3323

3323	МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
	ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Мосты и транспортные тоннели»

Г И Д Р О Л О Г И Я

Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 271501.65 «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей»

очной и заочной форм обучения

2-е издание, исправленное и дополненное

Составители: М.С. Шмыров В.А. Збрицкий

Самара

2014

1

УДК 556

Гидрология : методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 271501.65 «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей» очной и заочной форм обучения / составители : М.С. Шмыров, В.А. Збрицкий. – 2-е изд., испр. и доп. – Самара : СамГУПС, 2014. – 19 с.

В методических указаниях приведены теоретические основы, формулы и другие сведения для выполнения лабораторных работ.

Утверждены на заседании кафедры 30.09.2013 г., протокол № 1. Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Составители: Шмыров Максим Сергеевич Збрицкий Владимир Александрович

Рецензенты: д.т.н., профессор, зав. каф. «Мосты и транспортные тоннели» СамГУПС В.Г. Рахчеев; к.т.н., доцент кафедры «Высшая математика» СамГУПС В.Л. Шур

Подписано в печать 23.01.2014. Формат 60×90 1/16. Усл. печ. л. 1,2. Тираж 50 экз. Заказ 9.

© Самарский государственный университет путей сообщения, 2014

2

Общие требования по выполнению лабораторных работ

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Гидрология» предназначены для студентов-строителейочной и заочной форм обучения.

Методические указания построены таким образом, чтобы студенты получили общие сведения о масштабах и разнообразии различных гидрологических явлений и объектов, закономерностях их распространения, роли в природе и жизни человека, научились определять гидрографические и гидрометрические характеристики и элементы стока, анализировать и обрабатывать информацию о водах разного генезиса.

Методические указания охватывают 4 темы, включающих 4 задания, для выполнения которых необходимо использование литературных источников, приведенных в библиографическом списке.

Для успешного выполнения лабораторных работ рекомендуется соблюдать следующие требования:

•задания аккуратно выполнить в отдельной тетради;

•обязательно указать тему, задание, привести табличные и графические материалы, перечислить этапы выполнения работы, сделать вывод;

•графические материалы выполнить в тетради, на миллиметровке простым карандашом с указанием масштабов, необходимых индексов, легенды, нумерации и подписи к рисункам (выполнить снизу). Таблицы нумеровать и подписывать сверху.

В лабораторных работах для всех именованных величин употребляется Международная система (СИ). Вычисления необходимо выполнять с точностью до двух значащих цифр. Отчет по лабораторным работам производится в форме собеседования с преподавателем.

Выполнение указанных условий и требований в комплексе с самостоятельным творческим подходом к выполнению лабораторных работ обеспечит высокий уровень теоретических знаний и практических умений и навыков у студентов.

3

Лабораторная работа № 1

ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЧНОГО СТОКА

Цель работы: рассчитать характеристики речного стока.

Теоретические сведения

Общая характеристика речного стока. Годовой сток рек является результатом суммирования двух генетически разнородных видов стока – подземного и поверхностного. В свою очередь, поверхностный сток формируется за счет стока талых снеговых вод и стока летне-осенних дождевых и зимних паводков. В условиях Центрального Черноземья дождевой сток в летний период наблюдается редко и, как правило, невелик. Поверхностный сток осенних и особенно зимних паводков в отдельные годы может достигать более существенных значений, однако в большинстве случаев он также невелик. В целом, сток дождевых летне-осенних и зимних паводков в пределах рассматриваемой территории не превышает 5% от общего поверхностного стока. Основная составляющая поверхностного стока в условиях Центрального Черноземья – весенний поверхностный сток. Данные факторы и условно постоянное питание подземными водами, которое получает река из соответствующего водоносного горизонта, является генетической предпосылкой для существования в каждом конкретном речном бассейне достаточно выраженной зависимости годового стока реки от весеннего поверхностного стока (В. М. Мишон). Анализ графиков связи годового и весеннего поверхностного стока большинства рек показывает, что для юго-восточных (лесостепных и степных) районов, где подземный сток сравнительно мал, а доля весеннего поверхностного стока в годовом стоке велика, отмечается высокий уровень корреляции (коэффициент корреляции r = 0,85÷0,95). Питание рек в меженный период осуществляется преимущественно подземными водами. Минимальный речной сток отмечается два раза в год: в летний и зимний периоды года. Режим летней межени обычно нарушается редкими дождевыми паводками, а зимой – поверхностным притоком во время оттепелей. Летне-осенняя межень наступает в конце мая – начале июня, а окончание приходится на ноябрь (в 2008 г. – середина ноября). При отсутствии осенних паводков летне-осенняя межень плавно переходит в зимнюю межень. Продолжительность летне-осенней межени колеблется в пределах 95÷180 суток. Минимальные среднемесячные расходы летне-осенней межени в годы 50 % и 95 % обеспеченности по всем рекам-аналогам территории ниже, нежели расходы в зимнюю межень. Зимняя межень устанавливается обыкновенно во второй половине ноября – начале декабря. Продолжительность зимней межени составляет 60÷130 суток. Завершается зимний меженный период, как правило, в первой декаде – середине марта.

