Построение и анализ кривой расходов воды р. Хопер у г. Новохоперск за 1962 год

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО  ВГУ)

Факультет географии, геоэкологии и туризма

Курсовая работа

на  тему: Построение и анализ кривой расходов воды

     р. Хопер у г. Новохоперск за 1962 г.

«020802 – природопользование» 

Автор курсовой работы                      Ю. С. Ходакова

Кафедра природопользования                                  Специальность природопользование

Руководитель работы                      В. А. Дмитриева, кандидат географических наук, доцент

Работа сдана «       »                       2011 г.

Оценка

Воронеж 2011 
Содержание

Введение 3

1.Теоретические  основы построения кривых расходов5

1.1Общая кривая расходов  при однозначной связи5

1.2 Вспомогательные кривые площадей и скоростей……………………………..7

1.3Способы экстраполяции кривых расходов воды……………………….............8

1.4 Увязка кривых………………………………………………………………........9

1.5 Оценка качества построения  кривых…………………………………….........10

1.6 Подсчет стока11

2 Построение кривой  расходов при свободном состоянии  реки и наличии на реке ледовых  явлений12

2.1 Построение основной  кривой расходов и вспомогательных  кривых……….12

2.2 Экстраполяция кривых……………………………………………………........13

2.3 Увязка кривых…………………………………………………………………..14

2.4 Таблица плавности……………………………………………………………..15

2.5 Таблица координат……………………………………………………………..16

2.6 Отклонение измеренных  расходов воды17

3. Подсчет стока…………………………………………………………………...18

3.1 Подсчет стока за  период ледовых образований……………………………...18

3.2 Подсчет стока за  период, свободный ото льда……………………………….19

3.3 Подсчет стока за  календарный год……………………………………………21

3.4 Характеристики стока………………………………………………………….22

Заключение………………………………………………………………………...23

Список литературы……………………………………………………………….24

ВВЕДЕНИЕ

Построение кривых расходов и вычисление средних суточных расходов воды являются наиболее сложным  и  ответственным разделом гидрометрии, так как от этого зависит установление объема стока, его распределение  внутри года и определение величин  характерных расходов, которые имеют  большое научное и практическое значение.

Независимо от способа  построения и экстраполяции кривой расходов необходимо в первую очередь  произвести тщательный анализ исходных материалов, таблицы измеренных расходов, ознакомиться с характеристикой участка реки и створа.

Выбору способа построения кривой расходов должно предшествовать нанесение на график точек расходов, площадей живых сечений и средних  скоростей в зависимости от уровней. При нанесении точек на график возможны три случая.

1. точки расходов, площадей и скоростей хорошо группируются около своих кривых или расположены на них;
2. точки скоростей образуют правильно расположенную систему, а точки площадей и расходов разбросаны или же образуют несколько систем;
3. точки площадей живого сечения группируются около кривой или лежат на ней, а точки скоростей и расходов разбросаны в поле координат или же образуют несколько систем.

      Изучая  совместное размещение точек  на графиках расходов, площадей  водного сечения и средних  скоростей, можно получить представление  о причинах, вызывающих их отклонение  от кривых.

        Если  точки расходов, площадей и скоростей  образуют на графике правильно  расположенные системы, то это  свидетельствует об устойчивости  русла и отсутствии явления  переменного подпора. В этом  случае построение кривой расходов ведется обычным графическим способом. Отдельные точки расходов, отклоняющиеся от кривой, следует проверить, по кривым площадей и скоростей, а в случае необходимости – по журналам переменных расходов воды. Окончательно проводить кривые можно только после тщательного анализа всех отклонившихся от кривых точек (в особенности на концах кривых) и установления наиболее надежных (опорных точек). Следует иметь в виду, что некоторое рассеяние точек на графиках расходов может вызываться неточностью измерения расходов воды, неблагоприятными условиями погоды и состояния реки, а также измерением расходов воды вертушками различных систем, применением различных методов измерения скоростей течения на вертикалях и различных методов вычисления расходов воды. Точки расходов, отклонившиеся от общей системы их расположения в пределах 5-10%, должны быть учтены при проведении осредненной кривой расходов, а отдельные, резко выпадающие точки выброшены.

