Конспект лекций по курсу Гидрология Специальности: Мосты и транспортные тоннели

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

 

Петербургский

Государственный университет путей сообщения

_______________________________________________________________________

Кафедра «Водоснабжение, водоотведение и гидравлика»

 

Конспект лекций

по курсу «Гидрология»

(Специальности: «Мосты и транспортные тоннели»

«Водоснабжение и водоотведение», «Защита

окружающей среды»)

 

Санкт- Петербург

 

 

Конспект лекций составлен Ш.Т. Даишевым и Ю.А. Канцибером на основании результатов обобщения и анализа материалов учебных пособий, а также опыта чтения лекций студентам ПГПУПС, изучающим специальности «Мосты и тоннели», «Водоснабжение и водоотведение», а также «Защита окружающей среды»

В результате освоения дисциплины обучающийся должен обладать следующими конкретными профессиональными компетенциями :

- способностью выбрать водные объекты в качестве источников водоснабжения и выпуска сбросных вод, а также местоположение на них водозаборных и устьевых сооружений с учетом гидрологического режима, динамики водного потока, русловых процессов, ледовых явлений и др.;

- готовностью определить расчетные гидрологические характеристики водных объектов, необходимые для проектирования систем водоснабжения и водоотведения;

- способностью разработать Техническое задание на гидрометеорологические изыскания, оценить полноту и качество материалов этих изысканий;

- способностью решать задачи по оптимальному регулированию речного стока с учетом различных требований водопользователей и водопотребителей;

- способностью провести корректировку эксплуатационного режима водозабора и сброса сточных вод при существенных изменениях гидрологической обстановки.

 

 

Тема № 1

Предмет гидрологии. Свойство и

Происхождение воды. Распределение и

Круговорот воды на Земле. Водный баланс.

Водные ресурсы и водообеспеченность.

Предмет гидрологии

Гидрология суши (ГС)– раздел гидрологии, рассматривающий поверхностные воды суши. Предметом изучения ГС являются водные объекты, к которым относят: реки, озера,… ГС подразделяется на 15…20 и более научных дисциплин: общая (планетарная гидрология), гидрография, гидроморфология,…

Свойство и происхождение воды

Вода, как известно, играет исключительно важную роль во всех процессах, происходящих на Земле, в т.н. неживой и живой природе. Благодаря аномальным физическим, химическим, полевым и пр. свойствам воды зародилась и существует жизнь на Земле.

Вода механически разрушает горные породы, растворяет их и способствует переносу на большие расстояния.

Вода является той средой, где происходят процессы обмена веществ.

Вода формирует климат Земли и т.д.

По одной из наиболее признанных теорий происхождение воды связывают с дегазацией мантии Земли. Ежегодно в земную кору и на поверхность поступает в среднем 1 км³ воды. За время существования Земли (4…5 млрд. лет) объем воды, поступивший за счет дегазации мантии, в 3…3.5 раза больше объема современного Океана. А всего в мантии содержится около 13…15 млрд. км³. Этого хватит на 10..12 млрд. лет существования Земли.

Распределение и круговорот воды на Земле

Соленость воды в Океане 25…35 г/л или промиль. Для сравнения – в Черном море – 15, в Балтийском – около 5 промиль. Запасы пресной воды достигают 37*106 км3, что составляет всего 2.5% от объема… Под воздействием тепловой ( в основном солнечной энергии) и силы тяжести Земли происходит непрерывный процесс…

Водный баланс

В зависимости от задач расчетов в гидрологии рассматриваются водные балансы различных водных объектов, водосборов, отдельных территорий, районов и… Так, для Океанов уравнение водного баланса имеет вид: Хо + У - Ео = ± ∆ Wо,

Водные ресурсы и водообеспеченность

К ним относят относят все воды на Земном шаре, за исключением воды, физически или химически связанной с минералами и биомассой. С точки же зрения водообеспеченности территории к водным ресурсам следует… Водные ресурсы, в отличие от других природных ресурсов, например, углеводородных, возобновляются и поэтому при…

Тема № 2

Гидрографическая сеть суши. Основные

Элементы речных систем. Типы питания рек.

Фазы водного режима

Гидрографическая сеть суши

Система, включающая постоянные и временные водотоки, озера, болота, водохранилища, представляет собой гидрографическую сетьсуши. В строении гидрографической сети наряду с ручейками и ручьями, образующимися… Ложбина – слабо выраженная вытянутая впадина водно-эрозионного происхождения с пологими обычно задернованными…

Основные элементы речных систем

Совокупность всех рек какой-либо территории, сливающихся вместе и выносящих воду в водоприемник, образует речную сеть или речную систему. Речная сеть, как правило, имеет древовидную структуру. Реки, впадающие в…  

Тип питания рек. Фазы водного режима

Снеговоепитание рек обусловлено таянием снега весной, который накопился в течение зимы. Для большинства равнинных рек Европейской территории РФ… Дождевое питание рек происходит в основном за счет выпадения обложных дождей и… Ледниковое питание происходит в результате таяния ледников и вечных снегов в высокогорных районах. Наибольший…

Тема № 3

Гидрограф стока. Характеристики и факторы

Стока. Режим уровней воды в водотоках.

Связь расходов и уровней воды. Ледовый режим

Рек. Мониторинг состояния водных объектов

Гидрограф стока

При гидрологических расчетах обычно оперируют типовым гидрографом стока, т.е. с гидрографом, отражающим общие черты гидрографов за ряд многоводных,… Типовой гидрограф уровней воды, идентичный гидрографу стока для равнинных рек…  

Характеристики и факторы стока

Для характеристики речного стока используют: 1. Мгновенные расходы воды, характеризующие водность реки в данный момент… 2. Средний расход воды за сутки, месяц, год (Qср), м3/с.

Режим уровней воды в водотоках.

