3163

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 4

Определение мертвого объема водохранилища

Цель работы: научиться использовать формулы для определения мертвого объёма водохранилища.

Дано: Батиграфические кривые (рисунок), транзитная часть наносов, сбрасываемая из водохранилища в нижний бьеф, δ = 0,3. Количество донных наносов m = 10 % от взвешенных. Объемная масса донных отложений γотл. = 0,8 т/м3. Средний многолетний объем годового стока, W0, 106·м3, среднемноголетняя мутность воды во входном творе водохранилища, P0, г/м3 (табл. 9).

Рис. Батиграфические кривые

Таблица 9

	W0, P0					Вариант
		0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
	Средний многолетний объем	1100	1110	1120	1130	1140	1150	1160	1170	1180	1190
	годового стока W0, 106·м3
	Среднемноголетняя мутность
	воды во входном створе	1200	1210	1220	1230	1240	1250	1260	1270	1280	1290
	водохранилища P0, г/м3

Задание:

1.Необходимо рассчитать мертвый объем и соответствующийему уровень воды Нм.о., исходя из условий выполнения санитарно-технических требований и обеспечения необходимого качества воды; а также допустимый срок службы водохранилища.

2.Сделать выводы.

11

Краткие теоретические сведения

Водохранилища – искусственные водоемы. Они предназначены для задержания, накопления, хранения и перераспределения во времени воды – регулирования речного стока с целью использования его для удовлетворения нужд народного хозяйства: выработки электрической энергии, орошения, водоснабжения, водного транспорта. Большие водохранилища обычно обслуживают несколько отраслей народного хозяйства.

Водохранилища создаются путем возведения плотин, перегораживающих долину реки, путем обвалования речной поймы. В водохранилища превращены некоторые озера путем искусственного повышения их уровня с помощью плотин, построенных вблизи истоков вытекающих из них рек. На больших реках создаются каскады водохранилищ. Малые водохранилища, создаваемые на мелких звеньях гидрографической сети, называют прудами, а в земляных выемках – копанями. По форме в плане и строению котловины водохранилища делят на речные и озерные. Речные водохранилища (иногда их подразделяют на русловые и долинные) образуются в результате затопления русел и долин рек (Горьковское, Волгоградское, Усть-Каменогорское и др.). Форма их вытянутая, очертания уреза повторяют очертания русла или долины. Длина во много раз превышает ширину. Наибольшие глубины располагаются в местах затопленных русел и увеличиваются в направлении к плотине.

Заиление водохранилищ является результатом отложения наносов, приносимых притоками и образующихся от разрушения берегов; отложения остатков водной растительности и организмов, населяющих водоем, имеют меньшее значение в процессе заиления, особенно в первые годы эксплуатации водохранилищ.

Очевидно, что процесс заиления больших водохранилищ равнинных рек длителен и измеряется многими сотнями лет. Малые водохранилища, построенные на горных реках, обладающих высоким твердым стоком, заиливаются быстро, в течение нескольких лет. Известны случаи, когда продолжительность заиления ограничивалась одним – тремя годами. Значительные колебания уровня, переменный подпор, различная проточность и меняющийся скоростной режим создают специфические особенности в перемещении и отложении наносов в водохранилищах, отличные от озер и рек. Эти особенности могут иметь индивидуальный характер для отдельных водохранилищ, что осложняет изучение формирования, движения и отложения наносов в них.

Детально изучено заиление водохранилищ на горных реках. В озерных и русловых водохранилищах движение и осаждение наносов происходит по-разному. В озерных водохранилищах, сооруженных на горных реках, характерен резкий переход уровенной поверхности реки к горизонтальному подпертому зеркалу водохранилища, вследствие чего в конце верхнего бьефа столь же резко происходит уменьшение скорости течения. В русловых, вытянутых в плане, узких водохранилищах переход кривой подпора к естественному уровню реки происходит постепенно и скорости течения меняются медленно. В водохранилищах озерного типа в зоне выклинивания подпора происходит концентрированное осаждение наносов крупных фракций. Формируется конус выноса, приобретающий характер дельты, в

12

пределах которой поток разбивается на рукава. Мелкие наносы осаждаются на всем протяженииводохранилищаичастично выносятся внижнийбьеф.

