Речной сток и его характеристики

Движение воды. Гидрологическая характеристика рек.

Тема 4. Зависимости между уровнями и расходами воды в реке.

Лекционный материал:

Уровень воды в любом водотоке подвержен колебаниям, связанным с изменениями водного режима в различные сезоны года. Между расходами и уровнями воды существуют зависимости, описываемые уравнениями гидравлики. Имея данные по расходам воды, измеренных при различных уровнях, можно установить зависимость для определенного створа и соответствующего сечения водотока. Такая зависимость выражается графически в виде кривой Q = Q(H) и называется кривой расходов воды. По уровням Н, полученных на водомерных постах, с помощью таких кривых определяют расходы воды Q, не измеряя их. Кривые расходов применяют при расчётах стока воды, при проектировании и эксплуатации гидротехнических сооружений и т.д.

В зависимости от продолжительности периода, в течение которого сохраняется зависимость между Н и Q, различают временные и многолетние кривые расходов. Ориентировочно можно считать, что срок действия первых ограничен двумя годами, а вторых – более длительным периодом.

Зависимость, в которой одному значению Н соответствует единственное значение Q, называется однозначной и справедлива для постоянного свободного русла. Отсутствие такой связи между площадью водного сечения, расходами и уровнем воды свидетельствует о неустойчивости и деформациях русла – вследствие зарастаемости, ледового подпора и других факторов.

Основными данными, необходимыми для построения кривых расходов, служат многолетние данные, полученные в результате постоянных наблюдений на водомерных постах.

Таблица 6.

Исходные данные для построения кривых расходов

(водомерный пост № 124).

	Дата		Уро- вень воды над ну- лём, м	Рас- ход воды м³ /с	Пло-щадь вод-ного сече-ния, м²	Скорость течения, м	Ши- рина реки, м	Глубина, м
Сред-няя	Наи-боль-шая	Средняя	Наи-боль-шая
	07.02	лд		2,74	28,8	0,10	0,14	38,3	1,09	1,50
	28.02	лд		2,73	28,1	0,10	0,15	38,6	1,14	1,68
	06.04	лд		8,38	36,3	0,23	0,36	40,1	1,33	1,90
	08.04	лд		13,1	41,4	0,32	0,46	41,0	1,45	2,04
	10.04	лд		33,2	62,0	0,54	0,72	44,0	1,82	2,51
	17.04	св				0,99	1,33	58,5	1,91	3,13
	18.04	св				0,97	1,32	59,6	1,96	3,20
	20.04	св				0,98	1,27	58,6	1,95	3,22
	21.04	св				0,96	1,26	56,3	1,88	3,05
	22.04	св		86,8	97,9	0,89	1,18	52,7	1,86	2,90
	23.04	св		80,4	91,6	0,88	1,13	49,8	1,84	2,80
	24.04	св		71,7	87,5	0,82	1,07	47,9	1,83	2.65
	25.04	св		67,5	84,4	0.80	1,02	46,3	1,82	2,63
	26.04	св		64,8	81,7	0,79	1,03	45,1	1,81	2,55
	27.04	св		57,7	77,8	0,74	0,98	43,7	1,78	2,45
	29.04	св		52,6	74,9	0,70	0,93	43,3	1,73	2,39
	02.05	св		46,4	70,2	0,66	0,87	42,6	1,65	2,30
	03.05	св.		41,9	67,6	0,62	0,84	42,3	1,60	2,22
	05.05	св.		36,1	63,5	0,57	0,75	41,8	1,52	2,12
	07.05	св.		29,0	58,9	0,49	0,69	40,9	1,44	2,02
	09.05	св.		23,5	55,5	0,42	0,61	40,5	1,37	1,95
	11.05	св		20,3	52,7	0,39	0,55	40,1	1,31	1,87
	14.05	св.		17,4	50,6	0,34	0,50	39,5	1,28	1,82
	02.07	св.		5,78	39,6	0,15	0,33	38,0	1.04	1,53
	25.08	св.		4,87	38,3	0,13	0,30	37,8	1,01	1,40
	27.08	св.		4,80	37,7	0,13	0,28	37,8	1,00	1,36
	16.09	св.		11,3	44,4	0,25	0,56	38,5	1,15	1,66
	15.10	св.		9,32	43,8	0,21	0,39	38,4	1,14	1,64
	02.12	лд.		10,6	46,4	0,23	0,34	40,2	1,33	1,84
	25.12	лд.		10,5	46,8	0,22	0,34	40,5	1,47	1,93

Примечание: лд – ледостав, св. – свободное русло.

