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. профессор Иваньо Я.М.
Иркутск 2008
Содержание
Введение
1. Характеристики водности рек
Выводы
2. Расчеты испарения
2.1 Определение испарения с малого водоема при отсутствии данных наблюдений
2.2 Определение испарения с суши с помощью карты изолиний испарения
2.3 Определение испарения с суши по уравнению связи теплового и водного балансов
3. Вычисление расхода воды аналитическим способом
4. Расчёт годового стока
Заключение
Список использованной литературы
Значение гидрологии, гидрометрии и регулирования стока определяется главными задачами водного хозяйства как отрасли науки и техники, охватывающей учет, изучение, использование, охрану водных ресурсов, а также борьбу с вредным действием вод.
Гидрология
- это наука, изучающая гидросферу, включая океаны 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 во взаимосвязи с атмосферой, литосферой (земной корой) и биосферой.
Вода - основная среда, обеспечивающая обмен веществ и развитие организмов. С древнейших времен жизнь человека и развитие культуры связаны с водой. Она широко используется в промышленности, энергетике, сельском и рыбном хозяйстве, в медицине и т.д. Вода - объект изучения физики, химии, механики и других наук.
Гидрология тесно связана с метеорологией - наукой об атмосфере и происходящих в ней процессах, и в первую очередь с той ее частью, которая исследует влагооборот и испарение с поверхности воды. Взаимосвязь гидросферы с литосферой наиболее отчетливо проявляется в процессах формирования земной поверхности под влиянием деятельности воды. В свою очередь, рельеф земной поверхности оказывает существенное влияние на образование водных потоков. Поэтому гидрология имеет много общего с геоморфологией - наукой, изучающей закономерности возникновения и развития форм земной поверхности.
Раздел гидрологии, изучающий поверхностные воды, называется гидрологией суши
или континентальной гидрологией
. Раздел гидрологии по изучению воды океанов и морей называют гидрологией океанов
и морей
или океанологией
.
Гидрология грунтовых (подземных) вод называется гидрогеологией
. В гидрологию входят те разделы гидрогеологии, которые изучают взаимодействие поверхностных и подземных вод, питание рек грунтовыми водами и др. Разделы гидрогеологии, изучающие способы поиска и добычи грунтовых вод, их взаимодействие с горными породами, относят к геологии.
Различают гидрологию рек
(речная гидрология
, или потамология
), озер
(лимнология
), болот
(тельматология
), водохранилищ
, ледников
(гляциология
). Речная гидрология и речная гидравлика, изучающие движение воды в речных руслах и их формирование, дополняют друг друга. Речную гидравлику можно рассматривать как раздел гидрологии суши и как раздел гидравлики.
Гидрология, занимающаяся решение различных инженерных задач (в гидротехнике, гидромелиорации, гидроэнергетике, водоснабжении, строительстве мостов, автомобильных и железнодорожных дорог и т.д.) называется инженерной
.
В результате широкого применения в гидрологии теории вероятностных процессов сформировалась стохастическая гидрология
.
Гидрометрия
- это наука о методах и средствах определения величин, характеризующих движение и состояние жидкости и режим водных объектов. В задачу гидрометрии входят определения: уровней, глубин, рельефа дна и свободной поверхности потока; напоров и давлений; скоростей и направлений течения жидкости, пульсаций скоростей и давлений; параметров волн; гидравлических уклонов; расходов жидкости; мутности потока; расходов наносов и пульпы; элементов термического и ледового режимов потоков.
Регулирование речного стока
- это наука о перераспределении (увеличение или уменьшение) во времени объемов речного стока в замыкающем створе реки по сравнению с ходом поступления воды на поверхность водосбора.
Цель занятия - изучить и определить основные характеристики речного бассейна, связанные с ее гидрологическим режимом.
Задачи: освоить основные понятия гидрологических характеристик бассейна реки; изучить основные характеристики, отображающие водный 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. Площадь водосбора - 9320 км2
. Высший уровень воды за год - 537 см, низший - 209 см, средний уровень воды за год - 388 см. Наибольший расход воды за год 33,9 м3
/сек, наименьший - 13,1 м3
/сек, средний расход воды за год - 23,7 м3
/сек. Годовой слой стока - 81 мм. Средняя продолжительность половодья 55 суток, за это время стекает 84% от годового стока вод. Паводок длится 13суток. Наивысшая температура воды в году 21,9єС приходится на 17 июля. С первой декады ноября по последнюю декаду апреля река находится под ледяным покровом, толщина которого достигает 112 см.
