Федеральна служба з гідрометеорології та моніторингу навколишнього середовища.
ІРКУТСЬКИЙ ГІДРОМЕТЕОРОЛОГІЧНИЙ ТЕХНІКУМ
Практичні роботи з гідрометрії
Обчислення стоку води і стоку наносів
Виконала:
студентка групи Г-4а
Балакіна М.В.
Перевірив:
Дробот В.В.
Іркутськ 2007
1. Обчислення стоку води
1.1 Побудова кривої витрат води
При стійкому незаросшем руслі і відсутності змінного підпору між витратами та рівнями води існує однозначна залежність, при якій певному значенню рівня відповідає тільки одне значення витрати води. У цьому випадку, маючи достатню кількість витрат води, виміряних при різних рівнях, можна встановити залежність між цими елементами і визначити значення витрати за кожен день по наблюденним на водомірному посту рівнями. Зв'язок між витратами та рівнями води зазвичай встановлюється графічно у вигляді кривої Q = f (Н).
Щоб встановити характер зв'язку між витратами та рівнями, необхідно ретельно перевірити і проаналізувати вихідні матеріали. До них відносяться: 1) таблиця «Виміряні витрати води» (Ірв), 2) таблиця «Щоденні рівні води» (ЕУВ), 3) суміщені профілі поперечних перерізів по гідрометричних створів; 4) план ділянки поста; 5) поперечний профіль по гідроствору до рівня високих вод; 6) технічна справа поста; 7) літературні та архівні матеріали, що характеризують режим річки на ділянці гідрометричного створу.
Аналіз матеріалів спостережень слід починати з таблиці Ірв; при цьому потрібно зробити: 1) арифметичну перевірку величин середньої швидкості і середньої глибини, 2) перевірку відповідності рівня води в день вимірювання витрати рівню того ж дня в таблиці ЕУВ; 3) зіставлення записів про стан річки у таблиці Ірв з тими ж даними в таблиці ЕУВ.
Так як для кожного витрати води маємо рівність Q = FƯ ср, то виявляється зручним виробляти подальший аналіз виміряних витрат виробляти графічним шляхом. На аркуші міліметрового паперу будують три криві: криву витрат води Q = f (Н), криву площ поперечних перерізів F = f (Н) і криву середніх швидкостей Ư ср = f (Н). При побудові кривих по вертикальній осі відкладаються рівні для всіх трьох елементів в одному масштабі, а по горизонтальній осі - витрата води, площа поперечного перерізу і середня швидкість. Посередині смуги нанесених точок (Q, H), (F, H), (Ư ср, H) проводяться плавні криві Q = f (Н), Q = f (Н) і Ư ср = f (Н).
Властивості кривих: 1) крива витрати повинна бути опуклою до осі ординат; 2) крива площі повинна бути опуклою до осі рівнів; 3) крива швидкості може мати різну форму; 4) у місцях різкого перелому поперечного перерізу - змінюється форма кривої.
У результаті аналізу матеріалів спостережень з'ясовуються особливості режиму річки та обираються способи обчислення ЕРВ.
1.2 Ув'язка кривих
Щоб зробити ув'язку трьох кривих, через кожні 10% амплітуди рівня, а на більш вигнутих відрізках частіше з кривих знімаються значення витрат води, площ і швидкостей і підставляються у формулу Q = F Ư СР якщо розбіжність між твором F Ư ср і витратою, знятим з кривою, не більше 1%, то криві проведені правильно. В іншому випадку необхідно виправити ті криві, які відхиляються від середнього положення. Звичайно потрібно кілька разів вводити виправлення і погоджувати криві.
1.3 Побудова таблиці координат
Для підрахунку середніх добових витрат води складається таблиця координат КР. Спочатку в її нульову графу виписуються координати опорних точок, за які приймаються значення витрат, зняті з кривої Q = f (Н) при вищому і нижчому рівнях, і значення витрат через 2,1 або 0,5 см на графіку (в залежності від кривизни окремих ділянок кривої і масштабу рівня). Звичайно значення витрат знімаються з кривою через інтервали рівня від 5 до 20 см , А при дрібному масштабі і при пологій кривій ці інтервали можна збільшити до 50 см . потім шляхом лінійної інтерполяції обчислюються проміжні значення витрат для кожного сантиметра рівня. Витрати, обчислені шляхом інтерполяції, не повинні відхилятися від кривої більш ніж на 1,5% у верхній і середніх частинах і на 3% в її нижній частині. При знятті координат опорних точок необхідно стежити, щоб приріст витрат для кожного наступного інтервалу рівня було більше попереднього або залишалося без зміни. ЕРВ визначаються безпосередньо по цій таблиці як значення, що відповідають середньому добовому рівню, який приймається за таблицею ЕУВ.
1.4 Перевірка залежності Q = f (Н)
Її виконують двома способами:
1.среднее ймовірне відхилення від кривої витрати: проводиться по всіх виміряних витрат,
за формулою
σ = ± 0,674 √ Σ (Δ σ) 2 / n,
де Δ σ - відхилення,%; n-число виміряних витрат. Отриману залежність Q = f (Н) можна вважати надійною, якщо середнє ймовірне відхилення знаходиться в межах 2-4%.
2. Забезпеченість відхилень вимірюваних витрат:
Знайдена залежність Q = f (Н) може вважатися надійною, якщо число випадків відхилень витрат в межах 0-5 або 0-10% близько до 90% - ної забезпеченості.
