Гидрологические расчеты. Методические указания по выполнению курсовой работы по дисциплине Гидрология, гидрометрия, динамика русловых процессов
 Скачать 6.96 Mb.
|
|
Графоаналитический метод (квантилей Этот метод разработан Алексеевым применительно к биномиальной кривой распределения Пирсона III типа и является наиболее простым из имеющихся методов подбора теоретических кривых распределения. 18 В основе метода лежит предпосылка, что подбираемая теоретическая кривая обеспеченности соответствует эмпирической кривой, если она проходит через три опорные точки на эмпирической кривой, которые характеризуются обеспеченностями р = 5; 50; 95 %. На клетчатке вероятностей эмпирическая кривая обеспеченности расходов Q (можно модульных коэффициентов K) строится также, как и по методу моментов (см. рис. 1.1). С этой кривой снимают расходы обеспеченностью 5, 50, 95 % для вычисления коэффициента скошенности s кривой, функционально связанного с коэффициентом асимметрии С (см. прил. 4, таблица Фостера–Рыбкина): 5 95 50 5 95 Зная s, по прил. 4 выбирают значение коэффициента асимметрии Ст. е. один из искомых параметров теоретической кривой распределения. Затем вычисляют среднеквадратическое отклонение статистического ряда 5 95 , 5 , 95 Ф Ф s s Q С p С p Q Q Определяется средний расход выборки 50 , 50 Ф s Q С p Q Q и, наконец, значение третьего параметра кривой – коэффициента вариации С Q С Q Определением Q , С, С заканчивается подбор теоретической кривой по графоаналитическому методу. Значения модульных коэффициентов р вычисляют по формуле (1.7), а расходов р – по формуле (1.4). 19 Получаемые по теоретическим кривым обеспеченности значения ординат р при ограниченных выборках имеют смещенность. Однако прилет, С < 1, r ׳ < 0,3–0,5 эта смещенность незначительна, а при введении в расчет несмещенных значений коэффициента вариации Си коэффициента асимметрии С смещенность ординат K р практически устраняется. Так как в данной курсовой работе в расчетах предусматривается использовать практически незначительно смещенные Си Сто получаемые значения выборочных ординат кривой обеспеченности по методам моментов и наибольшего правдоподобия не нуждаются в корректировке. К тому же для всех видов стока воды Республики Беларусь практически коэффициенты вариации Си коэффициенты автокорреляции r < 0,5. При выполнении инженерных гидрологических расчетов значения выборочных ординат кривой обеспеченности должны характеризоваться относительными средними квадратическими ошибками, укладывающимися в 10 %. В связи с этим в курсовой работе значения средних квадратических ошибок выборочных ординат любой обеспеченности (р) предлагается определять по формуле p K a Е n Значения параметра Е и показателя степени а для распределения Пирсона III типа приведены в [7]. В частности, для ординат K р обеспеченностью р = 1 % значения параметров Е и а, заимствованные из [7], приведены в табл. 1.7 и 1.8. Таблица 1.7 Значения Е = а при р = 1 % s С C С 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 rʹ = 0 1 0,26 0,50 0,74 1,02 1,30 1,60 1,90 2,27 2,66 3,10 2 0,25 0,48 0,80 1,15 1,55 2,02 2,50 2,98 3,48 4,00 3 0,25 0,53 0,90 1,33 1,80 2,38 2,99 3,62 4,40 5,00 4 0,26 0,58 0,99 1,47 2,00 2,62 3,30 4,02 4,80 5,60 20 Окончание табл. 1.7 s С C С 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 rʹ = 0,3 1 0,24 0,48 0,75 1,04 1,35 1,73 2,10 2,46 2,83 3,20 2 0,25 0,55 0,90 1,25 1,60 2,03 2,50 3,00 3,50 4,00 3 0,26 0,53 0,90 1,32 1,80 2,32 2,86 3,45 4,08 4,70 4 0,26 0,58 1,00 1,46 1,50 2,60 3,24 3,90 4,54 5,30 rʹ = 0,5 1 0,24 0,46 0,72 1,00 1,28 1,60 1,90 2,26 2,60 3,00 2 0,25 