Гидрологические и водохозяйственные расчеты по курсу «Гидрология и гидрометрия» в створе п. Стешицы реки Вилия

 Министерство Образования Республики Беларусь

Белорусский Национальный Технический  Университет

Кафедра «Гидравлика»

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

Тема: «Гидрологические и водохозяйственные расчеты

по курсу «Гидрология и гидрометрия» в створе п. Стешицы

реки Вилия »

 

 

 

 

 

                                                                      Выполнил: ст. гр. 110128

        Филипович  А.С.

                       Руководитель: к.т.н, доцент

         В. Н.Юхновец

 

 

Минск 2010

СОДЕРЖАНИЕ

1. Краткая характеристика природных условий бассейна реки и района гидротехнического  строительства 

1.2  Характеристика водосбора 

1.3 Долина и русло реки 

2. Определение расчетных гидрологических 

характеристик стока 

2.1. Годовой сток разной обеспеченности 

2.2. Расчет внутригодового распределения стока 

2.3. Расчет максимального расхода талых вод 

2.4.Расчет максимального расхода дождевых паводков 

2.5.Расчет и построение гидрографа весеннего половодья 

2.6.Расчет минимальных расходов воды 

2.7.Определение стока взвешенных наносов 

   2.8.Ледовый режим реки……………………………………………………………….

3. Расчет водохранилища 

3.1. Расчет и построение кривых морфометрических 

характеристик водохранилища 

3.2 Установление объемов притока и потребления воды 

3.3 Расчет сезонного регулирования вез учета потерь воды 

3.4 Установление мертвого объема 

3.5. Расчет сезонного регулирования стока с учетом потерь воды 

на испарение, фильтрацию, льдообразование 

   3.5.1. Дополнительное испарение 

   3.5.2. Потери воды на фильтрацию 

   3.5.3. Потери воды на образование льда 

   3.5.4. Расчет сезонного регулирования стока 

табличным методом с учетом потерь воды 

4.Определение расчетного расхода 

воды для проектирования водосборных сооружений 

Заключение 

Литература 

 

 

 

 

1. Краткая характеристика природных условий бассейна реки и района строительства

1.1  Месторасположение реки Вилия

Река Вилия берет начало из болот на водоразделе р. Немана и р. Березины,в 3 км восточнее д. Березки, Бегосльского района. Она протекает по территории Бегомльского района, Минской области, Кривичского(по южной границе), Вилейского(частично по южной границе), Сморгонского и по границе Свирского и Островецкого  районов, Молодечненской области. Вилия впадает в р. Неман на 209 км от устья, в 2 км ниже г. Каунас. От истока до 185 км река протекает в юго-восточном направлении, ниже до устья—в южном. Общее протяжение реки 480 км.

Наиболее крупные населенные пункты по реке: г. Каунас (у устья), г. Ионава (43 км) и г. Вильнюс (165 км); Михалишки (273 км), Жодишки (317 км), Сморгонь (346 км), Вилейка (400 км). Общая длина реки 510 км.

1.2  Характеристика водосбора

Площадь водосбора 25054 км², водосбор почти симметричный.

 Граничит он с водосборами:

● на севере: р. Западной Двины;

● на востоке: р. Березины (приток Днепра);

● на юге: р. Немана;

 

Рельеф водосбора на территории Беларуси  холмистый. Наибольшие возвышенности водосбора: Литовско- Белоруское, Ошмянское и Свенцянское взгорья. Плоский и волнистый рельеф приурочен к пониженным частям водосбора (Двиноса, Илия, Сервечь, Нарочь и др.). Абсолютные отметки поверхности водосбора белорусской части 180-300 м над уровнем моря.

Заболоченность водосбора около 22%. Наиболее заболочено верховье бассейна, водосборы притоков Двиносы, Сервечь, Илии, Нарочи и Уши. Наиболее крупные болотные массивы расположены в междуречье рек Илии и Уши, южнее г. Вилейки, а также в водосборе р. Нарочь.