Кривую расходов Q = Q(H) строят в системе прямоугольных координат совместно с кривыми площадей водного сечения и средних скоростей (рис. 2). По оси ординат откладывают уровни Н, а по оси абсцисс – расходы воды Q, площади водного сечения w и средние скорости v на трёх различных шкалах, чтобы избежать перекрытия кривых на графике. По точкам выстраивают плавные кривые, чтобы они возможно более точно осредняли данные измерений, а разброс от кривой был минимальным (рис. 2).

Если при помощи кривой возникает необходимость определения многих расходов, то целесообразно составить расчётную таблицу: по рисунку 2 с кривой снимают данные расходов через определённый интервал Н (например, через 10 см), а промежуточные значения находят при помощи прямолинейной интерполяции.

Таблица 7.

Расчётная таблица к кривой расходов.

Н, см	Расходы (м^3/сек)
		4,3	4,7	5,0	5,4	5,7	6,0	6,4	6,7	7,1
	7,4	7,9	8,3	8,8	9,2	9,7	10,2	10,6	11,1	11,5
		12,5	13,0	13,5	14,0	14,5	15,0	15,5	16,0	16,5
		17,5	18,0	18,5	19,0	19,5	20,0	20,5	21,0	21,5
		22,5	23,0	23,5	24,0	24,5	25,0	25,5	26,0	26,5
		27,5	28,0	28,5	29,0	29,5	30,0	30,5	31,0	31,5
		33,6	34,2	34,8	35,4	36,0	36,6	37,2	37,8	38,4
		39,6	40,2	40,8	41,4	42,0	42,6	43,2	43,8	44,4
		45,6	46,2	46,8	47,4	48,0	48,6	49,2	49,8	50,4
		52,7	53,4	54,1	54,8	55,5	56,2	56,9	57,6	58,3
	59,5	60,2	61,0	61,8	62,5	63,2	64,0	64,8	65,5	66,25
		67,8	68,5	69,2	70,0	70,8	71,5	72,2	73,0	73,8
	74,5	75,2	76,0	76,8	77,5	78,2	79,0	79,8	80,5	81,2
		82,8	83,5	84,2	85,0	85,8	86,5	87,2	88,0	88,8
	89,5	90,2	91,0	91,8	92,5	93,2	94,0	94,8	95,5	96,2
		97,8	98,5	99,2	100,0	100,8	101,5	102,2	103,0	103,8
		106,9	107,8	108,7	109,6	110,5	111,4	112,3	113,2	114,1
		115,9	116,8	117,7	118,6	119,5	120,4	121,3	122,2	123,1

Следует учитывать, что из-за стеснения живого сечения – вследствие зарастания русла или льдообразования – пропускная способность русла уменьшается, что отражается на кривой расходов – измеренные расходы и средние скорости смещаются влево от кривой.

Тема 5. Расчёты испарения с водной поверхности и с суши.

Лекционный материал:

1. Водный баланс.

2. Испарение и факторы, его определяющие.

Расчёты испарения имеют важное значение в связи с оценкой и динамикой водного баланса и водных ресурсов любого государства и региона. Они используются при проектировании и эксплуатации водохранилищ, расчётов запаса воды в почвах, эксплуатации мелиоративных систем и т.д.

Испарение с водной поверхности.

На испарение с водной поверхности оказывают влияние такие факторы, как площадь водоёма, его глубина и защищённость. Слой испаряющейся влаги с больших водоёмов значительно больше, чем с малых – вследствие увеличения скорости ветра и высоты волн. Водоёмы, защищённые по берегам строениями, горами, высокой растительностью, испаряют влаги меньше, чем открытые, и т.д.

Прямые наблюдения над испарением с водной поверхности ведут с помощью бассейнов-эталонов площадью 20 м² и глубиной 2 м; испарителей особой конструкции ГГИ-3000 и ГГИ-3000М.