Режим уровня воды в водотоках обусловлен в основном колебаниями расходов воды, протекающих через данное сечение русла, т.е. стока воды.

Гидрограф уровней воды в основном повторяет гидрограф стока (рис. 6).

Наибольший практический интерес представляют следующие расчетные характеристики уровенного режима:

1. Наивысшие уровни воды за год, половодье и паводок.

2. Наивысший за весенний и осенний ледоходы (обоснование конструкций и параметров опор мостов, водозаборов и пр.).

3. Наинизший за летнюю и зимнюю межень (судоходство, энергетика).

Эти расчетные характеристики определяют по данным наблюдений за уровнем воды.

Связь расходов и уровней воды

  Рис. 7. Кривые расходов (1), площади живого сечения (2) и скорости течения (3) воды

Ледовый режим рек

Весь зимний период разделяют на три части: замерзание реки, ледостав и вскрытие. Замерзание реки. При появлении отрицательных температур воздуха начинается… Переохлаждение воды создает также благоприятные условия для образования внутри потока кри­сталлов льда, которые затем…

Мониторинг состояния водных объектов

Гидрологические наблюдения проводятся на гидрологических станциях и постах Роскомгидромета – специализированной службы мониторинга природной среды,… На станциях и постах ведутся наблюдения за уровнем, расходом и температурой… Полный комплекс наблюдений ведется только на небольшом числе станций. Так, расходы наносов и химический состав воды…

Тема 4

Основы гидрологических расчетов

На любом водном объекте (река, озеро, водохранилище, болото и т.д.) происходят постоянные изменения уровня и стока воды, её температуры и химизма,… Гидрологическое обоснование ГТС состоит прежде всего в… Основными РГХ являются:

380, 360, 315, 280…………40, 28, 21.

Определим количество интервалов изменения этой характеристики в указанной выборке: А = 5* Для каждого интервала найдем частоту попадания (повторяемость) в него значений ряда. Строим график распределения повторяемости значений ГХ (гистограмму) и сглаживающую кривую. Последовательно суммируя (от максимальных значений) по интервалам повторяемости, строим график и сглаживающую кривую распределения вероятности превышения случайного значения в рассматриваемой выборке. Иначе, её называют кривой обеспеченности. Таким образом, под обеспеченностью гидрологической величины понимают вероятность её превышения среди совокупности всех возможных или рассматриваемых величин.

На практике кривые обеспеченности строят на специальной клетчатке вероятности по соответствующим величинам ГХ и эмпирической обеспеченности Рм, которая определяется по формуле:

Рм = 100*М/(п+1), %,

где М – порядковый номер члена ранжированного ряда ГХ.

С обеспеченностью тесно связана повторяемость величины ГХ, т.е. количество лет, в которых она повторится в среднем 1 раз:

N = 100/Р при Р≤50%

N = 100/(100-Р) при Р≥50%.

Принято считать, что при Р ≤ 25% рассматриваемый период является многоводным, т.к. наблюденные в этот период величины стока будут больше стока 25% обеспеченности. Если сток воды был меньше стока 75% обеспеченности, то такой период считается маловодным.

Все расчетные гидрологические характеристики определяются с заданной вероятностью превышения или обеспеченностью, которая регламентируется нормативными документами по проектированию.

Так, при расчете водопропускных сооружений на дорогах в зависимости от их категории обеспеченность максимальных расходов воды изменяется в пределах 0,33…2%, т.е. в период эксплуатации он может быть превышен 1 раз в 50…300 лет. Предельно допустимый сброс (ПДС) сточных вод, сбрасываемых в водотоки, должен определятся, исходя из фоновых концентраций ЗВ при пропуске минимального 30-ти дневного расхода воды 95…97% обеспеченности, т.е. для условий очень маловодных лет, которые будут повторяться не чаще 1 раза в 20…30 лет.

Таким образом, при гидрологических расчетах нас интересует, как правило, гидрологические величины редкой повторяемости (в зонах верхней и нижней квантилях кривой обеспеченности). Учитывая недостаточность наблюдений в этих зонах, ошибки их определения могут достигнуть 100…200% и более. Все будет зависеть от точности экстраполяции эмпирической кривой обеспеченности (КО), которую можно существенно повысить при использовании аналитических КО, наиболее адекватных эмпирической КО. Степень их адекватности в математической статистике устанавливается с помощью различных критериев соответствия (Фишера, Колмогорова и пр.).

В гидрологических расчетах рекомендуется использовать трехпараметрическое гамма распределение ежегодной вероятности превышения (трехпараметрическую кривую обеспеченности) или биномиальную кривую обеспеченности (при должном обосновании) как наиболее адекватно описывающих гидрологические процессы формирования стока воды в РФ. При неоднородности ряда наблюдений допускается применять усеченные или составные КО.

Как эмпирическая, так и указанные аналитические КО характеризуются тремя основными параметрами:

- средней величиной выборки (ряда) или математическим ожиданием для генеральной совокупности величин ГХ.

- коэффициентом вариации С v = σ/Хс (σ – среднеквадратическое отклонение, Хс – среднее значение),

- коэффициентом ассиметрии Сs или соотношением Сs/Сv.

Для определения этих параметров используют:

- метод моментов,

- метод наибольшего правдоподобия,

- графоаналитический метод (для биномиальной КО при Сs≥2*Сv).

Метод моментов.Под моментом понимается произведение ординаты кривой распределения вероятностей на расстояние до той ординаты, для которой производятся вычисление. Расчет моментов (начального и второго цнтрального) и параметров Сv и Сs, зависящих от них, производится по формулам СПа и МУ, которым вы будете руководствоваться при выполнении практических заданий. При этом СП рекомендует корректировать параметры в зависимости от числа членов выборки (смещенность оценки коротких рядов относительно генеральной совокупности), а также коэффициента корреляции между членами ряда (автокорреляции).