0,50 0,75 1,10 1,50 1,85 2,30 2,75 3,20 3,70 3 0,25 0,55 0,87 1,25 1,70 2,12 2,62 3,45 3,75 4,35 4 0,25 0,55 0,90 1,35 1,85 2,35 2,90 3,55 4,20 4,95 Таблица 1.8 Значения а в зависимости р Е = а при р = 1 % s С C С 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 rʹ = 0 1 0,50 0,48 0,46 0,45 0,44 0,43 0,42 0,42 0,42 0,42 2 0,48 0,45 0,44 0,42 0,42 0,40 0,40 0,40 0,38 0,38 3 0,46 0,44 0,42 0,40 0,40 0,39 0,38 0,37 0,36 0,36 4 0,46 0,42 0,40 0,39 0,38 0,37 0,36 0,36 0,34 0,34 rʹ = 0,3 1 0,46 0,45 0,44 0,43 0,42 0,42 0,41 0,40 0,40 0,39 2 0,48 0,46 0,43 0,41 0,40 0,38 0,37 0,36 0,35 0,34 3 0,44 0,46 0,39 0,38 0,36 0,36 0,34 0,33 0,32 0,31 4 0,44 0,41 0,38 0,36 0,34 0,33 0,32 0,30 0,29 0,28 rʹ = 0,5 1 0,42 0,40 0,38 0,38 0,37 0,36 0,36 0,35 0,34 0,34 2 0,40 0,37 0,36 0,34 0,34 0,32 0,32 0,30 0,30 0,29 3 0,39 0,36 0,34 0,33 0,31 0,30 0,28 0,27 0,26 0,25 4 0,38 0,35 0,32 0,30 0,29 0,27 0,26 0,24 0,24 0,23 21 1.2. Расчет внутригодового распределения Необходимость выполнения расчета внутригодового распределения стока обусловлена многообразием решаемых инженерных гидрологических задач в привязке к отраслям народного хозяйства. Внутригодовое распределение стока зависит от водности реки. Выделяют многоводные, средневодные и маловодные годы. В 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 %. Расходы воды р для каждого указанного года берут из материалов предыдущего расчета, и далее задача решается для условий отсутствия данных гидрометрических наблюдений в створе. Рекомендуется использовать типовые районные распределения месячного и сезонного стока рек (в процентах от годового) по гидрологическим районам, приведенные в прил. 7 и заимствованные из пособия [3]. В этих распределениях дана месячная доля стокам в процентах от годового в зависимости от гидрологического района и водности года. При выполнении расчетов за 100 % приняты среднегодовые расходы соответствующей обеспеченности, умноженные на 12 (12 месяцев. Тогда расход за конкретный месяц в каждой группе водности мм 100 p Q Q , мс. Гидрологический район и подрайон устанавливают, как отмечалось выше, по прил. 8; р – значения расходов очень многоводного, среднего по водности и очень маловодного года, вычисленные ранее. Результаты расчета помещают в табл. 1.9. 22 Таблица 1.9 Внутригодовое распределение стока Характеристика стока Месяцы 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 Год Очень многоводный год, p = 5 % ν, % Q, мс Средний по водности год ν, % Q, мс Очень маловодный год, p = 95 % ν, % Q, мс По результатам расчета строят ступенчатые гидрографы стока для каждого по водности года, рис. 1.2, совместив их на одном рисунке и используя разные условные обозначения. Рис. 1.2. Гидрографы годового стока по месяцам t, мес. Q, мс 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 23 1.3. Расчет максимального стока воды Расчет производится для случая отсутствия данных гидрометрических наблюдений в проектном створе реки, поэтому используются соответствующие формулы. 1.3.1. Расход талых вод (половодья) Значение расчетного мгновенного расхода половодья для равнинных рек с площадью водосбора F < 50 000 км, согласно действующим СН [1, 2, 3], можно определять по формуле 0 1 2 3 1 p p n K h Q F F , мс, (1.8) где p – индекс расчетной обеспеченности, устанавливаемой по действующим нормативным документам для гидротехнического и водохозяйственного строительства в зависимости от класса капитальности сооружений и их народнохозяйственного значения K 0 – параметр, характеризующий дружность половодья, зависящий главным образом от природной зоны (климат) и рельефа