Модуль стока:
Слой стока:
Объём стока:
Коэффициент стока:
В 4 варианте дана р. Мура в пункте наблюдения Ирба. Имея данные: площадь водосбора - 9320 км2
, расход воды - 24,3 м3
/сек, высота годового слоя осадков - 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 влажностью находится пункт наблюдения, в данном случае с. Ирба. Исходя из полученных данных можно сказать, что район относится к засушливым, так как в таких районах коэффициент стока уменьшается до нуля, а в районах избыточного увлажнения возрастает до 0,7. В данном случае  =0, 203.
Цель - рассчитать испарение с поверхности воды и с поверхности 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.
Исходные данные: площадь водоема, расположенного вблизи г. Иркутска S = 4,5 км2
, средняя глубина H = 3,0 м, средняя длина разгона воздушного потока в = 4,5 км, средняя высота препятствий на берегу h = 12 м.
Требуется: вычислить среднемноголетнее испарение.
Порядок выполнения.
Среднемноголетнее испарение с малых водоемов, расположенных в равнинных условиях определяют по выражению:
 ,
где  - среднемноголетнее испарение с эталонного бассейна площадью 20 м2
,мм;
кн
, кз
, кΏ
- поправочные коэффициенты соответственно на глубину водоема, на защищенность водоема от ветра древесной растительностью, строениями, крутыми берегами и другими препятствиями, а также на площадь водоема.
Среднемноголетнее испарение с бассейна площадью 20 м2
находят на карте изолиний. Так, для Муры Е20
= 350 мм.
Поправочный коэффициент на глубину водоема находят в зависимости от местоположения водоема и средней глубины. Для р. Мура, расположенной в лесостепной зоне, при  = 3,0 м, кн
= 0,995.
Поправочный коэффициент кз
определяют в зависимости от отношения средней высоты (м) препятствий hр
к средней длине (м) разгона воздушного потока D, следовательно,
 ; К = 0,98
Поправочный коэффициент на площадь водоема кΏ
для лесостепной зоны при Ω = 4,5 км2
равен 1,25.
Находим среднемноголетнее испарение:
Ев
= 350∙0,995∙0,98∙1,25 = 427 мм
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 района среднемноголетнее годовое испарение (норма) равно 350мм.
Исходные данные: среднемноголетний слой осадков х = 405 мм, радиационный баланс R = 120 кДж/см2
, сумма среднемесячных 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;
 - общее увлажнение, мм;
 - параметр, учитывающий гидравлические условия стока.
3. Для определения максимально возможного испарения используем 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 значение в 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.
Цель - найти основные гидрометрические характеристики реки.
Задача: вычислить расход воды.
Исходные данные: выписка из книжки для записи измерения расхода воды на реке.
Требуется: найти ширину реки (В, м); найти среднюю скорость реки ( , м/с); найти максимальную глубину (hmax
, м); найти среднюю глубину ( , м); найти расход воды (Q, м3
/сек); найти смоченный периметр (ψ, м); найти гидравлический радиус (R, м); найти максимальную скорость реки (V
max
, 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 |
| 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 |
0,0 |
| 38,01 |
38,01 |
22,14 |
Столбцы 1, 2, 3, 4, 9 - известны.
Столбец 5 - глубина между промерными вертикалями - среднее значение между средними глубинами на урезе правого берега и первой промерной вертикалью 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 - сумма площадей между соответствующими промерными вертикалями. Общая площадь водного сечения получена как сумма частичных площадей между промерными или скоростными вертикалями.
Столбец 10 - скорость между скоростными вертикалями - между урезами воды и первой или последней промерной вертикалью это произведение средней скорости на вертикали и коэффициента 0,7; между остальными скоростными вертикалями - их среднее значение.
Столбец 11 - расход воды между скоростными вертикалями -произведение значений столбца 8 - площадь сечения между скоростными вертикалями, и столбца 10 - средняя скорость между скоростными вертикалями. Общий расход определяется как сумма всех расходов между скоростными вертикалями. Ширина реки - расстояние между геодезическим прибором и урезом левого берега вычесть расстояние между геодезическим 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. Смоченный периметр всегда больше ширины реки (Ψ>В).
