Гидрологические изыскания водных объектов

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

 

 

 

Кафедра водных ресурсов

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО  ДИСЦИПЛИНЕ:

«Инженерно-экологические  изыскания»

НА  ТЕМУ:

«Гидрологические изыскания водных объектов»

 

 

 

Выполнила

 студентка  группы ПВ-32 

Леухина Любовь Валерьевна

Проверил:

Турлов А.Г.

 

 

 

Йошкар-Ола  

2012

Содержание

 

1. Обработка результатов полевых работ.
1. Обработка результатов наблюдения уровней воды.
1. Первичная обработка данных наблюдений над уровнями воды
2. Построение годового хронологического графика колебаний уровней воды. Связка уровней воды по водомерным постам
3. Построение графиков частоты и продолжительности стояния уровней воды
4. Срезка уровней.
2. Обработка результатов промеров глубин.
1. Построение поперечного профиля реки по гидроствору
2. Определение площади живого сечения.
3. Построение кривой зависимости площади живого сечения от уровня воды.
4. Построение плана дна реки в изобатах.
3. Обработка измерений скоростей течения.
1. Построение плана скоростей потока
2. Определение расхода воды по измерениям скорости воды поплавками
3. Определение расходов воды по измерениям скорости гидрометрическими вертушками
4. Определение расхода воды по сносу лодки
5. Определение расхода воды по измерениям уклона
6. Определение коэффициента шероховатости по данным наблюдений.
7. Определение расхода воды по пойме в период половодья
8. Построение зависимости расходов от уровней по данным наблюдений .
9. Продление кривых зависимостей расхода от уровней.

1.3.10.Использование расходных  кривых.

4. Обработка результатов измерения твердого стока.
1. Определение расхода взвешенных наносов
2. Определение расхода влекомых наносов.
3. Определение расхода наносов по движению донных гряд.
4. Определение объема стока наносов.
5. Обработка результатов измерения волнения.
1. Определение элементов волн.
2. Расчет высоты волнения теоретическими методами.
6. Обработка результатов водобалансовых изысканий.
1. Определение запасов воды в снежном покрове.
2. пп
7. Обработка результатов гидрогеологических исследования.
1. Определение скорости подземного потока
2. Определение расхода подземного потока
3. Определение взаимосвязи поверхностных и грунтовых вод.
2. Заключение

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Основной целью  гидрологических изысканий является определение гидрологических и гидравлических характеристик водотока или водоема в створе проектирования сооружения. Как правило,  проектируемые объекты располагаются на реках вдали от действующих гидрологических постов с длительными рядами наблюдений. А часто ближайший гидрологический пост располагается и в другом бассейне. Поэтому получить расчетные многолетние гидрологические характеристики створа, в котором изыскания проводятся в ограниченный период времени, можно только установив взаимосвязь между данными наблюдений в рассматриваемом створе и данными наблюдений на гидрологическом посту за соответствующий период времени. В предлагаемом пособии рассматриваются основные виды камеральных работ по обработке результатов гидрологических изысканий для конкретного створа реки и переносе данных наблюдений ближайшего гидрологического поста на этот створ. Перечень рассмотренных задач соответствует типовому составу графической части гидрологической записок по обоснованию проектов гидротехнических сооружений для водоснабжения и гидроэнергетики [1]. Полный перечень глав и разделов гидрологической записки приведен в упомянутом источнике.

 

Исходные  данные

 

Исходными данными  для решения практических задач  являются результаты изысканий, проведенных  в течение года на расчетном створе.

При изысканиях были проведены следующие виды работ:

• Оборудование свайного водомерного поста и ежедневные наблюдения за уровнями воды в течение весеннего половодья и летне-осенней межени
• Промер глубин на поперечном профиле русла и тахеометрическая съемка поймы в расчетном створе.
• Нивелирование меток высоких вод и наивысшего исторического максимума по опросам старожилов.
• Измерение скоростей течения по всей ширине реки в несколько приемов, соответствующим основным фазам водного режима.
• Измерение мутности воды на скоростных вертикалях одновременно с измерением скоростей.
• Измерение мутности воды в единичной пробе один раз в декаду.
• Измерение расхода влекомых наносов донным батометром на скоростных вертикалях в дни измерения скоростей течения.

