Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
Федеральное государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
ИРКУТСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
КАФЕДРА ЗЕМЛЕУСТРОЙСТВА
Расчетно-графическая работа
ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ГИДРОЛОГИЯ»
Выполнил: студент третьего курса
заочного отделения агрономического ф-та
специальность: землеустройство
Шифр 06404
Кобелева М.А.
Проверил: д. т. н. профессорИваньо Я.М.
Иркутск 2008
Содержание
Введение
1. Характеристики водности рек
Выводы
2. Расчеты испарения
2.1 Определение испарения с малого водоема при отсутствииданных наблюдений
2.2 Определение испарения с суши с помощью карты изолинийиспарения
2.3 Определение испарения с сушипо уравнению связи теплового и водного балансов
3. Вычисление расхода воды аналитическим способом
4. Расчёт годового стока
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Значение гидрологии, гидрометрии и регулирования стокаопределяется главными задачами водного хозяйства как отрасли науки и техники,охватывающей учет, изучение, использование, охрану водных ресурсов, а такжеборьбу с вредным действием вод.
Гидрология — это наука, изучающая гидросферу, включаяокеаны и моря, реки, озера, болота, почвенные и грунтовые воды, снег и ледники,влагу атмосферы, а также ее свойства и протекающие в ней процессы и явления вовзаимосвязи с атмосферой, литосферой (земной корой) и биосферой.
Вода — основная среда, обеспечивающая обмен веществ иразвитие организмов. С древнейших времен жизнь человека и развитие культурысвязаны с водой. Она широко используется в промышленности, энергетике, сельскоми рыбном хозяйстве, в медицине и т.д. Вода — объект изучения физики, химии,механики и других наук.
Гидрология тесно связана с метеорологией — наукой обатмосфере и происходящих в ней процессах, и в первую очередь с той ее частью,которая исследует влагооборот и испарение с поверхности воды. Взаимосвязьгидросферы с литосферой наиболее отчетливо проявляется в процессах формированияземной поверхности под влиянием деятельности воды. В свою очередь, рельефземной поверхности оказывает существенное влияние на образование водных потоков.Поэтому гидрология имеет много общего с геоморфологией — наукой, изучающейзакономерности возникновения и развития форм земной поверхности.
Раздел гидрологии, изучающий поверхностные воды, называется гидрологиейсуши или континентальной гидрологией. Раздел гидрологии по изучениюводы океанов и морей называют гидрологией океанов и морей или океанологией.
Гидрология грунтовых (подземных) вод называется гидрогеологией.В гидрологию входят те разделы гидрогеологии, которые изучают взаимодействиеповерхностных и подземных вод, питание рек грунтовыми водами и др. Разделыгидрогеологии, изучающие способы поиска и добычи грунтовых вод, ихвзаимодействие с горными породами, относят к геологии.
Различают гидрологию рек (речная гидрология,или потамология), озер (лимнология), болот (тельматология),водохранилищ, ледников (гляциология). Речная гидрология иречная гидравлика, изучающие движение воды в речных руслах и их формирование,дополняют друг друга. Речную гидравлику можно рассматривать как разделгидрологии суши и как раздел гидравлики.
Гидрология, занимающаяся решение различных инженерных задач(в гидротехнике, гидромелиорации, гидроэнергетике, водоснабжении, строительствемостов, автомобильных и железнодорожных дорог и т.д.) называется инженерной.
В результате широкого применения в гидрологии теориивероятностных процессов сформировалась стохастическая гидрология.
Гидрометрия — это наука о методах и средствахопределения величин, характеризующих движение и состояние жидкости и режимводных объектов. В задачу гидрометрии входят определения: уровней, глубин,рельефа дна и свободной поверхности потока; напоров и давлений; скоростей инаправлений течения жидкости, пульсаций скоростей и давлений; параметров волн; гидравлическихуклонов; расходов жидкости; мутности потока; расходов наносов и пульпы; элементовтермического и ледового режимов потоков.
Регулирование речного стока — это наука оперераспределении (увеличение или уменьшение) во времени объемов речного стокав замыкающем створе реки по сравнению с ходом поступления воды на поверхностьводосбора.
1. Характеристики водности рек
Цель занятия — изучить и определить основные характеристикиречного бассейна, связанные с ее гидрологическим режимом.
Задачи: освоить основные понятия гидрологическиххарактеристик бассейна реки; изучить основные характеристики, отображающиеводный режим реки. Исходные данные: река и пункт наблюдений (р. Мура — п. Ирба);площадь водосбора (F=9320 км2); расход воды(Q=24,3 м3/с); высота годового слоя осадков(x=405 мм).
