Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Гидрология: Методические указания к практическим занятиям

Голосов: 10

Методические указания предназначены для решения практических задач по водохозяйственным расчетам, наиболее часто встречающимся в ходе оценки водных ресурсов и гидрометрических наблюдений за водными объектами. Для студентов факультета управления и региональной экономики, обучающихся по специальности "Геоэкология".

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
             МИНИСТЕРСТВО ОБРÀЗОВÀНИЯ
           РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРÀЦИИ
ВОЛГОГРÀДСКИЙ ГОСУДÀРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
       Кафедра экономики природопользования




                  Залепухин В.В.


      ГИДРОЛОГИЯ
                Методические указания
               к практическим занятиям
     для студентов, обучающихся по специальности
                     «Геоэкология»




                   Волгоград 2003


                    Рецензент:
 доцент кафедры «Экономика природопользования»,
      кандидат биологических наук Ю.П.Мухин

Печатается по решению учебно-методической комиссии
  факультета управления и региональной экономики
             (протокол ¹ 5 от 1.03.2002)


  Залепухин В.В.
       Гидрология: Методические указания к практическим
  занятиям для студентов, обучающихся по специальности
  «Геоэкология». — Волгоград: Издательство Волгоградско-
  го государственного университета, 2001. — 48 с.

       Методические указания предназначены для решения
  практических задач по водохозяйственным расчетам, наи-
  более часто встречающимся в ходе оценки водных ресур-
  сов и гидрометрических наблюдений за водными объекта-
  ми.
      Для студентов факультета управления и региональной эко-
  номики, обучающихся по специальности «Геоэкология».




                      © В.В.Залепухин, 2002.
                      © Издательство Волгоградского
                      государственного университета, 2002

                          - 2-


ВВЕДЕНИЕ.

     Курс гидрологии как науки, изучающей качественные и
количественные закономерности распределения, использования
и охраны водных ресурсов, является логическим продолжением
дисциплин«Учение о гидросфере» и «Социо-экологические про-
блемы гидросферы». Однако в этих курсах студенты-геоэкологи
изучают главным образом качественные аспекты состояния вод-
ных ресурсов. Между тем в практической деятельности будуще-
му экологу обязательно придется столкнуться с различными ва-
риантами водохозяйственных расчетов, входящих в систему уп-
равления водными ресурсами и рационального водопользова-
ния, или с расчетами сбросов различных соединений в водные
объекты, чем занимаются природоохранные организации.
     Необходимость создания методических указаний по гидро-
логии обусловлена стремлением собрать воедино различные ма-
териалы, связанные с расчетами важнейших гидрологических
характеристик водных объектов. Данные указания не охватыва-
ют всего объема курса«Гидрологии», изучение которого предус-
мотрено Государственным общеобразовательным стандартом, и
могут рассматриваться как практикум по гидрометрии и водохо-
зяйственным расчетам. Поэтому в каждой теме приводятся ссыл-
ки на соответствующий лекционный материал, либо на литера-
туру для самостоятельного изучения по той или иной теме.
     Главная цель создания методических указаний — ознако-
мить будущих специалистов-геоэкологов с основными расчета-
ми, применяемыми в процессах проектирования и эксплуата-
ции водных объектов, в том числе искусственно созданных.




                            - 3-


     Т ЕМÀ 1. Измерение и расчет скоростй
                    течения
     Л ЕКЦИОННЫЙ МÀТЕРИÀЛ :
     1. Виды наблюдений на гидрологических постах и станциях.
     2. Гидрологический створ.
     3. Поперечный профиль реки и его характеристики.

     Количественные параметры водных объектов базируют
ся на данных гидрометрических измерений. Водность любой реки
можно охарактеризовать величиной расхода воды Q, который
представляет количество воды, протекающей через живое сече-
ние реки за 1 секунду. Расход воды является основной едини-
цей измерения речного стока и измеряется в м2/с. Расход воды
может быть определен непосредственно путем измерения скоро-
сти течения и площади живого сечения. Все остальные характе-
ристики стока (объем стока W, модуль стока М, слой
стока h и др.) рассчитываются с учетом расходов воды.
     Измерение скоростей течения в реке является одним из ос-
новных видов гидрометрических работ и ведется на гидрологичес-
ких постах, станциях и створах. Знание скоростей течения важно
также для судоходства и лесосплава, при строительстве и эксплуа-
тации гидротехнических сооружений на реках (плотин, мостов,
водозаборов и т. д.). Поток воды всегда распадается на ряд струй,
имеющих различные скорости движения и образующих завихре-
ния и вертикальные циркуляции. Характер распределения скоро-
стей внутри речного потока определяется уклоном дна, рельефом
речного бассейна и дна реки, кривизной русла, наличием препят-
ствий на дне реки (водной растительности, наносов и др.). Ско-
рости течения измеряют на гидрологическом створе, в котором
различают промерные и скоростные вертикали. На промерных
вертикалях измеряют глубины водных объектов, а на скоростных,
кроме глубин, и скорости течения. Прямое измерение скоростей
течения может быть проведено при помощи поплавков, гидроло-
гических вертушек; гидрометрических трубок; лазерных, электро-
магнитных, ультразвуковых измерителей потока.
     Наиболее часто в гидрометрии применяют приборы, в кото-
рых скорость потока влияет на количество оборотов ротора (враща-