Применительно к расчётам испарения все водоёмы делятся на три группы: а) малые – площадью до 5 км² округлой или квадратной формы, имеющие среднюю длину разгона воздушного потока над водной поверхностью до 3 км; б) средние, чьи показатели составляют соответственно от 5 до 40 км² и до 10 км; в) большие – с площадью более 40 км² и средней длиной разгона свыше 10 км. Показатели испарительных бассейнов соответствуют испарению с малых водохранилищ и прудов площадью до 5 км², испарение с водоёмов больших размеров возрастает на 15 – 20 %.

В обычных расчётах требуется определить среднемноголетнее испарение и распределить его по месяцам внутри года.

Порядок расчёта следующий:

1. Среднемноголетнее испарение (норма испарения) с малых

водоёмов, расположенных в равнинных условиях, определяют по формуле:

Ē_н = Ē₂₀· k_Н· k_з· k_Ω (5.1.),

где: Ē₂₀ – среднемноголетнее испарение с эталонного бассейна площадью 20 м², определяется по карте изолиний испарения, рассчитанной для таких бассейнов (приложение 6); например, для Московской области такой показатель равен 550 мм, а для Волгоградской – от 450 до 550 мм.

K_Н – поправочный коэффициент на глубину водоёма, зависит от природной зоны, в которой расположен водоём, и его средней глубины (таблица 8).

Таблица 8.

Выбор поправочного коэффициента на глубину водоёма.

Природная зона	Средняя глубина водоёма, м
Тундровая и лесная	1,00	0,99	0,97	0,95	0,94	0,92
Лесостепная	1,00	0,98	0,96	0,95	0,94	0,92
Степная	1,00	0,96	0,95	0,94	0,93	0,93
Полупустынная	1,00	1,00	0,99	0,98	0,98	0,97
Пустынная	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00	1,00

Примечание: при необходимости проводится интерполяция.

Поправочный коэффициент k_з (защищённости) определяют в зависимости от отношения средней высоты препятствий (в метрах) h_з к средней длине разгона воздушного потока D (в метрах):

hз / D	0,01	0,03	0,05	0,07	1,00	0,20	0,30	0,40	0,50
Kз	0,96	0,89	0,84	0,80	0,76	0,70	0,64	0,57	0,51

Поправочный коэффициент на площадь водоёма k_Ώ для тундровой, лесной и лесостепной зон составляет:

Площадь водоёма, км^2	0,01	0,05	0,10	0,50	1,00	2,00	5,00
ķΏ	1,03	1,03	1,11	1,18	1,21	1,23	1,26

Для остальных зон этот коэффициент принимается за 1.

Внутригодовое распределение испарения по месяцам вычисляют с помощью таблицы 9, зоны в этой таблице выбирают по схеме районирования (приложение 7).

Таблица 9.

Внутригодовое распределение испарения

с поверхности малых водоёмов

(в %% от годовой суммы за безледоставный период)

Зоны

М е с я ц

I

--

--

--

--

--

--

--

--

II

--

--

--

--

--

--

--

III

--

--

--

--

--

--

IY

--

--

--

--

Y

--

--

--

--

YI

--

--

--

YII

--

YIII

В формулу 5.1. иногда вводят ещё один поправочный коэффициент, необходимый в тех случаях, когда направление разгона ветра над водной поверхностью не соответствует максимальной длине водоёма, либо водоём имеет неправильную (не округлую) форму.

Испарение с поверхности суши.

Методы расчёта испарения с поверхности суши основаны на использовании уравнений теплового и водного балансов, на закономерностях переноса влаги от испаряющей поверхности в атмосферу. Они методы требуют применения большого математического аппарата и вычислительной техники. Поэтому в практической деятельности используют приближённые расчёты. Среднемноголетнее годовое испарение с больших площадей суши (до 9900 км²) удобно определять по карте изолиний испарения, построенной на основе уравнений водного баланса для суши по разности среднемноголетних годовых сумм атмосферных осадков и среднемноголетнего годового стока рек (приложение 6). Для данного региона расчётную величину находят путём интерполяции между двумя соседними изолиниями.