Требуется: вычислить модуль стока (q,л/с∙км2); определить высоту слоя стока (y,мм); рассчитать объем годового стока (V, км3);найти коэффициент стока (η). Порядок выполнения работы:
Река Мура впадает в Ангару, являясь её левым притоком. Площадьводосбора — 9320 км2. Высший уровень воды за год — 537 см, низший — 209 см, средний уровень воды за год — 388 см. Наибольший расход воды за год33,9 м3/сек, наименьший — 13,1 м3/сек, средний расходводы за год — 23,7 м3/сек. Годовой слой стока — 81 мм. Средняяпродолжительность половодья 55 суток, за это время стекает 84% от годовогостока вод. Паводок длится 13суток. Наивысшая температура воды в году21,9ºС приходится на 17 июля. С первой декады ноября по последнюю декадуапреля река находится под ледяным покровом, толщина которого достигает 112 см.
Модуль стока:
/>
Слой стока:
/>
Объём стока:
/>
Коэффициент стока:
/>Выводы
В 4 варианте дана р. Мура в пункте наблюдения Ирба. Имеяданные: площадь водосбора — 9320 км2, расход воды — 24,3 м3/сек,высота годового слоя осадков — 405 мм, мы получили следующие характеристикиводности рек: модуль стока — 2,61 л/с∙км2; высота слоя стока — 82,22 мм; объем годового стока — 0,77 м3; коэффициент стока — 0, 203.
Последний показатель отражает, в районе с какой влажностьюнаходится пункт наблюдения, в данном случае с. Ирба. Исходя из полученныхданных можно сказать, что район относится к засушливым, так как в таких районахкоэффициент стока уменьшается до нуля, а в районах избыточного увлажнениявозрастает до 0,7. В данном случае />=0, 203.
2. Расчеты испарения
Цель — рассчитать испарение с поверхности воды и споверхности суши различными методами.
Задача — определить испарение:
1) с малого водоема при отсутствии данных наблюдений.
2) с суши с помощью карты изолиний испарения.
3) с суши по уравнению связи водного и теплового балансов.2.1 Определение испарения с малого водоема приотсутствии данных наблюдений
Исходные данные: площадь водоема, расположенного вблизи г. ИркутскаS = 4,5 км2, средняя глубина H/>= 3,0 м, средняядлина разгона воздушного потока D = 4,5 км, средняявысота препятствий на берегу h/>=12 м.
Требуется: вычислить среднемноголетнее испарение.
Порядок выполнения.
Среднемноголетнее испарение с малых водоемов, расположенныхв равнинных условиях определяют по выражению:
/>,
где /> — среднемноголетнееиспарение с эталонного бассейна площадью 20 м2,мм;
кн, кз, кΏ — поправочные коэффициенты соответственно на глубину водоема, на защищенностьводоема от ветра древесной растительностью, строениями, крутыми берегами идругими препятствиями, а также на площадь водоема.
Среднемноголетнее испарение с бассейна площадью 20 м2находят на карте изолиний. Так, для Муры Е20 = 350 мм.
Поправочный коэффициент на глубину водоема находят взависимости от местоположения водоема и средней глубины. Для р. Мура, расположеннойв лесостепной зоне, при /> = 3,0м, кн = 0,995.
Поправочный коэффициент кз определяют взависимости от отношения средней высоты (м) препятствий hрк средней длине (м) разгона воздушного потока D,следовательно,
/>; К/>= 0,98
Поправочный коэффициент на площадь водоема кΏ длялесостепной зоны при Ω = 4,5 км2 равен 1,25.
Находим среднемноголетнее испарение:
Ев = 350∙0,995∙0,98∙1,25 = 427мм
2.2 Определение испарения с суши с помощью картыизолиний испарения
Исходные данные: карта среднегодового слоя испарения с суши.
Требуется: определить среднемноголетнее годовое испарение.
Порядок выполнения.
По карте находим расположение Иркутского района и замечаем,что изолиния проходит на отметке 350 мм. Следовательно, для Иркутского районасреднемноголетнее годовое испарение (норма) равно 350мм.
2.3 Определение испарения с суши по уравнению связитеплового и водного балансов
Исходные данные: среднемноголетний слой осадков х = 405 мм,радиационный баланс R = 120 кДж/см2, суммасреднемесячных положительных температур воздуха за год равна 54,3/>.
Требуется: определить среднемноголетнее годовое испарение.
Порядок выполнения.
1. По номограмме находим, что при х = 405 мм и R = 120 кДж/см2 среднемноголетний слой испарения Ес= 320 мм.
