Гидрологические расчеты. Методические указания по выполнению курсовой работы по дисциплине Гидрология, гидрометрия, динамика русловых процессов
 Скачать 6.96 Mb.
|
|
1.5. Расчет минимальных расходов воды Минимальный сток формируется в период, когда река переходит на грунтовое питание и поверхностный сток имеет наименьшее значение. Такими периодами в году являются летне-осенний и зимний. Под расходами минимального стока понимают суточные (средние месячные) расходы воды расчетной обеспеченностью p, %, устанавливаемой для разных отраслей экономики по действующим нормативным документам. В курсовой работе надо определить минимальные среднемесячные и среднесуточные расходы воды за летне-осенний и зимний сезоны обеспеченностью p, равной 80 и 95 %, для условий отсутствия данных гидрометрических наблюдений в створе. Расходы воды обеспеченностью p = 80 % получают по формулам согласно методике [1, 2]: 80, л-о 80, лом с 80,3 80,3 1000 q F Q , мс, Q , мс t, сут 35 где q 80, л-о , q 80, 3 – модули минимального стока обеспеченностью 80 % соответственно летне-осеннего и зимнего сезонов, значения которых устанавливают по картам минимального стока для центра тяжести водосбора, когда F > пр, л/с·км 2 . Эти карты представлены в прил. 14 и 15. Термин предельная площадь пр следует понимать так, что если пр, происходит неполное дренирование подземных вод руслом реки. Значение пр зависит от природного района и расчетного периода. Для водосборов рек территории Республики Беларусь согласно [2] пр = 1200 км для зимнего периода и пр = 1500 км – для летнего периода. Переход от расхода обеспеченностью p = 80 % к расходу другой обеспеченности р выполняют по формуле 80 % p p Q Q , мс, где р – переходный коэффициент, зависящий от географического района и обеспеченности p, определяемый по [2] согласно табл. 1.20. Таблица 1.20 Переходные коэффициенты р для определения минимальных суточных расходов воды различной обеспеченности Водосборы рек Обеспеченность p, % 75 80 90 95 97 Водосборы рек бассейнов Припяти и Немана 1,06 1,00 0,86 0,78 0,70 Водосборы рек остальной территории Республики Беларусь 1,09 1,00 0,80 0,63 0,54 Минимальные суточные расходы обеспеченностью p = 80 % для обоих сезонов вычисляют по формуле 36 c,80 80 Q Q K , мс, где K – коэффициент K = 0,74 для водосборов рек на территории Республики Беларусь в зимний сезон и K = 0,64 – для летне- осеннего сезона. Минимальный суточный расход другой обеспеченности вычисляют умножением сна переходный коэффициент р, принимаемый по табл. 1.20, тер, мс. 2. РАСЧЕТ ВЕТРОВЫХ ВОЛН НА ВОДОЕМАХ Ветровые волны, возникающие при больших скоростях ветра над акваторией водоемов, воздействуют на гидротехнические сооружения и другие объекты, включая суда. От таких воздействий зависят параметры и габариты сооружений и судов, что в значительной мере сказывается на стоимости объектов. Основными элементами ветровых волн являются высота, период, длина расчетной волны, которые привязываются к расчетной обеспеченности, в группе волн. Группа волн представляет собой отрезок волнограммы длиной более 100 волн. Считается, что такое количество волн в группе отражает весь волновой спектр, соответствующий конкретному волнообразующему процессу. В свою очередь, этот процесс зависит от волнообразующих факторов, основными из которых являются расчетная скорость ветра, длина разгона волн (длина разгона воздушного потока над акваторией водоема от наветренного берега до рассматриваемой точки, глубина водоема и время действия ветра. 