 

Для выполнения работ предварительно были найдены  следующие материалы:

• Карта водосборного бассейна реки.
• Роза ветров по ближайшей гидрологической станции.
• По ближайшему гидрологическому посту получены следующие данные:
• Данные ежедневных наблюдений за уровнями воды за год проведения изысканий
• Данные ежедневных наблюдений за расходами воды за год проведения изысканий
• Данные о расположении гидрологического поста
• Кривые обеспеченности характерных уровней и расходов по гидрологическому посту.

 

 

 

1. Обработка результатов полевых работ.

 

1.  Обработка результатов наблюдения уровней воды.

 

1. Первичная обработка данных наблюдений над уровнями воды

 

Запись наблюдений на водомерном посту производится в  полевой водомерной книжке (таблица 2). Для краткости в примере  не приводятся колонки с данными о температуре воды и воздуха, ветре, волнении и ледовых явлениях.

Данные наблюдений над уровнем воды в реке, поступающие  от наблюдателя на свайном водомерном посту, представляют сбой отсчеты уровней  по переносной рейке, нулевое деление которой в зависимости от колебаний уровня находится на головках разных свай. Поэтому эти данные не отражают непрерывного хода уровней в реке. Для построения графика колебания уровней нужно привести все отсчеты к постоянной плоскости – нулю графика. Для этого отсчет по рейке складывается с приводкой сваи – превышением головки сваи над нулем графика. Приводки рассчитываются на основании данных периодических нивелировок свай и контрольного репера и записываются в справочную таблицу (таблица 1) к полевой водомерной книжке как разность отметки сваи по нивелировке и уровнем нуля графика.

При обработке  необходимо контролировать совпадение уровней взятых одновременно по соседним сваям при переходе измерений  с одной сваи на другую. А также  учитывать возможные изменения приводок при повреждении свай. Эти сведения записываются в справочной таблице к полевой книжке. Для определения среднесуточного уровня берется среднее значение по отсчетам в 8 и 20 часов. Результаты обработки полевых книжек записывают в таблицу ежедневных уровней по водомерному посту (таблица 3). В таблице указывается отметка нуля графика и система высот (абс. или усл).  Также фиксируются средние максимальные и минимальные уровни по месяцам.

 

2. Построение годового хронологического графика колебаний уровней воды. Связка уровней воды по водомерным постам

 

По данным годовой  таблицы уровней на миллиметровой  бумаге строится график колебания уровней, показанный на  рисунке 1.

Обычные масштабы:

- на оси уровней  1 см графика соответствует при  амплитуде колебаний уровней 1 м -10 см, 2 м – 20 см , 5 м – 50 см, 10 м – 100 см.

- На оси времени  в 1 см 10 или 20 дней.

Поскольку наблюдения в створе проведения изысканий проводятся, как правило, в ограниченный период времени, необходимо построить кривую связи уровней по рассматриваемому посту и ближайшему стационарному посту, на котором проводятся регулярные многолетние наблюдения. Для этого в одинаковом масштабе времени строятся совмещенные графики колебаний уровня воды по водомерным постам. На графиках отмечаются и нумеруются соответственные характерные пики и впадины. Эти уровни и их даты записываются в таблицу характерных уровней воды по водпостам По этим данным  строится график связи уровней (рис 2). По оси ординат обычно откладывают значения верхнего по течению поста, а по оси абсцисс – нижнего. Также по таблице можно построить график времени добегания уровней . Здесь по оси абсцисс откладывается разность дат наблюдения соответственных уровней.

 

 

 

 

3. Построение графиков частоты и продолжительности стояния уровней воды

 

Для построения кривых частоты и продолжительности  стояния уровней за расчетный  период времени амплитуда колебаний  уровня разбивается на интервалы  через 10-20-50 см (в зависимости от величины амплитуды). Интервалы записываем в  колонку 1 таблицы 4 сверху вниз по убыванию уровня. По данным таблицы ежедневных уровней определяем число дней стояния уровней в каждом интервале за весь период и записываем в графы 2-8 таблицы 4. Затем вычисляем общее число дней стояния уровня в каждом интервале, как сумму дней в каждой строке и записываем в графу 9. Повторяемость в процентах от длительности расчетного периода времени определяем делением чисел в колонке 9 на общее количество дней в периоде (строка «итого» колонки 9) и умножением на 100%. Продолжительность стояния уровней в днях (колонка 11) определяем последовательным суммированием колонки 9. Продолжительность в процентах определяем аналогично повторяемости.