                              - 4-


ющейся части). Такую вертушку опускают на необходимую глуби-
ну на металлической штанге или тросе и измеряют скорость тече-
ния в отдельных точках потока на выбранных скоростных вертика-
лях. Число скоростных вертикалей определяется формой и разме-
рами поперечного сечения речного русла и как правило совпадает
с промерными вертикалями, хотя возможен вариант, когда коли-
чество промерных вертикалей вдвое больше, чем скоростных.

                                                               Таблица 1
                Количество скоростных вертикалей
                  в зависимости от ширины реки.
   Ширина реки, м        Расстояние между скоростными вертикалями, м
         2 5                                  0,5 1
        5 20                                   1 2
       20 30                                     2
       30 40                                     3
       40 60                                     4
       60 80                                     6
      80 100                                     8

      Число точек измерения скорости на каждой вертикали опре-
деляется глубиной на вертикали и требуемой точностью измерения
расхода воды. В большинстве случаев скорости измеряют в точках
0,2 h и 0,8 h на всех вертикалях в свободном ото льда русле. При
наличии ледяного покрова измерение скоростей течения ведут на
0,15; 0,50 и 0,85 h. При сокращенном способе измерений скорость
измеряют на 0,6 h. При измерении скоростей течения необходи-
ма, как минимум, двукратная повторность измерений.
      Поскольку скорость течения меняется и по глубине, и по
живому сечению потока, для практических целей вводят поня-
тие средней скорости течения. На каждой вертикали она может
быть вычислена по формулам:
     · при измерении в двух точках
                    V ср.= (v0,2 +v0,8) / 2               (1.1.)
     · при измерении скорости в одной точке
                    V ср. = v 0,6.               (1.2.)
     Измерение скоростей течения в поверхностном слое осуще-
ствляется с помощью поверхностных поплавков или гидрометри-
ческих шестов. Для определения поверхностной скорости по длине
                                 - 5-


реки разбивают 3— 4 створа, причем участок, на котором прово-
дятся измерения должен быть прямолинейным, а время прохож-
дения поплавка между двумя створами должно составлять не ме-
нее 30 секунд. Скорость движения поплавка υ (в м/с) рассчиты-
вается путем деления расстояния между створами L (в метрах) на
время движения поплавка от верхнего створа к нижнему t с (в
секундах). Измерение следует повторить для 8—10 поплавков и
вывести среднее значение t ср.
     Тогда
                    V ср. = L / t ср.            (1.3.)
     При отсутствии фактических измерений, но при наличии
данных о поперечном сечении, средняя скорость потока может
быть рассчитана по формуле Шези:
                    V ср. = С     RI ,          (1.4.)
где  R — гидравлический радиус потока,
      I — продольный уклон водной поверхности,
      С — скоростной коэффициент Шези.
     Если у нас есть данные о строении поперечного сечения
русла реки, то при сечении, близком к прямоугольному, фор-
мула Шези примет вид:

                    V ср. = С     hI            (1.5.)

где                 R = h ср.;
      Для параболического сечения русла:

                                  2
                    Vср. = С ⋅      h max ⋅ I   (1.6.)
                                  3
     Значение коэффициента С может быть определено по фор-
мулам Базена или Павловского. В эмпирической формуле Ба-
зена учитывается коэффициент шероховатости русла, опреде-
ляемый по таблице М.Ф.Скрибного:
                           87
                    C=
                             γ
                         1+                      (1.7.)
                              R
где   γ   — коэффициент шероховатости,
      R   — гидравлический радиус, м.
                                 - 6-