2. Для расчета испарения используют уравнение В.С. Мезенцева,которое имеет следующий вид:
/>,
где /> -максимально возможное испарение, мм;
/> – общееувлажнение, мм;
/> – параметр,учитывающий гидравлические условия стока.
3. Для определения максимально возможного испаренияиспользуем формулу И.В. Карнацевича:
/>
Где Σt — сумма среднемесячных положительных температур воздуха за год.
/>мм
4. Находим испарение для Ирбы
/> мм
Вывод: данные расчеты испарения приобретают важное значениев связи с оценкой водного баланса. В результате расчетов получили:
среднемноголетнее испарение с поверхности воды Ев= 427 мм;
среднемноголетнее испарение с поверхности суши Ес= 320 мм.
3. Вычисление расхода воды аналитическим способом
Цель — найти основные гидрометрические характеристики реки.
Задача: вычислить расход воды.
Исходные данные: выписка из книжки для записи измерениярасхода воды на реке.
Требуется: найти ширину реки (В, м); найти среднюю скоростьреки (/>, м/с); найти максимальнуюглубину (hmax, м); найти среднюю глубину (/>, м); найти расход воды (Q, м3/сек); найти смоченный периметр (ψ, м); найтигидравлический радиус (R, м); найти максимальнуюскорость реки (Vmax,м/сек); найти площадь живого сечения (ω, м2).
Порядок выполнения работы.
Таблица. Вычисление расхода воды аналитическим способом № вертикалей Расстояние от постоянного начала, м Глубина, м Расстояние между промерными вертикалями
Площадь живого сечения, м2 Средняя скорость, м/c Расход воды между скоростными вертикалями Промерных Скоростных Средняя между промерными вертикалями между промерными вертикалями между скоростными вертикалями на вертикали между скоростными вертикалями 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Урез пб 2 0,39 2 0,78 1 4 0,78 3,44 0,39 1,35 1,33 2 2,66 2 I 6 1,88 2,09 2 4,18 0,56 3 8 2,3 2,37 2 4,74 14,01 0,65 9,04 4 10 2,44 2,55 2 5,09 5 II 12 2,65 2,44 2 4,87 0,73 6 14 2,22 9,16 0,70 6,41 2,15 2 4,29 7 III 16 2,07 1,99 2 3,97 0,67 8 18 1,9 1,78 2 3,55 11,40 0,47 5,35 9 20 1,65 0,83 4,7 3,88 Урез лб 24,7 0,0 38,01 38,01 22,14
Столбцы 1, 2, 3, 4, 9 — известны.
Столбец 5 — глубина между промерными вертикалями — среднеезначение между средними глубинами на урезе правого берега и первой промернойвертикалью и так далее.
Столбец 7 — площадь между промерными вертикалями — произведение столбца 5 — глубина между промерными вертикалями, и столбца 6 — расстояние между промерными вертикалями.
Столбец 8 — площадь между скоростными вертикалями — суммаплощадей между соответствующими промерными вертикалями. Общая площадь водногосечения получена как сумма частичных площадей между промерными или скоростнымивертикалями.
Столбец 10 — скорость между скоростными вертикалями — междуурезами воды и первой или последней промерной вертикалью это произведениесредней скорости на вертикали и коэффициента 0,7; между остальными скоростнымивертикалями — их среднее значение.
Столбец 11 — расход воды между скоростными вертикалями -произведениезначений столбца 8 — площадь сечения между скоростными вертикалями, и столбца10 — средняя скорость между скоростными вертикалями. Общий расход определяетсякак сумма всех расходов между скоростными вертикалями. Ширина реки — расстояниемежду геодезическим прибором и урезом левого берега вычесть расстояние междугеодезическим прибором и урезом правого берега:
В = 24,7 м — 2 м = 22,7 м
Средняя скорость реки определяется по формуле:
/>
Среднюю глубину реки находим с помощью выражения:
/>
Смоченный периметр — ломаная линия по дну реки. Смоченныйпериметр всегда больше ширины реки (Ψ>В).
/>/>
В нашем случае: ψ1=2,15 м, ψ2=2,28м, ψ3=2,04 м, ψ4=2,00 м, ψ5=2,01м, ψ6=2,05 м, ψ7=2,01 м, ψ8=2,01м, ψ9=2,02 м, ψ10=4,98 м />
Гидравлический радиус определяем по формуле:
/>
Выводы: из работы видно, что:
расход воды на реке (Q) равен 22,14м3/сек;
площадь водного сечения (ω) — 38,01 м2;
ширина реки (В) — 22,7 м.;
средняя глубина (/>) — 1,67м.;
максимальная глубина (hmax)- 2,65 м.;
средняя скорость течения (/>)- 0,58 м/сек;
максимальная скорость (Vmax) — 0,73 м/сек;
смоченный периметр (ψ) — 23,55 м.;
гидравлический радиус (R) — 1,61 м.
