Анализ условий формирования и расчет основных статистических характеристик стока реки Куршаб - с. Гульча

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Министерство  образования и науки Кыргызской Республики

Кыргызско-Российский Славянский Университет

Факультет Архитектуры, Дизайна и Строительства

Кафедра гидротехнического строительства  и водных ресурсов 
 

Реферат по дисциплине:

Гидрология  рек. 

На тему:

Анализ  условий формирования и расчет основных статистических характеристик  стока реки

Куршаб - с. Гульча. 
 
 
 

                                                                                Исполнитель:       студент группы

                                                                                              КИОВР-1-10 Султаналиева Нурия.

                                                                                Руководитель: Ершова Н. В. 
 

                                             Бишкек 2012                                      

                                              Содержание

Введение. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 3

1. Гидрографические  характеристики реки и речного  бассейна._ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 4

           1.1.Характеристики гидрографической сети.  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  4

                         1.1.1. Длина реки. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  4

                         1.1.2. Гидрографическая схема речной сети.  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  5

                         1.1.3. Продольный профиль и уклон реки. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _   5

           1.2.Морфометрические характеристики бассейна.  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _7

                         1.2.1.Площадь водосбора. _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 7

                         1.2.2.График нарастания площади бассейна по длине главной реки._ _ _ _ _  8

2. Физико-географические фактора стока._ _ _  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 9

           2.1. Факторы подстилающей поверхности._ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _  9

3. Годовой сток и его распределение._ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _11

          3.1.Характеристика годового стока._ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _11

          3.2. Определение нормы годового стока и его статистических характеристик._ _ _ _12

           3.3. Расчет и построение кривой обеспеченности годового стока._ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 13

          3.4. Расчет внутригодового распределения стока._ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 15

         3.5. Анализ водного режима._ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 17

4.Максимальный  сток._ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 19

         4.1. Расчет максимальных расходов воды заданной обеспеченности._ _ _ _ _ _ _ _ _ _19 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

    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.

    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.

    Изучая  анализ условий формирования реки Куршаб, выделяют расчеты основных статистических характеристик: продольный профиль дна реки, график нарастания площади водосбора по длине реки, график распределения площадей по высотным зонам, гипсографическая кривая, сокращенная интегральная кривая, расчетный гидрограф, аналитическая и эмпирическая кривые обеспеченности годового стока.

    Цель  работы – обработать метеорологические  данные по реке Куршаб. Определить ее продольный профиль и уклон реки, характеристики стока, нормы годового стока и его статистические характеристики, площадь водосбора, факторы подстилающей поверхности, климатические характеристики, расчет и построение кривой обеспеченности годового стока, внутригодовое распределение стока, анализ водного режима и определение типа питания реки, а также расчет максимальных расходов воды заданной обеспеченности.

1. Гидрографические  характеристики  реки и речного бассейна 

     1.1.Характеристики гидрографической сети 

     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 - 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.

     Устье -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.  

    1.1.1. Длина реки 

      Длина реки - расстояние по реке от устья до истока в километрах.

Длина реки может определяться циркулем, курвиметром или ГИС программой Arcveiw.

В данной работе длина реки Куршаб измерялась автоматически с помощью ГИС программы  Arcveiw.

         Общая длина реки Куршаб от истока до гидропоста составила приблизительно 83,5 км. 
 
 
 
 

      1.1.2. Гидрографическая схема речной сети 

      Для схематического изображения речной системы составляется гидрографическая схема. 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 рис.1 приведен пример выполнения гидрографической схемы.

                                         Рис.1. Гидрографическая схема реки

Гидрографическая  схема реки Куршаб представлена в приложении 1. 
 

     1.1.3. 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.

      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.2 приведен пример построения продольного профиля.

                               Рис.2 Продольный профиль дна реки

     Продольный  профиль дна реки Куршаб показан в приложении 2.

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

                                                          i = DН/l                                                          (1) 

     Уклон обычно выражается в относительных  единицах. Иногда употребляется выражение  уклона в промилях (⁰/₀₀), что означает падение, выраженное в тысячных долях от длины участка. Принято различать средний и средневзвешенный уклон реки и участка.  

  1.2.Морфометрические характеристики бассейна  

          Бассейн - часть земной поверхности, включая толщу почвогрунтов, из которых река получает питание. 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. 

      1.2.1.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.3 приведена схема речного бассейна.

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

      Рис.3. Схема речного бассейна.

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

      1.2.2. График нарастания площади бассейна по длине главной 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.4).

 Рис.4. График нарастания площади водосбора реки по длине реки. 

График  нарастания площади водосбора реки Куршаб по ее длине представлен в

приложении 1. 
 

2. Физико-географические фактора стока

      2.1. Факторы подстилающей поверхности 

     Под факторами подстилающей поверхности  понимаются элементы физико – географической среды , 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.

      Средняя высота водосбора Н_ср вычисляется по формуле 

                                          (2) 

 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.

          Для водосбора реки Куршаб Н_ср=2,990214 км.

       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.5), 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.6 приведен пример построения гипсографической кривой.

      Рис.5. График распределения площадей по высотным зонам 

      Рис.6. Гипсографическая кривая.

3.Годовой сток и его распределение

        3.1. Характеристики годового 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. 

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

      W=`Q×T [м³],  (3)

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=10³`Q/F[л/(с×км²)],  (4)

где F - площадь водосбора, км².

      К безразмерным характеристикам относятся  модульный коэффициент и коэффициент стока.

      3.2. 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, как всякая средняя  арифметическая величина статистического  ряда, может быть определена по формуле:

                                                       ,                                                         (5)

где Q_N - норма годового стока, Q_i - годовые значения стока за длительный период (N лет).

      Определяется  σ_Q по формуле

                            .                                                        (6)

      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

         .                                               (7)

      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.

                 Рис.7 Сокращенная интегральная кривая 

      3.3. 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.

      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; коэффициент изменчивости (вариации) C_v; коэффициент асимметрии C_s

      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. 

Рис.8 Аналитическая 1 и эмпирическая 2 кривые обеспеченности годового стока. 

    Для построения теоретической кривой обеспеченности необходимо определить величины расходов, имеющих обеспеченность Р = 0,01%, 0,1%, 1%, 5%, … 99,9%. Полученные  значения удобнее свести в табл.1. 

    Таблица 1.