1.5 Правила побудови кривої
Крива витрат води Q = f (Н) будується на міліметровому папері в прямокутній системі координат спільно з кривими F = f (Н) і Ư ср = f (Н). масштаби для побудови кривих підбираються в залежності від амплітуди рівнів, витрат, площ і швидкостей течій з таким розрахунком, щоб хорда кривої витрат розташувалася приблизно під кутом 45 0, а хорди кривих площі і середніх швидкостей під кутом 60 0 до осі абсцис. Щоб криві не перетиналися, нулі шкал площ і швидкостей зрушують вправо. Точки з координатами (Q, H), (F, H), (Ư ср, H) обводиться кружками діаметром 1,5 - 2 мм ; Проти точок витрат на відстані 3 - 5 см від них (по горизонталі) виписуються дати вимірювання. Крива витрат води проводиться по середині смуги розсіювання точок (Q, H) спочатку від руки, а потім по лекало. При наявності великої кількості виміряних витрат крива Q = f (Н) може бути проведена за центрами тяжкості груп точок. Таким же способом проводяться криві площі і швидкості.
Якщо на ділянці гідрометеорологічного створу при певному рівні починають діяти заплава, протоки й рукави, то криві для них будуються окремо, а потім обчислюється сумарна крива Q = f (Н). Значення витрат для цих кривих виходять підсумовуванням витрат, знятих з кривих для основного русла, заплави, приток при одній висоті рівня для всіх кривих.
При значній амплітуді витрат, коли відносини найбільших витрат до найменшого становить 20 і більше, нижня частина кривої витрат у межах 20-30% амплітуди рівнів викреслюється у збільшеному масштабі (зазвичай в 5-10 разів більше). Така побудова дозволяє обчислити стік води при низьких рівнях значно точніше.
1.6 Екстраполяція кривих витрат
Екстраполяція вгору:
1. Безпосереднім продовженням обгрунтованої частині кривої вгору до 10% амплітуди коливань рівня;
2. За елементами витрат проводиться за допомогою кривих площі та середньої швидкості. Спочатку добудовується до вищого рівня крива площ. Площі в межах екстраполіруемого ділянки визначаються за профілем поперечного перерізу. потім екстраполюємо крива швидкостей відповідно напрямку обгрунтованої частини з урахуванням шорсткості схилів берегів. Після цього для різних рівнів у межах екстраполіруемого ділянки з кривих F = f (Н) і Ư ср = f (Н) знімаються значення F і Ư ср; необхідні для екстраполяції витрати води обчислюються за формулою Q = F Ư СР Точки (Q, H) наносяться на графік і по них крива витрат плавно триває до вищого рівня;
3. За способом Стівенса застосовується для великих рівнинних річок з правильною коритоподібний формою русла при середній глибині в межах екстраполіруемого ділянки не менше 3,5 - 4 м . Заснований на тому, що криву витрат води можна зобразити лінією, близькою до прямої, якщо висловити залежністю Q = f (F √ h ср), де F-площа водного перерізу; h сер - середня глибина. Залежність виду Q = f (F √ h ср) може бути отримана з формули Q = FC √ RI = F √ RC √ I;
4. За способом Стівенса-Великанова застосовується, коли поперечний профіль русла при високих рівнях має різкі переломи. Залежність Q = f (F √ h ср) може бути представлена у вигляді Q = f (Bh 3 / 2 ср), що також виражається прямою лінією, але переломи в профілі не змінюють її напрями;
5. За формулою Шезі застосовується при наявності надійних вимірів і поздовжніх ухилів водної поверхні і дає хороші результати для великих рівнинних річок з середньою глибиною понад 3,5 - 4 м . Витрата обчислюється за формулою Q = F Ư СР площа поперечного перерізу при цих рівнях визначається по поперечному профілі гідрометричного створу, а середня швидкість обчислюється за формулою Шезі Ư = C √ RI, приймаючи гідравлічний радіус рівний середній глибині, отримаємо Ư = C √ h ср I. Для визначення значень C і I будуються залежності I = f (H) і C = f (H). Крива I = f (H) проводиться за значеннями виміряних ухилів, а для побудови графіка C = f (H) потрібно з обгрунтованою вимірами частині кривої Ư ср = f (Н) для чотирьох-п'яти найбільш високих рівнів зняти значення середньої швидкості, тоді З обчислимо за формулою С = Ư СР / √ h ср I. Значення I при вибраних рівнях знімається з кривою I = f (H), а h ср обчислюється як частка від ділення площі поперечного перерізу на ширину річки. За обчисленими значеннями З будується крива C = f (H).
Екстраполяція вниз:
1. Безпосереднім продовженням обгрунтованої частині кривої до 5% амплітуди рівня;
2. За елементами витрат;
3. По позначці нульового витрати води, коли аналітична залежність Q (H) представлена формулою В. М. Глушкова, Q = a (HH 0) m дійсної аж до нульового витрати М 0.
1.7 Обчислення стоку при льодових утвореннях
1. Інтерполяція. Цей спосіб застосовується при значній кількості виміряних витрат, рівномірно висвітлюють весь зимовий період. При використанні цього прийому на комплексному графіку по виміряних витрат будується гідрограф, з якого знімаються витрати за кожен день. При проведенні гідрографа слід враховувати хід гідрометеорологічних елементів, нанесених на комплексному графіку.
2. За зимового перехідному коефіцієнту (К зим). Слід проводити при відсутності заторно-зажорних явищ. До зим = Q зим / Q св, Q зим - виміряний зимовий витрата при рівні Н зим; Q св-витрата, отриманий за таблицею координат для кривої Q св = f (Н) при рівні Н зим. Q зим = Q св * До зим. До зим коливається від 0,15 до 1,00; при К зим = 1,0 зимовий витрата лягає на криву витрат вільного русла, що можливо або при відсутності льодових утворень, або при незначному їх впливі на режим витрат і рівнів.