1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ КРИВЫХ РАСХОДОВ

1.1 Общая кривая расходов при однозначной связи

Водность реки изменчива  во времени. В течение года расходы  воды колеблются по месяцам, сезонам, фазам  водного режима. Вариация водности в течение года обусловливается  неравномерностью поступления воды от основного источника питания (от таяния снега в умеренном климатическом  поясе), эпизодическими дождями ливневого  характера, нестабильным притоком подземных вод в русло реки, крупными водозаборами и водосборами. Изменение водности в русле сопровождается динамикой уровней воды, между которыми всегда существует зависимость. Она может быть однозначной (функциональной) и сложной. Особенно сложной связь становится при деформации русла, подпорах воды в реке от водоприемника или притока, ярко выраженном неустановившемся движении воды. Ледяные образования и водная растительность нарушают гидравлический режим реки и, как следствие, однозначную связь между расходами и уровнями воды. Однозначной зависимостью между расходом и уровнем называется связь, при которой каждому значению расхода соответствует только одно значение уровня. Уровень воды является производной от расхода воды. Однозначная связь между расходом и уровнем выражается графически кривой расходов Q=f(H). С физической точки зрения эта запись неверна. Но уровни воды на гидрологических постах, как известно, измеряются ежедневно, а расходы воды – один раз в декаду во время межени и учащенно лишь в половодье и паводки. Поэтому на практике легче построить графическую зависимость Q=f(H), т. е. обратную графическую связь, и определить по ней ежедневные расходы воды. Назначение кривой – подсчет стока.

Кривая расходов воды (КР) вычерчивается на листе миллиметровой  бумаги формата 288×407; 407×576; 288×610 мм. Выбор  формата листа зависит от годовой  амплитуды колебания уровней  воды, расходов воды, площадей водного  сечения и средних скоростей, а также от принятого масштаба построения.

При выборе масштаба необходимо учитывать следующие положения:

1. кривая расходов воды должна быть построена так, чтобы хорда, соединяющая концы кривой, располагалась под углом 45^о к координатным осям, а кривые площадей водного сечения и скоростей – под углом 60^о к оси абсцисс;
2. в единице длины осей должно быть 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,2; 5; 10; 20 и т. д. единиц высоты уровня, расхода, площади сечения и скорости.

В принятых масштабах наносятся  значения Q, W, V_ср в функции от Н. Расходы на чертеже обозначаются условными знаками в зависимости от состояния водного объекта и способа измерения расхода воды.

 - расходы, измеренные при ледоставе;

 - расходы, измеренные при ледоходе;

 - расходы, измеренные в период, свободный ото льда;

 - расходы, измеренные при траве;

 - расходы, измеренные поплавками (высота знаков – 2 мм, кружки  диаметром 2 мм).

Расходы воды, измеренные при  заберегах, закраинах, шуге и т. д., условных обозначений не имеют. Справа в 1 – 2 см (по горизонтали) от нанесенных точек  выписываются номера соответствующих  им расходов из таблицы ТГ-8.

1.2. Вспомогательные кривые площадей и скоростей

     Связь между  площадью водного сечения W и уровнем Н, выраженная графически, называется кривой площадей водного (живого) сечения потока. Для построения кривой площадей водного сечения используются данные графы 5 и 7 таблицы ТГ-8. Площадь при ледоставе указывается через дробь, числитель которой означает площадь водного сечения. Для построения кривой площадей берется величина, стоящая в знаменателе.

     Связь между  средней скоростью потока V=Q/W и уровнем Н, выраженная графически, называется кривой средних скоростей потока. Данных для построения кривой W=f(H) почти всегда бывает достаточно, в то время как кривую V=f(H) часто приходится строить при ограниченном числе измерений скоростей. Для построения кривой скоростей течения используются данные граф 5 и 8 таблицы ТГ-8.

