Конспект лекций по курсу Инженерной гидрологии в составе дисциплины Гидравлика и гидрология для направления специальности 270800.62 Строительство

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Петербургский

государственный университет путей сообщения

_______________________________________________________________________

Кафедра «Водоснабжение, водоотведение и гидравлика»

Конспект лекций

по курсу «Инженерной гидрологии»

в составе дисциплины «Гидравлика и гидрология»

для направления (специальности) 270800.62«Строительство»

271501 «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей»

Специализации:

Управление техническим состоянием железнодорожного пути

Строительство магистральных железных дорог

Строительство дорог промышленного транспорта

Мосты

Тоннели и метрополитены

Квалификация выпускника – специалист

Форма обучения – очная

Санкт- Петербург

Конспект лекций составлен к.т.н. Ю.А. Канцибером в соответствии с Рабочей программой по «Гидравлике и гидрологии», действующей в 2012-2013 гг., в результате 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».

Предмет гидрологии. Круговорот

Воды. Водный баланс.

Гидрология суши (ГС)– раздел гидрологии, рассматривающий поверхностные воды суши. Предметом изучения ГС являются водные объекты: реки, озера,… ГС подразделяется на следующие научные дисциплины: - Общая (планетарная гидрология),

Основные элементы речных систем

Прежде чем попасть в реки вода собирается в отдельные струйки, которые образуют ручейки и ручьи. Соединяясь, ручьи образуют реки. Система постоянных и временных водотоков представляет собой гидрографическую… В строении гидрографической сети выделяют следующие элементы: ложбины, лощины, суходолы и долины.

Тип питания рек. Фазы водного режима.

Питание рек происходит поверхностными и подземными водами. Поверхностное питание в свою очередь подразделяется на снеговое, дождевое и ледниковое. … Снеговое питание рек обусловлено таянием снега весной, который накопился в… Дождевое питание рек происходит в основном за счет выпадения обложных дождей и ливней. Отличается значительным…

Характеристики и факторы стока воды.

Речной сток или водность реки в свою очередь характеризуют: 1. Расходом воды, т.е. объемом воды, протекающим в 1 с через поперечное… 2. Объемом стока (м3): W = Q * t* 24 * 3600, где t – период стока, сут.

Режим уровней воды в водотоках.

Гидрограф уровней воды в основном повторяет гидрограф стока. В гидрологических расчетах используются следующие характеристики уровня… 1. Наивысшие уровни воды за год, половодье и паводок.

Ледовый режим рек

Переохлаждение воды создает благоприятные условия для образования внутри потока кристаллов льда, которые затем объединяются в глыбы губчатой… Наиболее благоприятные условия для образования внутриводного льда создаются на… По мере развития процесса льдообразования массы рыхлого губчатого льда, образовавшегося внутри потока, всплывают на…

Закономерности движения воды в реках

В реках всегда имеет место развитое турбулентное движение воды. В каждой точке потока наблюдается пульсация скоростей течения. В связи с этим… Распределение осредненной скорости потока по вертикали(эпюры) скоростей: для свободной поверхности, ледостава, при…

Режим твердого стока

Отметка уровня воды в водоприемнике, куда впадает река, называетсябазисом эрозии. Процесс размыва включает: - смыв частиц грунта,

Русловой процесс

Русловой процесс – это изменение морфологического строения русла под действие текущей воды. Деформация русла и поймы, возникающая вследствие взаимодействия различных… Выделяют 7 типов русловых процессов:

Инженерная гидрометрия

Гидрологические наблюдения проводятся на гидрологических станциях и постах Роскомгидромета – специализированной службы мониторинга природной среды,… На станциях и постах ведутся наблюдения за: - уровнем воды,

Инженерная гидрология

(гидрологические расчеты)

Методические указания

по курсу «Инженерной гидрологии» в составе дисциплины «Гидравлика и гидрология»

А. Вычисление расчетного расхода при достаточной продолжительности наблюдений

1. Определить статистические характеристики гидрологического ряда наблюдений за стоком воды в реке А.

2. Построить эмпирическую и теоретические (аналитические) кривые обеспеченности максимальных расходов воды.

3. Вычислить максимальный расход воды 1% вероятности превышения (обеспеченности) методами моментов и наибольшего правдоподобия.