3. По До зим з урахуванням міри стиснення живого перерізу потоку крижаними утвореннями. При недостатньому числі вимірів витрат у період льодоставу графік До зим = f (Т) можна уточнити шляхом використання залежності між коефіцієнтом До зим і коефіцієнтом α, α = F повн-F пл / F полн, F повн - площа поперечного перерізу; F пл - площа зануреного льоду. Маючи До зим = f (α) і відомості про товщину льоду, можна обчислити значення α для будь-якого дня, і тоді проміжні значення К зим можуть бути визначені за вказаною кривої.
4. Срезка рівнів за підпірний період. На графіку коливання рівнів розглянутого поста пунктирною лінією з'єднується початок і кінець підпірного періоду. За зрізаним таким чином рівнями ЕРВ обчислюються або за К зим, або по зимовій кривої витрат.
1.8 Обчислення стоку при заростанні русла
1. За перехідному коефіцієнту заростання. До зар = Q зар / Q св, Q зар - витрата, виміряний при рівні Н зар; Q св - витрата, знятий з кривою вільного русла при тому ж рівні. Значення К зар змінюються зазвичай від 0,15 до 1,00. для обчислення ЕРВ по наблюденним рівнів за період заростання за таблицею координат кривої Q св = f (Н) беруться значення Q св, а з графіка До зар = f (Т) знімаються відповідні значення До зар. Q зар = Q св * До зар.
2. Стосовно тимчасових кривим заростання. А) однозначні тимчасові криві, плавні, опуклі до осі рівнів. Б) перехідні тимчасові криві, що виражають нестійку зв'язок між витратою і рівнем.
3. За інтерполяції. При наявності значної кількості виміряних витрат, які висвітлюють усі дощові паводки і періоди низького стояння рівнів, сток обчислюється шляхом графічної інтерполяції між виміряними витратами.
1.9 Обчислення стоку при змінному підпорі
1. За інтерполяції. Застосовують при швидко змінюється підпорах. Щоденні витрати води обчислюються шляхом прямолінійної або криволінійної (графічної) інтерполяції між виміряними витратами води.
2. Стосовно тимчасових кривим. Цей спосіб застосовують при повільно змінюється підпорах. Тимчасові криві в умовах змінного підпору висловлюють нестійку зв'язок між витратою і рівнем. Криві будуються по датах.
3. Срезка підпірних рівнів. Якщо підпір проявляється у вигляді короткочасного різкого підйому рівня без значної зміни водності річки, то здійснюється проста зрізка підпірних рівнів. Для цього викреслюється графік коливань рівня води, початок і кінець підпірного періоду на графіку з'єднуються плавною кривою або прямою лінією. ЕРВ обчислюються по кривій стійкого зв'язку Q св = f (H) з використанням зрізаних або відновлених рівнів.
4. Побудова кривої модулів витрат. Даний спосіб застосовується при наявності надійних вимірювань ухилів водної поверхні. Модуль витрати обчислюється за формулою К = Q / √ I. У більшості випадків при одній і тій же висоті рівня значення модуля витрати залишається постійним при змінах ухилу. Тому, якщо замість крапок (Q, H) нанести на графік значення модуля витрати, (К, Н) розташуються вузькою смугою і проводимо криву К = f (Н), звану кривої модулів витрат. Для кожного виміряного витрати обчислюються значення модуля витрати за якими будується крива К = f (Н). Потім по наблюденним рівнями з кривою знімаються значення модуля витрати для кожного дня і ЕРВ обчислюються за формулою Q = K √ I.
5. Побудова сімейства кривих. Застосовується при безперервно діючих і різко змінюються підпорах, що викликають значний розкид точок (Q, H). Для побудови сімейства кривих значення всіх виміряних витрат наносяться на графік і біля кожної точки виписується величина ухилу або падіння рівня. Потім у полі точок через рівні інтервали ухилів проводяться плавні криві витрат з опуклістю до осі рівня. ЕРВ визначаються безпосередньо по сімейства кривих. Для цього обчислюється значення ухилу і з відповідної даному ухилу кривої за спостереженнями рівню знімається величина витрати води.
1.10 Обчислення стоку при нестійкому річищі
1. Стосовно тимчасових кривим.. А) однозначні тимчасові криві, плавні, опуклі до осі рівнів. Б) перехідні тимчасові криві, що виражають нестійку зв'язок між витратою і рівнем.
2. Спосіб Стаута. При безперервної і періодичної деформаціях, коли часті паводки ускладнюють проведення тимчасових кривих. Значення вимірюваних витрат води наносяться на графік і посередині поля точок проводиться плавна крива витрат, звана стандартної кривої. Для кожного виміряного витрати обчислюється поправка Стаута, за формулою ΔН = Н 1-Н 2, де Н 1 - рівень, знятий зі стандартною кривою, Н 2 - рівень, виміряний при визначенні витрат води. Ці поправки мають позитивний знак, якщо витрата розташований нижче стандартної кривої і відповідає розмиву русла, і негативний знак, якщо витрата розташований вище кривої і відповідає намиву русла. За знайденим значенням ΔН будується хронологічний графік поправок ΔН = f (Т), на якому по горизонталі відкладаються дати вимірювання витрати, а по вертикалі значення поправок («+» - вгору від нульової лінії, «-» - вниз). Графік будується у вигляді плавної кривої, проведеної так, щоб точки поправок розподілилися рівномірно по обидві її сторони. За графіком ΔН = f (Т) визначаються значення поправок для кожного дня і виправляються середні добові рівні Н испр = Н ізм ± ΔН. За виправленим рівням з таблиці координат стандартної кривої береться значення витрати води.