Метод наибольшего правдоподобия.Суть его состоит в том, что оценка параметров С v и Сs производится исходя из условия, что произведение вероятностей членов ряда ГХ будет наибольшим. Для этого вычисляют две статистики для рассматриваемого ряда и по номограммам находят величины искомых параметровс учетом внутрирядной корреляции.

Графоаналитический метод.Применяется на ранних стадиях проетирования.На эмпирической КО выбирают три опорных точки Р=5,50 и 95% обеспеченности. Определяют нормированные значения ординат биномиальной КО для этих обеспеченностей: Ф5, Ф50 и Ф95 и коэффициент скошенности. По нему находят параметр Сs и далее Сv и среднее значение. С этим методом знакомятся при выполнении практического задания.

При определении РГХ кроме материалов систематических гидрометрических наблюдений должны также использоваться данные о выдающихся значениях ГХ, например, максимальных расходах воды (по меткам ГВВ, опрос старожилов, архив). Они тщательно анализируются и затем используются для уточнения параметров КО.

Способы определения РГХ, регламентированные СП, зависят от наличия данных гидрометрических наблюдений на водном объекте. Если их достаточно - то используются непосредственно эти данные. При недостаточности данных – имеющиеся данные за короткий период приводятся к многолетнему периоду по данным рек-аналогов. Наконец, если они отсутствуют, то рекомендуется применять расчетные формулы и карты с изолиниями ГХ (тема 5).

На практических занятиях решаются конкретные задачи по определению расчетных гидрологических характеристик различными способами.

 

Тема 5

Принципы формирования стока талых и

Дождевых вод с речных водосборов. Способы

Определения гидрологических

Характеристик. Расчеты стока воды

1. Принципы формирования стока талых и дождевых вод со склонов водосбора в гидрографическую сеть можно представить в виде схем взаимодействия… Схема формирования стока дождевых вод представлена на рис. 9. Для талых вод…  

Основные способы определения расчетных

Гидрологических характеристик

1-ый способ определения РГХ. Он предполагает наличие гидрометеорологических данных наблюдений за ряд лет достаточной продолжительности.… После проверки полноты и качества данных наблюдений производится… Определяются параметры аналитической кривой обеспеченности (среднее, коэффициент вариации и отношение коэффициентов…

Максимальные расчетные расходы воды

По происхождению Qр% делятся на три группы: -снеговой максимум, -дождевой максимум,

Максимальные расходы дождевых паводков

Qp% = q200 * (200 / F)n * δ * δ2 * δ3 * λp% * F, где q200 - максимальный модуль 1% обеспеченности, приведенный к площади… λр% - переходный коэффициент от 1% обеспеченности к расчетной. Изменяется в пределах от 1.4…1.5 для Р = =0,1%, …

Внутригодовое распределение стока воды

Деление года на такие периоды производится в зависимости от типа режима реки и преобладающего вида использования стока воды. Период года и сезон, в… Рис. 12. Лимитирующие сезоны и прериоды стока  

Минимальный сток

В тундровой и лесной зонах минимальный сток обычно наблюдается зимой, в южных районах – летом, в западных и центральных – как летом, так и зимой. … Грунтовое питание, определяющее минимальный сток полностью зависит от… Минимальный сток увеличивается в залесенных водосборах, при большой заболоченности и озерности, при неглубоком…

Расчетные гидрографы стока воды

Форма расчетных гидрографов принимается по моделям наблюденных высоких половодий и дождевых паводков с наиболее неблагоприятной их формой. Для расчета отверстий и других искусственных сооружений допускается применять… Основные элементы гидрографа, а именно, расчетный расход и расчетный объем должны быть близки к принятой расчетной…

Тема 6

Основные закономерности движения

Воды в реках.

Вода двигается под действие силы тяжести. Скорость течения зависит от величины составляющей силы тяжести, сил сопротивления - внутреннего трения о… Различают несколько видов движения воды в реках и каналах. Установившееся– это такое движение воды, при котором в любом створе участка гидравлические параметры потока (площадь…

Движение паводочной волны

Представим график изменения уровня воды в реке от створа к створу на продольном профиле (рис. 14).    

Распределение скоростей воды

По живому сечению реки

Скорость в точке потока (актуальную) можно представить в виде суммы осредненной скорости и пулььсационной добавки, т.е. : V= Vc + Vx, где V –актуальная скорость, Vс – осредненная скорость, Vx – пульсационная добавка.

Циркуляция воды в руслах рек

Классическая форма циркуляции на прямых участках имеет вид (рис.17). Причиной этого явления является то, что более быстрое фарваторное течение… На закруглениях реки форваторное течение прижимается к вогнутому берегу и две формы циркуляции течения вырождаются в…

Основные положения

Водопользователи (без изъятия воды): энергетика, транспорт, санитарные попуски и др. Водопотребители( с изъятием воды): водоснабжение на коммунальные и… Для обеспечения требований на воду со стороны водопользователей и водопотребителей, которые не совпадают между собой и…

Водохозяйственные балансы

ВХБ – это количественное соотношение наличных и пригодных к использованию водных ресурсов с потреблением и потребностью в воде за определенный… ВХБсоставляют, как правило, для маловодных и средних по водности лет расчетной… ВХБ состоит из приходной, расходной и результирующей частей.

Основы расчета водохранилищ

По уровню воды – НПУ, ФПУ, УМО. По объему воды:полный объем – V ( НПУ – дно ), полезный объем – Vп ( НПУ – УМО…  

Рис. 21

Сумма (ЗТ + Пт) будет иметь минимум при определенной отметке НПУ. В качестве критериев оптимальности могут выступать также максимальная прибыль и минимальный срок окупаемости капиталовложений в строительство ВДХ. Крупные проектные водохозяйственные организации (например, Гидропроект, ВНИИГ) разработали и используют программное обеспечение по водохозяйственным и технико-экономическим расчетам водохранилищ для объектов гидроэнергетики, водоснабжения и т.д.