2.1. Определение значений волнообразующих факторов Длина разгона волны D, мкм. Длина разгона D определяется по формуле 0 1 1 2 2 0,27 0,85 0,50 , D D D D D D (2.1) 37 где D 0 – длина разгона по направлению главного луча, совпадающего с направлением ветра по волноопасному румбу 1 1 D D – длины разгонов по направлениям лучей, проведенных под углом 22,5° справа и слева от главного луча 2 2 D D – длины разгонов по направлениям лучей, проведенных под углом 45° справа и слева от главного луча. Посредством введения в формулу (2.1) боковых лучей учитывается одновременно передаваемая волнам энергия ветра с боковых направлений. Время действия ветра t, ч Время действия ветра на водохранилищах с длиной разгона до 100 км можно не учитывать. В Беларуси больших водоемов нет. Решение задачи по определению времени действия расчетного шторма в морских и океанических акваториях в данном издании не рассматривается. Расчетная скорость ветра U, мс Расчетное значение скорости ветра надводной поверхностью характеризуется нормативной обеспеченностью p. Например, при оценке волновых воздействий на гидротехнические сооружения действующими строительными нормами принимается обеспеченность расчетного шторма для сооружений классов капитальности – 2 % (его повторяемость один разв лет III, IV классов – 4 % (повторяемость один разв лет. Так как для мест расположения водохранилищ обычно нет наблюдений за ветровым режимом, то значения скоростей расчетных обеспеченностей надо определять по имеющимся данным наблюдений ближайших материковых гидрометеостанций. Для определения расчетной скорости наиболее научно обоснованным методом является метод, разработанный в Главной геофизической обсерватории СССР (метод ГГО), использующий всю совокупность наблюдений и опирающийся на режимную функцию в виде кривой распределения U u p e , где p (u) – обеспеченность скорости ветра U; β, γ – параметры, зависящие от ветрового режима данного района. 38 Если это выражение прологарифмировать дважды lg lg lg lg lg lg u p U e , то связь между p (u) и U будет линейной. Последнее обстоятельство позволяет эмпирические точки с координатами p (u) и U осреднить прямой линией на графике, ось обеспеченности у которого билога- рифмическая, а ось скоростей – логарифмическая, рис. 2.1. Рис. 2.1. График определения расчетной скорости ветра Тогда искомое значение расчетной скорости ветра снимается с этого графика, если прямую связи проэкстраполировать вверх до 39 значения расчетной обеспеченности p (u) . А значение расчетной надо вычислить с учетом четырехсрочных наблюдений за скоростью ветра в сутки по формуле 6 6 100 4,17 , 24 u p Nnf Nnf %, где N – число дней наблюдений в году за безледный период n – заданное число лет f – повторяемость волноопасного направления ветра в долях единицы от суммы повторяемости всех направлений, равной единице. Для получения возможно больших искомых элементов волн режимная функция строится по всем волноопасным направлениям. В качестве примера расчета по методике ГГО приведены материалы, заимственные из [6]. Пусть требуется вычислить значение расчетной скорости ветра для сооружения III класса (повторяемость один разв лет) поданным наблюдений, представленным в табл. 2.1, льда на водохранилище не бывает. Таблица 2.1 Данные наблюдений по скоростям ветра Градации скорости U, мс Повторяемость по направлениям, % СЗ ССЗ Си более – 0,03 0,08 Повторяемость направлений f 0,1 0,43 0,25 Чтобы нанести на график, см. рис. 2.1, эмпирические данные наблюдений, надо предварительно установить обеспеченности каждой градации скорости. Их получают путем суммирования повторя- емостей от больших значений ветра к меньшим, те. составляется таблица (табл. 2.2). Таблица 2.2 Обеспеченность скорости ветра по градациям, % Градации скорости U, мс Волноопасные направления СЗ ССЗ Си более – 0,03 0,08 Данные табл. 2.2 наносятся на рис. 2.1, причем обеспеченность присваивается нижнему пределу градации. Вычисляют значение расчетной обеспеченности p (u) , здесь взято направление ССЗ: 6 4,17 0,006 %. 365 25 Продлив эмпирическую линию до обеспеченности p (u) = 0,006 на графике, см. рис. 2.1, по горизонтальной оси снимают значение искомой скорости, равное 31 мс. В расчетах ветрового волнения скорость ветра принято брать на высоте 10 м над поверхностью воды, при этом значения должны соответствовать показанию анемометра. То есть если используют данные измерений, полученные с помощью флюгеров, то такие данные корректируют умножением на коэффициент K a (K a = 1 при U = 20 мс K a = 0,95 при U = 25 мс K a = 0,89 при U = 35 мс. Переход от высоты размещения измерительного прибора z к высоте м выполняют умножением K z (K z = 1,1 при z = 5 мс K z = 1 при z = 10 мс K z = 0,9 при z = 20 мс и более. 