                                                   Таблица 2
         Русловые коэффициенты естественных водотоков
                      (по М.П.Скрибному)
                        Характеристика русла                     1/n      n        γ
        Естественное русло в благоприятных условиях (чистое,
 1.                                                               40     0,025   1,25
       прямое, незасоренное, земляное, со свободным течением)
        Русла постоянных водотоков равнинного типа (преиму-
       щественно больших и средних рек) в благоприятных ус-
 2.    ловиях состояния ложа и течения воды. Периодические        30     0,033   2,00
       потоки (большие и малые) при очень хорошем состоянии
       поверхности и формы ложа.
        Сравнительно чистые русла постоянных равнинных во-
       дотоков в обычных условиях, извилистые, с незначитель-
       ными искажениями в направлении струй или прямые, но
 3.                                                               25     0,040   2,75
       с неправильностями в рельефе дна (отмели, промоины,
       местами камни). Земляные русла периодических водото-
       ков в относительно благоприятных условиях.
        Русла больших и средних рек, значительно засоренные,
       извилистые и частично заросшие, каменистые, с неспо-
       койным течением. Периодические (ливневые и весенние)
       водотоки, несущие во время паводка заметное количест-
 4.    во наносов, с крупногалечниковым или покрытым расти-       20     0,050   3,75
       тельностью (травой и др.) ложем. Поймы больших и
       средних рек, сравнительно хорошо разработанные, по-
       крытые нормальным количеством растительности (тра-
       вы, кустарника)
        Русла периодических водотоков, сильно заросшие и из-
       вилистые. Äостаточно заросшие, неровные, плохо разра-
       ботанные поймы рек с наличием промоин, кустарников,
 5.                                                               15     0,067   5,50
       деревьев, заводей. Галечно-валунные русла горного типа,
       с неправильной поверхностью водного зеркала. Порожи-
       стые участки равнинных рек.
        Реки и поймы, весьма сильно заросшие, со слабым тече-
       нием и с большими глубокими промоинами. Валунные,
 6.    горного типа русла с бурным и пенистым течением, с из-    12,5    0,080   7,00
       рытой поверхностью водного зеркала и летящими брыз-
       гами воды
        Поймы, весьма сильно заросшие, но с сильным косо-
       струйным течением, заводями и др. Русла горноводопад-
 7.    ного типа с крупновалунным извилистым строением ло-        10     0,100   9,00
       жа, ярко выраженными перепадами воды, сильной пени-
       стостью и значительным шумом потока.
        Реки болотного типа с зарослями, кочками, многочис-
       ленными застойными зонами. Поймы с большими м¸рт-
 8.                                                               7,5    0,133   12,00
       выми пространствами и местными углублениями-оз¸рами
       и пр.
        Потоки, подобные селевым, состоящие из грязи, камней
 9.                                                               5,0    0,200   20,00
       и др. Сплошь облес¸нные глухие поймы та¸жного типа.
        Склоны бассейнов в естественном состоянии (множитель
 10.   m может составлять от 1 до 4 в зависимости от характера   2,5 m    —       —
       склона)

    Для определения скоростного коэффициента Шези по фор-
муле Н.Н.Павловского существует специальная таблица, в ко-
                                        - 7-


торой рассматривается величина n, обратная коэффициенту
шероховатости γ в формуле Базена и приводимая в таблице 3.

                                                   Таблица 3
         Значения коэффициента Шези по Н.Н.Павловскому
                                            n
  R, м
            0,020   0,025   0,030   0,035       0,040   0,050   0,080   0,100
  0,10      30,6    22,4    17,3    13,8        11,2     8,1    3,7      2,3
  0,12      32,6    23,5    18,3    14,7        12,1     8,2    4,1      2,7
  0,14      33,0    24,5    19,1    15,4        12,8     9,3    4,5      3,0
  0,16      34,0    25,4    19,9    16,1        13,4    10,0    4,8      3,3
  0,18      34,8    26,2    20,6    16,8        14,0    10,4    5,2      3,6
  0,20      35,7    26,9    21,3    17,4        14,5    10,9    5,4      3,8
  0,22      36,4    27,6    21,9    17,9        15,0    11,2    5,8      4,1
  0,24      37,1    28,3    22,5    18,5        15,5    11,8    6,0      4,3




                                    - 8-


    При необходимости проводится интерполяция данных.
    Формула Шези основана на допущении равномерного дви-
жения воды в русле реки. Поскольку в естественных условиях
движение, близкое к равномерному, наблюдается только при
высоких уровнях, то наиболее точное значение средней скорос-
ти потока может быть получено для многоводных периодов в
режиме реки.