Следует отметить, что в состав водохозяйственных расчетов, кроме расчетов характеристик ВДХ, входят также расчеты:

- продолжительности заполнения многолетних ВДХ,

- сроков и объема заиления ВДХ,

- переформирования берегов,

- диспетчерского графика ВДХ.

Продолжительность заполнения ВДХ определяется также воднобалансовым методом по календарным или смоделированным рядам стока и принятой отдачи.

Продолжительность заиления до отметок УМО и НПУ можно установить по формулам: t нпу = Vнпу/Vн и t умо = Vумо/Vн, где Vн - среднемноголетний объем взвешенных и донных наносов, остающихся в ВДХ (разница между поступающими и сбрасываемыми наносами, см. тему 8).

Диспетчерский график водохранилища

Поэтому, в целях рационального использования водных ресурсов при эксплуатации ВДХ обычно переходят на переменную отдачу воды. Это позволяет повысить… Для управления работой ВДХ разрабатывается диспетчерский график -… 1 – зона гарантированной отдачи,

Противопаводковые водохранилища

ЗадерживающиеВДХ, как отмечено выше, служат для трансформации половодий и паводков с целью борьбы с наводнениями и подтоплением. Для расчета трансформации половодья или паводка ВДХ схематизируем приток и…  

Тема 8

 

Структура речного русла. Твердый сток.

Русловые процессы и их типизация.

Особенности выбора мостового перехода в

Зависимости от типа руслового процесса

Структура речного русла

Орографические. Обусловлены наличием в русле каких либо местных сопротивлений, например, в виде трудно размываемых участков дна. Гидрографические.Обусловлены размывающей деятельность потока. Процесс формирования извилин под действием размывающей деятельности потока называется меандрированием. В ходе этого…

Твердый сток

Процесс размыва включает четыре стадии: - смыв грунта с поверхности водосбора; - размыв дна и берегов в русле реки и на пойме;

Русловые процессы и их типизация

Русловой процесс– это изменение строения русла под действие силы текущей воды. Русла обладают различной степенью устойчивости, которая в общем виде… Если в течение длительного времени, соизмеримого допустим со сроком службы ГТС, не происходит существенных деформаций…

Ограниченное меандрирование.

Развивается в тех случаях, когда русло реки стеснено склонами узких долин. В плане русло имеет слабоизвилистую форму, близкую к синусоиде. При ограниченном меандрировании, также как и при побочневом типе РП, наблюдаются сезонные деформации плесов и перекатов. Скорость движения излучин – до 5…15 м в год (сравнительно небольшая).

Необходимо определить расстояние, на которое переместится излучина за срок службы моста. Рассматриваются два варианта строительства МП.

Вариант перекрытия мостом всего пояса меандрирования (1-1);

Частичное перекрытие этой зоны с укреплением подмываемых берегов (2-2)

Скорость сползания излучин определяется по данным аэрокосмических съемок или приближенно по расчетным зависимостям.

Свободное меандрирование (с прорывам).

Наблюдается на сравнительно небольших равнинных реках, имеющих широкие поймы. Характерная особенность - каждая излучина проходит определенный цикл развития: слабовыраженность, образование петли, прорыв петли и образование старицы.

Наиболее устойчивые участки русла в плане – перекаты. Однако, для выбора створа МП они неудачны, т.к. из-за изменения скорости течения возможны непредсказуемые плановые деформации под мостом. При назначении створа МП следует учитывать скорости и направления перемещения разных форм излучины, которые будут различными.

Первый вариант. МП проектируют в середине хорошо развитой излучины. РП стабилизируют путем укрепления вогнутых берегов излучин выше и ниже МП.

Второй вариант. МП проектируют на канале, спрямляющим излучину. Для 1-ого варианта прогнозируют деформации и ω√максимальные глубины у вогнутого берега излучины. Спрямляющий канал проектируют, определив условия пропуска ГВВ с учетом «нового» уклона поверхности воды в нем. На спрямляемом участке увеличивается транспортирующая способность потока и на прямых участках будет иметь место размыв дна и берегов – т.е. необходимо предусмотреть укрепления на входе и выходе воды из канала. При проектировании МП нужно стремится к тому, чтобы все его сооружения как можно меньше нарушали бы естественный РП.

Ωк = Qр / Скан * √ Rk * √ Ip * Sp / Sк.

Незавершенное меандрирование.

Наблюдается на реках, имеющих часто затапливаемую и легко размываемую пойму. Сначала развитие РП идет по 4-ому типу, но петля не образуется, так как до этого происходит прорыв и спрямление русла. Река разветляется как бы на два рукава.

Трассу МП прокладывают через середину излучины, а мост располагают или на излучине или на спрямляющей протоке в зависимости от соотношения пропускаемых расходов. Возможен вариант строителства МП и на излучине и на протоке. Прогноз деформации производится также как и для типа свободного меандрирования. Если мост располагается на спрямляющей протоке, то деформации русла прогнозируют в зависимости от РП, которые будут происходить после спрамления.

Осередковый (русловая многорукавность).

Этот тип РП близок к ленточно-грядовому (являясь как бы его развитием), но происходит перемещение не всей гряды, а её частей, причем беспорядочное. Возникает при больших расходах донных наносов. Перемещающиеся гряды образуют в межень отдельные острова в русле реки.

При проектировании МП сравнивают планы русла в динамике и определяют скорость смещения островов-осередков, а также смещения судовых ходов по отдельным протокам. Рекомендуется рассматирвать два варианта МП:

1. Закрепляют положение судоходного фарватора в настоящее время путем строительства специальных регуляционных сооружений.

2. Размещают судоходный пролет с учетом возможного смещения фарватора в пределах проектируемого мостового отверстия.