Озерность водосбора около 1,3%. Общая площадь озер около 175 км.² Наибольшее количество озер находится в северо-восточной части в бассейнах рек Нарочи и Страчи.

 Речная сеть. Густота ее 27 км на 100 км² площади водосбора (общее протяжение около 3700 км). В состав ее входят р. Сервечь (102км), р. Ошмянка (108км), Илия (87 км) и др.

Лесистость водосбора около 15%.

1.3 Долина и русло реки

По характеру долины и  русла р. Вилию можно отнести к типу рек возвышенно-равнинной местности.

 

Долина от истока до д. Мильча (494 км) шириной 0,5-0,7 км. Склоны пологие, песчаные, высотой 5-6 м. От д. Мильча до д. Данюшево (330 км) ширина долины  от 0,2 до 1,5 км, от д. Данюшево до границы Беларуси – 0,15-0,2 км и лишь местами уширяется до 2 км. Коренные берега твердые, крутые. Высота их в пределах 5-60 м. На большом протяжении среднего участка покрыты лесом.

Пойма луговая, местами заболочена (главным образом в верховьи) и покрыта кустарниками. Ширина ее 100-400 м.

Русло извилистое. Наибольшая извилистость на протяжении 162 км от  д. Мильча до д. Данюшево. У д.д. Доманово, Плоса, Данюшево (330 км) разделяется на рукава. Берега крутые и обрывистые, высота их 3-4 м. Дно в верховьи песчаное в среднем и нижнем течении - гравелисто-галечное и каменистое.

 

Характерные данные о реке для меженного периода:

От 510 до 492 км

Размеры	Ширила по урезу, м	Глубина потока, \м	Скорость течения, л/сек	Средний уклон  всего участка
Доминирующие Наибольшие  Наименьшие	8 10 6	0,5 1,5 ---	0,3 0,5 ---	0,0008

 

От 492 до 275 км

Размеры	Ширина по урезу  воды, м	Глубина потока, м	Скорость течения, м/сек	Средний уклон дна участка
Доминирующие .…	35-80	1,0	0,4	0,00036
Наибольшие ....	100	3,5	2,0
Наименьшие ....	6-10	0,2-0,3	---	0,00022

           

  Важно отметить и изученность реки. Рекогносцировочные обследования по реке производились неоднократно, главным образом в связи с изучением возможности ее энергетического использования. В последнее время обследования производились Мосгидэп’ом в 1946 г. С целью составления схемы энергетического использования р. Вилия в пределах Беларуси

В гидрологическом отношении р. Вилия на территории Беларуси изучена слабо. Гидрологические станции с длительными периодами наблюдений расположены главным образом на устьевом участке, за пределами Беларуси.

Река Вилия в настоящее время используется для лесосплава и судоходства, а также в рыбохозяйственных целях и как источник для местного водоснабжения.

● Для судоходства река используется главным образом в низовьи на протяжении около 200 км, от впадения р. Жеймяны до устья. Судоходство носит местный характер и продолжается около 90 дней в году. При низких горизонтах судоходство невозможно из-за малых (0,3-0,4м) глубин на порогах, а в высокие горизонты- из-за больших скоростей на них.

● Для лесосплава река использовалась на протяжении 490 км от д. Мильча до устья. В настоящее время для сплава в пределах Беларуси от д. Мильча до д. Михалишки на протяжении около 220 км.

● В энергетических целях  река до сего времени почти не использовалась.

Некоторые другие данные по реке и поселку приведем в таблица 

 

 

 

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ

ХАРАКТАРИСТИК СТОКА

2.1. Годовой сток  разной обеспеченности

Для реки Вилия в курсовом проекте были исходные данные. На ЭВМ вводили количество лет n=25 и по данным  в задании модулям среднегодового стока в створе за период в 25 лет (q) получали таблицу со значениями эмпирической обеспеченности Р члена статистического ряда (таблица 2.1). В данной варианте курсового проекта принято n=25

