Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

КЫРГЫЗСКО-РОССИЙСКИЙ СЛАВЯНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ АРХИТЕКТУРЫ, ДИЗАЙНА И СТРОИТЕЛЬСТВА

КАФЕДРА ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО СТРОИТЕЛЬСТВА И ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

Методическое руководство

к курсовой работе по гидрологии суши для студентов КРСУ по специальности «гидротехническое строительство»

Анализ условий формирования и расчет основных статистических характеристик стока малых рек Кыргызстана

Биленко В.А.

Бишкек 2005

1. Цель и задачи курсовой работы

Целью курсовой работы является овладение будущими инженерами - гидростроителями основами научно-технического анализа гидрологических характеристик и явлений, закрепление теоретических знаний по дисциплинам “Гидрология суши” и самостоятельное применение их на практике при выполнении гидрологических исследований и расчетов.

Задачи курсовой работы - выполнить комплекс работ, состоящий из описательной, измерительной и расчетной частей речного бассейна малой реки Кыргызстана. Выполнить расчет и исследование основных гидрологических характеристик принятой реки.

2. Состав курсовой работы

Курсовая работа состоит из реферата, введения, заключения и выводов, списка литературы. Примерный план курсовой работы.

Реферат.

Введение.

1. Гидрографические характеристики реки и речного бассейна.

1.1. Характеристики гидрографической сети.

1.1.1. Длина реки.

1.1.2. Извилистость.

1.1.3. Гидрографическая схема речной сети.

1.1.4. Продольный профиль и уклон реки

1.2. Морфометрические характеристики бассейна.

1.2.1. Площадь водосбора.

1.2.2. Длина и ширина бассейна.

1.2.3. Коэффициенты, характеризующие бассейн.

1.2.4. График нарастания площади бассейна по длине главной реки.

2. Физико-географические факторы стока.

2.1. Факторы подстилающей поверхности.

2.1.1. Географическое положение и геологическое строение бассейна.

2.1.2. Растительный и почвенный покров.

2.1.3. Орография и рельеф бассейна.

2.1.4. Средняя высота водосбора

2.1.5. Геоморфологические коэффициенты.

2.2. Климатические факторы стока.

2.2.1. Осадки.

2.2.2. Испарение.

3. Годовой сток и его распределение.

3.1. Характеристика годового стока.

3.2. Определение нормы годового стока и его статистических характеристик.

3.3. Расчет и построение кривой обеспеченности годового стока.

3.4. Расчет внутригодового распределения стока.

3.5. Анализ водного режима.

4. Максимальный и минимальный сток

4.1. Расчет максимальных расходов воды заданной обеспеченности.

4.2. Расчет минимального стока

Заключение и выводы.

Литература.

3. Исходные данные к курсовой работе

Исходные данные к курсовой работе выдаются кафедрой - руководителем работы в виде задания на курсовую работу на отдельном бланке. В задании указывается река и карта.Необходимые исходные материалы выписываются студентом из материалов водного кадастра под названием "Ресурсы поверхностных вод СССР"/12, 13/.

4. Гидрографические характеристики реки

Совокупность рек и речек, сливающихся вместе и выносящих свои воды в виде общего потока, представляет собой речную систему.

Водный объект, характеризующийся движением воды в направлении уклона в углублении земной поверхности, называется водотоком. В постоянном водотоке движение воды происходит в течение всего года или большей его части, во временном - движение происходит меньшую часть года. река кыргызстан гидрологический географический

Река - водоток значительных размеров, питающийся атмосферными осадками со своего водосбора и имеющий четко выраженное русло.

Каждая река имеет исток, верхнее, среднее, нижнее течение и устье.

Исток - начало реки, соответствующее месту с которого появляется постоянное течение воды в русле. Истоком реки часто является озеро, родник, болото или ледник.

Устьем реки называется место впадения реки в море, озеро или другую реку. В засушливых районах некоторые реки не доходят до моря и имеют слепое устье (р. Чу).

Река, впадающая непосредственно в море или бессточное озеро, называется главной рекой. Реки, впадающие в главную реку, называются притоками первого порядка. В притоки первого порядка впадают притоки второго порядка и т.д.

Основные характеристики речной системы - длина составляющих ее рек, густота речной сети, извилистость и разветвленность рек.

4.1 Длина реки

Длиной реки называется расстояние по реке от устья до истока в километрах.

Длина реки может определяться циркулем или курвиметром. При работе с циркулем длина реки измеряется постоянным раствором М, равным один или два миллиметра. Величина М тщательно устанавливается перед началом работы и периодически проверяется в ее процессе. Длины измеряются дважды. В начале от устья реки до истока с отсчетом числа М на каждом участке. Затем в обратном направлении. За окончательное значение принимается среднее значение. Длина реки при измерении циркулем вычисляется по формуле /2/

L = n a K, (1)

где n - среднее число отложений раствора циркуля;

a - значение раствора циркуля в масштабе карты, км;

K - поправочный коэффициент на извилистость, определяемый для каждого участка по специальным образцам (рис. 1).

Рис. 1. Образцы извилистости рек.