3. Приведення кривої витрат до основного перерізу. Коли деформації русла носять характер вертикального його зміщення без зміни поздовжнього ухилу водної поверхні. З усіх профілів гідроствора вибирається одне поперечний переріз, за обрисами більш близьке до середнього профілю. По ньому визначаються значення площ водних перерізів при різній висоті рівня. За обчисленими значеннями площ будується крива F = f (H). До отриманих точок визначаються поправки рівня ΔН на деформацію русла аналогічно обчисленню поправок Стаута. Будується хронологічний графік. Обчислення ЕРВ проводиться аналогічно обчисленню за способом Стаута.
4. Інтерполяція.
1.11 Гідрологічний аналіз відомостей про стік води
Для того щоб переконається у відсутності помилок, допущених при вимірюванні витрат і підрахунку стоку, необхідно проаналізувати отримані відомості про стік води.
Аналіз варто починати з розгляду комплексного графіка результатів гідрометеорологічних спостережень. У процесі аналізу простежується характер коливань витрат води з урахуванням даних гідрометеорологічної обстановки (опади, льодові явища), та інших факторів, що впливають на режим стоку.
Подальший аналіз проводиться по сумісним гідрографами, побудованим для постів, розташованих на одній річці. Графіки коливань витрат води для всіх постів викреслюються на одній загальній осі часу і в одному масштабі витрат. Аналіз по сумісним гідрографами полягає в зіставленні ходу зміни витрати води по суміжних постам.
Найбільш надійні результати аналізу виходять шляхом ув'язування середніх річних значень витрати по довжині річки в гідрографічних вузлах. Гідрографічний вузол являє собою частину басейну річки, що включає пости, розташовані на головній річці нижче впадання припливу. Аналіз заснований на тому, що витрата води збільшується вниз за течією і витрата в створі нижче злиття двох річок дорівнює сумі видатків цих річок.
Аналіз полягає в наступному. Сума середніх річних значень витрат головної річки і притоки порівнюється з витратою головної річки в замикає створі. Якщо бічна припливно на даній ділянці врахована в достатній мірі, то значення цих витрат повинні мало відрізнятися. При неповному обліку бічний припливно для ув'язки стоку обчислюється прирощення витрати на ділянці, рівне різниці між сумарним витратою головної річки і притоки і витратою замикаючого створу. Отримана різниця порівнюється з витратою води, обчислюваним для неврахованої вимірами площі за модулем стоку. Для визначення цієї витрати обчислюється збільшення площі на ділянці, стік з якого не врахований вимірами, і для цієї площі з карти з карти знімається значення середнього річного модуля стоку. Витрата води після цього обчислюється як добуток збільшення площі на модуль стоку. Розбіжність між витратою, обчисленими як приріст, і витратою, визначеним за модулем стоку, не повинен перевищувати 15-20% сумарної витрати головної річки і притоки.
Після проведеного аналізу середніх річних витрат води слід зіставити для суміжних постів значення місячних модульних коефіцієнтів М, які обчислюються як відношення середньої витрати за кожний місяць до середнього річного. За обчисленими значеннями модульних коефіцієнтів будуються хронологічні графіки М = f (Т), суміщені з ряду водомірних постів.
2. Обчислення стоку наносів
2.1 Обчислення стоку завислих наносів
Вихідними даними для обчислення стоку завислих наносів служать:
· Каламутності контрольних одиничних проб води ρ ед.контр, взятих під час вимірювання витрати зважених наносів;
· Каламутності щоденних одиничних проб води ρ од.;
· Середні каламутності річки ρ ср, отримані в результаті вимірювання витрати наносів;
Витрати води, взяті з таблиці ЕРВ (середні за добу, пентаду і декаду).
1. За каламутності одиничних проб: значення каламутності одиничних проб приводяться до середньої каламутності живого перерізу і витрата зважених наносів після цього обчислюється як добуток витрати води на середню мутність річки. Будується графік зв'язку ρ ср = f (ρ ед.контр). потім визначається К = ρ СР / ρ ед.контр. Обчислені значення декадних витрат зважених наносів заносяться в таблицю «Середні витрати зважених наносів», що поміщається у гідрологічний щорічник.
2. Обчислення стоку за графіком залежності між витратами води і зважених наносів: цей спосіб застосовується переважно для великих і середніх річок з яскраво вираженими весняною повінню при частому вимірі витрат зважених наносів, досить докладно висвітлюють усі фази режиму стоку води і наносів. Будується графік залежності між витратою води і витратою зважених наносів R = f (Q). Маючи цей графік, встановлюють період дії кожної гілки цієї кривої і величину витрати зважених наносів за кожний день знімають безпосередньо з кривою R = f (Q) за значеннями щоденних витрат води.
3. Обчислення стоку завислих наносів для періоду межені при малій каламутності: якщо в періоди стійкої літньої та зимової межені середня мутність річки не перевищує 50г / м 3, а стік зважених наносів за ці періоди становить не більше 5% річного стоку наносів, то витрати зважених наносів у межень після трьох - п'яти років спостережень можна не вимірювати. Підрахунок річного стоку наносів у цьому випадку проводиться наступним чином. За даними не менше ніж за три - п'ять років повних спостережень встановлюється, яка частина річного стоку наносів припадає на періоди межені. Знаючи частку меженного стоку наносів і значення сумарного стоку за інший період, можна обчислити стік за всі місяці, коли вимірювання не відбувались.