В водохранилищах руслового типа отложения наносов распределяются более или менее равномерно или приобретают вид гряды, постепенно передвигающейся из верхней части водохранилища к плотине. Отложение и перемещение наносов к плотине то усиливается, то ослабевает. В подобной цикличности явления значительная роль принадлежит уровенному режиму. При зимней сработке уровня перед половодьем место выклинивания кривой подпора приближается к плотине, вследствие чего происходит размыв поверхности отложений и перемещение ранее осевших наносов ближе к плотине. По мере заполнения водохранилища место выклинивания подпора удаляется от плотины

ив верхнем участке подпорного бьефа вновь создаются благоприятные условия для отложения наносов. Явление это нашло подтверждение при изучении режима мутности в Кайраккумском водохранилище.

С.И. Алтунин пришел к выводу, что процесс заиления водохранилищ носит затухающий характер. Объясняется это следующим. По мере заиления водохранилища происходит повышение дна и уменьшение глубин в зоне кривой подпора, в связи с чем место выклинивания кривой подпора перемещается вверх по течению. Отметки подпертого уровня в зоне кривой подпора повышаются и при сохранении у плотины НПУ уклон водной поверхности увеличивается, что в конечном итоге приводит к увеличению скоростей течения и способствует увеличению транзита наносов через плотину. Влекомые наносы, приносимые рекой, перемещаются по поверхности отложившихся взвешенных наносов. Гряда донных наносов, распространяясь вниз по течению, со временем надвигается на отложения более мелких наносов, образуя из-за различий в режиме водохранилищ перемежающиеся слои отложений различной крупности.

Распределение отложений по ширине водохранилища отличается неравномерностью

изависит от ряда факторов: рельефа дна, размыва берега в тех или иных участках, направления и скорости ветровых течений и др.

Ход решения

Время заиляемости может быть определено по формуле:

НПУ	,	13
Н

где VНПУ – полный объём водохранилища при НПУ; VН – средний многолетний объём наносов, поступающих в водохранилище, м3 в год.

Значение срока заиляемости принимается для крупных водохранилищ в 200 лет, а для малых водохранилищ и прудов – 50 лет. При расчетах заиления употребляется также термин «срок службы водохранилища» – время, в течение которого наносами заполняется мертвый объём водохранилища, т.е. срок, в течение которого возможно регулирование санитарно-гидробиологического режима с помощью мертвого объема:

13

где VУМО – мертвый объем; VН – аналогичносл.		УМО			14
		н
	формуле,			(13).

По санитарно-техническим условиям средняя глубина воды в водохранилище при минимальном наполнении должна быть не менее 2,5 м. Средней глубине 2,5 м соответствует минимальный уровень Hmin = 116 м, при котором минимальный объем водохранилища должен быть равен Vmin = 40 млн м3.

Принято, что удовлетворительное качество воды в водохранилище будет обеспечиваться при условии, что при уровне мертвого объема критерий литорали LΩ не будет превышать 0,35. По кривой LΩ(H) на рисунке можно установить, что при уровне воды в 116 м, определенном исходя из санитарно-технических требований, LΩ = 0,43, т.е. требуемое условие не выполняется – площадь мелководья гораздо выше. Поэтому Hmin = 116,0 м никак не может быть принят в качестве мертвого объема. Возвращаемся к рисунку, при LΩ = 0,35 уровень мертвого объёма HУМО может быть предварительно принят в 119,5 м. Такому уровню соответствует объём водохранилища в 120 млн м3.

Проверяем найденный объем на соответствие условий заиления наносами. Время заиления мертвого объема определяем по формуле (14), а среднегодовой объем

отложений наносов в водохранилище по формуле:
10	·ρ	1	δ .	15
Н	γотл.

Подставляя в формулу имеющиеся данные, получим, что объем наносов VН, м3, и время заиления мертвого объема tу, г.

Определяем, превышает ли полученный срок заиления мертвого объема водохранилища, удовлетворяющий и санитарно-техническим требованиям, и необходимому качеству воды допустимый срок заиления для малых водохранилищ (50 лет).