водосбора (его значение рекомендуется определять по формуле (1.8) обратным ходом, используя данные наблюдений на реках-аналогах); h p – расчетный слой суммарного (с учетом грунтового питания) стока обеспеченностью p, подлежит определению, мм μ – коэффициент, учитывающий неравенство статистических параметров слоя стока и максимальных расходов воды, определяемый по табл. 1.10; – коэффициент, учитывающий влияние водохранилищ, прудов и проточных озер 1 , 2 , 3 – коэффициенты, учитывающие снижение максимального расхода воды под влиянием залесенности, заболоченности и распаханности водосбора n – показатель степени редукции модуля максимального стока по площади водосбора n = 0,20 для бассейнов рек Республики Беларусь. 24 Таблица 1.10 Значения параметра μ Водосбор Обеспеченность p, % 1 2 3 5 10 25 50 75 Правобережные притоки р. Припять 1,0 0,95 0,94 0,93 0,87 0,81 0,74 0,66 Остальные реки Республики Беларусь 1,0 0,96 0,93 0,90 0,84 0,75 0,65 0,55 Приближенно значение K 0 для водосборов лесной зоны (территория Беларуси относится к лесной зоне) можно определять по табл. 1.11 в зависимости от параметра , косвенно характеризующего рельеф водосбора и определяемого по формуле ср.взв.реки 25 J F , где J ср.взв.реки – средневзвешенный уклон реки, ‰. Таблица 1.11 Параметры , K 0 и категория рельефа Значение > 1 0,5 < < 1 < 0,5 Категория рельефа водосбора 1 2 3 Значение K 0 0,010 0,008 0,006 Значение расчетного слоя стока половодья р вычисляется по формуле 0 p p h h K , 25 где h 0 – средний многолетний слой половодья, устанавливаемый по рекам-аналогам или по карте, прил. 9, заимствованной из [3], мм р – модульный коэффициент, значение которого определяют по установленным значениям коэффициентов вариации C и асимметрии подбираемой теоретической кривой распределения (кривой Пирсона III типа или кривой трехпараметрического гамма- распределения. Значение коэффициента вариации C рекомендуется определять по карте – прил. 10 (карта заимствована из [3]). Параллельно надо вычислить значение коэффициента C по региональной формуле 2 3 0 14 1,3lg 100 10 F C h , чтобы убедиться в близкой сходимости обоих значений Значение коэффициента асимметрии C s принимается по нормативному соотношению s C C . Для водосборов рек территории Беларуси = 2–2,5 [2]. После получения коэффициентов C и C s требуемое значение модульного коэффициента р определяется также, как ранее, те. значение р вычисляется по выражению , 1 s p p C K C Ф при использовании кривой распределения Пирсона III типа или значение р выписывается из таблиц прил. 5 при использовании кривой трехпараметрического гамма-распределения. Значение коэффициента δ, учитывающего снижение максимального стока рек, зарегулированного проточными озерами, определяется по формуле 0 1 , 1 С (1.9) 26 где C – коэффициент, принимаемый в зависимости от среднего многолетнего слоя половодья h 0 по табл. 1.12; f' 0 – средневзвешенная озерность водосбора, %; значение f' 0 можно вычислить по относительной озерности f 0 , используя формулу 0 0 2 2,8 f f Таблица 1.12 Коэффициент Св формуле (1.9) h 0 , мм Более 100 99–50 49–20 Менее 20 С 0,2 0,2–0,3 0,3–0,4 0,4 Если река и ее притоки вытекают из озер, водосборы которых занимают более половины водосбора реки, то значение 0 f вычисляется по формуле 0 0 2 0,92 f f Когда озера расположены на водосборе вне главного русла и основных притоков, значение δ надо принимать равным 0,8 независимо от степени озерности. При незначительной озерности (f 0 < 1 %) значение δ можно принимать равным единице (δ = 1). Значение коэффициента δ 1 , учитывающего влияние леса, вычисляют по формуле 1 л , где л – относительная залесенность водосбора, %; 1 – параметр, учитывающий расположение леса на водосборе, принимается по табл. 1.13. 