2.2 Гідрологічний аналіз відомостей про стік наносів
Для того щоб встановити відсутність помилок у обчислених значеннях стоку наносів і визначити характерні риси режиму наносів, необхідно провести аналіз отриманих даних. Аналіз складається в зіставленні характеристик стоку завислих наносів по довжині річки і по всьому басейну. Для проведення аналізу будуються наступні графіки:
1. графік залежності між середніми річними значеннями витрати зважених наносів і витратою води R ср.год. = f (Q ср.год.) за весь період спостережень.
2. графік зв'язку між середніми річними значеннями витрати зважених наносів даного посту і сусідніх постів, розташованих в однорідних умовах формування стоку наносів.
3. хронологічний графік ходу середніх каламутності ρ ср.мес = f (Т) для суміжних постів, розташованих на головній річці та притоках. Значення середньої місячної каламутності обчислюється за формулою:
ρ ср.мес = R ср.мес 1000 / Q ср.мес.
4. графік зміни характерних значень каламутності по довжині головної ріки та її приток ρ = f (L).
ІРКУТСЬКИЙ ГІДРОМЕТЕОРОЛОГІЧНИЙ ТЕХНІКУМ
Практичні роботи з гідрометрії
Обчислення стоку води і стоку наносів
Виконала:
студентка групи Г-4а
Балакіна М.В.
Перевірив:
Дробот В.В.
Іркутськ 2007
1. Обчислення стоку води
1.1 Побудова кривої витрат води
При стійкому незаросшем руслі і відсутності змінного підпору між витратами та рівнями води існує однозначна залежність, при якій певному значенню рівня відповідає тільки одне значення витрати води. У цьому випадку, маючи достатню кількість витрат води, виміряних при різних рівнях, можна встановити залежність між цими елементами і визначити значення витрати за кожен день по наблюденним на водомірному посту рівнями. Зв'язок між витратами та рівнями води зазвичай встановлюється графічно у вигляді кривої Q = f (Н).
Щоб встановити характер зв'язку між витратами та рівнями, необхідно ретельно перевірити і проаналізувати вихідні матеріали. До них відносяться: 1) таблиця «Виміряні витрати води» (Ірв), 2) таблиця «Щоденні рівні води» (ЕУВ), 3) суміщені профілі поперечних перерізів по гідрометричних створів; 4) план ділянки поста; 5) поперечний профіль по гідроствору до рівня високих вод; 6) технічна справа поста; 7) літературні та архівні матеріали, що характеризують режим річки на ділянці гідрометричного створу.
Аналіз матеріалів спостережень слід починати з таблиці Ірв; при цьому потрібно зробити: 1) арифметичну перевірку величин середньої швидкості і середньої глибини, 2) перевірку відповідності рівня води в день вимірювання витрати рівню того ж дня в таблиці ЕУВ; 3) зіставлення записів про стан річки у таблиці Ірв з тими ж даними в таблиці ЕУВ.
Так як для кожного витрати води маємо рівність Q = FƯ ср, то виявляється зручним виробляти подальший аналіз виміряних витрат виробляти графічним шляхом. На аркуші міліметрового паперу будують три криві: криву витрат води Q = f (Н), криву площ поперечних перерізів F = f (Н) і криву середніх швидкостей Ư ср = f (Н). При побудові кривих по вертикальній осі відкладаються рівні для всіх трьох елементів в одному масштабі, а по горизонтальній осі - витрата води, площа поперечного перерізу і середня швидкість. Посередині смуги нанесених точок (Q, H), (F, H), (Ư ср, H) проводяться плавні криві Q = f (Н), Q = f (Н) і Ư ср = f (Н).
Властивості кривих: 1) крива витрати повинна бути опуклою до осі ординат; 2) крива площі повинна бути опуклою до осі рівнів; 3) крива швидкості може мати різну форму; 4) у місцях різкого перелому поперечного перерізу - змінюється форма кривої.
У результаті аналізу матеріалів спостережень з'ясовуються особливості режиму річки та обираються способи обчислення ЕРВ.
1.2 Ув'язка кривих
Щоб зробити ув'язку трьох кривих, через кожні 10% амплітуди рівня, а на більш вигнутих відрізках частіше з кривих знімаються значення витрат води, площ і швидкостей і підставляються у формулу Q = F Ư СР якщо розбіжність між твором F Ư ср і витратою, знятим з кривою, не більше 1%, то криві проведені правильно. В іншому випадку необхідно виправити ті криві, які відхиляються від середнього положення. Звичайно потрібно кілька разів вводити виправлення і погоджувати криві.
| Н, см | Q, м 3 / с з кривою | F, м 2 | Ư ср, м / с | Q = F Ư ср, м 3 / с | Розбіжність ΔQ% |
1.3 Побудова таблиці координат
Для підрахунку середніх добових витрат води складається таблиця координат КР. Спочатку в її нульову графу виписуються координати опорних точок, за які приймаються значення витрат, зняті з кривої Q = f (Н) при вищому і нижчому рівнях, і значення витрат через 2,1 або
| Н, см | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
Її виконують двома способами:
1.среднее ймовірне відхилення від кривої витрати: проводиться по всіх виміряних витрат,
| Ізеренние | Q 2 м 3 / с за розрахунковою таблиці | Δ Q = Q 1 - Q 2 | Δ σ = Δ Q / Q 1 * 100% | Δ σ 2 | |
| Н, см | Q 1 м 3 / с | ||||
σ = ± 0,674 √ Σ (Δ σ) 2 / n,
де Δ σ - відхилення,%; n-число виміряних витрат. Отриману залежність Q = f (Н) можна вважати надійною, якщо середнє ймовірне відхилення знаходиться в межах 2-4%.
