Статистические параметры

Из последней таблицы следует:

1) среднеарифметическое Q_i:

м³/сек;

2) стандартное отклонение ?:

м³/сек;

3) коэффициент асимметрии С_S:

4) коэффициент вариации С_V:

Задание 3 Построение аналитических кривых обеспеченности гамма-распределения.

Исходные данные: эмпирическая обеспеченность и ранжированный в порядке убывания модульный коэффициент.

Требуется: построить аналитическую кривую обеспеченности и вычислить расход воды при 75-процентной и 95-процентной обеспеченности при гамма-распределении.

Порядок выполнения работы.

Для построения аналитических кривых заполняем таблицу ниже.

Таблица 3

К_р - ранжированный в порядке убывания модульный коэффициент. Р - эмпирическая обеспеченность.

Р_Г - значения обеспеченности при гамма-распределении, которое определяется формулой:

;

Для нахождения Р_Г в Excel пользуемся функцией ввода формул: гаммарасп. При этом x - первое значение k_p; альфа - ; бетта = ; интегральное - 1.

Пользуясь диаграммой, расположенной ниже, мы находим значение расхода воды при 75-процентной и 95-процентной обеспеченности, но данные значения не совсем точные, поэтому для определения расхода воды при 75-процентной и 95-процентной обеспеченности пользуемся следующими формулами:

Теперь мы находим К_75Г и К_95Г. Получаем, что: К_75Г=0,82, а К_95Г=0,63.

Следовательно:

Выводы: используя данные значения, мы построили эмпирическую кривую обеспеченности, а также аналитическую кривую обеспеченности при гамма-распределении среднегодовых расходов воды реке. Нашли расход воды при 75-процентной и 95-процентной обеспеченности гамма-распределения: Q_75Г = 19,93 м³/сек, Q_95Г = 15,31 м³/сек. Также получили статистические параметры:

Заключение

Из первой выполненной работы имея данные: площадь водосбора - 9320 км², расход воды - 24,3 м³/сек, высота годового слоя осадков - 405 мм, мы получили следующие характеристики водности рек:

· модуль стока - 2,61 л/с•км²;

· высота слоя стока - 82,22 мм;

· объем годового стока - 0,77 м³;

· коэффициент стока - 0,203.

Последний показатель отражает, в районе с какой влажностью находится пункт наблюдения, в данном случае с. Ирба. Исходя из полученных данных можно сказать, что район относится к засушливым, так как в таких районах коэффициент стока уменьшается до нуля, а в районах избыточного увлажнения возрастает до 0,7. В данном случае ?=0,203.

Во второй работе данные расчеты испарения приобретают важное значение в связи с оценкой водного баланса. В результате расчетов получено:

· среднемноголетнее испарение с поверхности воды Е_в = 427 мм;

· среднемноголетнее испарение с поверхности суши Е_с = 320 мм.

Из третьей работы видно, что:

· расход воды на реке равен 22,14 м³/сек;

· площадь водного сечения - 38,01 м²;

· ширина реки - 22,7 м.;

· средняя глубина - 1,67 м.;

· максимальная глубина - 2,65 м.;

· средняя скорость течения - 0,58 м/сек;

· максимальная скорость - 0,73 м/сек;

· смоченный периметр - 23,55 м.;

· гидравлический радиус - 1,61 м.

В четвертой работе используя данные значения, мы построили эмпирическую кривую обеспеченности, а также аналитические кривые обеспеченности при гамма-распределении среднегодовых расходов воды. Нашли расход воды при 75- и 95-процентной обеспеченности гамма-распределения: Q_75Г = 19,93 м³/сек, Q_95Г = 15,31 м³/сек.

Список использованной литературы

1. Гидрология, гидрометрия и регулирование стока: Учебники и учебные пособия для высших сельскохозяйственных учебных заведений/ Г.В. Железняков, Т.А. Неговская, Е.Е. Овчаров. - М. «Колос», 1984.

2. Практикум по гидрологии, гидрометрии и регулированию стока: Учебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений/ под редакцией Е.Е. Овчарова. - М. ВО «Агропромиздат», 1988.

3. Статистика с применением Exsel: Учебное пособие./ Под ред. Я.М. Иваньо, А.Ф Зверева. - Иркутск, 2006. - 137 с.