Таблица 2.1

№	Расход q, м³/с	Ki	Р
1	11,6	1,68	3,85
2	7,98	1,38	7,69
3	6,74	1,37	11,54
4	6,78	1,33	15,38
5	6,62	1,159	19,23
6	6,44	1,156	23,08
7	8,00	1,1	26,92
8	5,15	1,00	30,76
9	6,08	0,982	34,62
10	5,17	0,981	38,46
11	7,59	0,976	42,31
12	9,43	0,96	46,15
13	6,55	0,95	50,00
14	9,19	0,93	53,85
15	5,58	0,92	57,69
16	6,93	0,89	61,54
17	5,71	0,88	65,38
18	9,51	0,87	69,23
19	5,98	0,85	73,08
20	5,82	0,84	76,92
21	6,19	0,82	80,77
22	6,77	0,81	84,62
23	5,93	0,75	88,46
24	6,37	0,74	92,31
25	4,56	0,66	96,15

В данном курсом проекте  необходимо рассчитать и построить  на функциональной сетчатке (клетчатке вероятностей) эмпирическую кривую обеспеченности. Также необходимо подобрать соответствующие теоретические кривые обеспеченности Пирсона III типа и трехпараметрического гамма-распределения по методам наибольшего правдоподобия, моментов и квантилей и вычислить их координаты и расходы различной вероятности превышения. Также определить стандартные ошибки ординат кривой обеспеченности ε_{Q p%}. Приведем эти все расчеты ниже.

●среднеарифметическое значение ряда (на ЭВМ):

                                       

●коэффициент вариации Cv, представляющий собой отношение среднеквадратического отклонения ряда к его среднему значению(на ЭВМ):

                                  

где   − переходный коэффициент;

●коэффициент асимметрии кривой C_s , характеризующий степень несимметричности кривой распределения относительно среднего значения Q(на ЭВМ):

                                    

Коэффициент вариации и коэффициент асимметрии кривой вычисляются по методу моментов по вышеприведенным формулам.

Определяются две статистики λ₂ и λ₃ по методу наибольшего правдоподобия

(метод разработан применительно к трехпараметрическому гамма-распределению). Вычислено на ЭВМ:

;

;

По полученным статистикам λ₂ и λ₃ в соответствующей номограмме [11, приложения 1, листы 24-28] снимаем с графика значения C_v=0,257 и C_s/C_v=-1,0.

Вычисленные по методу моментов коэффициент вариации и коэффициент асимметрии кривой корректируются с учетом внутрирядной связи, оцениваемой значением коэффициента r' (на ЭВМ):

 

 

где ; 

;

 

где =0, , , , ,

 

где =0,03, , , , ,

Значения параметров и по [17,стр. 6], принимаются в зависимости от C_s/C_v  и r'.

После этого также на ЭВМ  определяются среднеквадратические ошибки параметров кривой распределения.

ε_Q=;

      ε_Cv=;

      ε_Cv=.

На этом расчеты на ЭВМ  закончены.

Далее нужно построить  теоретические кривые распределения. В данной работе подбор теоретической кривой обеспеченности осуществляем методом наибольшего правдоподобия и методом моментов. Для построения теоретической кривой распределения по данным таблицы2.1 по значениям К и Р строим эмпирическую кривую на клетчатке вероятностей (методом моментов). Когда все точки отмечены на сетчатке- соединяем плавной кривой(либо прямой либо параболой, которая может быть как выпуклостью к верху так и к низу).

Нужно также построить  теоретическую кривую трехпараметрического гамма-распределения. Для этого ординаты К_р выписываются из специальных таблиц в зависимости от Р, C_s/C_{v  ,} C_v[17, прил.3] . Выписываются по значениям C_s/C_v  =-1, C_v=0,257. Значения К_р интерполируются, так как находятся между C_v=0,2 и C_v=0,3.

Определим суммарный среднегодовой  расход в створе:

                                     , м³/с;

Для расчетов принимаем кривую трехпараметрического гамма-распределения:

         , м³/с;

Получаем таблицу 2(см. приложение 1).

Проведенная по теоретическим  точкам кривая должна совпадать с  эмпирической. Иначе необходимо изменить соотношение C_s/C_v до тех пор, пока кривые не совпадут. Наша теоретическая кривая совпала с эмпирической, и замена не требуется.