4. Расчёт годового стока
Цель: изучить закон вероятности гамма-распределения.
Задачи: построить эмпирическую кривую; найти статистическиепараметры ряда; построить аналитические кривые обеспеченностигамма-распределения.
Задание 1 Построение эмпирической кривой обеспеченностисреднегодовых расходов воды.
Исходные данные: среднегодовые расходы воды на реке по даннымнаблюдений за 28 лет.
Требуется: построить эмпирическую кривую обеспеченностисреднегодовых расходов воды.
Порядок выполнения работы.
Чтобы построить эмпирическую кривую нужно заполнить таблицу.
Таблица 1 Вычислениеэмпирической обеспеченности среднегодовых расходов воды№ п/п Год Q, м³/сек
Кi P Kp Рг 1 1957 15,2 0,63 3,45 1,57 2,09 2 1958 19,4 0,80 6,90 1,39 6,81 3 1959 33,9 1,39 10,34 1,36 8,53 4 1960 28,2 1,16 13,79 1,31 11,10 5 1961 28,4 1,17 17,24 1,28 13,05 6 1962 25,7 1,06 20,69 1, 20 20,06 7 1963 26,4 1,09 24,14 1,17 23,51 8 1964 20,5 0,84 27,59 1,16 24,44 9 1965 21 0,86 31,03 1,09 33,78 10 1966 31,2 1,28 34,48 1,06 37,88 11 1967 24,7 1,02 37,93 1,06 37,88 12 1968 13,5 0,56 41,38 1,05 39,09 13 1969 33 1,36 44,83 1,02 43,47 14 1970 16,7 0,69 48,28 1,02 44,11 15 1971 23,2 0,95 51,72 0,98 49,99 16 1972 24,8 1,02 55,17 0,95 54,01 17 1973 31,9 1,31 58,62 0,95 54,68 18 1974 21,5 0,88 62,07 0,95 55,36 19 1975 29,2 1, 20 65,52 0,88 65,40 20 1976 13,1 0,54 68,97 0,86 68,65 21 1977 25,7 1,06 72,41 0,85 70,56 22 1978 23,1 0,95 75,86 0,84 71,82 23 1979 23 0,95 79,31 0,80 78,34 24 1980 23,8 0,98 82,76 0,78 80,53 25 1981 20,7 0,85 86,21 0,69 90,77 26 1982 19 0,78 89,66 0,63 95,10 27 1983 38,2 1,57 93,10 0,56 98,01 28 1984 25,5 1,05 96,55 0,54 98,44
Qср = 24,30
Модульный коэффициент Кiнаходим по формуле:
/>
Для каждого модульного коэффициента вычисляемсоответствующую ему эмпирическую обеспеченность Р по формуле:
/>
/>В последнемстолбце располагаем ранжированные в порядке убывания значения модульныхкоэффициентов Кр.
Эмпирическая кривая представляет собой зависимость Крот Р.
/>
Задание 2. Определение статистических параметров ряда.
Исходные данные: среднегодовые расходы воды на реке поданным наблюдений за 28 лет.
Требуется: найти среднеарифметическое />; отклонение σ; коэффициентасимметрии сs; коэффициент вариации сv.
Порядок выполнения работы.
Находим статистические параметры.
Таблица 2 Статистические параметрыСреднее 24,3 Стандартная ошибка 1,2 Медиана 24,3 Мода 25,7 Стандартное отклонение 6,1 Дисперсия выборки 37,7 Эксцесс -0,1 Асимметричность 0,2 Интервал 25,1 Минимум 13,1 Максимум 38,2 Сумма 680,5 Счет 28,0
Из последней таблицы следует:
среднеарифметическое Qi:
/> м3/сек;
стандартное отклонение σ:
/> м3/сек;
коэффициент асимметрии СS:
/>
коэффициент вариации СV:
/>
Задание 3.Построение аналитических кривых обеспеченности гамма-распределения.
Исходные данные: эмпирическаяобеспеченность и ранжированный в порядке убывания модульный коэффициент.
Требуется: построитьаналитическую кривую обеспеченности и вычислить расход воды при 75-процентной и95-процентной обеспеченности при гамма-распределении.
Порядоквыполнения работы.
Для построенияаналитических кривых заполняем таблицу ниже.