2. Забезпеченість відхилень вимірюваних витрат:
| межі відхилень,% | Число випадків | забезпеченість | ||
| абс. | % | абс. | % | |
1.5 Правила побудови кривої
Крива витрат води Q = f (Н) будується на міліметровому папері в прямокутній системі координат спільно з кривими F = f (Н) і Ư ср = f (Н). масштаби для побудови кривих підбираються в залежності від амплітуди рівнів, витрат, площ і швидкостей течій з таким розрахунком, щоб хорда кривої витрат розташувалася приблизно під кутом 45 0, а хорди кривих площі і середніх швидкостей під кутом 60 0 до осі абсцис. Щоб криві не перетиналися, нулі шкал площ і швидкостей зрушують вправо. Точки з координатами (Q, H), (F, H), (Ư ср, H) обводиться кружками діаметром 1,5 -
Якщо на ділянці гідрометеорологічного створу при певному рівні починають діяти заплава, протоки й рукави, то криві для них будуються окремо, а потім обчислюється сумарна крива Q = f (Н). Значення витрат для цих кривих виходять підсумовуванням витрат, знятих з кривих для основного русла, заплави, приток при одній висоті рівня для всіх кривих.
При значній амплітуді витрат, коли відносини найбільших витрат до найменшого становить 20 і більше, нижня частина кривої витрат у межах 20-30% амплітуди рівнів викреслюється у збільшеному масштабі (зазвичай в 5-10 разів більше). Така побудова дозволяє обчислити стік води при низьких рівнях значно точніше.
1.6 Екстраполяція кривих витрат
Екстраполяція вгору:
1. Безпосереднім продовженням обгрунтованої частині кривої вгору до 10% амплітуди коливань рівня;
2. За елементами витрат проводиться за допомогою кривих площі та середньої швидкості. Спочатку добудовується до вищого рівня крива площ. Площі в межах екстраполіруемого ділянки визначаються за профілем поперечного перерізу. потім екстраполюємо крива швидкостей відповідно напрямку обгрунтованої частини з урахуванням шорсткості схилів берегів. Після цього для різних рівнів у межах екстраполіруемого ділянки з кривих F = f (Н) і Ư ср = f (Н) знімаються значення F і Ư ср; необхідні для екстраполяції витрати води обчислюються за формулою Q = F Ư СР Точки (Q, H) наносяться на графік і по них крива витрат плавно триває до вищого рівня;
3. За способом Стівенса застосовується для великих рівнинних річок з правильною коритоподібний формою русла при середній глибині в межах екстраполіруемого ділянки не менше 3,5 -
4. За способом Стівенса-Великанова застосовується, коли поперечний профіль русла при високих рівнях має різкі переломи. Залежність Q = f (F √ h ср) може бути представлена у вигляді Q = f (Bh 3 / 2 ср), що також виражається прямою лінією, але переломи в профілі не змінюють її напрями;
5. За формулою Шезі застосовується при наявності надійних вимірів і поздовжніх ухилів водної поверхні і дає хороші результати для великих рівнинних річок з середньою глибиною понад 3,5 -
Екстраполяція вниз:
1. Безпосереднім продовженням обгрунтованої частині кривої до 5% амплітуди рівня;
2. За елементами витрат;
3. По позначці нульового витрати води, коли аналітична залежність Q (H) представлена формулою В. М. Глушкова, Q = a (HH 0) m дійсної аж до нульового витрати М 0.
1.7 Обчислення стоку при льодових утвореннях
1. Інтерполяція. Цей спосіб застосовується при значній кількості виміряних витрат, рівномірно висвітлюють весь зимовий період. При використанні цього прийому на комплексному графіку по виміряних витрат будується гідрограф, з якого знімаються витрати за кожен день. При проведенні гідрографа слід враховувати хід гідрометеорологічних елементів, нанесених на комплексному графіку.
2. За зимового перехідному коефіцієнту (К зим). Слід проводити при відсутності заторно-зажорних явищ. До зим = Q зим / Q св, Q зим - виміряний зимовий витрата при рівні Н зим; Q св-витрата, отриманий за таблицею координат для кривої Q св = f (Н) при рівні Н зим. Q зим = Q св * До зим. До зим коливається від 0,15 до 1,00; при К зим = 1,0 зимовий витрата лягає на криву витрат вільного русла, що можливо або при відсутності льодових утворень, або при незначному їх впливі на режим витрат і рівнів.
3. По До зим з урахуванням міри стиснення живого перерізу потоку крижаними утвореннями. При недостатньому числі вимірів витрат у період льодоставу графік До зим = f (Т) можна уточнити шляхом використання залежності між коефіцієнтом До зим і коефіцієнтом α, α = F повн-F пл / F полн, F повн - площа поперечного перерізу; F пл - площа зануреного льоду. Маючи До зим = f (α) і відомості про товщину льоду, можна обчислити значення α для будь-якого дня, і тоді проміжні значення К зим можуть бути визначені за вказаною кривої.
4. Срезка рівнів за підпірний період. На графіку коливання рівнів розглянутого поста пунктирною лінією з'єднується початок і кінець підпірного періоду. За зрізаним таким чином рівнями ЕРВ обчислюються або за К зим, або по зимовій кривої витрат.