Откладывая  по оси ординат величины интервалов уровней, а по оси абсцисс продолжительность  и повторяемость уровней в процентах, по данным колонок 10 и 12 строим кривые повторяемости( частоты) и продолжительности. Рис.3. Аналогично строится кривые в днях (колонки 9 и 11).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Срезка уровней.

 

Для возможного сравнения повторных съемок одного и того же участка необходимо, чтобы изобаты отсчитывались от одной и той же поверхности называемой срезочной и соответственно от срезочного уровня. Для этого один из постов принимают за опорный и для него находят срезочный уровень.

Обычно это  проектный уровень, соответствующий основному виду водопользования (например НПУ водохранилища, уровень 90% обеспеченности для водного транспорта и т.д.).

Затем проводят мгновенную или однодневную связку уровней. Забивают одновременно колья  на всех постах и нивелируют их.

Как правило  текущий уровень не соответствует  срезочному на главном посту. Желательно, чтобы он отличался не более чем  на 0,3-0,5 м. После нивелирования для  каждого поста вычисляют срезочные  уровни и пересчитывают глубины

Связка срезочных  уровней позволяет получить кривую свободной поверхности и уклоны, а также получить основу для вычисления глубин.

Для вычисления срезки уровня воды на посту наблюдений на конкретную дату необходимо из текущего уровня воды вычесть срезочный уровень  для данного поста.

Если изыскания  проводятся на участке между двумя  постами, для которых известны срезочные  уровни, и имеются зафиксированные  в один день уровни по всем трем пунктам, срезку на промежуточном пункте можно  определить двумя способами.

При проведенной  нивелировке и наличии однодневных уровней по всем трем пунктам в единой системе высот срезка на промежуточном пункте находится пропорционально падению уровней между промежуточным пунктом и постами по формуле:

 

 

Где срезки на вышележащем и нижележащем постах на дату измерений,

 срезочный уровень по вышележащему  посту

,   и уровни воды по вышележащему, нижележащему и промежуточному посту на  дату измерений.

При отсутствии нивелировки промежуточного поста  в единой системе высот срезку можно вычислить пропорционально  расстоянию между постами и промежуточным  пунктом по формуле:

Где -расстояние от вышележащего до промежуточного поста,

 расстояние между вышележащим  и нижележащим постами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Обработка результатов промеров глубин.

 

1.2.1.Определение  характеристик поперечного сечения  при рабочем уровне.

 

При проведении изысканий в расчетном створе была выполнена тахеометрическая съемка поймы. За начало отсчета принята точка на правом берегу, имеющая отметку на 1-1,5 м превышающую высший исторический горизонт (ВИГ). Результаты съемки приведены в таблице 6.  Результаты промеров глубин русла на расчетном створе при уровне воды 177,00 м приведены в таблице 5.

 

Таблица 5

Вычисление  площади водного сечения реки

(Выписка  из промерного журнала)

№ промерных  точек	Расстояние  от постоянного начала,м	Глубина воды, м	Отметка дна, м	Расстояние между промерами, м	Средняя глубина  между промерами, м	Площадь сечения  между промерами, м2
Урез п.б.	45	0,0
1	67	3,0
2	95	4,1
3	120	5,5
4	150	6,7
5	185	7,5
6	211	8,2
7	243	7,5
8	313	6,8
9	358	5,2
10	391	4,5
11	419	1,5
Урез л.б.	469	0,0

Примечание: Постоянное начало на пикете 2. Рабочий уровень 177,00 м в БСВ.