1.3 Способы  экстраполяции кривых расходов воды

Экстраполяцией  зависимости Q=Q(Н) называется ее продолжение за пределы измеренных расходов воды. Чем меньше период наблюдений, тем меньшая амплитуда гидравлических элементов потока охвачена измерениями. Экстраполяция зависимости Q=Q(Н) может быть за пределами наименьших и наибольших измеренных расходов воды. Второй случай значительно чаще встречается на практике.

Экстраполяцию Q=Q(Н) проводят для расчетов максимальных расходов. Прежде чем перейти к экстраполяции, следует привести неоднозначные кривые к однозначным.

В зависимости  от пределов экстраполяции выражения  Q=Q(Н) различают экстраполяцию до наблюденных естественных уровней (чаще всего связано с расчетами речного стока) и до проектных уровней (связано с проектированием гидротехнических сооружений).

Проектными называют уровни, соответствующие расчетным расходам воды при проектировании гидротехнических сооружений и мостов. При строительстве высоконапорных плотин проектные уровни могут значительно превышать естественные высокие уровни воды.

Экстраполяцию считают  надежной, если кривая Q=Q(Н) продлевается вверх примерно до 0,2 (Н_max-H_min), а вниз – примерно до 0,05 (Н_max-H_min).

Непосредственная  экстраполяция Q=Q(Н) может быть графической и аналитической. В первом случае кривую расходов продолжают за пределы измерений, сохраняя в основном ее направление. При этом учитывают, что кривая расходов в пределах экстраполируемой части становится более пологой, то есть dH/dQ убывает, при уменьшении крутизны берегов и менее пологой при увеличении шероховатости берегов (под влиянием растительности и др.).

Аналитически  экстраполяцию осуществляют по уравнению:

а(H₂+H₀)^m=

Учитывая, что Q=WV, а график функции W=W(Н) не нуждается в экстраполяции, так как W можно вычислить при любом уровне, графически экстраполируют лишь кривую V=V(Н). Если последнюю функцию трудно экстраполировать из-за сложности ее вида, можно воспользоваться методикой М. П. Сасорова: предварительно построить график V=V(h_ср). В некоторых случаях эта функция для рек близка к линейной. При заданных высоких уровнях Н по кривой W=W(H) отсчитывают W, вычисляют h_ср=W/B, затем с проэкстраполированной V= V(h_ср) берут значение V и вычисляют Q=WV.

1.4 Увязка кривых

Построив кривые, производят их увязку. Так как кривые КР, W=f(H), V_ср=f(H) связаны между собой равенством Q=W·V_ср, то при однозначной связи каждому значению уровня должно соответствовать только одно значение расхода Q, равное произведению W·V_ср. Считается, если расхождение между W·V_ср и Q, снятым с кривой расходов, не более 1%, то кривые построены правильно. Для проверки, увязки и анализа кривых по всей амплитуде выбирается 5-6 значений через равные интервалы уровня (высшие и низшие уровни обязательно) и для них с соответствующих кривых снимают Q, W, V_ср. Затем сопоставляют произведения W·V_ср, со значением Q_кр, снятым с кривой. Если расхождения между Q_выч. и Q_кр. будут больше 1%, то необходимо установить причину этого и исправить ту кривую, которая отклоняется от среднего положения; возможно уточнять и исправлять придется все кривые.

1.5 Оценка качества кривых

О правильности построения кривых судят также по таблицам плавности.

Она составляется от УНВ  до УВВ через 1 см чертежа.

Если кривая расходов строится в разных масштабах для нижней части и остальной части кривой, то значения расходов для увязки кривых снимаются с обеих частей через 1 см ординаты. В таблице ΔQ₂₀ м³/с – приращение расхода на 20 см согласно масштабу КР. Величина ΔΔQ₂₀ м³/с – приращение между приращениями ΔQ₂₀.