Построим  биноминальную кривую распределения. Необходимо вычислить также ординаты К_р этой кривой(по значениям C_v и C_s, установленным по методу моментов). Затем отмечаем точки на той же сетчатке вероятностей, где и предыдущих две. по этой кривой также определяются расходы по формуле:

 , м³/с;

Вычисленные значения заносятся  в таблицу 3(см. приложение 1).

По графоаналитическому методу(квантилей)  теоретическая кривая обеспеченности соответствует эмпирической, если она проходит через три опорные точки на эмпирической кривой, которые отвечают обеспеченностям 5%, 50%, 95%.

С эмпирической  кривой на клетчатке снимаем расходы обеспеченностью 5%, 50%, 95% для вычисления скошенности  S кривой:

где К₅=1,45, К₉₅=0,774, К₅₀=0,942.

Соответственно для этих выписанных значений К получаем:

Q₅=K₅*=1,45*8,5=12,32,

Q₉₅=K₉₅*=6,324,

Q₅₀=K₅₀*=8,007.

Коэффициент скошенности  S характеризует несимметричность кривой распределения вероятностей и функционально связан с коэффициентом асимметрии C_s. Зная коэффициент S по[12,прил.2] выбираем значение C_s=f(S)=-0,60.

 Затем вычисляют среднее квадратическое отклонение

 м³/с

Значения Ф выписываются по [12, табл.6].

Среднее арифметическое значение

                    м³/с

Коэффициент вариации

                   

 

 

2.2. Расчет внутригодового  распределения стока

Внутригодовое распределение  стока зависит от водности реки. Выделяют многоводные, средневодные и  маловодные годы.

В курсовой работе предусматривается расчет внутригодового распределения стока по месяцам для очень многоводного года, характеризующегося обеспеченностью p = 5 %, среднего по водности и очень маловодного с обеспеченностью p = 95 %.

Расчеты будем производить  в виде таблицы 2.2, в которой для  всех месяцев в году  высчитываем  расход за конкретный месяц.

Таблица2.2. Внутригодовое распределение стока

Характеристики  стока	МЕСЯЦЫ													Год
	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	1	2
	Очень многоводный год,p=5%
v,%	4	24,1	8,2	3	4,2	10,1	5,6	7,2	12,2	9,1	6,6	5,7
Q,м3/с	5,9	35,5	12,1	4,43	6,199	14,9	8,26	10,62	18,007	13,4	9,7	8,4		147,6
	Средний по водности год
v,%	14,8	23,8	9	8,3	4,2	4,8	5,6	6,1	7,1	6,5	5,3	4,5
Q,м3/с	14,2	22,8	8,64	7,9	4,03	4,6	5,37	5,85	6,81	6,24	5,088	4,32		96,0
	Очень маловодный год,p=95%
v,%	16,9	29,6	13	6,,5	5	4,4	3,8	4,4	5,4	4,3	3,7		3
Q,м3/с	12,776	22,38	9,82	4,913,78	3,78	3,32	2,87	3,32	4,08	3,25	2,79		2,268	75,6

Значения υ выписываются [1, табл. 53] для VI - Припятского района (подрайон а). υ -месячная доля стока в процентах от годового.

За 100% приняты среднегодовые  расходы соответствующей обеспеченности, умноженные на 12 (12 месяцев). Тогда расход за конкретный месяц равен

                                       , м³/с,         

Значения расхода   в створе реки выбираем по подобранной теоретической кривой  распределения. Это значения расходов многоводного, среднего по водности и очень маловодного годов( =41,66, ).

     По результатам расчета строим ступенчатые гидрографы стока для каждого года на одном рисунке, соответствующего трем градациям водности ( рис.1). Для этого мы воспользуемся схемой безразмерного внутригодового распределения стока, содержащегося в государственном водном кадастре [1, табл. 53].