 
В нашем случае: ψ1
=2,15 м, ψ2
=2,28 м, ψ3
=2,04 м, ψ4
=2,00 м, ψ5
=2,01 м, ψ6
=2,05 м, ψ7
=2,01 м, ψ8
=2,01 м, ψ9
=2,02 м, ψ10
=4,98 м 
Гидравлический радиус определяем по формуле:
Выводы: из работы видно, что:
расход воды на реке (Q) равен 22,14 м3
/сек;
площадь водного сечения (ω) - 38,01 м2
;
ширина реки (В) - 22,7 м.;
средняя глубина () - 1,67 м.;
максимальная глубина (hmax
) - 2,65 м.;
средняя скорость течения () - 0,58 м/сек;
максимальная скорость (V
max
) - 0,73 м/сек;
смоченный периметр (ψ) - 23,55 м.;
гидравлический радиус (R) - 1,61 м.
Цель: изучить закон вероятности гамма-распределения.
Задачи: построить эмпирическую кривую; найти статистические параметры ряда; построить аналитические кривые обеспеченности гамма-распределения.
Задание 1 Построение эмпирической кривой обеспеченности среднегодовых расходов воды.
Исходные данные: среднегодовые расходы воды на реке по данным наблюдений за 28 лет.
Требуется: построить эмпирическую кривую обеспеченности среднегодовых расходов воды.
Порядок выполнения работы.
Чтобы построить эмпирическую кривую нужно заполнить таблицу.
Таблица 1 Вычисление эмпирической обеспеченности среднегодовых расходов воды
| № п/п |
Год |
Q, мі/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 К
i
находим по формуле:
Для каждого модульного коэффициента вычисляем соответствующую ему эмпирическую обеспеченность Р
по формуле:
 В последнем столбце располагаем ранжированные в порядке убывания значения модульных коэффициентов Кр
.
Эмпирическая кривая представляет собой зависимость Кр
от Р
.
Задание 2. Определение статистических параметров ряда.
Исходные данные: среднегодовые расходы воды на реке по данным наблюдений за 28 лет.
Требуется: найти среднеарифметическое  ; отклонение σ; коэффициент асимметрии сs;
коэффициент вариации сv.
Порядок выполнения работы.
Находим статистические параметры.
Таблица 2 Статистические параметры
| Среднее |
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 С
S
:
коэффициент вариации С
V
:
Задание 3. Построение аналитических кривых обеспеченности гамма-распределения.
Исходные данные: эмпирическая обеспеченность и ранжированный в порядке убывания модульный коэффициент.
Требуется: построить аналитическую кривую обеспеченности и вычислить расход воды при 75-процентной и 95-процентной обеспеченности при гамма-распределении.
Порядок выполнения работы.
Для построения аналитических кривых заполняем таблицу ниже.
Таблица 3
| Kp |
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 порядке убывания модульный коэффициент. Р
- эмпирическая обеспеченность.
РГ
- значения обеспеченности при гамма-распределении, которое определяется формулой:
 ; 
Для нахождения РГ
в Excel пользуемся функцией ввода формул: гаммарасп.При этом x
- первое значение kp
; альфа -  ; бетта =  ; интегральное - 1.
Пользуясь диаграммой, расположенной ниже, мы находим значение расхода воды при 75-процентной и 95-процентной обеспеченности, но данные значения не совсем точные, поэтому для определения расхода воды при 75-процентной и 95-процентной обеспеченности пользуемся следующими формулами:
 
Теперь мы находим К75Г
и К95Г.
Получаем, что: К75Г
=0,82,
а К95Г
=0,63.
Следовательно:
Выводы: используя данные значения, мы построили эмпирическую кривую обеспеченности, а также аналитическую кривую обеспеченности при гамма-распределении среднегодовых расходов воды реке. Нашли расход воды при 75-процентной и 95-процентной обеспеченности гамма-распределения: Q75Г
= 19,93 м3
/сек
, Q95Г
= 15,31 м3
/сек.
Также получили статистические параметры:
среднеарифметическое  |
24,3 |
| отклонение σ |
6,1 |
| коэффициент асимметрии сs
|
0,2 |
| коэффициент вариации сv
|
0,25 |
Из первой выполненной работы имея данные: площадь водосбора - 9320 км2
, расход воды - 24,3 м3
/сек, высота годового слоя осадков - 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 влажностью находится пункт наблюдения, в данном случае с. Ирба. Исходя из полученных данных можно сказать, что район относится к засушливым, так как в таких районах коэффициент стока уменьшается до нуля, а в районах избыточного увлажнения возрастает до 0,7. В данном случае ɳ=0, 203.
Во второй работе данные расчеты испарения приобретают важное значение 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 построили эмпирическую кривую обеспеченности, а также аналитические кривые обеспеченности при 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.
1. Гидрология, гидрометрия и регулирование стока: Учебники и учебные пособия 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 и учебные 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.
|