 

Таблица 6

Тахеометрическая  съемка поймы на расчетном створе

Пикеты	Плюсы, м	Отметка земли, м	Ситуация
0		181,47	Редкий лес Редкий лес
	20	176,37
	46	176,65	Протока Протока
	68	171,53
	82	176,5	Редкий лес, густые кусты Редкий лес, густые кусты
1		175,95
2		176,66	Густой лес
	42	177,54	Русло
6	82	177,43	Березовая роща
7	40	177,09	Березовая роща, кусты
8		176,41	Густые кусты Н=5м
	70	175,88	Кусты по мари
9	23	175,44
	87	176,18	Редкий лес, кусты
10	60	176,47
	83	175,61	Протока
	94	172,22
11	9	177,30	Редкий лес, осока, мелкий кустарник
	19	176,01
12	80	176,38
13	11	176,04
	36	177,32
	79	176,63
14	5	177,79
	38	177,3	Густой кустарник  по моховой мари
17		177,35	Чистая кочковатая марь
18		177,46
	63	175,56	Протока
	71	172,61
19	15	179,4	Густые кусты
	39	179,58
	55	177,95	Кочковатая  марь с кустарником
21		177,35
	62	176,6
22	29	177,07	Густые кусты
23		179,17	Густой лес  и кусты
	43	182,48	Густой кустарник  и редкий лес
24		182,35	Моховое болото
25		182,55

Примечание: Высший исторический горизонт ВИГ установлен по опросам старожилов и составляет 180,52  м. Продольный уклон водной поверхности определенный по меткам высоких вод I=0.00046

 

Основными характеристиками сечения являются: площадь поперечного  сечения, ширина, средняя глубина, смоченный  периметр, гидравлический радиус.

Площадь живого сечения вычисляем аналитически как сумму площадей трапеций и треугольников по формуле

Где - глубины в промерных точках, м

- расстояния между промерными  точками, м

Ширина русла  В определяется расстоянием между  урезами воды.

Средняя глубина сечения равна частному от деления площади живого сечения на ширину русла.

,   м

Смоченный периметр определяем по формуле:

, м

Гидравлический радиус определяется делением площади сечения на смоченный  периметр

, м

1.2.2. Построение поперечного профиля  реки  и поймы по гидроствору  .

 

Для построения зависимостей уровней воды и расходов во всем диапазоне возможных значений необходимо построить совмещенный  профиль русла и поймы (смотрите рис.5). Профиль строят на миллиметровой бумаге. По оси абсцисс откладывают расстояние между промерными точками, а по оси ординат отметки дна (берега). Масштабы для построения выбирают следующие: горизонтальный в 1 см – 2,5,10,20,50,100,200 м; вертикальный в 1 см – 0,5 , 1,2,5,10м. На профиль наносят рабочий уровень воды (при котором проводились измерения). Над ним выписывают его отметку и дату. Дополнительно наносят максимальный уровень высоких вод установленный по меткам, или опросам старожилов.

Под профилем в  виде таблицы выписывают: номера промерных точек (или пикеты и плюсы), расстояния от постоянного начала, расстояния между точками, отметки дна (земли), глубины при рабочем уровне (для русла), ситуацию (характер дна и поймы, наличие растительности).

 

1.2.3. Построение кривой зависимости площади живого сечения от уровня воды.

 

Для интерполяции измеренных  при изысканиях расходов воды на другие уровни воды необходимо рассчитать площади живого сечения  при нескольких уровнях в диапазоне  от минимального до максимального. Для этого  на поперечном  профиле, построенном по результатам промеров русла с прилегающими берегами,  проводят несколько расчетных уровней выше и ниже наблюденного с интервалом через 0,5-1 м.

  Для определения  площади живого сечения для  верхнего уровня, площадь трапеции образованной соседними уровнями и берегами измеряют на профиле, или вычисляют и прибавляют к площади живого сечения вычисленной для нижнего уровня. Аналогично при определении площади живого сечения для нижнего уровня, площадь трапеции вычитают из площади, вычисленной для верхнего уровня.

 

1.2.4. Построение плана дна реки в горизонталях

 

 Для проектирования  и строительства на реках различных  сооружений составляют планы,  на которых рельеф дна дается  в горизонталях.

При проведении промеров на каждом поперечнике определяют отметку уровня воды в Балтийской системе или условную. Для этого в районе работ устраивают пост и привязывают его репер к высотной основе. На посту ведут учащенные наблюдения за уровнем, а при надобности устанавливают самописец уровня.  
Вычитая из отметки уровня воды во время промеров измеренные глубины, получают отметки дна. На план наносят промерные точки и у каждой из них выписывают отметку дна. Затем обычным способом проводят горизонтали и линии урезов воды, относя их высотное положение к принятому мгновенному (срезочному) уровню. Если план составляют для проектирования гидротехнических сооружений, то, кроме русла, на нем показывают по данным топографической съемки пойму, долину и коренные берега до отметок выше подпорного уровня. Сечение рельефа горизонталями принимают в зависимости от масштаба по существующим в топографии правилам.