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 5

Влияние хозяйственной деятельности на сток

Цель работы: научиться определять расстояние в реке от места выпуска загрязняющего вещества до появления его при заданной концентрации загрязнения.

Дано: расход сбросных сточных вод Qст = 8 м3/с, ширина реки B = 18 м, средняя глубина hср = 2,6 м, коэффициент Шези C = 30 м0,5/с. Коэффициент извилистости φ = 1,2. Естественная концентрация загрязняющего вещества в речной воде Sс = 0; концентрация загрязняющего вещества в сточных водах перед выпуском в реку Sст = 100 %; максимальная концентрация при заданном значении разбавлениям Sмакс = 10 %. Расход воды в реке – Q95% (табл. 10).

14

Таблица 10

	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Q95%, м3/с	90	91	92	93	94	95	96	97	98	99

Задание:

1.Вычислить показатель разбавления.

2.Определить расстояние от места выпуска, на котором будет наблюдаться заданное значение разбавления Sмакс = 10 %.

Краткие теоретические сведения

В современных условиях широкого использования водных ресурсов и проведения агрономических, агролесомелиоративных и гидромелиоративных мероприятий на обширных территориях страны хозяйственная деятельность человека воздействует как непосредственно на сток, так и на условия его формирования. Создание водохранилищ (иначе говоря, увеличение озерности) вызывает увеличение потерь воды на испарение, а следовательно, и некоторое уменьшение стока, в особенности в засушливых районах. Но эта неизбежная издержка с избытком перекрывается пользой от водохранилищ, позволяющих уменьшать сток в периоды паводков и увеличивать в периоды межени. Огромный размах строительства водохранилищ в Советском Союзе позволил увеличить ресурсы устойчивого речного стока страны почти на 25 %. Это большое достижение народного хозяйства.

Искусственное орошение в зоне недостаточного увлажнения требует водозабора из рек, создает совершенно новые условия водного режима почв, вызывает увеличение расхода воды на испарение и транспирацию и тем самым уменьшает величину стока рек. В ряде районов Средней Азии и Кавказа воды некоторых рек целиком разбираются на орошение и в настоящее времяне достигают рек, в которые они некогда впадали. Таковы, например, Зеравшан, прежде впадавший в Амударью, Сох, Исфайрамсай – притоки Сырдарьи и др. Водозаборнаорошениеизтакойбольшойреки, какСырдарья, достигает40 %.

Распашка территории, полевые лесонасаждения, мероприятия, проводимые по повышению плодородия почв, вносят изменения в структуру водного баланса и тем самым влияют на сток, главным образом в результате изменений водно-физических свойств почв. При социалистическом ведении сельского и лесного хозяйства эти изменения носили направленный характер. Многие мероприятия, преследующие цель повышения биологической продуктивности полей, состоят в регулировании почвенной влаги: увеличении влаги в почве путем задержания поверхностного стока или орошении в засушливых районах и ослаблении переувлажнения в районах избыточного увлажнения путем осушения.

Влияние земледелия на местный водный баланс территории и сток лучше изучено в зонах недостаточного и неустойчивого увлажнения.

Широко применяемые в сельском хозяйстве осенняя пахота, глубокая тракторная вспашка, безотвальная пахота, снегозадержание, создание полезащитных лесных полос и

15

т. д. направлены на повышение влажности почв на пашне и в конечном итоге на повышение урожайности.

Наиболее существенное влияние на преобразование водного баланса пахотных угодий в зоне недостаточного и неустойчивого увлажненияоказывает зяблевая вспашка. Почва, вспаханная осенью, остается разрыхленной до весеннего снеготаяния и обладает способностью задерживать значительно большее количество талой воды за счет снижения поверхностного склонового стока по сравнению с почвой, вспаханной весной.Лесные полосы предохраняют поля от сдувания с них снега, аккумулируют влагу, перехватывая склоновый паводочный сток. Этот гидрологический эффект может быть различным в зависимости от расположения лесных полос на склоне (поперек или вдоль него) и в зависимости от структуры и типа почв. При легких почвах лесные полосы аккумулируют больше воды по сравнению с тяжелыми. Отрицательное действие на водный режим почв оказывает, например, нерегулируемый выпас скота. При длительном использовании земель под выпас скота происходит смена видового состава луговой растительности, снижается ее продуктивность, разрежается дернина, почвенный покров уплотняется. В результате, так же как при отсутствии зяблевой пахоты, инфильтрация в почву ухудшается и создаются условия для увеличения поверхностного стока. По сравнению с целиной валовое увлажнение степных участков, используемых под выпас скота, меньше, а поверхностный сток с них больше.