Приращение расходов должны быть либо постоянными, либо все время  увеличиваться от низшего уровня к высшему. Вторые приращения должны или постепенно увеличиваться, или постепенно уменьшаться.

Также для анализа кривой расходов воды составляется таблица  отклонений измеренных расходов от КР (таблица 6), которые приняты к  построению кривой. Таблица составляется по данным таблицы измеренных расходов (ТГ-8) и расчетной таблицы координат (ТГ-10). Расходы, измеренные при ледоставе, ледоходе, заторе, траве, в таблицу  не вносятся, так как они не принимались  для построения кривой.

1.6 Подсчёт стока

Для подсчета стока (ежедневных расходов воды) по наблюденным уровням  составляют расчетную таблицу координат (форма ТГ-10). Она охватывает амплитуду  уровней от УНВ до УВВ. Амплитуду  уровней разбивают на интервалы  с таким расчетом, чтобы отрезки  кривой в пределах интервала могли  быть приравнены к прямым линиям. Обычно интервалы назначаются через 1 см чертежа. Только в этом случае промежуточные  значения расходов в границах прямолинейных  отрезков можно определять прямолинейной интерполяцией.

В ТГ-10 выписывается период применения КР, который исчисляется  от даты начала половодья и до конца  календарного года. До начала половодья  в этом году действует КР предыдущего  года. Таблица начинается с расхода  для низшего уровня воды. Далее  с кривой расходов или таблицы  плавности снимают значения расходов через 1 см чертежа и записывают в таблицу. Эти величины называются опорными и подчеркиваются в таблице. Для промежуточных значений уровня (на 1 см) Q вычисляются интерполированием между опорными значениями. Таблица координат заканчивается максимальным расходом на максимальном уровне.

2. ПОСТРОЕНИЕ КРИВОЙ  РАСХОДОВ ПРИ СВОБОДНОМ СОСТОЯНИИ  РЕКИ И НАЛИЧИИ НА РЕКЕ ЛЕДОВЫХ ЯВЛЕНИЙ

2.1 Построение  основной кривой расходов и вспомогательных кривых

Построение кривых расходов (КР) начинается с просмотра исходных данных. Ими служат тщательно проанализированные значения Н (графа 5) и Q (графа 6) таблицы «Измеренные расходы воды» (таблица 20). Обращается внимание на наличие или отсутствие расходов,  измеренных при самом высоком и самом низком уровнях воды в году. Кривая расходов должна охватывать всю амплитуду годовых уровней. Для этого  учитываются высший и низший уровни за год. Они выбираются из таблицы ежедневных уровней воды для гидрологического поста (таблица 2). Для уровней определяется амплитуда, которая представляет собой разность между высшим и низшим уровнями воды за год.

По значениям Q и H строится кривая расходов воды Q=f(H), или КР (рисунок 1). Вертикальный масштаб 1:20, горизонтальный для Q 1:50.

На этом же листе выполняется  построение кривых площадей водного  сечения W=f(H) и средних скоростей V_ср=f(H). Для построения кривой площадей водного сечения используются данные граф 5 и 7, а скоростей течения – 5 и 8 (таблица 1).

Кривые расходов, площадей и скоростей строятся с учетом только расходов, измеренных в период, свободный ото льда. Значения расходов зимнего периода и периода  зарастания наносятся для сопоставления, лежат левее основной кривой, так  как расходы воды при ледоставе, траве всегда меньше расходов при  свободном состоянии русла для  одного и того же уровня. При построении кривой расходов, площадей и скоростей  во внимание они не принимаются. Чертеж оформляется согласно общим требованиям.