41 Пересчет скорости ветра (при U ≥ 20 мс) при переходе воздушного потока с суши на водоем и вдоль разгона надводной поверхностью не требуется, если материковая метеостанция является открытой, те. незащищенной по волноопасному направлению. Незащищенной считается метеостанция, если в радиусе домна местности нет элементов защищенности, а значения скоростей ветра к определению расчетных элементов волн в водохранилищах, как правило, превышают 20 мс. Глубина водоемам. Значения глубин водоема определяют по плану водохранилища, на котором имеются горизонтали, описывающие рельеф дна, представляющего собой земную поверхность до наполнения водохранилища. В других водоемах глубины также определяют по их планам с построенными изобатами (линиями равных глубин. 2.2. Определение элементов ветровых волн В настоящее время элементы волн рассчитывают по эмпирико- статистическим связям между значениями элементов волн и волно- образующими факторами, вошедшим в строительные нормы [6]. Эти связи безразмерные, сложные, и поэтому для практических целей их решение представлено номограммой, рис. 2.2. Номограмма составлена для определения наиболее устойчивых статистических характеристик волна именно, среднеарифметических значений высоты волны h и периода . В расчетах ветровых волн на водоемах с длиной разгона до 100 км пользование номограммой таково значение безразмерного разгона 2 gD U откладывается на горизонтальной оси 2 gD U , из этой точки до соответствующей кривой безразмерных глубин 2 gH U (g – ускорение свободного) падения проводится вертикаль. Из точки пересечения вертикали с этой кривой проводят горизонталь до пересечения с вертикальными осями номограммы 2 gh U и g U , по которым устанавливают безразмерные значения средней высоты 2 gh U A и среднего периода g U B . 42 Рис. 2.2. График для определения элементов ветровых волн на глубоководных и мелководных акваториях Затем переходят к абсолютным значениям искомых параметров волн 2 AU h g , мс. Длина разгона D, глубина водоема H исчисляются в метрах, скорость в метрах за секунду. При решении инженерных задач в качестве расчетной высоты волны используют значение такой высоты волны, которая характеризуется расчетной нормативной обеспеченностью p, %. Во многих 43 случаях p = 1 %. Переход от средней высоты волны h к высоте нормативной обеспеченности p осуществляют по функции распределения высот волн (кривая распределения Вейбулла). В целях практического использования это распределение представлено графически, рис. 2.3. Рис. 2.3. Графики значений коэффициента Пользование графиком таково на горизонтальных осях откладывают безразмерные значения длины 2 gD и глубины 2 gH U ; из этих точек проводят вертикали до кривой расчетной обеспеченности, далее из полученных точек пересечения проводят горизонтальные линии до пересечения с вертикальной осью графика p p K h h . Из полученных двух значений K p принимают меньшее, так как один из волнообразующих факторов является ограничителем волнообразования. 44 В итоге расчетная высота волны вычисляется по формуле p p h hK , м. На малых водоемах с длиной разгона D до 40 км значение можно определять по формуле В.Н. Юхновца: где p n – обеспеченность высоты волны в долях единицы φ – параметр, значение которого зависит в основном от длины разгона определять значение параметра рекомендуется по формуле 0,14 3,17 D , где D – длина разгона волны, км. Длину волны λ определяют по установленному в результате расчетов периоду τ с использованием теоретической связи между длиной волны и ее периодом 2 2 th 2 g H , мВ инженерных расчетах в качестве расчетной длины волны чаще всего принимают среднюю длину в группе волн, вычисляемую по формуле (2.2) по среднему периоду . Если возникает необходимость выходить на длину волны определенной обеспеченности, надо перейти от среднего периода к периоду расчетной обеспеченности с использованием функции распределения периодов. Функция распределения периодов в данной курсовой работе не приводится. Для условий предельного развития волн мелководного водоема период волны не зависит от скорости