МП через реки с блуждающими руслами трассируют нормально к границам зоны блуждания, где она имеет наименьшую ширину. Расположение отдельных рукавов и проток при низкой межени не принимают во внимание. Стеснять зону буждания подходными насыпями можно лишь при условии устройства специальных струенаправляющих дамб. Стеснять поток необходимо как можно меньше. На наиболее мощных протоках реки целесообразно устраивать дополнительные мосты. Нельзя допускать активизации протоков, расположенных параллельно трассе МП. Для соблюдения этого условия устраивают специальные регуляционные сооружения.

Пойменная многорукавность.

Этот тип представляет собой дальнейшее развитие незавершенного меандрирования, когда на широкой пойме образуется сеть длинных устойчивых протоков, действующих в межень. При этом главную реку трудно выделить.

Требования к проектированию МП для этого типа РП такие же как и для РП при русловой многорукавности.

На территории России наиболее часто встречаются реки со свободным меандрированием (около 40%). Немеандрирующие реки составляют 30…35% всех рек. Реки с многорукавным руслом составляют 17%, с ограниченным меандрированием – около 6%.

Тема 9

Мостовая гидрология. Задачи гидрологических и гидравлических расчетов водопропускных труб и мостов.

Основными расчетными гидрологическими характеристиками (РГХ) в мостовой гидрологии являются максимальные расходы и уровни воды заданной вероятности… Эти РГХ сравниваются с водопропускной способностью труб и малых мостов для… Самым благоприятным режимом работы трубы с точки зрения её надежной эксплуатации и сохранности полотна дорог является…

Гидрологические основы определения параметров

Мостовых переходов через водотоки

Для определения параметров МП, т.е. отверстия моста, отметок бровки подходных насыпей, высоты регуляционных сооружений и т.д. проводится комплекс… В результате гидрологических расчетов необходимо вычислить: 1. Максимальные расходы воды заданной вероятности превышения.

Морфометрические работы

Так как полевые изыскания проводят, как правило, в течение одного сезона, который чаще всего не совпадает с периодом прохождения половодья или… 1. В случаях хорошей гидрологической изученности участка реки в районе МП,… 2. Типичный случай – имеются только многолетние данные по уровню воды, а сток не измерялся. Определим Нр%, а задачей…

Перенос расчетных расходов и уровней

С водомерных постов в створ МП

При наличии одновременных наблюдений на посту и в створе МП перенос Нр% производится по графикам связи (рис. 3): - соответствующих; - сходственных ( сравниваются уровни, находящиеся в одинаковых фазах – на переломах гидрографа, максимумы и…

Тема 10

Определение размеров отверстия мостовых

Переходов. Общий размыв подмостового русла

И методы его расчета.

Определение размеров отверстия

Мостовых переходов

Расчеты отверстий МП проводят на основе общего размыва подмостового русла. При этом расчеты могут быть выполнены двумя методами: - по допустимой скорости течения воды под мостом; - по балансу наносов.

Расчеты размыва подмостового русла

По балансу наносов

Дифференциальное уравнение баланса наносов в створе моста будет иметь следующий вид: ρн * dW/dt = (G2 - G1), где ρн - плотность наносов, кг/м3,

Основные регуляционные сооружения (РС) МП

К основным РС у МП относят: береговые укрепления, струенаправляющие дамбы и пойменные траверсы, служащие для защиты от размыва подходных насыпей. С… Вопросы инженерной гидрологии при этом практически не затрагиваются.… 1. Оптимальная величина расчетной вероятности превышения, определенная на основании технико-экономических расчетов…

Рациональная форма подмостового русла

И срезка грунта

Форма живого сечения русла под МП характеризуется отношением максимальной глубины к средней, т.е. χ =hмах/h. При χ ≤ 1,2форма живого… Для выравнивания глубин под мостом применяют срезку грунта в основном на…

Принципы технико-экономического обоснования

Оптимальных вариантов МП

ТЭО вариантов МП, как известно, выполняется в составе соответствующих расчетов при проектировании участка дороги в целом.

Сравнение вариантов производится по стоимостным показателям, включающим капитальные вложения и эксплуатационные затраты. Однако, не все показатели можно свести к стоимостным. Имеется еще ряд других, в частности социальные и экологические. Поэтому, задача сравнения вариантов МП зачастую является многокритериальной задачей.

Если исходить из стоимостных показателей, то типовой график их изменения в зависимости, например, от коэффициента общего размыва грунта под мостом будет иметь вид (рис. 27).

 

 

Рис. 27. Схема ТЭО мостового перехода

( а- зависимость коэффициента размыва от ширины

отверстия МП, б- зависимость стоимостных показателей

основных элементов МП от коэффициента размыва)

 

Тема 11

Основы гидрометрии

Инженерная гидрометрия – это раздел речной или морской гидрологии, который рассматривает средства и методику наблюдений за гидрологическим режимом и… Основными задачами инженерной гидрометрии, как и гидрометрии в целом… - организация и проведение гидрологических наблюдений,

Тема 12

Гидротехнические сооружения

1. Основные положения

Гидротехническими сооружениями (ГТС) называются инженерные сооружения, предназначенные для использования водных ресурсов или же для борьбы с вредным воздействием природных вод (паводки, размывы и пр.) В отличие от других видов сооружений , ГТС подвержены статическому и динамическому воздействию поверхностных и подземных вод. Их разрушение, особенно напорных сооружений, может привести к катастрофическим социально-экономическим и экологическим последствиям.

В области водоснабжения и водоотведения основны­ми вопросами, которыми занимается гидротехника, являются опти­мальное использование существующих источников водоснабжения, изменение при необходимости естественного водного режима водо­токов, создание искусственных запасов воды и прокладка новых водотоков, очистка стоков, защита окружающей среды от возмож­ных негативных последствий гидротехнического строительства и эксплуатации промышленных предприятий, в частности от загряз­нения сточными водами рек и водоемов.