Таблица 1. Таблица значений коэффициента извилистости

№ образца		1	II	III	IV	V	VI	VII
Коэффициент извилистости при растворе циркуля	1 мм	1.00	1.01	1.03	1.05	1.07	1.11	1.13
	2 мм	1.01	1.02	1.05	1.08	1.20	1.29	1.36
№ образца		VIII	IX	X	XI	XII	XIII
Коэффициент извилистости при растворе циркуля	1 мм	1.00	1.01	1.03	1.05	1.07	1.11
	2 мм	1.01	1.02	1.05	1.08	1.20	1.29

Все измерения и вычисления записываются в табл. 2

Таблица 2. Ведомость измерения длин рек в бассейне реки

№ п.п	Место засечки	Число отложений	Измеренная длина (км)	Киз	Вычисленная длина	Расстояние от устья (км)
		От устья	Между засечками
			1 измерение	2 измерение	Среднее
1	Устье
2
3
7	Исток

4.2 Извилистость

Извилистость рек характеризуется коэффициентом извилистости Кизв, представляющей собой отношение фактической длины l определенной с учетом всех извилин, к длине прямой линии l, соединяющей начало и конец участка, для которого определяется коэффициент извилистости:

Кизв= l / l (2)

Коэффициент извилистости не может быть меньше единицы.

4.3 Гидрографическая схема речной сети

Для удобства построения гидрографической схемы необходимо составить список рек по форме табл. 3.

Таблица 3. Список рек бассейна реки

№пп	Название рек	Куда, с какого берега впадает	Расстояние от устья в км	Координаты устья

Для схематического изображения речной системы составляется гидрографическая схема /2/. При ее построении используются длины главной реки и притоков и расстояния мест впадения притоков в главную реку. При построении гидрографической схемы по горизонтали в выбранном масштабе откладывается длина главной реки, ее притоки под произвольным углом, обычно порядка 30-40, но в масштабе, в виде прямых линий, откладываются от линии главной реки в местах их впадения, определяемых по расстоянию от устья. У линий выписываются названия притоков (или их номера при отсутствии названия) и их длина в км.

На основной реке отмечаются населенные пункты, гидропосты, мосты и др. На рис. 2 приведен пример выполнения гидрографической схемы.



Рис. 2. Гидрографическая схема реки

4.4 Продольный профиль и уклон реки

Продольный профиль реки показывает изменение высотных отметок реки или лога по их длине.

Продольный профиль строится на основании данных о протяженности отдельных характерных участков реки и высотных отметок границ этих участков.

Границами участков могут быть места резкого увеличения или уменьшения глубин, пороги, перекаты, острова, устья притоков, места подпора, изменение ширины русла и др.

Продольный профиль может быть построен по топографической карте.

Рис. 3. Продольный профиль дна реки

На карте по реке измеряются расстояния от устья до всех пересекающих реку горизонталей и других точек с нанесенными высотными отметками. Снимаются отметки всех горизонталей и определяются отметки истока и устья реки. По горизонтальной оси откладываются расстояния от истока до границ характерных участков или мест пересечения реки горизонталями и положение других точек с известными отметками, по вертикальной оси - высотные отметки. Полученные точки соединяются прямыми отрезками. По всем этим данным строится продольный профиль реки. Масштаб выбирается исходя из удобства построения, причем вертикальные и горизонтальные масштабы неодинаковые. На рис. 3 приведен пример построения продольного профиля.

Уклоном i называют отношение разности высотных отметок дна в начале и конце участка, называемых падением Н, к длине участка l.

i = Н/l (3)

Уклон обычно выражается в относительных единицах. Иногда употребляется выражение уклона в промилях (⁰/₀), что означает падение, выраженное в тысячных долях от длины участка. Принято различать средний и средневзвешенный уклон реки и участка.

Уклон водной поверхности реки I определяют по уклону поверхности воды в реке. Высотные отметки урезов воды, определенные при обследовании, приводятся к так называемому мгновенному уровню. Мгновенным называется уровень в один и тот же момент времени для всех точек определения. Приводка осуществляется по данным водомерных постов. Часто в гидрологических расчетах в место уклона водной поверхности реки I принимают уклон дна i который легко определяется по картам или снимается с продольного профиля.

5. Морфометрические характеристики речного бассейна

Часть земной поверхности, включая толщу почвогрунтов, из которых река получает питание, называется бассейном данной реки. Бассейн реки включает в себя поверхностный и подземный водосборы. Граница (линия раздела) между бассейнами (водосборами) рядом расположенных водосборов называется водоразделом. Водораздел поверхностного водосбора проходит по наиболее высоким точкам земной поверхности, расположенным между водосборами соседних рек. Установить границу подземного водосбора часто бывает трудно, поэтому во всех расчетах и при анализе стока речной бассейн отожествляется с поверхностным водосбором. К основным характеристикам речного бассейна относятся: площадь, форма, высота и уклон водосбора.

5.1 Площадь водосбора

Площади бассейнов рек чаще всего определяется по картам. На карте выделяются площади водосборов главной реки, основных притоков и межбассейновые пространства. В пределах некоторых бассейнов могут находиться области, с которых вода поступает в низины или озера, не связанные с поверхностными водотоками, с речной сетью данного бассейна. Вода здесь расходуется на испарение и питание подземных вод, уходящих за пределы бассейна. Такие области относятся к бессточным, они не должны включаться в водосборную площадь реки. На рис. 4 приведена схема речного бассейна.

Чаще всего измерение площадей производится планиметром или палеткой по крупномасштабным картам.

Измерение планиметром. Предварительно определяется цена деления планиметра путем обводки квадрата километровой сетки (со стороной размером не менее 10 см).



Рис. 4. Схема речного бассейна.

1, 4, 7, 8, 9, 10 - притоки и их водозборные площади; 2, 3, 5 - безприточные пространства; 6 - замыкающий створ.

Контур водосбора обводится планиметром при двух положениях полюса относительно обводного рычага: один раз при полюсе «право», другой при полюсе «лево». Расхождение между результатами обводов не должно превышать 8 значений в последнем знаке. В противном случае измерения повторяются. В табл. 4 приведены результаты измерений площади водосбора реки Каменки /2/.

Таблица 4. Ведомость измерения площади водосбора р. Каменки. Планиметр № 155, длина рычага 18 см. Цена деления планиметра 0,0995

Название притока, участок	Первый прием	Второй прием	Среднее из разности отсчетов	Измеренная площадь, км2
	Отсчеты по счетному механизму	Разность отсчетов	Отсчеты по счетному механизму	Разность отсчетов
Приток 1	8629 9057	418	9053 8637	416	417	41.3
Межбассейновый участок 2	0750 1130	380	7592 7972	380	380	37,8

5.2 Длина и ширина бассейна

Длина бассейна L (км) при правильной его форме определяется расстоянием по прямой от устья реки до наиболее удаленной точки водораздельной линии (рис. 5, а)



Рис. 5. Определение длины речного бассейна.

В случае изогнутой формы бассейна его длина измеряется по медиане, проведенной через центры окружностей, вписанных в бассейн и касающиеся двух противоположенных сторон бассейна (рис.5, б).

Средняя ширина бассейна В_ср (км) определяется делением площади бассейна F на его длину L:

В_ср= F/L (4)

Наибольшая ширина бассейна В_max характеризуется длиной наибольшего перпендикуляра к линии длины бассейна.

5.3 Коэффициенты, характеризующие бассейн

Коэффициент асимметрии бассейна а характеризует неравномерность распределения площадей правой и левой частей бассейна (по отношению к главной реке) и вычисляется по формуле

(5)

где F_л и F_пр- площади левобережной и правобережной частей бассейна, км².

Коэффициент вытянутости водосбора характеризуется отношением длины водотока к средней ширине водосбора и определяется по формуле

= L²/F (6)

Коэффициент формы водосбора - величина обратная коэффициенту вытянутости

¹= B/L = F/L² (7)

5.4 График нарастания площади бассейна реки по длине реки

Этот график дает представление о характере увеличения площади бассейна от истока к устью.

Для построения графика необходимо иметь площади водосборов основных притоков реки, площади межбассейновых пространств и расстояния от устья по главной реке до мест впадения притоков.

На графике в выбранном масштабе по горизонтальной оси откладывается длина главной реки, по вертикали - площади. Для правого берега график нарастания строится вниз от линии длины реки, для левого берега - вверх от нее. Суммарный по двум берегам график нарастания площади бассейна реки обычно строится на том же чертеже вверху от линии длины реки.

Суммарный график строится путем геометрического суммирования ординат графиков нарастания площадей по правому и левому берегам. Суммирование площадей производится в точках, соответствующих местам впадения по правому и левому берегу последовательно всех притоков в направлении от истока к устью главной реки (рис. 6).



Рис. 6. График нарастания площади водосбора реки по длине реки.

6. Физико-географические факторы стока

6.1 Факторы подстилающей поверхности

Под факторами подстилающей поверхности понимаются элементы физико-географической среды /3/, характеризующие особенности данного речного бассейна. Сюда могут быть отнесены географическое положение и орография бассейна, почвенно-геологические условия, средняя высота водосбора, степень облесенности, заболоченности, озерности и др.

Географическое положение, орография, почвенно-геологические условия бассейна даются на основании литературного обзора /1,5,11,15 и др./ с обязательным указанием источника, другие факторы вычисляются по ниже приведенной методике /2/.

Средняя высота водосбора Н_ср вычисляется по формуле

(8)

где Н_ср - средняя высота водосбора, м;

f₁, f_2, …f_n- частные площади водосбора, заключенные между горизонталями, км²;

Н₁, Н₂, …Н_n - средние высоты между горизонталями, м;

F - общая площадь водосбора, км².

Среднюю высоту бассейна также можно определить по гипсографической кривой бассейна.

Эта кривая дает наглядное представление о распределении площади бассейна по высотным зонам. Для ее построения весь диапазон высот в бассейне разбивается на 8-12 высотных ступеней и измеряются площади, расположенные между горизонталями с отметками этих ступеней и ограниченные линией водораздела. Чем больше амплитуда измерения высоты в бассейне, тем большие интервалы высоты берутся для отдельных ступеней. Для малых бассейнов измеряются площади между всеми горизонталями.

По данным измерений площадей и отметкам горизонталей вначале строится график распределения площадей по высотным зонам (рис. 7), показывающий размеры площадей, лежащих между высотными отметками. По горизонтали откладываются площади, по вертикали - высотные отметки. Затем строится кривая нарастания площадей по высотным зонам. Кривая нарастания площадей по высотным зонам - гипсографическая кривая - может быть получена и путем суммирования данных первого графика. Точки гипсографической кривой откладываются на нижних границах высотных интервалов и соединяются плавной линией. На графике под масштабом площадей наносится шкала процентов из расчета, что общая площадь бассейна равна 100%. На рис. 8 приведен пример построения гипсографической кривой.

Рис. 7. График распределения площадей по высотным зонам



Рис. 8. Гипсографическая кривая.

6.2 Геоморфологические коэффициенты

Коэффициент озерности характеризует площади зеркала озер и других водоемов на водосборе реки

, (9)

где - площади зеркала озер и других водоемов, км²; F- площадь водосбора реки, км².

Коэффициент заболоченности характеризует площадь болот в долях или процентах от всей площади водосбора

, (10)

где - площадь болот на водосборе, км².

Коэффициент залесенности показывает отношение площади леса, расположенной на водосборе, ко всей площади водосбора (в процентах или долях от единицы)

(11)

где - площадь леса на водосборе, км².

6.3 Климатические характеристики

К климатическим характеристикам речного бассейна в первую очередь надо отнести метеорологические элементы, которые принимают самое непосредственное участие в формировании различных гидрологических процессов - это, прежде всего среднее количество осадков и испарение по речному бассейну. Подробно методика определения указанных величин изложена в соответствующих курсах метеорологии и нормативных документах, поэтому в курсовой работе ограничимся только описанием и выборками данных величин полученных из литературных источников, проведем анализ влияния указанных элементов на гидрологические процессы.

7. Гидрологические расчеты

7.1 Характеристики стока

Сток - это движение воды по поверхности, а также в толще почв и горных пород в процессе ее круговорота в природе. При расчетах под стоком понимается количество воды, стекающей с водосбора за какой - либо период времени. Это количество воды может быть выражено в виде расхода Q, объема W, модуля M или слоя стока h /3,14/.

Объем стока W - количество воды, стекающей с водосбора за какой - либо период времени (сутки, месяц, год и т. п.), - определяется по формуле

W=QT [м³], (12)

где Q - средний расход воды за расчетный период времени, м³/с,

T - число секунд в расчетном периоде времени.

Модуль стока М - количество воды, стекающей с единицы площади водосбора в единицу времени, - определяется по формуле

М=10³Q/F[л/(скм²)], (13)

где F - площадь водосбора, км².

Слой стока h мм - количество воды, стекающей с водосбора за какой - либо период времени, равное толщине слоя, равномерно распределенного по площади этого водосбора, - определяется по формуле

h=W/(F 10³)=QT/(F 10³),(14)

К безразмерным характеристикам относятся модульный коэффициент и коэффициент стока.

Модульный коэффициент К представляет собой отношение стока за какой либо конкретный год к норме стока, значение которой в дальнейшем будет обозначаться с индексом 0, например Q₀:

К = Q_i /Q₀ = W_i /W₀ = h_i /h₀. (15)

Коэффициент стока - отношение объема или слоя стока к количеству выпавших на площадь водосбора осадков х, обусловивших возникновение стока:

= h/x. (16)

Коэффициент стока показывает, какая часть осадков идет на образование стока.

В курсовой работе необходимо определить характеристики годового стока для принятого к рассмотрению бассейна, приняв норму стока из раздела 7.2.

7.2 Определение нормы годового стока и его статистических характеристик

Нормой годового стока Q₀ называется среднее его значение за многолетний период такой продолжительности, при увеличении которой полученное среднее существенно не меняется, включающий несколько полных четных циклов колебаний водности реки при неизменных географических условиях и одинаковом уровне хозяйственной деятельности в бассейне реки. Норма годового стока, или средний многолетний сток, является основной и устойчивой характеристикой, определяющей общую водность рек и потенциальные водные ресурсы данного бассейна или района.

Норма годового стока может быть выражена в виде:

- среднего годового расхода воды Q_0;

- среднего годового объема стока W₀ [м³];

- среднего годового модуля стока M₀ [л/(скм²)];

- среднего годового слоя h₀[мм] отнесенного к площади водосбора;

В зависимости от наличия информации о режиме стока реки норма годового стока вычисляется:

по данным непосредственных наблюдений за стоками реки за достаточно длительный период, позволяющий определить норму годового стока с заданной точностью;

путем приведения среднего стока, полученного за коротко срочный период наблюдений, к многолетнему по длинному ряду реки-аналога;

при полном отсутствии наблюдений, на основании характеристик среднего годового стока, полученных в результате обобщения наблюдений на других реках данного района и по уравнению водного баланса;

В курсовой работе необходимо выполнить расчет по определению нормы годового стока по данным непосредственных гидрометрических наблюдений.

В качестве примера, ниже, приведено определение нормы годового стока при наличии длительных гидрометрических наблюдений.

Согласно "Указаниям по определению расчетных гидрологических характеристик" (СН 435-72) /7,8,13/, продолжительность периода наблюдений считается достаточной для установления расчетных значений нормы годового стока, если рассматриваемый период репрезентативен и относительная средняя квадратическая ошибка многолетней величины _Q0 не превышает 5…10 %, а коэффициент вариации (изменчивости) с_v - 10…15%.

Норма годового стока, как всякая средняя арифметическая величина статистического ряда, может быть определена по формуле:

, (17)

где Q_N - норма годового стока,

Q_i - годовые значения стока за длительный период (N лет).

Вследствие недостаточной длины рядов наблюдений за годовым стоком (как правило не превышают 60…80 лет, составляя в основном 20…40 лет) норма годового стока, определенная по (17) отличается от истинного среднего значения Q_N на величину у_Qn тогда:

Q_N=Q_0nу_Qn, (18)

где Q_0n - средний годовой сток за ограниченный период наблюдений;

у_Qn - средняя квадратическая ошибка n-летней средней.

Cогласно теории ошибок, величина у_Qn, на которую отличается среднее значение годового стока за n лет от истинной нормы Q_N за N лет при N?, равна

(19)

где у_Q - среднее квадратическое отклонение единичных значений годового стока Q_iот среднего за n лет.

Определяется у_Q по формуле

. (20)

Для сравнения точности определения нормы стока рек различной водности пользуются относительным значением средней квадратической ошибки. Так, выражая у_Q в процентах от Q_0n получим среднюю, квадратическую ошибку нормы стока, вычисленную по ограниченному ряду n лет,

, (21)

где - коэффициент вариации ряда годовых значений стока за n лет.

Коэффициент вариации C_V характеризует колебания годовых значений стока относительно их средней величины. Он является безразмерной характеристикой изменчивости годового стока, удобной для сравнения нескольких рядов наблюдений, различающихся своими средними значениями. При выражении отдельных членов ряда в безразмерных модульных коэффициентах K_i коэффициент вариации определяется по формуле

. (22)

Поскольку в колебаниях годового стока наблюдается определенная цикличность, проявляющаяся в последовательной смене групп многоводных и маловодных лет, то среднеарифметическое из многолетнего ряда наблюдений считается нормой только в случае, если ряд состоит из полных циклов колебаний водности.

Цикл - это сочетание многоводных, маловодных и средних по водности лет. Включение в расчетный период наблюдений одной многоводной фазы дает преувеличение, только маловодной фазы - преуменьшение нормы стока.

Расчетный (репрезентативный) период устанавливается во всех случаях, когда продолжительность наблюдений не превышает 50-60 лет. Он включает наибольшее число законченных циклов, состоящих из групп многоводных и маловодных лет. Принимаются во внимание лишь основные продолжительные циклы, распространяющиеся на большие территории и охватывающие все реки данного района.

Цикличность колебаний стока и расчетный период для определения нормы стока устанавливают с помощью разностных суммарных кривых годового стока. Наиболее удобно строить суммарные кривые в относительных величинах - модульных коэффициентах К.

Расчеты по определению нормы стока, коэффициента вариации C_V и для построения суммарной кривой удобнее свести в таблицу 5.

Таблица 5

№ п/п	Годы	Среднегодовые расходы м3/с	Модульный коэффиц. Ki=Qi/Qn	Ki-1	Ki-1	Ki-12
1	2	3	4	5	6	7
1
N
		Qi	Ki	(Ki-1)		Ki-12

По выше приведенным формулам и по данным таблицы 5 определяют Q₀ и C_v. По значениям графы 6 строится зависимость (k-1)=f(t). Пример такой кривой приведен на рисунке 9.

7.3 Расчет и построение кривой обеспеченности годового стока

При водохозяйственном планировании, строительном и энергетическом проектировании, которые предусматривают естественный или видоизмененный режим речного стока, необходимо знать не только среднюю величину (норму) стока, но и сток маловодных и многоводных лет, а также пределы возможных колебаний годового стока в будущем многолетнем периоде.

Рис. 9. Сокращенная интегральная кривая

Если бы колебания стока имели определенную периодичность и был бы известен закон колебаний, то по имеющимся данным наблюдений можно было бы установить хронологический ход стока на заданный будущий период времени и определить, когда будет наблюдаться та или иная величина стока или сколько раз за это время годовой сток превысит, то или иное значение. Но такая задача пока неразрешима. Поэтому расчеты годового стока и других его характеристик представляются в виде количественной оценки отвечающей той или иной заданной обеспеченности или повторяемости - в среднем один раз в N лет без указания срока наступления расчетной величины.

Обеспеченностью гидрологической величины называется вероятность того, что рассматриваемое ее значение может быть превышено. При этом различают:

вероятность превышения для явлений, наблюдаемых только один раз в году;

- вероятность превышения среди совокупности всех возможных значений для явлений, которые могут наблюдаться несколько раз в году;

- вероятность превышения в рассматриваемом пункте или на рассматриваемой территории в любом пункте.

Вероятность служит мерой оценки достоверности появления того или иного значения рассматриваемой характеристики или явления.

Различают теоретическую вероятность (lim m/n=p) и эмпирическую вероятность или частность (m/n), выявляемую из наблюдений частоты появления благоприятных случаев, составляющих очень длинный ряд.

Для установления эмпирической обеспеченности членов ограниченного ряда, которая бы в большой мере отвечала теоретической обеспеченности, предложено несколько формул, среди них формулы:

С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля /4/

p=(m/(n+1))100% (23)

Н.Н.Чегодаева

p=((m-0.3)/(n+0.4))100% (24)

Формула (23) выведена в предположении, что используемый в расчетах ряд, охватывающий n_i - летний период, среди других n - летних периодов, составляющих генеральную совокупность, характеризуется повышенной водностью высоких расходов и пониженной низких. Она дает некоторый запас (завышение) в верхней части кривой обеспеченности и рекомендуется для расчетов максимальных расходов.

Формула (24) основана на предположении, что рассматриваемый n_i - летний период по своей водности занимает медианное положение среди других n - летних периодов. Эта формула дает запас (занижение) в нижней части кривой обеспеченности и рекомендуется при расчетах годового, сезонного и минимального стока.

Для построения теоретических кривых обеспеченности, которые соответствовали бы эмпирическим кривым, необходимо по данным наблюдений вычислить значения параметров их дифференциального уравнения и произвести его интегрирование.

Практически достаточно установить три основных параметра теоретической кривой распределения - среднюю многолетнюю величину (норму) Q, которая, будучи выражена в относительных единицах - модульных коэффициентах K, равна единице; коэффициент изменчивости (вариации) C_v; коэффициент асимметрии C_s, по которым могут быть построены теоретические кривые обеспеченности годового стока по формуле /2,4/:

K_р%=Ф_р%C_v+1 (25)

где Ф_р% = - Ф_р% (C_s,p_%), функция Фостера принимается по табл. приложение1/4/.

Теоретическую кривую обеспеченности необходимо сопоставить с данными непосредственных наблюдений, вычисленными по формулам 23 или 24. Если точки эмпирической обеспеченности, нанесенные на график теоретической кривой обеспеченности, осредняют последнюю, значит она соответствует действительности. Несоответствие эмпирических точек и теоретической кривой обеспеченности указывает на неправильность определения параметров кривой, в первую очередь на неточность определения коэффициента асимметрии C_s. В этом случае необходимо изменить соотношение C_s и C_v и вновь построить теоретическую кривую обеспеченности.

Кривая обеспеченности стока, построенная в простых координатах, имеет большую кривизну в верхних и нижних частях. Это затрудняет пользование кривой и графическую экстраполяцию крайних участков кривой, представляющий наибольший интерес при гидрологических расчетах. Поэтому для построения кривой обеспеченности применяют специальную клетчатку вероятностей. Основное свойство клетчатки вероятностей состоит в том, что на ней кривая обеспеченности с коэффициентом асимметрии C_s=0 получает вид прямой. При других значениях C_s кривые обеспеченности, построенные на клетчатке вероятностей, имеют вид плавных линий, причем кривизна их увеличивается с увеличением коэффициента асимметрии.

На рисунке 10 приведена аналитическая и эмпирическая кривые обеспеченности годового стока на клетчатке вероятности с обычной вертикальной шкалой.

Для построения эмпирической кривой обеспеченности расчеты удобнее выполнять, в форме табл. 6.

Таблица 6

№ п/п	Год	Qi, м3/с	В порядке убывания	Р %
			Год	Qi, м3/с
1
2
N

Рис. 10. Аналитическая и эмпирическая кривые обеспеченности годового стока.

Таблица 7

Р%	0,1	1	5			99,9
Ф P%
KP%
QP%

В работе необходимо вычислить значения расхода с вероятностью Р = 0,05%, 0,2%, 1%, 50%, 75% и 90%.

7.4 Внутригодовое распределение стока

Внутригодовое распределение стока рек занимает важное место в вопросе изучения и расчетов стока, как в практическом, так и в научном отношении, являясь в то же время наиболее сложной задачей гидрологических исследований.

Основные факторы, определяющие внутригодовое распределение стока и его общую величину, - климатические. Они определяют общий характер (фон) распределения стока в году того или иного географического района; территориальные изменения распределения стока следуют за изменением климата.

К факторам, влияющим на распределение стока в течение года, относятся озерность, лесистость, заболоченность, размеры водосборов, характер почв и грунтов, глубина залегания грунтовых вод, и т.д., которые в определенной мере должны учитываться в расчетах, как при отсутствии, так и при наличии материалов наблюдений.

В зависимости от наличия данных гидрометрических наблюдений применяются следующие методы расчета внутригодового распределения стока:

при наличии наблюдений за период не менее 10 лет: а) распределение по аналогии с распределением реального года; б) метод компоновки сезонов;

при отсутствии или недостаточности (менее 10 лет) данных наблюдений: а) по аналогии с распределением стока изученной реки-аналога; б) по районным схемам и региональным зависимостям параметров внутригодового распределения стока от физико-географических факторов.

Внутригодовое распределение стока обычно рассчитывается не по календарным годам, а по водохозяйственным, начиная с многоводного сезона. Границы сезонов назначаются едиными для всех лет с округлением до месяца.

Расчетная вероятность превышения стока за год, лимитирующие период и сезон назначается в соответствии с задачами водохозяйственного использования стока реки.

В курсовой работе необходимо выполнить расчеты при наличии гидрометрических наблюдений наиболее простым методом по аналогии с распределением реального года.

В зависимости от задач, поставленных проектированием, из ряда наблюдений выбирается модель из одного реального года, характерного по своей водности и распределению стока, с эмпирической обеспеченностью годового, сезонного и месячного стока, близкому к заданному.

По выбранному году выписываются в отдельную таблицу средние месячные и годовые расходы воды, которые в следующей строке выражаются в долях или процентах от среднего годового расхода соответствующего года. Относительное внутригодовое распределение служит расчетной моделью.

Расчетный годовой расход заданной в проекте вероятности превышения Р% определяют по формуле

Q_p%=K_p%12 Q₀ (31)

где Kp% - ордината кривой вероятности превышения, определяется по формуле (25);

Q0 - среднемноголетний годовой сток (норма);

12 - число месяцев в году.

Умножая расчетный годовой расход на процентную долю каждого месяца, вычисляют расчетный расход каждого месяца, т.е. расчетный гидрограф. Результаты расчетов удобнее привести в виде таблиц 8 и 9.

Таблица 8. Расчет внутригодового распределения стока методом реального года

№ п/п	Годовой сток	Лимитирующий период	Лимитирующий сезон	Лимитирующий месяц	P%
	Водохозяйственный год	Q, м3/с в уб. порядке	Водохозяйственный год	Q, м3/с в уб. порядке	Водохозяйственный год	Q, м3/с в уб. порядке	Водохозяйственный год	Q, м3/с в уб. порядке
1
2
N

Таблица 9

Месяц

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

I

II

III

Год

Qприн

Распред. стока,%

Qрасч.мес.

Полученные данные заносятся в табл. 10. счетные расходы по месяцам» по которым строится расчетный гидрограф Р-80% изучаемой реки рис. 11). Расчетные объемы (млн.м³) по месяцам определяются умножением среднемесячного расхода на число секунд в месяце.

Таблица 10. Расчетные расходы (м³/с) по месяцам

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

Расчетные объемы (млн.м3) по месяцам

Рис. 11. Расчетный гидрограф.

7.5 Анализ водного режима и определение типа питания реки

Количество воды, поступающей в реки в различные периоды года, весьма различно, то есть распределение стока за год неравномерно. На распределение стока в первую очередь влияют климатические факторы--осадки и температура воздуха. Несмотря на значительные колебания, этих факторов в различные годы, они характеризуют общий тип годового распределения или форму гидрографа стока.

На распределение стока влияют также размер бассейна, его рельеф, геологическое строение, водоносные горизонты, наличие лесов, болот и озер, хозяйственная деятельность человека.

Климатические факторы, имеющие географическую зональность, определяют общий характер распределения стока в том или другом географическом районе. Поэтому различные источники питания средних рек в том или ином районе имеют постоянное соотношение, а форма гидрографа является устойчивой для разных рек. На этом принципе основаны различные классификации рек (например, классификации Б.Д. Зайкова, П.С. Кузина) /3/, которые отражают распределение годового стока.

Физико-географические факторы (факторы подстилающей поверхности) могут в значительной мере изменить внутригодовое распределение стока, свойственное данному району. Это особенно важно для малых горных рек, где влияние этих факторов может быть преобладающим.

Влияние рельефа на сток проявляется, однако, не только в вертикальной поясности гидрологических процессов--оно более многогранно, так как его особенности и, в частности, сочетание направлений горных хребтов и их конфигурация в той или иной степени определяют доступность речных бассейнов влажным воздушным массам. Воздействие рельефа проявляется не только на абсолютных величинах элементов водного (осадки, испарение, запасы влаги) и теплового баланса горных речных бассейнов, но и в их режиме: во времени наступления положительных температур воздуха весной и отрицательных -- осенью, в продолжительности аккумуляции снега, в сроках начала, конца и продолжительности периода снеготаяния и т. п.

Из этого следует, что обычно применяемые для равнинных территорий методы гидрологического районирования для горных территорий полностью не применимы.

Поэтому для горной территории Средней Азии отошли от строго географического принципа гидрологического районирования и, ограничившись выделением в пределах указанных гидрографических систем областей формирования и рассеивания стока, дополнили эту схему гидрологического районирования приводимой ниже классификацией рек в изученных створах по типам питания, тесно связанной с вертикальной поясностью и гипсометрическими характеристиками водосборов рек.

В качестве критерия отнесения рек к тому или иному типу питания приняты показатели предложенной В.Л. Шульцем /15/ схемы классификации рек Средней Азии по типам питания, а именно:

-- соотношение между средним объемом стока летнего (W_VII-IX) половодья, характеризующегося преобладанием талых вод высокогорных снегов и ледников, и средним объемом стока весеннего половодья (W_III-VI), в котором преобладают талые воды сезонных снегов;

W_VII-IX% -- средний относительный (в % от годового) объем стока летнего половодья.

На основе дифференциации значений указанных трех показателей В.Л. Шульцем дана шкала классификации рек Средней Азии по типам питания (табл. 11):

Таблица 11. Схема классификации рек Средней Азии по типу их питания

Индекс типа питания	Типы рек		WVII-IX (в % от годового)	Месяц с максимальным стоком
I	Реки ледниково-снегового питания	1.00	38	VII,VIII
II	Реки снегово-ледникового питания	0,99-0,27	40-17	V,VI
III	Реки снегового питания	0,26-0,18	16-12	IV,V
IV	Реки снегово-дождевого питания	0,17-0,00	13-0	III,IV,V

В курсовой работе необходимо установить фазы водного режима и тип питания реки согласно вышеприведенной классификации.

8. Максимальный и минимальный сток

8.1 Расчет максимальных расходов воды заданной обеспеченности

Одна из наиболее ответственных задач при проектировании различных гидротехнических сооружений - установление расчетных максимальных расходов воды, подлежащих пропуску через водопропускные и водосбросные отверстия этих сооружений.

Под максимальными расходами талых и дождевых вод понимают наибольшие в каждом году значения мгновенных или срочных расходов во время прохождения половодья или дождевых паводков на реках и временных водотоках.

В настоящее время расчетные максимальные расходы определяют в соответствии со СНиП 2.01.14--83 /15/. При этом в качестве критерия принимают ежегодную вероятность превышения (обеспеченность) Р_% расчетных максимальных расходов (табл. 12).

Таблица 12. Ежегодная вероятность превышения (%) расчетных максимальных расходов

Расчетный случай	Класс гидротехнического сооружения
	I	II	III	IV
Основной	0,1	1,0	3,0	5,0
Поверочный	0,01	0,1	0,5	1,0

Временные гидротехнические сооружения рассчитывают на пропуск максимального расхода обеспеченностью 10%.

Расчетные максимальные расходы годовых максимумов устанавливают раздельно для талых и дождевых вод, учитывая их различное генетическое происхождение (фазовую неоднородность). Из двух полученных значений для проектных целей выбирают наибольшее или то, которое приводит к наиболее неблагоприятным условиям работы сооружения.

Расчетные максимальные расходы талых и дождевых вод (как и другие расчетные характеристики стока) при наличии данных гидрометрических наблюдений находят с помощью аналитических кривых обеспеченностей. Для расчетов используют, как правило, кривую трехпараметрического гамма-распределения. При достаточном обосновании допускается использовать биномиальную кривую обеспеченности (при С₅>2С_V).

Параметры указанных аналитических кривых -- среднее значение Q_о, коэффициент вариации C_v и коэффициент асимметрии C_s максимальных расходов и построение кривых обеспеченностей выполняют по методике приведенной в разделе 7.3 данного методического

Расчетную обеспеченность Р% принимают в зависимости от класса проектируемого гидротехнического сооружения.

При проектировании сооружений I класса к максимальному расходу обеспеченностью 0,01%, полученному с помощью аналитической кривой обеспеченности, прибавляют гарантийную поправку , то есть исправленный расход

(32)

Гарантийная поправка

(33)

где -- коэффициент, характеризующий гидрологическую изученность рек; принимают равным 1,0 для гидрологически изученных рек, а для слабоизученных -- 1,5; n -- число лет наблюдений;

Ер_% -- величина, характеризующая случайную среднеквадратическую ошибку максимального расхода воды обеспеченностью р=0,01% (приложение 5 /11/, например при C_s/C_v=4 и C_v=0.4, Е_Р%=1,30).

Гарантийную поправку принимают в размере не более 20% максимального расхода . Расчетный максимальный расход с учетом поправки должен быть не менее наибольшего наблюденного расхода воды.

8.2 Расчет минимального стока

При наличии длительных, наблюдений расчетные минимальные расходы воды находят так же, как и расчетные годовые и максимальные расходы.

При значительных расхождениях аналитической кривой и фактических данных наблюдений применяют эмпирические кривые вероятностей превышения. Расчетные минимальные расходы вычисляют отдельно для зимнего и летне-осеннего сезона. К ним относятся минимальный среднесуточный, минимальный среднемесячный и минимальный 30-суточный расходы.

Для южных районов СНГ и Средней Азии используют минимальный 30-суточный некалендарный сток, который вычисляют по гидрографу за непрерывные 30 суток с наименьшим в году стоком.

9. Оформление курсовой работы

Курсовая работа представляется в виде записки формата А4. Требования к оформлению записки изложены в методических указаниях /10/.

Литература

Бакиров Н.Б., Исаев А.И. и др. География республики Кыргызстан. Учебное издание. Бишкек «Мектеп», 1992.

Горошков И.Ф. Гидрологические расчеты. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979.

Давыдов Л.К., Дмитриева А.П., Конкина Н.Г. Общая гидрология. Учебник. - Л.: Гидрометеоиздат, 1973.

Железняков Г.В., Неговская Т.А., Овчаров Е.Е. Гидрология, гидрометрия и регулирование стока. Учебник. - М. «Колос», 1984.

Климат Киргизской ССР. Фрунзе. «Илим», 1965.

Иванов А.Н., Неговская Т.А. Гидрология и регулирование стока. Москва «Колос»,1979.

Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып.6. Часть 1. - Л.: Гидрометеоиздат, 1978.

Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып.6. Часть II. - Л.: Гидрометеоиздат, 1972.

Овчаров Е.Е., Захаровская К.Н. Гидрология и гидрометрия. - Л.: Гидрометеоиздат,1986.

Подрезов О.А. и др. Методическое пособие по выполнению и защите выпускной квалификационной работы для специальности 012600 - Метеорология. КРСУ, Бишкек,1999.

Практикум по гидрологии, гидрометрии и регулированию стока/ Е.Е. Овчаров и др.; Под редакцией Е.Е. Овчарова. - М.: Агропромиздат, 1988.

Ресурсы поверхностных вод СССР. Том 14. Средняя Азия, вып. 1. Бассейн р. Сыр-Дарьи. Л.: Гидрометеоиздат, 1969

Ресурсы поверхностных вод СССР т. 14. Средняя Азия, вып. 2. Бассейн р. Чу, Талас, Тарим. Л.: Гидрометеоиздат. 1973

Самохин А.А., Соловьева Н.Н., Догановский А.М. Практикум по гидрологии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1980.

Строительные нормы и правила. СНиП 2.01.14 -83. Определение расчетных гидрологических характеристик. - М.: Стройиздат, 1985.

Чеботарев А.И. Общая гидрология. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975.

Шульц В.Л. Реки Средней Азии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1965.

Размещено на Allbest.ru