ветра и определяется только 45 его глубиной H, и тогда значение множителя 2 th H можно принять равным единице. Мелководным водоемом считается такой, глубина которого не превышает половины длины волны, те. ПОСТРОЕНИЕ И ЭКСТРАПОЛЯЦИЯ КРИВОЙ РАСХОДОВ ВОДЫ В СТВОРЕ РЕКИ Связь между расходом и уровнем воды, выраженная графически, называется кривой расходов Q f H . Кривая расходов является важнейшей гидравлической характеристикой речного потока. В гидрометрии определяют зависимость расхода Q от уровня H, хотя независимым переменным фактически является расход воды, а уровень – функцией. На практике так поступают потому, что на гидрологических постах расход определяют по измеренному уровню, если связь Q f H заранее установлена. Это обусловлено еще и тем, что измерение уровней производят ежедневно в стандартные сроки, а измерение расходов вследствие большой трудоемкости делают значительно реже. Уместно обратить внимание, что уровень H – не глубина воды в створе, а возвышение водной поверхности над нулем графика в этом створе. Отметка плоскости нуля графика назначается примерно нам ниже отметки водной поверхности при самой низкой зарегистрированной межени. Кривая расходов широко применяется в различных гидравлических, гидрологических, водохозяйственных расчетах, а также в гидрологических прогнозах. Кривая расходов является однозначной, когда каждому значению расхода воды соответствует одно значение уровня воды. В действительности же бывает только приближенно однозначная зависимость, так как всегда имеются погрешности в измерениях расходов и уровней и влияние ряда причин, нарушающих связь расходов с уровнями. Для большинства равнинных рек, не подверженных значительным деформациями зарастанию в период открытого русла, характерна приближенно однозначная связь между расходом и уровнем. 46 Если вода выливается на пойму, то кривая расходов будет представлена двумя частями нижний участок – русловый, а верхний – пойменный. В настоящей курсовой работе рассматривается построение, обоснование и экстраполяция однозначной кривой расходов 1 Q f для беспойменных русл. Кривая строится в прямоугольной системе координат, рис. 3.1, совместно с кривой площадей поперечных сечений реки 2 f H и средних скоростей в этих сечениях, так как расход равен произведению площади поперечного сечения потока на среднюю скорость. Кривые площадей и средних скоростей нужны не только для анализа надежности измеренных расходов, но и для экстраполяции кривой расходов, те. продления ее за пределы наблюдений. Рис. 3.1. Кривые зависимости 1 Q f H , 2 f H , 3 f H р. Волги у г. Ржева 47 Масштаб для построения кривых выбирается таким образом, чтобы хорда, соединяющая концы кривой 1 Q f H , была расположена примерно под углом 45° коси абсцисса для кривых 2 f H и 3 f H – под углом 60°. При выборе масштаба учитывают точность графического определения расходов воды, снимаемых с кривой для составления расчетной таблицы, используя которую по измеренным уровням определяют расходы воды. А чтобы кривые не пересекались и не совмещались, нули шкал ω и сдвигают вправо относительно нуля Q. Вертикальная ось уровней H общая для всех трех кривых. Кривые 1 Q f H , 2 f H и 3 f H называют также элементарными кривыми. Пример их построения показан на рис. 3.1 в створе г. Ржева, р. Волга, и заимствован из [9]. При их построении в координатной сетке (Q, H), (ω, H), ( , H) по исходным данным, приводимым в задании, на график наносят точки. Эти точки обычно располагаются узкой полосой с некоторым рассеиванием. Кривые же проводят на глаз с таким расчетом, чтобы каждая кривая занимала среднее положение относительно точек, те. посередине полосы рассеивания точек. Если на графике (см. рис. 3.1) видно, что точки тесно группируются около своих кривых или лежат на них, кривая 1 Q f H выпуклая коси почти прямая, а кривая 3 f H – слабовогнутая коси, то это свидетельствует о правильности произведенных измерений и об отсутствии условий, нарушающих однозначность кривой расходов. После построения всех трех кривых производят их увязку между собой, что является обоснованием кривой расходов. |