Для количественной оценки речного стока применяют следующие характеристики: 1. Объем стока (W, м3) – количество воды, протекающее в русле реки через данный

замыкающий створ, за определенный промежуток времени (за год):

4

где T – время, число секунд в году (31,54	· 106 с),,Q – средний расход, м3/с.	(1)
2. Норма стока (Y, м3/с) – средняя	арифметическая величина стока (расхода),	вы-

численная за длительный (более 50 лет) период. Также она рассчитывается по формуле:

/	,	2	(2)
где А – слой стока, мм; F – площадь водосбора, км			; T – время, число секунд в году
(31,54 · 106 с).
3. Модуль стока (М, л/с·км2) – количество воды, стекающей с единицы площади
(1 км2) за единицу времени (с):	,
/			(3)

где Q – средний расход, м3/с; F – площадь водосбора, км2.

4.Слой стока (А, мм) – слой воды в мм, равномерно распределенный по площади F

истекающий с водосбора за некоторый промежуток времени:

/ ,

(4)

где W – объем стока, м3; F– площадь водосбора, км2.

5. Коэффициент стока (α, η, безразм.) – отношение величины (объема или слоя) стока к количеству выпавших на площадь водосбора атмосферных осадков, обусловивших возникновение стока:

/ ,

(5)

где А–слой стока, мм; Х – количество осадков, мм. Коэффициент стока изменяется от 0 до 1. Иногда его определяют с помощью эмпирических формул, например:

1

,

,

(6)

где d – средний многолетний дефицит влажности воздуха, мм.

Задание. По данным, приведенным в табл. 1, и на основании формул (1)–(6) рассчитать характеристики речного стока, помеченные вопросительным знаком.

5

Таблица 1

Тестовые задачи для расчета характеристик речного стока

Вариант	Y,	Q,	F,	Х,	W,	M,	А, мм	α(η)	d,
	м3/с	м3/с	км2	мм	м3	л/с · км2			мм
0	–	0,46	50	400	?	?	?	?	–
1	0,15	–	?	?	?	–	190	?	2,2
2	–	?	40	500	13·106	?	?	?	–
3	–	?	50	600	?	?	300	?	–
4	–	?	40	1600	?	?	?	0,31	–
5	–	?	70	500	?	10,4	?	?	–
6	–	?	90	600	26·106	?	?	?	–
7	–	0,40	70	500	?	?	?	?	–
8	–	?	30	200	?	?	180	?	–
9	?	–	50	450	?	–	?	?	2,5

Примечание: «?» – найти, «–» – данные отсутствуют.

Выполнение работы

1.По формуле (1) определить объем стока (W, м3).

2.Зная расход (Q) и площадь водосбора (F), определить из формулы (3) модуль стока (М, л/с · км2), для чего значение расхода переводится из м3/с в л/с.

3.Слой стока (А, мм) рассчитать с помощью формулы (4), для чего предварительно объем стока и площадь водосбора перевести соответственно в мм3 и мм2.

4.Коэффициент стока (α(η)) вычислить согласно формуле (5).

Таким образом, все искомые величины будут найдены. Аналогично с применением формул (1)–(6) решаются все тестовые задачи.

Лабораторная работа № 2

МОРФОЛОГИЯ РУСЛА И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОТОКА

Цель работы: научиться строить профиль водного сечения реки, определять его площадь, ширину реки, смоченный периметр, гидравлический радиус, среднюю и максимальную глубины реки и проводить изотахи.