1.8 Обчислення стоку при заростанні русла
1. За перехідному коефіцієнту заростання. До зар = Q зар / Q св, Q зар - витрата, виміряний при рівні Н зар; Q св - витрата, знятий з кривою вільного русла при тому ж рівні. Значення К зар змінюються зазвичай від 0,15 до 1,00. для обчислення ЕРВ по наблюденним рівнів за період заростання за таблицею координат кривої Q св = f (Н) беруться значення Q св, а з графіка До зар = f (Т) знімаються відповідні значення До зар. Q зар = Q св * До зар.
2. Стосовно тимчасових кривим заростання. А) однозначні тимчасові криві, плавні, опуклі до осі рівнів. Б) перехідні тимчасові криві, що виражають нестійку зв'язок між витратою і рівнем.
3. За інтерполяції. При наявності значної кількості виміряних витрат, які висвітлюють усі дощові паводки і періоди низького стояння рівнів, сток обчислюється шляхом графічної інтерполяції між виміряними витратами.
1.9 Обчислення стоку при змінному підпорі
1. За інтерполяції. Застосовують при швидко змінюється підпорах. Щоденні витрати води обчислюються шляхом прямолінійної або криволінійної (графічної) інтерполяції між виміряними витратами води.
2. Стосовно тимчасових кривим. Цей спосіб застосовують при повільно змінюється підпорах. Тимчасові криві в умовах змінного підпору висловлюють нестійку зв'язок між витратою і рівнем. Криві будуються по датах.
3. Срезка підпірних рівнів. Якщо підпір проявляється у вигляді короткочасного різкого підйому рівня без значної зміни водності річки, то здійснюється проста зрізка підпірних рівнів. Для цього викреслюється графік коливань рівня води, початок і кінець підпірного періоду на графіку з'єднуються плавною кривою або прямою лінією. ЕРВ обчислюються по кривій стійкого зв'язку Q св = f (H) з використанням зрізаних або відновлених рівнів.
4. Побудова кривої модулів витрат. Даний спосіб застосовується при наявності надійних вимірювань ухилів водної поверхні. Модуль витрати обчислюється за формулою К = Q / √ I. У більшості випадків при одній і тій же висоті рівня значення модуля витрати залишається постійним при змінах ухилу. Тому, якщо замість крапок (Q, H) нанести на графік значення модуля витрати, (К, Н) розташуються вузькою смугою і проводимо криву К = f (Н), звану кривої модулів витрат. Для кожного виміряного витрати обчислюються значення модуля витрати за якими будується крива К = f (Н). Потім по наблюденним рівнями з кривою знімаються значення модуля витрати для кожного дня і ЕРВ обчислюються за формулою Q = K √ I.
5. Побудова сімейства кривих. Застосовується при безперервно діючих і різко змінюються підпорах, що викликають значний розкид точок (Q, H). Для побудови сімейства кривих значення всіх виміряних витрат наносяться на графік і біля кожної точки виписується величина ухилу або падіння рівня. Потім у полі точок через рівні інтервали ухилів проводяться плавні криві витрат з опуклістю до осі рівня. ЕРВ визначаються безпосередньо по сімейства кривих. Для цього обчислюється значення ухилу і з відповідної даному ухилу кривої за спостереженнями рівню знімається величина витрати води.
1.10 Обчислення стоку при нестійкому річищі
1. Стосовно тимчасових кривим.. А) однозначні тимчасові криві, плавні, опуклі до осі рівнів. Б) перехідні тимчасові криві, що виражають нестійку зв'язок між витратою і рівнем.
2. Спосіб Стаута. При безперервної і періодичної деформаціях, коли часті паводки ускладнюють проведення тимчасових кривих. Значення вимірюваних витрат води наносяться на графік і посередині поля точок проводиться плавна крива витрат, звана стандартної кривої. Для кожного виміряного витрати обчислюється поправка Стаута, за формулою ΔН = Н 1-Н 2, де Н 1 - рівень, знятий зі стандартною кривою, Н 2 - рівень, виміряний при визначенні витрат води. Ці поправки мають позитивний знак, якщо витрата розташований нижче стандартної кривої і відповідає розмиву русла, і негативний знак, якщо витрата розташований вище кривої і відповідає намиву русла. За знайденим значенням ΔН будується хронологічний графік поправок ΔН = f (Т), на якому по горизонталі відкладаються дати вимірювання витрати, а по вертикалі значення поправок («+» - вгору від нульової лінії, «-» - вниз). Графік будується у вигляді плавної кривої, проведеної так, щоб точки поправок розподілилися рівномірно по обидві її сторони. За графіком ΔН = f (Т) визначаються значення поправок для кожного дня і виправляються середні добові рівні Н испр = Н ізм ± ΔН. За виправленим рівням з таблиці координат стандартної кривої береться значення витрати води.
3. Приведення кривої витрат до основного перерізу. Коли деформації русла носять характер вертикального його зміщення без зміни поздовжнього ухилу водної поверхні. З усіх профілів гідроствора вибирається одне поперечний переріз, за обрисами більш близьке до середнього профілю. По ньому визначаються значення площ водних перерізів при різній висоті рівня. За обчисленими значеннями площ будується крива F = f (H). До отриманих точок визначаються поправки рівня ΔН на деформацію русла аналогічно обчисленню поправок Стаута. Будується хронологічний графік. Обчислення ЕРВ проводиться аналогічно обчисленню за способом Стаута.
4. Інтерполяція.
1.11 Гідрологічний аналіз відомостей про стік води
Для того щоб переконається у відсутності помилок, допущених при вимірюванні витрат і підрахунку стоку, необхідно проаналізувати отримані відомості про стік води.