2.2 Экстраполяция кривых

Кривая расходов воды должна охватывать полную амплитуду колебаний  уровня за тот период, для которого вычисляется сток воды. Если при  самых высоких и самых низких уровнях расходы не измеряются, то кривые Q=f(H), W=f(H), V_ср=f(H) экстраполируются вверх до высшего и вниз до низшего уровней воды. Кривая расходов считается надежной для подсчета стока, если экстраполяция не превышает 10%, вниз – 5% амплитуды уровней за год при условии, что профиль поперечного сечения не имеет резких переломов в пределах экстраполируемого участка, а шероховатость берегов изменяется незначительно.

В данной работе экстраполяция  кривой расходов произведена графическим  способом. Данный способ заключается  в том, что кривую графически продолжают до необходимого уровня воды (высшего  или низшего), руководствуясь общим  направлением кривой, построенной на основании измерений. Экстраполированная часть кривой показывается на чертеже пунктирной линией. Экстраполяция вверх составила 0,4 см (0,09%), вниз - 0,1 см (0,02%).

2.3 Увязка кривых

Построив кривые, производят их увязку. Для проверки, увязки и  анализа кривой по всей амплитуде  выбираются значения через равные интервалы уровня (440, 340, 240, 140) , также высший – 506, низший – 49. Для этих значений с соответствующих кривых снимают Q, W, V_ср. Затем сопоставляют произведения W·V_ср  со значением Q_кр, снятым с кривой. В данной увязке расхождения между Q_выч. и Q_кр менее 1%, следовательно кривые построены правильно.

2.4 Таблица плавности

О правильности построения кривых судят также по таблицам плавности.

Она составляется от УНВ  до УВВ через 1 см чертежа (таблица 4). В таблице ΔQ₂₀ м³/с – приращение расхода на 20 см согласно масштабу КР, величина ΔΔQ₂₀ м³/с – приращение между приращениями ΔQ₂₀. Приращение расходов в графе 3 все время увеличивается от низшего уровня к высшему. Второе приращение или постепенно увеличивается, или постепенно уменьшается.

2.5. Таблица координат

В ТГ-10 (таблица 5) выписывается период применения КР, который исчисляется  от даты начала половодья и до конца  календарного года. Таблица начинается с расхода для низшего уровня воды. Он вписывается в клетку, находящуюся  на пересечении строки 40 и графы 9, соответствующую уровню 49 см. Далее  с кривой расходов или таблицы  плавности снимают значения расходов через 1 см чертежа и записывают в  графу «0» таблицы 5. Эти величины называют опорными и подчеркиваются в таблице. Для промежуточных  значений уровня (на 1 см) Q вычисляются интерполированием между опорными значениями. Например, для уровней от 90 до 100 приращение расхода составило Q=50,0-45,0= 5,0 м³/с. На 1 см оно равно 0,50 м³/с. Следовательно, на 91 см Q=45,0+0,5=50,0 м³/с. Таблица координат заканчивается максимальным расходом на максимальный уровень, то есть

541 м³/с на 506 см.

2.6 Отклонения измеренных расходов воды

Только по выводам, сделанным  из таблицы 6, можно судить о правильности осреднения, о правильности проведения кривой. В графе 6 положительных и  отрицательных отклонений должна быть равна нулю, а сумма численных  значений, выраженная в % (графа 7), должна быть близкой к нулю или равна  нулю. Процентные отклонения считаются  с точностью до 0,1.

3. ПОДСЧЁТ СТОКА

3.1 Подсчёт стока за период ледяных образований

Для периода ледяных образований для вычисления стока применяется метод переходных коэффициентов К_зим.=f(T), который характеризует степень нарушения связи между уровнем и расходом в результате суммарного влияния ледяных образований. Метод переходных коэффициентов применим в том случае, когда река покрывается устойчивым ледоставом, не нарушаемым в период оттепелей.

Численная величина К_зим. Рассчитывается по формуле

К_зим.=Q_зим.:Q_св.

По данным графы К_зим. Таблицы 7 вычерчивается хронологический график К_зим.=f(T) в координатных осях К_зим (ось у) и Т (ось х), где Т – дата измерения расхода воды, взятая из таблицы ТГ-8 (рисунок 2).