Теоретические сведения

Морфологические особенности русла реки могут быть охарактеризованы с помощью плана или поперечного профиля. Поперечный профиль реки – это график изменения отметок дна и водной поверхности поперек русла. Сечение русла реки вертикальной плоскостью, перпендикулярной направлению течения называется водным сечением по-

6

тока. Часть площади водного сечения, где наблюдаются скорости течения, является площадью живого сечения (W, м2).

Ширина реки (В, м) – это кратчайшее расстояние между урезами воды на обоих берегах.

Средняя глубина (Нср., м) – отношение площади живого сечения к ширине реки:

ср

/В.

(1)

Смоченный периметр (Р, м) – длина линии дна между урезами воды на поперечном профиле речного русла. Для крупных рек Р ≈В.

Гидравлический радиус (R, м) – отношение площади живого сечения к смоченному периметру:

/ .

(2)

Распределение скоростей в живом сечении русла можно представить с помощью изотах и эпюр (рис. 1).

Рис. 1. Изотахи (А) и эпюры (Б) в живом сечении реки

Изотахи – линии на профиле, соединяющие в живом сечении реки точки с одинаковыми скоростями воды, т. е. это линии равных скоростей.

Эпюры (годографы) – кривые изменения скоростей воды в реке по вертикали, изображенные на плоскости, параллельной направлению течения.

Динамическая ось потока (стрежень) – линия, соединяющая по длине потока (в плане) точки отдельных живых сечений с наибольшими скоростями.

Задание. По данным табл. 1 построить профиль водного сечения реки, определить его площадь, ширину реки, смоченный периметр, гидравлический радиус, среднюю и максимальную глубины реки и провести изотахи. Сделать выводы.

7

Таблица 1

Ведомость измеренных скоростей течения в живом сечении р. Ока, пост № 1, 27.07.1990 г.

№ про-	Расстояние	Глубина,	Скороститечения(м/с) напромерныхвертикаляхвточках					Вариант
мерной	от левого	Н, м	0,1Н (от	0,2Н	0,6Н	0,8Н	0,1Н
вертикали	берега, м		поверхности)				(от дна)
1	2	3	4	5	6	7	8	9
Ур. лев. б.	0	0,00						Общ.
1	10	0,66						Общ.
2	20	0,78	0,48	0,45	0,43	0,42	0,35	А
3	30	0,90	0,51	0,49	0,46	0,43	0,28	Б
4	40	1,14	0,49	0,46	0,43	0,34	0,28	А
5	50	1,30	0,46	0,45	0,44	0,39	0,27	Б
6	60	1,50	0,47	0,46	0,43	0,39	0,31	А
7	70	1,96	0,51	0,51	0,45	0,42	0,38	Б
8	80	2,16	0,60	0,58	0,50	0,46	0,44	А
9	90	2,32	0,72	0,70	0,62	0,55	0,48	Б
10	100	2,00	0,69	0,67	0,59	0,48	0,42	А
11	110	1,44	0,64	0,62	0,57	0,48	0,41	Б
12	120	0,78						Общ.
Ур. прав. б.	130	0,00						Общ.

Выполнение работы

1.По данным о глубине промерных вертикалей и расстоянию от берега (колонки 2

и3 табл. 1) построить на миллиметровке профиль дна, получив таким образом, водное сечение. Вертикальный и горизонтальный масштаб выбрать самостоятельно в соответствии с форматом миллиметровки и размахом значений в табл. 1. Точки дна соединить прямыми линиями.

2.Определить площадь каждой части водного сечения, заключенной между промерными вертикалями:

	/2,	hi и hi+1	(3)
где а – расстояние между промерными вертикалями, м;			– глубина соседних
промерных вертикалей, м.
3. Определить общую площадь живого сечения реки:
∑	…	.	(4)

4.Определить смоченный периметр, измерив его на чертеже с помощью линейки и переведя в метры согласно выбранному горизонтальному масштабу.

5.Используя формулу (2), рассчитать гидравлический радиус.

8

6.Используя формулу (1), вычислить среднюю глубину реки.

7.Определить максимальную глубину по промерной ведомости (табл. 1).