Погрешность снимаемых с такой карты значений для равнинной территории Российской Федерации составляет 15%, но возрастает до 20% в горных местностях и районах Крайнего Севера.

Тема 6. Характеристики водохранилища.

Лекционный материал:

1. Регулирование стока.

2. Характеристики водохранилищ. Батиграфические и объёмные кривые.

К основным характеристикам водохранилища относят:

а) полный объём водохранилища V_НПУ – он соответствует отметке наивысшего проектного уровня (НПУ) в верхнем бьефе, который должен поддерживаться при нормальных условиях эксплуатации гидроузла. Он складывается из двух составляющих: мёртвого и полезного объёмов;

б) мёртвый объём V_УМО – постоянная часть полного объёма водохранилища, которая в нормальных условиях эксплуатации не срабатывается и в регулировании стока не участвует. Он представляет как бы неприкосновенный запас, который может быть израсходован лишь в чрезвычайных условиях (например, при постоянной засухе или необходимости срочного обеспечения водоснабжения). Мёртвый объём находят расчётным путём с учётом заиления водохранилища различными наносами, санитарно-технических и гидробиологических требований, обеспечения приемлемого качества воды, обеспечения условий для судоходства, рыбного хозяйства, гидроэнергетики, мелиорации и др.

в) полезный объём водохранилища V_ПЛЗ – основная рабочая часть объёма водохранилища, предназначенная для непосредственного регулирования стока. Полезный объём зависит от назначения водохранилища, вида регулирования стока. Определяется на основе водохозяйственного и технико-экономического расчётов.

При эксплуатации водохранилищ заблаговременно подготавливают ряд характеристик, необходимых для водохозяйственных расчётов. К ним относятся зависимости площади водной поверхности Ω и объёма воды V от уровня воды Н или глубин h. Кривые таких зависимостей называют батиграфическими кривыми (рис. 3).

Наряду с батиграфическими, строят также объёмные кривые – зависимости наполнения, площади водной поверхности, средней глубины водохранилища от объёма воды в нём (рис. 4).

Исходным материалом для построения батиграфических и объёмных кривых являются данные топографических измерений, показанные на крупномасштабных картах. Батиграфические и объёмные кривые строят в системе прямоугольных координат в определённом масштабе. Данные для построения представлены в таблице 10.

Таблица 10.

Исходные данные для расчёта характеристик водохранилища.

Уровни воды Н м	Площадь водной поверхности, км^2	Разность уров- ней ∆Η, м	Объём, млн. м ^3	Сред- няя глу- бина, h ср., м	Литораль
ΩН	Ωср.	ΔV	V	Пло- щадь, ΩL, км ^2	Крите- рий, LΏ
								1,0
						1,5		0,75
						2,4		0,43
						3,2		0,36
						3,7		0,35
						4,5		0,26
						5,1		0,26
						5,7		0,22
						6,36		0,20
						6,8		0,21
						7,2		0,21
						7,5		0,20

В таблице 10 объём воды в водохранилище определён путём последовательного суммирования частичных объёмов, заключённых между смежными горизонталями. Объём первого придонного слоя вычисляют по формуле усечённого параболоида:

ΔV = 0,667 · Ω ₁ · ΔΗ ₀₁ (6.1.)

Объём воды, соответствующий какому-либо уровню Н, получают суммированием частичных объёмов, расположенных ниже этого уровня.

Средняя глубина водохранилища рассчитывается по формуле:

h _ср. = V _H / Ω _Н (6.2.)

Критерий площади литорали (мелководной зоны) рассчитывается по формуле:

L _Ω = Ω _L / Ω _Н (6.3.) причём к мелководной зоне водохранилища относят его прибрежную часть с глубиной не более 2 м. Очевидно, что с повышением уровня воды критерий литорали уменьшается.

При построении кривых масштаб принимается таким, чтобы кривые не пересекались (рис. 3 и 4). Ценность такого построения заключается в том, что по какому-то одному показателю (например, по отметке глубины Н над уровнем моря) можно определить самые разнообразные характеристики водохранилища, не прибегая к непосредственным измерениям.

Тема 7. Определение мёртвого объёма водохранилища.

Лекционный материал:

1. Характеристики водохранилищ.