В зоне избыточного увлажнения земледелие, очевидно, является менее действующим фактором формирования водного баланса территории по сравнению смелиоративными мероприятиями: лесомелиорацией и эксплуатацией леса, использованием болотных массивов и заболоченных земель и их осушением. Гидрологическая роль всех этих мер усиливается при повышении урожаев и продуктивности лесов на осушенных землях. Изучение влиянияэтих мероприятий на водный режим территорий и рек является одной из современных проблем гидрологии.

Ход решения

Методрасчетаразбавления, применяемыйвданнойработе, называется экспресс-метод. За показатель разбавления принимается

	η		МАКС			П		,	16
для данного примера SП равна				ст		СТ
		П			ст ст			,	17
						ст

где SМАКС – максимальная концентрация; Q – расход реки, м3/с; QСТ – расход загрязненных вод, м3/с; SСТ – концентрация загрязняющего вещества в сточных водах перед выпуском в реку, мг/л (мг/м3, г/м3, %); Se – естественная или фоновая концентрация этого же вещества в потоке ниже места выпуска сточных вод в створе достаточного перемешивания, т.е. там, где благодаря перемешиванию распределение вещества в сечении оказывается практически равномерным.

16

Показатель разбавления используется в случае, если расход реки неизменен по длине потока и при его изменении.

На основании анализа фактических данных установлено снижение показателя разбавления в зависимости от гидравлических характеристик потока, что позволило определить расстояние L, на котором наблюдается заданное разбавление

0,14	СТ			,	18
η	СТ φ

где η – коэффициент разбавления по формуле (16); φ – коэффициент извилистости; B – ширина реки, метры; N – коэффициент, принимаемый равным 82,6. Величина вычисляется по формуле:

ср . 19

Подставляя известные значения, определяем расстояние L, на котором максимальная концентрация разбавления SМАКС = 10 % от начальной концентрации.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 6

Сток речных наносов

Цель работы: научится рассчитывать расход наносов на вертикали при грядовом и гладком дне.

Дано:

Таблица 11

		0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
	Средняя скорость по вертикали	55,8	55,9	56	56,1	56,2	56,3	56,4	56,5	56,6	56,7
	υср, см/с
	Глубина h, см	33,5	33,6	33,7	33,8	33,9	34	34,1	34,2	34,3	34,3

Гидравлическая крупность u = 0,59 см/с, диаметр донных отложений d = 0,023 см и d50 = 0,021 см, плотность наносов ρн = 2,20 г/см3, плотность воды ρв = 1,0 г/см3. Уклон водной поверхности I = 0,76 ‰, расход воды Q = 63,5 м3/с.

Задание:

1.Определить режим движения наносов по критерию перехода грядовой формы дна

вгладкую.

2.Вычислить коэффициент сопротивления подвижного дна при различных его формах.

3.Определить критерий подвижности.

4.Вычислить расход наносов по вертикали.