8.Выделить на каждой промерной вертикали своего варианта точки, соответствующие 0,1Н (от поверхности), 0,2Н, 0,6Н, 0,8Н и 0,1 (от дна). Проставить возле них значения скорости течения (колонки 4–8).

9. Методом интерполяции провести изотахи через каждые 0,05 м/с, начиная с 0,30 м/с. Каждая изотаха должна плавно, не упираясь в дно, выходить на поверхность. В разрывах указать ее значение.

Лабораторная работа № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ РЕКИ

Цель работы: научиться определять мощность реки и выражать ее в лошадиных силах и кВт.

Дано: Река (табл. 1), средний многолетний расход воды реки в устье (м3/с), и падение реки от истока до устья (м) и общая длина реки (км) берутся студентами самостоятельно.

Таблица 1

Реки для задания

0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
р. Обь	р. Иртыш	р. Ока	р. Енисей	р. Лена	р. Амур	р. Сура	р. Волга	р. Днепр	р. Дон

Задание. Вычислить полную и удельную мощность реки. Сделать выводы.

Теоретические сведения

Рекой называется водный поток, протекающий в естественном русле и питающийся за счет поверхностного и подземного стока речного бассейна.

Атмосферные осадки не сразу попадают в реки. Сток их осуществляется сначала в виде временных потоков, возникающих в период таяния или выпадения дождей. Сливаясь вместе, они дают начало постоянным потокам – сначала ручьям, малым речкам, а затем рекам. Водность рек увеличивается притоком подземных вод, дренируемых речными руслами. Реки выносят свои воды в океаны, моря или озера. Река, впадающая в один из таких водоемов, называется главной рекой, а реки, впадающие в нее, – ее притоками. Совокупность всех рек, сбрасывающих свои воды через главную реку в море или озеро, называется речной системой или речной сетью.

Реки, озера, болота, балки, овраги данной территории составляют гидрографическую сеть этой территории. Таким образом, речная сеть есть часть гидрографической сети.

9

Различают притоки различных порядков. Реки, впадающие непосредственно в главную реку, называют притоками первого порядка, притоки этих притоков – притоками второго порядка и т. д.

Мощность реки может быть вычислена для всей ее длины (кадастровая, или полная, мощность), для отдельного участка, а также на единицу ее длины (удельная мощность).

Для вычисления кадастровой мощности (или мощности) реки на участке используется формула

y

,

(1)

где N – полная, или кадастровая, мощность реки; y – плотность воды, равная 1 г/см3; Q – расход воды, м3/с; H – падение в метрах.

Плотностью называется масса единицы объема или отношение массы тела из данного вещества к его объему при абсолютно плотном состоянии вещества. Плотность выражается в г/см3. Масса 1 см3 чистой воды при 4° С равна 1 г, и поэтому плотность воды равна единице. Плотность жидкостей измеряется ареометрами – стеклянными сосудами, имеющими форму стержня, погруженными в жидкость. Ареометры плавают, погружаясь на различную глубину, в зависимости от плотности жидкости.

Мощность реки может быть выражена также в лошадиных силах (1 л.с. = 0,073 кВт = = 75 кгс·м/с, Вт = Дж/с = кг·м2/с3) или киловаттах (1 кВт = 1,36 л.с.).

Единицы измерения в разных странах различаются, и лошадиная сила в Швеции не совсем то же самое, что в Америке. В Европе под одной лошадиной силой понимают мощность, необходимую для поднятия 75 килограммов на один метр за секунду или 75 килограмм-силы-метров в секунду. В то же время, в США одна лошадиная сила означает мощность, необходимую для поднятия 550 фунтов на один фут за секунду, что соответствует 33000 фунт-силы-футов в минуту.

Так как уклоны реки обычно заметно изменяются от истоков к устью, то полную, или кадастровую мощность, полученную для отдельных участков, можно найти по формуле:

,

2

где N – полная, или кадастровая, мощность реки; Qi – средний многолетний расход воды на отдельном участке, м3/с; Hi – падение уровня воды на участке, м; –ускорение свободного падения, зависящее от высоты над уровнем моря и от географической широты места. Оно изменяется от 9,83 м/с2 на полюсе и до 9,78 м/с2 на экваторе. На широте Москвы ускорение свободного падения принимается равным = 9,8 м/с2.

Удельную мощность реки вычисляют по формуле

10