Для решения этих вопросов строят комплекс гидротехнических сооружений — гидроузел.

В соответствии с назначением различают: энергетические, транс­портные, водозаборные и водохранилищные (регулирующие сток) гидроузлы.

При наличии в составе гидроузла водоподпорных со­оружений гидроузел называют напорным, при их отсутствии — безнапорным. В настоящее время в большинстве случаев крупные гидроузлы строят комплексными, т. е. удовлетворяющими запросы нескольких отраслей экономики.

В состав гидроузла, кроме гидротехнических, входят и негидро­технические сооружения, необходимые для нормального его функ­ционирования, например, вспомогательные здания и сооружения.

Основными гидротехническими сооружениями являются: плоти­ны, дамбы, водозаборные сооружения, судоходные, магистральные и оросительные каналы, водосбросные сооружения, туннели, трубопроводы, коллекторы, различные типы бассейнов, резервуаров и емкостей, накопители отходов промышленных про­изводств, регуляционные (выправительные) сооружения, здания гидроэлектростанций, шлюзы, судоподъемники и причалы, насос­ные станции, охлаждающие устройства в системах оборотного во­доснабжения, рыбопропускные и рыбозаградительные сооружения.

Второстепенными гидротехническими сооружениями являются временные причалы, перемычки, отводные каналы, ремонтные за­творы и др

Классификация ГТС.

По виду водных объектов различают:

а) морские, б) речные, в) озерные ГТС.

По целевому назначению различают ГТС:

а) общего назначения, т.е. используемые всеми отраслями экономики.

б) специальные ГТС, используемые для нужд одной отрасли (мелиоративные, транспортные, энергетические и пр.).

По условиям использования:

а) постоянные

б) временные.

Постоянные ГТС подразделяются в свою очередь на:

а) основные (авария ГТС приводит к остановке объекта или к существенному снижению эффективности его действия),

б) второстепенные – выход из строя позволяет продолжать эксплуатацию ГТС.

Постоянные гидротехнические сооружения по капитальности делят на четыре класса. Класс устанавливают в соответствии с требованиями СНиПа по значению объектов в экономике, последствиям возможной аварии или нарушения их эксплуатации. При обосновании класса гидротехнического сооруже­ния принимают во внимание наличие в зоне возможного затопле­ния населенных пунктов, промышленных предприятий и транспорт­ных магистралей, а также высоту сооружения, геологическое строение грун­тов основания и другие факторы. Так, к 1-ому классу относят высоконапорные плотины на скальном основании, имеющие высоту свыше 100 м, к 4-ому классу – плотины, шлюзы, здания ГЭС, построенных на пластичных глинах и имеющую высоту менее 10…15 м.

Плотины

В процессе эксплуатации плотины испытывают различные постоянные и кратковременные нагрузки, которые предопределяют выбор конструкции и параметров… К постоянным нагрузкам относят: Wв – гидростатическое давление со стороны верхнего бьефа при отметке уровня воды в нем, равной НПУ.

Кратковременные

Wл - давление льда

Wвол – волновое давление

Wдин - динамическое давление от сброса воды

Критические

Wф - при нарушении работы противофильтрационных устройств Wс - сейсмическое воздействие

Грунтовые плотины (ГП).

К преимуществам ГП можно отнести: а) невысокую стоимость строительного материала – грунта, б) возможность строительства в любых гидрогеологических условиях - на скальных и нескальных основаниях,

Водопропускные сооружения (ВПС)

По назначению различают следующие виды ВПС: а) водосброс – ГТС, предназначенное для сброса воды во избежания переполнения… б) водовыпуск – ГТС для осуществления попусков воды из ВБ канала или водохранилища,

Берегозащитные и регуляционные ГТС

Берегозащитные сооружения служат для защиты берегов рек от размыва движущимся потоком воды. Их подразделяют на пассивные (волноотбойные - наброски, откосные сооружения и волногасящие - пляжи) и активные (преграды).

Регулирование процессов, происходящих в русле реки осуществляют с использованием методов стеснения и выправления речного потока, также путем возбуждения в потоке искусственных поперечных циркуляций.

По срокам службы берегозащитные сооружения подразделяют на длительные и кратковременные. Последние исполняют свою функцию в течении 1…3 лет.

По характеру регулирования среди них различают паводковые и меженные БС.

По затоплению: затапливаемые и незатапливаемые.

По сквозности: глухие и сквозные.

По типу применяемых материалов: грунты, дерево, металл, бетон и др.

По расположению относительно уреза: струенаправляющие системы, горизонтальные продольные и поперечные дамбы.

 

Тема 13

Озера. Болота

Озера.

Озерами называются заполненные водой котловины или понижения земной поверхности, не имеющие непосредственной связи с морем или океаном и отличающиеся замедленным водообменном.

В развитии озер выделяют три фазы:

А. озеро сохраняет свою котловину неизменной, существующие отложения не оказывают заметного влияния на его ложе – фаза молодости.

Б. образуются отмели, появляются дельты в местах впадения рек, развивается водная растительность – фаза зрелости.

В. происходит расширение береговой отмели, уменьшение глубин, зарастание, превращение в болото – фаза старения озера.

По происхождению озера бывают: плотинные, котловинные и смешанные.

Плотинные озера образуются вследствие перекрытия долины обвалом, наносами, обломочным материалом отступающего ледника.

Котловинные озера в зависимости от условий и причин образования котловин бывают: тектонические, вулканические, дефляционные, ледниковые, карстовые и термокарстовые.

Тектонические озера образовались в результате тектонических процессов, например, землетрясений (Байкал, Севан, Иссык-куль и др.). Они, как правило, очень глубокие.

Вулканические озера появились под действием вулканических процессов, например, Курильское озеро.

Ледниковые – являются результатом действия ледников, покрывавших в ледниковый период почти весь Евразийский континент, за исключением южных районов.