17

Краткие теоретические сведения

Сток наносов – суммарное количество переносимых рекой минеральных и органических частиц за какой-либо период времени; измеряется обычно в тоннах. Сток наносов складывается из стока взвешенных наносов (см. взвешенные вещества), переносимых во всей толще потока, и влекомых наносов, перемещаемых потоком в придонном слое. Доля стока влекомых наносов в среднем составляет около 20 % от общего стока наносов. Сток наносов формируется за счет размыва берегов и дна (русловая составляющая) и поступления наносов с площади водосбора, являясь продуктом эрозии почв и других денудационных процессов (совокупность процессов сноса и переноса (водой, ветром, льдом, непосредственным действием силы тяжести) продуктов разрушения горных пород в пониженные участки земной поверхности, где происходит их накопление). Поэтому его величину выражают также через модуль стока наносов (т/год·км2), который в интегральном виде характеризует интенсивность эрозионных процессов в бассейне реки. Основной сток наносов осуществляется в половодье и паводки. Значительная часть наносов оседает в водохранилищах, озерах, в руслах и на поймах рек, в балках, у подножья склонов. Хуанхэ выносит в море в среднем около 1300 млнт наносов в год, Амазонка – свыше 1000 млн т в год, Миссисипи – около 360 млн т в год, Лена – около 12 млн т в год. Суммарное количество наносов, перемещаемых реками с материков в океаны и большие озера, составляет около 17,0 млрдт/год. Сток наносов изменяется под влиянием антропогенных факторов. Сведение лесов и распашка земель на водосборах способствуют увеличению стока наносов. Водохранилища задерживают весь сток влекомых и часть стока взвешенных наносов; поэтому ниже водохранилищ наблюдается дефицит наносов в реках.

Ход решения

1. Г.В. Железняковым и В.К. Дебольским была предложена методика расчет расхода наносов на вертикалях и в сечении. Критерий перехода от грядовой формы к гладкой можно определить из условия

	υср			100					см⁄ ,		20
где υср – средняя скорость на вертикали, см/с; u –									гидравлическаяс		крупность, см/с;
d – диаметр частиц, см; h – глубина, см.
Если критерий больше 100 см/с, то движение происходит при грядовой форме дна,
если меньше 100см/с, то при гладком дне.
2. Коэффициент сопротивления подвижного дна при грядовой форме может быть
вычислен по формуле:		1
					p				,		21
где K1 – безразмерный коэффициент, равный 19,5·10-4 ,

18

где p

pН

p

,

22

н – плотность наносов и p –

плотность воды.

p

p

При гладкой форме

вычисляется по формуле:

1

,

23

где K2 = 4,2·105.

p

3. Критерий подвижности вычисляется по формуле:

Г

где h – глубина, I – уклон; d

p

частиц,

– диаметр фракции,, соответствующий 50 %

слагающих дно.

50

24

4. Расход наносов на вертикалях вычисляется:

при грядовой форме:

ГР

Г

,

25

где KГР = 1,0;

т.в.

γ

при гладкой форме:

ГЛ Г

,

26

где KГЛ = 0,16.

т.в.

γ

Контрольные вопросы

1.Перечислите основные способы измерения скоростей течения.

2.Каким образом выбираются скоростные и промерные вертикали на поперечном

створе?

3.В каких случаях необходим расчет скоростей течения?

4.Опишите порядок расчета расходов воды аналитическим способом?

5.Чем различаются величины обеспеченности и повторяемости расходов воды?

6.Каким образом построение батиграфических и объемных кривых способствует анализу данных по водохранилищам?

7.Что такое паводок? Что такое половодье? Что такое межень?

8.Что такое сток наносов?

9.Что такое пруд?

10.Что такое расход воды и в чем он измеряется?

19

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Железняков Г.В. Гидрология, гидрометрия и регулирование стока / Г.В. Железняков, Т.А. Негоновская, Е.Е. Овчаров. – М.: Колос, 1984. 432 с.

2.Давыдов Л.К. Общая гидрология / Л.К. Давыдов, А.А. Дмитриева, Н.Г. Конкина.

–Л.: Гидрометеоиздат, 1973. – 462 с.

3.Голубев Г.Н. Гидрология ледников. – Л.: Гидрометеоиздат, 1976. – 247 с.

4.Важнов А.Н. Гидрология рек. – М.: Изд-во МГУ, 1976. – 339 с.

5.Зелепухин В.В. Методические указания к практическим занятиям по дисциплине

«Гидрология» для студентов, обучающихся по специальности «Геоэкология» / В.В. Зелепухин. – Волгоград, 2003.

6. Лучшева А.А. Практическая гидрология. – Л.: Гидрометеоиздат, 1976. – 440 с.

20