Таблица 3Kp P Рг 1,57 3,45 2,09 1,39 6,90 6,81 1,36 10,34 8,53 1,31 13,79 11,10 1,28 17,24 13,05 1, 20 20,69 20,06 1,17 24,14 23,51 1,16 27,59 24,44 1,09 31,03 33,78 1,06 34,48 37,88 1,06 37,93 37,88 1,05 41,38 39,09 1,02 44,83 43,47 1,02 48,28 44,11 0,98 51,72 49,99 0,95 55,17 54,01 0,95 58,62 54,68 0,95 62,07 55,36 0,88 65,52 65,40 0,86 68,97 68,65 0,85 72,41 70,56 0,84 75,86 71,82 0,80 79,31 78,34 0,78 82,76 80,53 0,69 86,21 90,77 0,63 89,66 95,10 0,56 93,10 98,01 0,54 96,55 98,44
Кр — ранжированный в порядкеубывания модульный коэффициент. Р — эмпирическая обеспеченность.
РГ — значения обеспеченности пригамма-распределении, которое определяется формулой:
/>
/>; />
/>
Для нахождения РГв Excel пользуемся функцией ввода формул: гаммарасп.При этом x — первое значение kp;альфа — />; бетта = />; интегральное — 1.
Пользуясь диаграммой, расположенной ниже, мы находимзначение расхода воды при 75-процентной и 95-процентной обеспеченности, ноданные значения не совсем точные, поэтому для определения расхода воды при75-процентной и 95-процентной обеспеченности пользуемся следующими формулами:
/> />
Теперь мы находим К75Г и К95Г. Получаем,что: К75Г=0,82, аК95Г=0,63.
Следовательно:
/>
/>
/>
Выводы: используя данные значения, мы построили эмпирическуюкривую обеспеченности, а также аналитическую кривую обеспеченности пригамма-распределении среднегодовых расходов воды реке. Нашли расход воды при75-процентной и 95-процентной обеспеченности гамма-распределения: Q75Г = 19,93 м3/сек, Q95Г = 15,31 м3/сек. Также получилистатистические параметры:
среднеарифметическое /> 24,3 отклонение σ 6,1
коэффициент асимметрии сs 0,2
коэффициент вариации сv 0,25
Заключение
Из первой выполненной работы имея данные: площадь водосбора — 9320 км2, расход воды — 24,3 м3/сек, высота годового слояосадков — 405 мм, мы получили следующие характеристики водности рек:
модуль стока — 2,61 л/с∙км2;
высота слоя стока — 82,22 мм;
объем годового стока — 0,77 м3;
коэффициент стока — 0, 203.
Последний показатель отражает, в районе с какой влажностьюнаходится пункт наблюдения, в данном случае с. Ирба. Исходя из полученныхданных можно сказать, что район относится к засушливым, так как в таких районахкоэффициент стока уменьшается до нуля, а в районах избыточного увлажнениявозрастает до 0,7. В данном случае ɳ=0,203.
Во второй работе данные расчеты испарения приобретают важноезначение в связи с оценкой водного баланса. В результате расчетов получено:
среднемноголетнее испарение с поверхности воды Ев= 427 мм;
среднемноголетнее испарение с поверхности суши Ес= 320 мм.
Из третьей работы видно, что:
расход воды на реке равен 22,14 м3/сек;
площадь водного сечения — 38,01 м2;
ширина реки — 22,7 м.;
средняя глубина — 1,67 м.;
максимальная глубина — 2,65 м.;
средняя скорость течения — 0,58 м/сек;
максимальная скорость — 0,73 м/сек;
смоченный периметр — 23,55 м.;
гидравлический радиус — 1,61 м.
В четвертой работе используя данные значения, мы построилиэмпирическую кривую обеспеченности, а также аналитические кривые обеспеченностипри гамма-распределении среднегодовых расходов воды. Нашли расход воды при 75 — и 95-процентной обеспеченности гамма-распределения: Q75Г= 19,93 м3/сек, Q95Г =15,31 м3/сек.
Список использованной литературы
1. Гидрология, гидрометрия и регулирование стока: Учебники и учебныепособия для высших сельскохозяйственных учебных заведений/ Г.В. Железняков, Т.А.Неговская, Е.Е. Овчаров. — М. «Колос», 1984.
2. Практикум по гидрологии, гидрометрии и регулированию стока: Учебники иучебные пособия для студентов высших учебных заведений/ под редакцией Е.Е. Овчарова.- М. ВО«Агропромиздат», 1988.
3. Статистика с применением Exsel: Учебное пособие./ Под ред. Я.М. Иваньо, А. Ф Зверева. — Иркутск, 2006. — 137 с.