27 Таблица 1.13 Значения параметра Расположение леса на водосборе Параметр 1 прил в % 3–9 10–19 20–30 Равномерное 1,00 1,00 1,00 В верхней части водосбора 0,85 0,80 0,75 В нижней и прирусловой части водосбора 1,20 1,25 1,30 Значение коэффициента δ 2 , учитывающего влияние заболоченности водосбора, вычисляют по формуле 2 1 lg 0,1 1 f , где β – коэффициент, учитывающий тип болот и преобладающий механический состав почв (грунтов) вокруг болота и заболоченных земель, принимается по табл. 1.14; f δ – относительная заболоченность водосбора, %. Таблицы 14 Значение коэффициента β Типы болот и почв (грунтов) на водосборах β Низинные болота и заболоченные леса и луга на водосборах с супесчаными и легкосуглинистыми почвами (грунтами) 0,8 Болота разных типов на водосборе 0,7 Верховые болота на водосборах с супесчаными и легкосугли- нистыми почвами (грунтами) 0,5 Верховые болота на водосборах с среднесуглинистыми и глинистыми почвами (грунтами) 0,3 К заболоченным территориям относятся земли (леса, луга) избыточно увлажненные со слоем торфа не менее 30 см. 28 Коэффициент δ 3 учитывает снижение максимального расхода воды за счет распаханности водосбора. Его значение равно единице (δ 3 = 1), если F > 200 км, p < 5 %, относительная распаханность f расп < 50 %. При невозможности подобрать реку-аналог расчетный мгновенный расход половодья на реках Беларуси допускается определять по формуле [3] 0 0,20 1000 1 p p K h Q F F , где обозначения рте же, что ив формуле (1.8), а параметр 0 K определяется по формуле л 0,14 0,02 1 0,07 9,15 1,18 0,77, 10 f f i K e где e – основание натурального логарифма л – относительная залесенность водосбора, %, вычисленная с учетом площадей, занимаемых лесом заболоченными лесом по суходолу относительная заболоченность водосбора в процентах, включающая болота, заболоченные и мелиорируемые земли на осушенных болотах i – уклон водотока, ‰ (его значение в исходных данных. 1.3.2. Расход дождевых паводков В курсовой работе расходы дождевых паводков определяются по двум методикам, рекомендуемым к использованию [1, 2, 3], если невозможно подобрать реку-аналог, при площади водосбора F > 50 км 2 Согласно методике [1, 2] расчетный мгновенный расход вычисляют по редукционной формуле 29 % 200, 1% 2 3 200 n p p Q q F F , мс, где q 200, 1 % – модуль максимального мгновенного расхода воды обеспеченностью p = 1 % при δ = δ 2 = δ 3 = 1, приведенный к площади водосбора 200 км и определяемый интерполяцией по карте, прил. 11; δ, δ 2 , δ 3 – те же коэффициенты, что ив пр переходный коэффициент от максимальных мгновенных расходов воды обеспеченностью p = 1 % к максимальным расходам воды другой обеспеченности значение р принимается по табл. 1.15; n – коэффициент редукции модуля максимального мгновенного расхода воды с увеличением площади водосбора n = 0,30 для р. Днепр с притоками Сож, Березина и соответственно сих водосбора- ми, n = 0,22 для рек остальной территории Республики Беларусь. Таблица 1.15 Значения р при F > 0,1 км для района 2 по [2] территория Республики Беларусь относится к району 2) p, % 0,1 1 2 3 5 10 25 р 1,5 1 0,85 0,77 0,67 0,55 0,36 Согласно методике [3] расчетный мгновенный расход паводка определяется по формуле 10 Ф, мс, где 10 % – параметр, характеризующий модуль мгновенного расхода воды обеспеченностью 10 % и определяемый по карте, прил. 12; δ – коэффициент, учитывающий снижение максимальных расходов воды проточными озерами, определяемый по формуле (1.9) при C = 0,11 при