                                            

 

 

 

 

2.3. Расчет максимального  расхода талых вод

Расчет производим для  случая отсутствия данных наблюдений в створе реки, поэтому используем формулу (2.1), пригодную для равнинных рек с площадью водосбора F < 50000 км², согласно действующим СН [14]:

                     , м³/с                               (2.1)

где p – значение расчетной обеспеченности, устанавливается по СНиП, для гидросооружений I – IV классов капитальности (0,01 – 1 %) [14];

С помощью карт №6, №8, №9[11, прил.1] определяем соответственно:

h_o(среднемноголетний слой стока половодья рек) равен 72мм, Cv(коэффициент вариации среднемноголетнего слоя стока половодья рек) равен 0,48 ,по отношению для весеннего половодья получаем зону 2.

       K_о – параметр, характеризующий дружность половодья, зависящий главным образом от природной зоны и рельефа. Его значение рекомендуется определять по данным рек-аналогов. Значение K_о можно приближенно определить для водосборов лесной зоны по табл. 2.3

  Таблица 2.3

Значения α	α>1	1>α>0,5	α<0,5
Категория рельефа   водосбора	1	2	3
Значения К0	0,010	0,008	0,006

 

Далее необходимо определить значение параметра α

где =0,23% -средневзвешенный уклон реки.

Значит принимаем К_о=0,008.

Вычисляем коэффициент вариации стока половодья по формуле:

                                                ,

где А – параметр, значение которого принимаем для конкретного гидрологического района по [1] (А=14).

Вычисляем далее модульный коэффициент K_р:

                                                        

Ф_p,Cs -отклонение ординаты кривой обеспеченности от середины (от К=1) при C_v=1, значение Ф_p,Cs выписывают из таблицы Фостера-Рыбкина, приведенной в [12] или в [11, с. 144-147], в зависимости от обеспеченности p и коэффициента асимметрии кривой распределения C_s. Значение C_s можно получим из нормативного соотношения C_s/C_v =α или из соотношения C_s/C_v для рек-аналогов, нормативное значение α принимают по [11, прил. 1, лист 9];

                                                                                             

     Для водосборов  рек Республики Беларусь значение  α можно приближенно принять α = 2-2,5 (принимаем α=2).

После определения  модульного коэффициента K_р можно определить расчетный слой суммарного весеннего стока h_р (без срезки грунтового питания расчетной обеспеченности p), определяем расчетом по формуле, мм:

  мм,

В формуле (2.1) необходимо также  определить коэффициент, учитывающий неравенство статистических параметров слоя стока и максимальных расходов воды (μ). Этот коэффициент зависит от обеспеченности и природной зоны. Для рек лесной зоны и зоны тундры при p = 0,1…3% значение μ= 1. А вообще принимаем этот коэффициент по [11, прил. 1, лист 5].

Принимаем для расчета  μ= 1.

Определим коэффициент δ. Он учитывает влияние водохранилищ, прудов и проточных озер на снижение максимальных расходов:

В данной формуле неизвестно средневзвешенная озерность водосбора (f’_о). Оно определяется как

 

Так как значение получилось намного меньше 1, то принимаем f’_о=1% (_из условия курсового задания).

Значит,

где С- коэффициент, который зависит от среднего слоя весеннего стока h_о, при

h_о = 20…100 мм значение С = 0,4…0,2(принимаем равный С =0,3).

Определим коэффициент, учитывающий снижение максимальных расходов в заселенных бассейнах:

                                       δ₁ = а₁ /(ƒ л +1)^п         

В данной формуле  а₁ – параметр, учитывающий расположение леса на водосборе, определяется по [11, табл. 21, с.55] (принимаем а₁=1, так как ƒ л=34>30%), по заданию f_л – залесенность водосбора, f_л =34% .    

В последней формуле неизвестное п –это коэффициент редукции, принимаем равным п = 0,22.

Значит,

δ₁ = а₁ /(ƒ л +1)^п=1/(34+1)^0,22= 0,46

Далее определяем      δ₂ – коэффициент, учитывающий снижение максимальных расходов воды заболоченных водосборов:

       δ₂ = 1- βlg (0,1f_б + 1)

Из задания принимаем  относительная площадь болот, заболоченных лесов и лугов на водосборе f_б =21%.