Ежедневные и срочные  расходы воды получаются путем умножения  значений расходов, снятых с кривой свободного состояния для соответствующих  данных датам уровням, на величины ежедневных переходных коэффициентов, определяемых по графику, с использованием формулы:

Q_зим= Q_св.· К_зим

Вычисление ведется в  таблице 8 специального образца (формата  ТГ-9).

3.2 Подсчет стока за период, свободный ото льда

В таблицу ежедневных расходов вносятся расходы воды при свободном  состоянии русла, которые находятся  из расчетной таблицы координат  по среднесуточному уровню воды за данное число. Заполняется таблица 9.

По данным таблицы Ежедневных расходов воды составляется упорядоченная  таблица расходов воды. В ней все  среднесуточные расходы за год располагаются  в порядке убывания их величин. По данным этой таблицы в таблицу  Ежедневных расходов воды помещаются расходы воды с вероятностью превышения в 30,90,180,270,355 суток (таблица 10).

3.3 Подсчет стока  за календарный год

В таблице 9 вычисляются характеристики стока за календарный год: объем  стока (W), модуль стока (М), слой стока (Н).

Объем стока определяется по формуле

W=Q_год×Т,

где Q=80,8 м³/с, Т=31,54×10⁶с.

Модуль стока – количество воды в литрах, стекающее в секунду с квадратного километра площади. Он подсчитывается по формуле:

М=( Q_год×10³):А,

где А=34800 км², Q=80,8 м³/с.

Слой стока образуется при равномерном распределении по площади водосбора объема стока. Он выражается в миллиметрах и рассчитывается по формуле:

Н=(W×10³):А.

3.4 Характеристики  стока

В работу помещается таблица  освещенности кривой расходов (таблица 11). Здесь указываются следующие сведения: период действия кривой данного года, период действия кривой прошлого года, количество расходов, принятых для построения КР, освещенность КР фактическими измерениями, процентная характеристика экстраполированного участка, период применения переходного коэффициента для подсчета стока.

Также в работу вкладывается словесное описание схемы подсчета стока. Для р. Хопер у г. Новохоперск схема несет следующие сведения. Расходы воды вычислены 1/I-8/III КР₁₉₆₂×К_зим; 9/III-2/IV КР × К_зим; 3/IV-6/XII КР; 7/XII-31/XII КР × К_зим.

Для построения кривой использовано 30 измерений расхода, освещающих 99,89% амплитуды колебаний  уровней за период действия КР. Точки  Q=f(H) на кривой расходов лежат согласно. Кривая экстраполирована вверх на 0,4 см (0,09%) для Q>541м³/с и вниз на 0,2 см (0,02%) для Q<27,6 м³/с.

Хронологический график К_зим для периода 1/I-1/IV и 6/XII-31/XII построен соответственно по 9 расходам. Наименьшее значение К_зим в начале года 0,59, а в конце года - 0,28.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате анализа исходной гидрологической  информации по измеренным расходам воды (таблица ТГ-8), уровней воды (таблица 1.2). описания поста построены кривая расходов воды КР для реки  Хопер у поста Новохоперск за 1962г. год и вспомогательные кривые площадей и скоростей.

Для данного года рассчитаны ежедневные расходы воды и определены характерные расходы воды.

Для подсчета стока был  выбран метод переходных коэффициентов  для периода ледостава и кривая расходов свободного состояния для  остального промежутка времени.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Быков В. Д. Гидрометрия / В. Д. Быков, А. В. Васильев. – Л. : Гидроме-теоиздат, 1977. – 448 с.
2. Дмитриева В. А. Практическая гидрометрия: учеб. пособие / В. А. Дмит-

риева. – Воронеж: ИПЦ Воронеж. гос. ун-т, 2008. – 200 с.

3. Лучшева А. А. Практическая гидрометрия / А. А. Лучшева. – Л. : Гидрометеоиздат, 1983. – 209 с.