Дефляционные– образуются в результате выдувания горных пород в понижениях между барханами и дюнами. Они не глубоки. Наблюдаются в зоне пустынь и реже, морских побережий - Куршская коса.

Карстовыеозера – это результат химических процессов (растворение и вымывание известняков) подземными и поверхностными водами. Встречаются в бассейне Сев. Двины, на Волжско-Онежском водоразделе и т.д.

Термокарстовые – возникают в результате заполнения водой котловин, которые образовались вследствие оттаивания вечной мерзлоты – линз льда и мерзлых грунтов. Якутия, Колыма, Чукотка.

Смешанныеозера образуются от совместного воздействия различных причин. Например, озерная котловина тектонического происхождения подверглась действию ледников, повлиявших на ее формирование – это Ладожское и Онежское озера.

Озера по характеру водообмена также делятся на сточные и бессточные, а по составу воды – на пресные и соленые.

Сточные озера имеют значительный водообмен за счет притока и стока воды в них, а бессточные озера расходуют воду в основном на испарение.

Водный баланс озер – это соотношение прихода и расхода воды, представляемое в виде уравнения водного баланса. Результирующая часть уравнения баланса – аккумуляция или расход воды, т.е. повышение или понижение уровня воды в озере. Различие - для сточных и бессточных озер. Колебания уровня воды в течение года и в многолетнем разрезе имеют характерные особенности, которые зависят от типа озера (сточные, бессточные, геологических и климатических условий).

Цикличность колебаний.

Термический режим озер отличается от термического режима рек. Во-первых, для него , характерно наличие прямой и обратной термической стратификации – распределения температуры по глубине : прямая- уменьшение с глубиной, обратная - увеличение с глубиной, что имеет место поздним летом, осенью и зимой (от 0 до 4). Наибольшая плотность воды имеет место при 0 С. Благодаря разной температуре слоев воды, а следовательно, и разной плотности наблюдается конвекция воды, т.е. вертикальное е1 перемещение. В связи с очень малой теплопроводностью воды, передача тепла по глубине благодаря лишь одной физической теплопроводности очень мала.

Кроме вертикального движения воды, обусловленного термическим процессом, возникает поступательное движение воды в озерах под действие ветра или же течения впадающих и вытекающих рек.

Исследованиями установлено, что если одна среда (воздушная или водная масса) движется параллельно другой среде, то разделяющая их поверхность приобретает волнообразный характер. В случае взаимодействия ветра с поверхность озера возникают колебательные движения частиц воды вверх и вниз. Оно обусловлено тем, что поднятая частица под действием силы тяжести опустится вниз и далее по инерции опустится ещё ниже. Под действием выталкивающей силы она вновь устремится вверх и т.д. Эти колебательные движения воды (вверх-вниз) накладываются на поступательные, которые производит гонящий воду ветер.

Кроме ветровых волн в озерах наблюдаются и сейшевые волны. Сейши–колебательные движения всей массы воды, образующиеся в результате изменения атмосферного давления, а также при резких скачках силы и направления ветра над озером. ., например, при прохождении циклонов. Массы воды, устремляясь в области пониженного давления, создают уклоны водной поверхности и вода устремляется к противоположному берегу, а от него возвращается назад и т.д., т.е. колеблется около условно неподвижной оси, называемой узлом.

Болота

Болотами называют избыточно увлажненные участки земной поверхности, занятые влаголюбивой растительностью, где преобладают процессы торфонакопления.

Болота образуются при заболачивании суходольных участков или зарастании естественных водоемов, в частности озер. Вспомним третью фазу развития озер (фазу старения).

Образование болот на суходолах происходит на участках местности с замедленным водообменом или же там, где приток воды преобладает над стоком. Заболачиванию способствует наличие водонепроницаемых глинистых грунтов, которые залегают на глубине до 2…3 м. Они вызывают постоянное избыточное переувлажнение верхних горизонтов почвогрунтов. А это приводит к вырождению растительных сообществ, лес постепенно гибнет, появляются влаголюбивые растения: мхи, сфагнум.

В районах вечной мерзлоты заболачиванию способствует толща вечной мерзлоты, которая, как и глинистые грунты задерживает воду в верхних слоях почвогрунтов, что приводит к развитию процесса болотообразования.

Образование болот возможно и на склонах – террасах речных долин в местах выхода на поверхность грунтовых вод, которые переувлажняют и заболачивают склоны.

Наряду с суходольными участками болота образуются при зарастании водоемов. В результате выноса с водосбора продуктов размыва происходит постепенное обмеление озера. С берегов оно начинает зарастать водной растительностью, которая, отмирая, падает на дно, что усиливает процесс обмеления озера. Со временем водная растительность покрывает все озеро и образуется топкое болото с характерной влаголюбивой растительностью. Отмирающая растительность вследствие недостатка кислорода полностью не разлагается и превращается в торф.

В зависимости от стадии развития и местоположения различиют низинные, переходные и верховые болота.

Низинные болота являются начальной стадией развития болот. Происходит постпенное заполнение торфом пониженных форм рельефа. Его мощность еще не велика. Характерна травянистая растительность: осока, тростник, зеленые мхи. В водном балансе этих болот преобладают исключительно приходные статьи – приток поверхностных и подземных вод в заболачиваемые понижения.

Переходные болота - промежуточная стадия развития болот. По мере увеличения мощности торфа понижения заполняются, рельеф становится более плоским, приток воды извне достигает только окраин болота. В связи с этим уменьшается минеральное питание и травянистая растительность заменяется кустарниковой и древесной, но как правило, чахлой, т.е. слаборазвитой.

Верховыеболота. Происходит дальнейший процесс торфонакопления. Минеральное питание в середине болота практически прекращается, равиваюся мхи сфагнума, травянистая и древесная растительность исчезает. Так как сфагнум быстрее растет в центре болота, его поверхность становиться выпуклой, возвышаясь до 5м над окраиной. В связи с этим изменяется водный баланс болота: преобладает сток воды от центра болота на его окраины и на прилегающую территорию. Питание болота происходит в основном атмосферными осадками.