В последней формуле неизвестное  β – коэффициент, учитывающий тип болот и преобладающий механический состав почвогрунтов вокруг болот; определяем по [11, табл. 22, с.55]. Для болот различных типов на водосборе принимаем  β=0,7.

Значит,

δ₂ = 1- βlg (0,1f_б + 1)=1-0,7*lg(0,1*21+1)=0,66.

Также, чтобы посчитать  конечную формулу необходимо посчитать неизвестную       δ_з  - коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода вследствие распашки водосбора под сельскохозяйственные угодья; так как F =8770 км²> 200 км², значение δ_з =1.                    

В формуле (2.1) показатель степени редукции(п) принимаем  для лесной зоны п = 0,17. Также принимаем для водосборов лесной зоны неизвестную в = 1- это параметр, учитывающий снижение интенсивности редукции модуля максимального стока с уменьшением площади водосбора.

Конечное значение формулы (2.1) получаем:

 м³/с

      После определения значения расчетного расхода Q_р вычисляем его модуль:

                                         ,м³/с·км² .                     

 

 

 

 

 

 

          2.4.Расчет максимального расхода дождевых паводков

 

    Расчет дождевого  максимума производим по рекомендациям  [11] с использованием формулы

                     м³/с,       

Принимаем q_200,1% =0,1(определили по карте) - это модуль максимального мгновенного расхода обеспеченностью р = 1% при δ₃ = 1, приведенный к площади водосбора F = 200 км²; определяем по карте [11, лист 12, прил.1].

Значения  принимаем равными значениям из пункта 2.3.

  Неизвестный коэффициент  λ_р – переходный коэффициент от расходов воды обеспеченностью р = 1% к расходам другой обеспеченности, его значение устанавливали по [11, лист 13, прил.1, табл. 8 прил. 2],   λ_р=2.

 п – коэффициент редукции модуля максимального мгновенного расхода воды с увеличением площади водосбора; определяем по [11, лист 10, прил.1] п = 0,22.

Итоговое значение максимального расхода дождевых паводков:                           м³/с

 

2.5.Расчет и  построение гидрографа весеннего  половодья

 

Расчетные гидрографы половодья  строим по средним суточным расходам воды. Переход от мгновенного максимального  расхода Q_р к среднему суточному той же обеспеченности осуществляем по зависимости,

                                              = Q_р /К_τ =876,91/1=876,91 м³/с,                                         

 где К_τ – переходный коэффициент от Q p к Q* p , его значение можно принимать по табл. 3, взятой из [11] (принимаем  К_τ=1 ).

Значение K_s устанавливаем по данным рек-аналогов, содержащихся в государственном водном кадастре [1, табл. 75, с.174]. По установленному K_s=0,33 принимаем значение λ^*=0,8 из табл. 19 [11, прил.2, табл.19, с.196…197].

Условную продолжительность  подъема половодья t_n определяем по формуле

                  ,сут,                                                

где h_р – расчетный слой половодья, мм (вычислен в п.2.3 h_р=174,24);

q_р – модуль среднего суточного максимального расхода воды, определяемый по формуле

                                                       q* _р = q_р / К_τ=0,1/1=0,1, м³/с · км²,                                                  

где q_р = Q_р /F=876,91/8770=0,1 м³/с · км²– модуль мгновенного максимального расхода талых вод, вычисленный в п.2.3.

     Уравнение  (2.2) решено в зависимости от K_s или λ^*, и решение приведено в [1, прил.2, табл.19, с.196…197]. Для расчета координат гидрографа половодья выписываем из этой таблицы соответствующие установленному K_s  значения координат безразмерного гидрографа x и y. Переход к размерному гидрографу осуществляем перерасчетом безразмерных координат в размерные по формулам

                                       Q_i = · y , м³/с;                                                       

                                        t_i = t_n · x, сут.                                                               

       По результатам расчета и рассчитанным координатам в таблице 2.3  на миллиметровой бумаге в принятом масштабе строим гидрограф половодья (рис.2).