Аналіз варто починати з розгляду комплексного графіка результатів гідрометеорологічних спостережень. У процесі аналізу простежується характер коливань витрат води з урахуванням даних гідрометеорологічної обстановки (опади, льодові явища), та інших факторів, що впливають на режим стоку.
Подальший аналіз проводиться по сумісним гідрографами, побудованим для постів, розташованих на одній річці. Графіки коливань витрат води для всіх постів викреслюються на одній загальній осі часу і в одному масштабі витрат. Аналіз по сумісним гідрографами полягає в зіставленні ходу зміни витрати води по суміжних постам.
Найбільш надійні результати аналізу виходять шляхом ув'язування середніх річних значень витрати по довжині річки в гідрографічних вузлах. Гідрографічний вузол являє собою частину басейну річки, що включає пости, розташовані на головній річці нижче впадання припливу. Аналіз заснований на тому, що витрата води збільшується вниз за течією і витрата в створі нижче злиття двох річок дорівнює сумі видатків цих річок.
Аналіз полягає в наступному. Сума середніх річних значень витрат головної річки і притоки порівнюється з витратою головної річки в замикає створі. Якщо бічна припливно на даній ділянці врахована в достатній мірі, то значення цих витрат повинні мало відрізнятися. При неповному обліку бічний припливно для ув'язки стоку обчислюється прирощення витрати на ділянці, рівне різниці між сумарним витратою головної річки і притоки і витратою замикаючого створу. Отримана різниця порівнюється з витратою води, обчислюваним для неврахованої вимірами площі за модулем стоку. Для визначення цієї витрати обчислюється збільшення площі на ділянці, стік з якого не врахований вимірами, і для цієї площі з карти з карти знімається значення середнього річного модуля стоку. Витрата води після цього обчислюється як добуток збільшення площі на модуль стоку. Розбіжність між витратою, обчисленими як приріст, і витратою, визначеним за модулем стоку, не повинен перевищувати 15-20% сумарної витрати головної річки і притоки.
Після проведеного аналізу середніх річних витрат води слід зіставити для суміжних постів значення місячних модульних коефіцієнтів М, які обчислюються як відношення середньої витрати за кожний місяць до середнього річного. За обчисленими значеннями модульних коефіцієнтів будуються хронологічні графіки М = f (Т), суміщені з ряду водомірних постів.
2. Обчислення стоку наносів
2.1 Обчислення стоку завислих наносів
Вихідними даними для обчислення стоку завислих наносів служать:
· Каламутності контрольних одиничних проб води ρ ед.контр, взятих під час вимірювання витрати зважених наносів;
· Каламутності щоденних одиничних проб води ρ од.;
· Середні каламутності річки ρ ср, отримані в результаті вимірювання витрати наносів;
Витрати води, взяті з таблиці ЕРВ (середні за добу, пентаду і декаду).
1. За каламутності одиничних проб: значення каламутності одиничних проб приводяться до середньої каламутності живого перерізу і витрата зважених наносів після цього обчислюється як добуток витрати води на середню мутність річки. Будується графік зв'язку ρ ср = f (ρ ед.контр). потім визначається К = ρ СР / ρ ед.контр. Обчислені значення декадних витрат зважених наносів заносяться в таблицю «Середні витрати зважених наносів», що поміщається у гідрологічний щорічник.
2. Обчислення стоку за графіком залежності між витратами води і зважених наносів: цей спосіб застосовується переважно для великих і середніх річок з яскраво вираженими весняною повінню при частому вимірі витрат зважених наносів, досить докладно висвітлюють усі фази режиму стоку води і наносів. Будується графік залежності між витратою води і витратою зважених наносів R = f (Q). Маючи цей графік, встановлюють період дії кожної гілки цієї кривої і величину витрати зважених наносів за кожний день знімають безпосередньо з кривою R = f (Q) за значеннями щоденних витрат води.
3. Обчислення стоку завислих наносів для періоду межені при малій каламутності: якщо в періоди стійкої літньої та зимової межені середня мутність річки не перевищує 50г / м 3, а стік зважених наносів за ці періоди становить не більше 5% річного стоку наносів, то витрати зважених наносів у межень після трьох - п'яти років спостережень можна не вимірювати. Підрахунок річного стоку наносів у цьому випадку проводиться наступним чином. За даними не менше ніж за три - п'ять років повних спостережень встановлюється, яка частина річного стоку наносів припадає на періоди межені. Знаючи частку меженного стоку наносів і значення сумарного стоку за інший період, можна обчислити стік за всі місяці, коли вимірювання не відбувались.
2.2 Гідрологічний аналіз відомостей про стік наносів
Для того щоб встановити відсутність помилок у обчислених значеннях стоку наносів і визначити характерні риси режиму наносів, необхідно провести аналіз отриманих даних. Аналіз складається в зіставленні характеристик стоку завислих наносів по довжині річки і по всьому басейну. Для проведення аналізу будуються наступні графіки:
1. графік залежності між середніми річними значеннями витрати зважених наносів і витратою води R ср.год. = f (Q ср.год.) за весь період спостережень.
2. графік зв'язку між середніми річними значеннями витрати зважених наносів даного посту і сусідніх постів, розташованих в однорідних умовах формування стоку наносів.
3. хронологічний графік ходу середніх каламутності ρ ср.мес = f (Т) для суміжних постів, розташованих на головній річці та притоках. Значення середньої місячної каламутності обчислюється за формулою:
ρ ср.мес = R ср.мес 1000 / Q ср.мес.
4. графік зміни характерних значень каламутності по довжині головної ріки та її приток ρ = f (L).