Любое водохранилище вносит изменения в гидравлический режим водотока: уменьшаются скорости течения и уклоны свободной поверхности воды, растёт глубина потока, уменьшается транспортирующая величина потока и т.д. Наносы, которые увлекает за собой поток по дну или во взвешенном состоянии, постепенно осаждаются и откладываются в чаше водохранилища, лишь незначительная часть транзитом проходит в нижний бъеф гидроузла. Процесс заполнения водохранилища наносами называют заилением, он достаточно длителен и зависит от многих факторов: размеров и конфигурации водохранилища, устойчивости берегов, режима стока, состава наносов, режима сработки и колебаний уровня водохранилища и др. Продолжительность полного заиления до отметки НПУ носит название «срока заиления». Время заиляемости может быть определено по формуле:

t _у = V _НПУ / V_н, (7.1.)

где V_НПУ – полный объём водохранилища при НПУ,

V_н – средний многолетний объём наносов, поступающих в водохранилище, м ³ в год.

Значение срока заиляемости принимается для крупных водохранилищ в 200 лет, а для малых водохранилищ и прудов – 50 лет.

При расчётах заиления употребляется также термин «срок службы водохранилища» – время, в течение которого наносами заполняется мёртвый объём водохранилища, т.е. срок в течение которого возможно регулирование санитарно-гидробиологического режима с помощью мёртвого объёма:

t _сл. = V _УМО / V _н (7.2.),

где V _УМО – мёртвый объём, V _н – аналогично формуле 7.1.

Исходными данными для расчёта мёртвого объёма являются:

а) – батиграфические кривые (рис. 3); б) средний многолетний объём годового стока W ₀ = 1100·10⁶ м³; в) среднемноголетняя мутность воды во входном створе водохранилища ρ ₀ = 1200 г / м³; г) транзитная часть наносов, сбрасываемая из водохранилища в нижний бьеф, δ = 0,3; д) количество донных наносов m = 10% от взвешенных; е) объёмная масса донных отложений γ _отл. = 0,8 т / м³.

Необходимо рассчитать мёртвый объём и соответствующий ему уровень воды Н _м.о., исходя из условий выполнения санитарнотехнических требований и обеспечения необходимого качества воды; а также допустимый срок службы водохранилища.

Порядок расчёта следующий:

1. По санитарно-техническим условиям средняя глубина воды в водохранилище при минимальном наполнении должна быть не менее 2,5 м. По батиграфической кривой h _ср.(Н) устанавливаем, что средней глубине в 2,5 м соответствует минимальный уровень Н_min =116 м, при котором минимальный объём водохранилища должен быть равен V_min. = 40 млн. м³.

2. Принято, что удовлетворительное качество воды в водохранилище будет обеспечиваться при условии, что при уровне мёртвого объёма критерий литорали L _Ω не будет превышать 0,35. По кривой L_Ω (Н) на рис. 3 можно установить, что при уровне воды в 116 м, определённом исходя из санитарно-технических требований, L _Ω = 0,43, т.е. требуемое условие не выполняется – площадь мелководья гораздо выше. Поэтому H_min/ = 116,0 м никак не может быть принят в качестве мёртвого объёма. Возвращаемся к рис. 3, при L_Ω = 0,35 уровень мёртвого объёма Н_УМО может быть предварительно принят в 119,5 м. Такому уровню соответствует объём водохранилища в 120 млн. м³.

3. Проверяем найденный объём на соответствие условий заиления наносами. Время заиления мёртвого объёма определяем по формуле 7.2., а среднегодовой объём отложений наносов в водохранилище по формуле:

(7.3.).

Подставляя в формулу имеющиеся данные, получим, что

объём наносов V _н. равен 1,32 · 10⁶ м³, а время заиления

мёртвого объёма в 120 млн. м³ составит 91 год.

Следовательно, полученный срок заиления мёртвого объёма водохранилища, удовлетворяющий и санитарно-техническим требованиям, и необходимому качеству воды, значительно превышает допустимый срок заиления для малых водохранилищ (50 лет). Поэтому можно принять значения Н_м.о. = 119,5 м, V_м.о. = 120 млн. м³.

Дата добавления: 2015-04-30