         Тема 2. Расчет расходов воды
            аналитическим методом
    Л ЕКЦИОННЫЙ МÀТЕРИÀЛ :
    1. Речной сток и его характеристики.
    2. Поперечный профиль реки и его характеристики.

    Водный режим и водность любой реки характеризуются
рядом показателей, важнейшим из которых является расход воды
Q — это количество воды, протекающее через живое сечение
реки за 1 секунду, и измеряется в м3 / с. То есть расход воды
можно определить по формуле:
                       Q=w·v                    (2.1.)
где w — площадь живого сечения реки в м ,     2

     v — средняя скорость течения в м/с.
     Расход воды является основной характеристикой стока,
поскольку он основан на данных прямых наблюдений — изме-
рениях скоростей течения и промерах глубин. Все остальные
характеристики стока (объем стока, модуль стока и др.) рассчи-
тываются с учетом расхода воды.
     Чтобы рассчитать расход воды, нам нужны данные, при-
годные для построения поперечного профиля реки. Как пока-
зано в теме 1, необходимо установить расстояния между про-
мерными и скоростными вертикалями, провести соответствую-
щие измерения глубин и скоростей течения. Далее необходимо
построить в приемлемом масштабе поперечный профиль реки и
внести данные в таблицу расчетов (столбцы 1— 4).




                             - 9-


                                                         Таблица 4
             Вычисление расходов воды аналитическим способом
                                                                                         Вычисление          Вычисление расхода
                                      Промеры глубины
                                                                                         площади, W               воды, Q
                  Расстояние от постоянно-                                                 Площадь




                                                                                                                             Частичный расход между
                                                                                                              Средняя
                                                                                        водного сечения,
                                                                                                            скорость, м/с
                                                                                              м†
                                                            Средняя           Рас-




                                                                                                                                  вертикалями,
                                                                                                                                  cкоростными
                        го начала, м


                                             Глубина, м      глубина        стояние
                                                                                        между     между
                                                                                                                    между
     №                                                        между          между                                   ско-




                                                                                                                                      м³/c
                                                                                         про       ско     на ско
 вертикалей                                               промерными     промерными                                 рост-
                                                                                         мер-     рост-    рост-
                                                          вертикалями,   вертикалями,                               ными
                                                                                        ными      ными      ной
                                                                м              м                                    верти
                                                                                        верти     верти    верти
                                                                                                                    каля-
                                                                                        каля-     каля-     кали
                                                                                                                      ми
                                                                                          ми       ми
  Урез
 левого       — 21,00                        0,00
 берега
                                                              0,30           4,00       1,20         —       —         —                —
        1.    — 25,00                        0,60
                                                              1,15           5,00       5,75       6,95      —       0,258         1,79
        2.    1   30,00                      1,70
                                                              2,05           5,00       10,25        —     0,387       —                —
        3.    — 35,00                        2,40
                                                              2,40           5,00       12,00     22,25      —       0,579        12,88
        4.    2   40,00                      2,40
                                                              2,32           5,00       11,60        —     0,771       —                —
        5.    — 45,00                        2,25
                                                              2,15           5,00       10,75     22,35      —       0,749        16,74
        6.    3   50,00                      2,05
                                                              2,00           5,00       10,00        —     0,727       —                —
        7.    — 55,00                        1,95
                                                              1,82           5,00       9,10      19,10      —       0,684        13,08
        8.    4   60,00                      1,70
                                                              1,62           5,00       8,10         —     0,642       —                —
        9.    — 65,00                        1,55
                                                              1,48           5,00       7,40      15,50      —       0,592         9,17
       10.    5   70,00                      1,42
                                                              1,48           5,00       7,40         —     0,541       —                —
       11.    — 75,00                        1,53
                                                              1,57           5,00       7,85      15,25      —       0,505         7,70
       12.    6   80,00                      1,61
                                                              1,58           5,00       7,.90        —     0,469       —                —
       13.    — 85,00                        1,56
                                                              1,30           5,00       6,50         —       —         —                —
       14.    — 90,00                        1,05
                                                              0,52           3,00       1,56      15,96      —       0,313         5,00
   Урез
 правого
              — 93,00                        0,00
  берега

   Σ                                                                                     117       117                             66,4


     Порядок расчета выглядит следующим образом:
     а) рассчитывается средняя глубина между промерными вер-
тикалями, записывается в столбец 5;
     б) рассчитывается расстояние между промерными верти-
калями и записывается в столбец 6;
     в) рассчитывается площадь между соседними промерными
вертикалями; записывается в столбец 7. Сумма всех площадей пред-


                                                                             - 10-



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика