Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.
ИРКУТСКИЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ
Практические работы по гидрометрии
Вычисление стока воды и стока наносов
Выполнила:
студентка группы Г-4а
Балакина М.В.
Проверил:
Дробот В.В.
Иркутск 2007
1. Вычисление стока воды
1.1 Построение кривой расходов воды
При устойчивом незаросшем русле и отсутствии переменного подпора между расходами и уровнями воды существует однозначная зависимость, при которой определенному значению уровня соответствует только одно значение расхода воды. В этом случае, имея достаточное количество расходов воды, измеренных при различных уровнях, можно установить зависимость между этими элементами и определить значение расхода за каждый день по наблюденным на водомерном посту уровням. Связь между расходами и уровнями воды обычно устанавливается графически в виде кривой Q=f(Н).
Чтобы установить характер связи между расходами и уровнями, необходимо тщательно проверить и проанализировать исходные материалы. К ним относятся: 1) таблица «Измеренные расходы воды» (ИРВ); 2) таблица «Ежедневные уровни воды» (ЕУВ); 3) совмещенные профили поперечных сечений по гидрометрическому створу; 4) план участка поста; 5) поперечный профиль по гидроствору до уровня высоких вод; 6) техническое дело поста; 7) литературные и архивные материалы, характеризующие режим реки на участке гидрометрического створа.
Анализ материалов наблюдений следует начинать с таблицы ИРВ; при этом нужно произвести: 1) арифметическую проверку величин средней скорости и средней глубины; 2) проверку соответствия уровня воды в день измерения расхода уровню того же дня в таблице ЕУВ; 3) сопоставление записей о состоянии реки в таблице ИРВ с теми же данными в таблице ЕУВ.
Так как для каждого расхода воды имеем равенство Q=FƯср, то оказывается удобным производить дальнейший анализ измеренных расходов производить графическим путем. На листе миллиметровой бумаги строят три кривые: кривую расходов воды Q=f(Н), кривую площадей поперечных сечений F= f(Н) и кривую средних скоростей Ưср= f(Н). При построении кривых по вертикальной оси откладываются уровни для всех трех элементов в одном масштабе, а по горизонтальной оси – расход воды, площадь поперечного сечения и средняя скорость. Посредине полосы нанесенных точек (Q, H), (F,H), (Ưср,H) проводятся плавные кривые Q=f(Н), Q=f(Н) и Ưср= f(Н).
Свойства кривых: 1) кривая расхода должна быть выпуклой к оси ординат; 2) кривая площади должна быть выпуклой к оси уровней; 3) кривая скорости может иметь различную форму; 4) в местах резкого перелома поперечного сечения – изменяется форма кривой.
В результате анализа материалов наблюдений выясняются особенности режима реки и выбираются способы вычисления ЕРВ.
1.2 Увязка кривых
Чтобы произвести увязку трех кривых, через каждые 10% амплитуды уровня, а на более изогнутых отрезках чаще с кривых снимаются значения расходов воды, площадей и скоростей и подставляются в формулу Q=FƯср. если расхождение между произведением F Ưсри расходом, снятым с кривой, не более 1%, то кривые проведены правильно. В противном случае необходимо исправить те кривые, которые отклоняются от среднего положения. Обычно требуется несколько раз вводить исправления и увязывать кривые.
| Н, см | Q,м3/с с кривой | F, м2 | Ưср, м/с | Q=F Ưср, м3/с | Расхождение ∆Q% |
1.3 Построение таблицы координат
Для подсчета средних суточных расходов воды составляется таблица координат КР. Сначала в ее нулевую графу выписываются координаты опорных точек, за которые принимаются значения расходов, снятые с кривой Q=f(Н) при высшем и низшем уровнях, и значения расходов через 2,1 или 0,5 см на графике (в зависимости от кривизны отдельных участков кривой и масштаба уровня). Обычно значения расходов снимаются с кривой через интервалы уровня от 5 до 20 см, а при мелком масштабе и при пологой кривой эти интервалы можно увеличить до 50 см. затем путем линейной интерполяции вычисляются промежуточные значения расходов для каждого сантиметра уровня. Расходы, вычисленные путем интерполяции, не должны отклонятся от кривой более чем на 1,5% в верхней и средних частях и на 3% в ее нижней части. При снятии координат опорных точек необходимо следить, чтобы приращение расхода для каждого последующего интервала уровня было больше предыдущего или оставалось без изменения. ЕРВ определяются непосредственно по этой таблице как значения, отвечающие среднему суточному уровню, который принимается по таблице ЕУВ.
| Н, см | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
1.4 Проверка зависимости Q=f(Н)
Ее выполняют двумя способами:
1.среднее вероятное отклонение от кривой расхода: производится по всем измеренным расходам,
| Изеренные | Q2 м3/с по расчетной таблице | ∆ Q= Q1- Q2 | ∆ σ=∆ Q/ Q1*100% | ∆ σ2 | |
| Н,см | Q1 м3/с | ||||
по формуле
σ=±0,674√∑(∆ σ)2/n,
где ∆ σ – отклонения, %; n- число измеренных расходов. Полученную зависимость Q=f(Н) можно считать надежной, если среднее вероятное отклонение находится в пределах 2-4%.
2.обеспеченность отклонений измеренных расходов:
| пределы отклонений, % | Число случаев | обеспеченность | ||
| абс. | % | абс. | % | |
Найденная зависимость Q=f(Н) может считаться надежной, если число случаев отклонений расходов в пределах 0-5 или 0-10% близко к 90%- ной обеспеченности.
1.5 Правила построения кривой
Кривая расходов воды Q=f(Н) строится на миллиметровой бумаге в прямоугольной системе координат совместно с кривыми F=f(Н) и Ưср= f(Н). масштабы для построения кривых подбираются в зависимости от амплитуды уровней, расходов, площадей и скоростей течений с таким расчетом, чтобы хорда кривой расходов расположилась примерно под углом 450, а хорды кривых площади и средних скоростей под углом 600 к оси абсцисс. Чтобы кривые не пересекались, нули шкал площадей и скоростей сдвигают вправо. Точки с координатами (Q, H), (F,H), (Ưср,H) обводится кружками диаметром 1,5-2 мм; против точек расходов на расстоянии 3-5 см от них (по горизонтали) выписываются даты измерения. Кривая расходов воды проводится по средине полосы рассеивания точек (Q, H) сначала от руки, а затем по лекало. При наличии большого количества измеренных расходов кривая Q=f(Н) может быть проведена по центрам тяжести групп точек. Таким же способом проводятся кривые площади и скорости.
Если на участке гидрометеорологического створа при определенном уровне начинают действовать пойма, протоки и рукава, то кривые для них строятся отдельно, а затем вычисляется суммарная кривая Q=f(Н). Значения расходов для этих кривых получаются суммированием расходов, снятых с кривых для основного русла, поймы, притоков при одной высоте уровня для всех кривых.
При значительной амплитуде расходов, когда отношения наибольшего расхода к наименьшему составляет 20 и более, нижняя часть кривой расходов в пределах 20-30% амплитуды уровней вычерчивается в увеличенном масштабе (обычно в 5-10 раз крупнее). Такое построение позволяет вычислить сток воды при низких уровнях значительно точнее.
1.6 Экстраполяция кривых расходов
Экстраполяция вверх:
1.непосредственным продолжением обоснованной части кривой вверх до 10% амплитуды колебаний уровня;
2.по элементам расхода производится с помощью кривых площади и средней скорости. Сначала достраивается до высшего уровня кривая площадей. Площади в пределах экстраполируемого участка определяются по профилю поперечного сечения. затем экстраполируем кривая скоростей соответственно направлению обоснованной части с учетом шероховатости склонов берегов. После этого для разных уровней в пределах экстраполируемого участка с кривых F=f(Н) и Ưср= f(Н) снимаются значения F и Ưср; необходимые для экстраполяции расходы воды вычисляются по формуле Q=F Ưср. Точки (Q, H) наносятся на график и по ним кривая расходов плавно продолжается до высшего уровня;
3.по способу Стивенса применяется для больших равнинных рек с правильной корытообразной формой русла при средней глубине в пределах экстраполируемого участка не менее 3,5-4 м. Основан на том, что кривую расходов воды можно изобразить линией, близкой к прямой, если выразить зависимостью Q=f(F√hср), где F- площадь водного сечения; hср – средняя глубина. Зависимость вида Q=f(F√hср) может быть получена из формулы Q=FC√RI=F√RC√I;
4.по способу Стивенса- Великанова применяется, когда поперечный профиль русла при высоких уровнях имеет резкие переломы. Зависимость Q=f(F√hср) может быть представлена в виде Q=f(Bh3/2ср), что также выражается прямой линией, но переломы в профиле не изменяют ее направления;
5.по формуле Шези применяется при наличии надежных измерений и продольных уклонов водной поверхности и дает хорошие результаты для больших равнинных рек со средней глубиной более 3,5-4 м. Расход вычисляется по формуле Q=F Ưср. площадь поперечного сечения при этих уровнях определяется по поперечному профилю гидрометрического створа, а средняя скорость вычисляется по формуле Шези Ư=C√RI, принимая гидравлический радиус равный средней глубине, получим Ư =C√hсрI. Для определения значений C и Iстроятся зависимости I=f(H) и C=f(H). Кривая I=f(H) проводится по значениям измеренных уклонов, а для построения графика C=f(H) нужно с обоснованной измерениями части кривой Ưср= f(Н) для четырех-пяти наиболее высоких уровней снять значения средней скорости, тогда С вычислим по формуле С= Ưср/√hсрI. Значения I при выбранных уровнях снимается с кривой I=f(H), а hср вычисляется как частное от деления площади поперечного сечения на ширину реки. По вычисленным значениям С строится кривая C=f(H).