В торфе содержится в среднем от 85 до 95% воды и от 5 до 15% сухого вещества. Органическое вещество торфа имеет различную степень разложения: от 30…40% (сфагнум) до 50…60 в низинных болотах. Таким образом, болота являются аккумулятором влаги на водосборе.

Наиболее существенные изменения гидрологического режима болот происходят в их т.н. деятельном слое – это слой от поверхности болота до минимального уровня болотных вод: для верховых болот – 0,5 м, для низинных – 1,5 м. Ниже расположен т.н. инертный слой, слабо участвующий в процессах водообмена в болотах.

Сток воды с болота происходит за счет ее фильтрации в деятельном слое. Однако, по сравнению с испарением он, как правило, невелик и прекращается ниже деятельного слоя. Испарение с болота достигает 90% от осадков, что в конечном итоге предопределяет их влияние на речной сток.

С увеличением заболоченности водосбора сток уменьшается. При осушении болот сток в основном возрастает.

Однако, не все так однозначно, как кажется на первый взгляд. Механизм влияния болот и их осушения достаточно сложен. Изучается давно. Но однозначных выводов нет.

Тема 14

Основные требования к

Инженерно-гидрометеорологическим изысканиям

Системы водоснабжения

водного объекта, выбранного в качестве источника водоснабжения, прежде всего с позиций достаточности речного стока и запаса пресных вод нужного… необходимости регулирования стока воды; гидрологических условий эксплуатации водозаборных сооружений;

Системы водоотведения

выбора водного объекта, местоположения створа выпусков и, при необходимости, места размещения очистных сооружений; выбора типа конструкции выпусков, оптимально отвечающего условиям разбавления… разработки мероприятий и сооружений инженерной защиты выпусков (при необходимости);

А) основная литература

1.. Железняков Г.Н. и др. Гидрология, гидрометрия и регулирование стока. М.: Колос, 1984.-205 с.

2. Михалев М.А. Инженерная гидрология. СПб.: СПбГПУ, 2006. – 360 с.

3.Михайлов В.Н. и др. Гидрология. М.: Высшая школа, 2005. – 464 с.

4. Орлов В.Г., Сикан А.Н. Основы инженерной гидрологии. СПб.: Феникс,

2009. – 192 с.

5. Инженерная гидрология (гидрологические и водохозяйственные расчеты).

Методические указания. СПб.: ПГУПС, 2010 – 72 с.

 

Б) дополнительная литература

1. А.Н.Иванов, Т.А.Неговская. Гидрология и регулирование стока. М. 1970.

2. С.Н.Кудин. «Гидротехнические сооружения». Киев. 1972.

3. СП 33-101-2003. Определение расчетных гидрологических характеристик. СПб. Гидрометеоиздат, 2004.

4. Пособие по определению расчетных гидрологических характеристики. Л. Гидрометеоиздат, 1984 г.

5. Владимиров А.М. Гидрологические расчеты. Л. Гидрометеоиздат. 1990 г.

6. Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика. М. Стройиздат. 1983.

7. Рассказов Л.Н., Орехов Г.В., Правдивец Ю.П. и др. Гидротехнические сооружения. М.: Высшая школа, 1996.

8. СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика.

9. СНиП 2.06.01-86. Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования.

10. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.

11. Картвелишвили Н.А. Теория вероятностных процессов в гидрологии и регулирование речного стока. Л.: Гидрометеоиздат, 1967. – 291 с.

12. Шебеко В.Ф. и др. Гидрологические расчеты при проектировании осушительных и осушительно-увлажнительных систем. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. – 311 с.

13. Алексеевский М.И. Гидрофизика. М.: Академия. 2006. – 176 с.

14. Харченко С.И. и др. Методы проектирования водного режима осушаемых земель в Нечерноземной зоне РФ. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. – 85 с.

 

1. СП 11-103-97. Инженерно-гидрометеорологические изыскания для строительства. М.: 1998.

2. Пособие к СНиП 2.06.03- 84 «Мосты и трубы» по изысканиям и проектированию железнодорожных и автодорожных мостовых преходов через водотоки / ПКТИТранстрой, 1992.

3. СП 33-101-2003. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. м.: 2004.

4. Пособие по определение основных расчетных гидрологических характеристик. Л.: гидрометеоиздат, 1984.

5. Инженерная гидрология (гидрологические и водохозяйственные расчеты) / Ю.А. Канцибер, А.Б. Пономарев, В.И. Штыков, Мет. указ. ПГУПС, СПБ: 2010.

6. СНиП 2.04.03−85. Канализация. Наружные сети и сооружения.1985.

7. Ресурсы поверхностных вод ссср. Том 2, ч.1, ч.2. — л: гидрометеоиздат, 1972.

8. Справочник по климату ссср. Ч. 1 - 1у. Л.: гидрометеоиздат , 1972.

9. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение.. Наружные сети и сооружения. м.: 1985.

10. Расчеты гидрологических характеристик систем одоотведения на селитебных и производственных территориях. Мет. указ. ПГУПС, СПБ, 2011

11. Аверьянов С.Ф. Борьба с засолением орошаемых земель. – М.: Колос, 1978.

12. Прогнозы подтопления и расчет дренажных систем на застраиваемых и застроенных территориях / ВНИИ ВОДГЕО.- М.: Стройиздат, 1991. – (спр. Пособие к снип).

13. Наставления гидрометеорологическим станциям и постам. Вып.2. Ч.1. Л.: гидрометеоиздат. 1952.

14. ВСН 163-83 учет деформаций речных русел и берегов водоемов в зоне подводных переходов магистральных трубопроводов (нефтегазопроводов) М.: 1984.