наличии сведений только об относительной озер- ности f 0 ; 30 р – переходный коэффициент от максимального расхода дождевого паводка обеспеченностью 10 % к расходу другой обеспеченности, принимаемый по табл. 1.16; Ф – морфологическая характеристика русла, определяемая по формуле 1 1 3 Ф F , где L – длина реки до проектного створа, км χ – гидравлический параметр реки, принимаемый по табл. 1.17; i – средневзвешенный уклон реки, ‰; F – площадь водосбора, км 2 Таблица 1.16 Переходный коэффициент λ р Обеспеченность, % 1 2 3 5 10 25 Переходный коэффициент р 1,65 1,47 1,29 1,0 0,64 Таблица 1.17 Параметр χ Характеристики русл и пойм χ Чистые русла постоянных равнинных рек русла периодически пересыхающих водотоков 11 Извилистые, частично заросшие русла больших и средних рек, периодически пересыхающие водотоки, вовремя паводка несущие большое количество наносов 9 Сильно засоренные и извилистые русла периодически пересыхающих водотоков 7 31 1.4. Расчет и построение гидрографа максимального стока В данной курсовой работе гидрограф строится для больших расходов, каковыми являются расходы половодья. Мгновенный расход половодья вычислен в п. 1.3.1. Расчетные гидрографы половодья строятся по средним суточным расходам воды. Переход от мгновенного максимального расхода Q р к среднему суточному той же обеспеченности p Q осуществляется по зависимости / p p Q Q K , мс , где K τ – переходный коэффициент от р к p Q , его значение можно принимать по табл. 1.18, взятой из [3]. Таблица 1.18 Переходные коэффициенты Бассейны рек Площадь водосбора, км 1 5 10 50 100 500 1000 1500 Реки бассейна Западной Двины 1,6 1,4 1,3 1,2 1,15 1,00 1,00 1,00 Реки других бассейнов На равнинных реках территории Республики Беларусь чаще всего бывают одновершинные гидрографы половодий, и их можно рассчитывать по уравнению 2 1 10 , x a x y (1.10) где i p y Q Q – ординаты расчетного гидрографа, выраженные в долях среднесуточного максимального расхода воды заданной обеспеченности 32 a – параметр, зависящий от коэффициента формы гидрографа λ * , функционально связанного с коэффициентом несимметричности гидрографа K s ; п t t – абсциссы расчетного гидрографа, выраженные в долях продолжительности подъема половодья t п Коэффициент K s есть отношение п, где п – слой стока за период подъема половодья, мм h – суммарный слой стока всего половодья, мм. Значение K s устанавливают поданным рек-аналогов, содержащимся в Государственном водном кадастре, например [8, табл. 75, с. 174]. Уравнение (1.10) решено относительно конкретных значений K s , λ*, a, и это решение представлено в таблице прил. 13 (таблица заимствована из [3]). Пользуясь этой таблицей по установленному значению K s определяют необходимое значение коэффициента λ*. Для расчета координат гидрографа половодья надо из таблицы прил. 13 следует выписать соответствующие установленному значения координат безразмерного гидрографа x и y. Переход к размерному гидрографу осуществляют перерасчетом безразмерных координат в размерные по формулам i p i Q Q y , мс, п x , сут. Эти расчеты удобнее выполнять в табличной форме, табл. 1.19. 33 Таблица 1.19 Координаты гидрографа половодья x y i p i Q Q y п Однако предварительно надо определить время подъема половодья п по формуле п, сут, где р – слой суммарного стока половодья, мм, его значение определено в п. 1.3.1; p q – среднесуточный модуль максимального расхода половодья, определяемый по формуле p p Q q FK , м 3 /с·км 2 Значение коэффициента K τ принимают по табл. 1.18. По результатам расчета на миллиметровой бумаге в принятом масштабе строится гидрограф половодья, рис. 1.3. |