 На рисунке  5. приведен пример плана участка  речного русла, где подводный  рельеф показан в горизонталях. 

 

 

 

 

Таблица 7

Результаты  промерных работ на участке реки

№ промер- ных  точек	Расстояние  от магистрали, м	Глубина воды, м	Отметка дна, м	№ промерных  точек	Расстояние  от постоянного начала,м	Глубина воды, м	Отметка дна, м
Створ 1, уровень  воды 55,21 м в БСВ				Створ 3, уровень  воды 54,18 м в БСВ
Урез п.б.	5	0,0		Урез п.б.	8	0,0
1	10	0,2		1	13	0,3
2	15	0,8		2	18	1,0
3	20	0,5		3	23	1,2
4	25	1,7		4	28	1,5
5	35	1,5		5	33	1,5
6	40	1,2		6	38	1,8
7	45	1,2		7	43	1,3
8	50	1,6		8	48	1,2
9	55	1,3		9	53	0,7
10	60	0,7		10	58	0,4
Урез п.б.	62	0		Урез п.б.	68	0
Створ 2, уровень  воды 54,70 м в БСВ				Створ 4, уровень  воды 53,68 м в БСВ
Урез п.б.	2	0,0		Урез п.б.	12	0,0
1	7	0,8		1	17	0,5
2	12	0,8		2	22	0,9
3	17	1,1		3	27	1,3
4	22	1,3		4	32	1,8
5	27	1,6		5	37	1,4
6	32	1,9		6	42	1,2
7	37	1,4		7	47	0,8
8	42	1,2		8	52	0,7
9	47	0,6		9	57	0,3
10	52	0,6		10	62	0,3
Урез л.б.	61	0		Урез л.б.	73	0
Перечники размечены  на прямой магистрали через 150 м

 

1.2.5. Построение плана реки в изобатах

 

Если план реки составляют для нужд судоходства, на нем нулевая изобата проводится по отметкам проектного уровня воды. Проектным уровнем называется такой, относительно которого определяют гарантированные габариты судового хода: глубину, ширину, радиусы закруглений. Обеспеченность проектного уровня принимают равной 80—99 %, причем для больших судоходных рек (магистралей) принимают более высокую обеспеченность. Следовательно, за проектный уровень принимают уровень низкой межени.  
Для составления плана русла в изобатах (рис.) необходимо обработать результаты измерений глубин, чтобы получить глубины, отнесенные к проектному уровню. Если рабочий уровень выше проектного, разность их высот называют срезкой; значение ее вычитают из  измеренной глубины

Для проведения изобат необходимо предварительно нанести на план положение промерных точек. Это делают разными приемами в зависимости от способа координирования промеров. Например, при промерах по поперечникам от магистрали на план наносят магистраль, поперечники, а на них промерные точки, у каждой из которых выписывают глубины с учетом срезки. После проведения изобат на плане проводят линию наибольших глубин на ней проставляют километраж от устья.

 

3.  Обработка измерений скоростей течения.

 

1. Построение плана скоростей потока

 

Для получения плана скоростей на участке русла реки был проведен пуск поверхностных поплавков по всей ширине русла. Положение поплавков фиксировалось с помощью теодолита одноточечным способом через равные промежутки времени. Теодолит был установлен на правом берегу на высоте 10,35 м над уровнем воды. Наведение нуля горизонтального круга по гидрометрическому створу. Уклон реки на участке изысканий по данным нивелирования уровня составил 0,0002. Результаты замеров приведены в таблице.

Для определения положения  поплавков в заданный момент времени необходимо определить расстояние от точки наблюдений до поплавка. С учетом уклона водной поверхности расстояние определяется по формуле

 

, м

 

Где Н – высота установки  теодолита над уровнем воды, м , i  - уклон водной поверхности. Знак  плюс берется при визировании вверх от створа, минус при визировании вниз.

- горизонтальный угол между  направлением на поплавок и  створом установки прибора, 

- вертикальный угол между   направлением на поплавок и горизонтом.