Указания к решению задачи

- средним арифметическим значением; - коэффициентом вариации; - коэффициентом асимметрии.

Пример

Исходные данные:

Ряд наблюдений за максимальным расходом воды в реке А продолжительностью n =31 год для выбранного варианта (см. прил. 1).

1. Вычислим статистические характеристики ряда наблюдений, предварительно выполнив расчеты по форме табл.1

=11378 / 31 = 367 м³/с.

+ ∑ (К_i - 1) = 3.26

- ∑ (K_i - 1) = - 3.25

Суммы положительных и отрицательных значений ∑(K_i – 1) отличаются менее чем на 5%.

а) метод моментов:

=0.26

==0.059

б) метод наибольшего правдоподобия:

=- 0,016

=0,015

По номограмме (прил. 4) определим:

Cv = 0.26, Cs / Cv = 0.4, Cs = (Cs/Cv) * Cv = 0.4 * 0.26 = 0.1

2. По таблицам прил. 4 определим ординаты теоретических кривых обеспеченности и величины максимальных расходов воды разной вероятности превышения (табл. 2). При C_s / C_v < 0.5 для определения ординат кривых обеспеченности используется таблица прил. 3 при C_s / C_v = 0.5.

Таблица 1

m	Q_i в убывав. порядке	K_i	K_i -1	(K_i-1)²	(K_i-1)³	p, %	lg K_i	K_ilg K_i*
	Точность	0,01	0,01	0,001	0,0001	0,1	0,001	0,001
… …	…. …	1,57 1,43 … … 0,54 0,50	0,57 0,43 … … -0,46 -0,50	0,325 0,185 … … 0,212 0,250	0,1852 0,0795 … … -0,0973 -0,1250	3,1 6,3 … … 93,8 96,9	0,196 0,155 … … -0,268 -0,301	0,308 0,222 … … -0,145 -0,150
	∑Q_i= =11378		+ 3.26 - 3.25	∑ = =2.028	∑= =+0.0291		∑= = -0.475	∑= =0.451

Таблица 2

Ординаты теоретической кривой обеспеченности

максимальных расходов воды

а) метод моментов (Q_ср = 367 м³/с, C_v = 0,26, C_s = 0,059)

p, %	0,1
К_р_%	1,80	1,60	1,41	1,32	1,16	1,0	0,83	0,59
Q_р_%, м³/с

б) метод наибольшего правдоподобия (Q_ср = 367 м³/с, C_v = 0.26, C_s = 0,1)

p,%	0,1
К_р%	1,80	1,60	1,42	1,33	1,17	0,99	0,84	0,60
Q_р%, м³/с

3. На клетчатках вероятности (рис.1) по данным табл.1 и 2 строим (рис. 1):

- эмпирическую кривую обеспеченности;

- теоретическую кривую обеспеченности (метод моментов);

- теоретическую кривую обеспеченности (метод наибольшего правдоподобия).

Q, м³/с

р, %

Рис.1 Кривые обеспеченности: (1 – эмпирическая, 2 – метод моментов, 3 – метод наибольшего правдоподобия).

5. В качестве расчетного максимального расхода принимаем наибольшее значение из вычисленных методами моментов и наибольшего правдоподобия. Таким образом, Q_1%= 587 м³/c.

Б. Удлинение недостаточного ряда наблюдений

По данным рек-аналогов

Удлинить ряд ежегодных расходов воды в реке В по ряду многолетних наблюдений за стоком воды в реке-аналоге А.

Указания к решению задачи

- река-аналог или реки-аналоги должны отвечать указанным ниже требованиям; - число совместных наблюдений на рассматриваемой реке и реках-аналогах должно… - коэффициент корреляции между стоком в приводимом пункте и пунктах рек-аналогов должен быть не менее 0,7;

Пример

Исходные данные:

Для выбранного варианта из прил. 1 используем два ряда параллельных наблюдений по реке А и В продолжительностью 11 лет (1992 – 2002 гг.).

1. Установлено, что река А может являться рекой-аналогом, так как отвечает требованиям, предъявляемым к рекам-аналогам, и имеет более длительный период гидрометрических наблюдений по сравнению с рекой В.

Для приведения кратковременных наблюдений на реке В к многолетнему периоду применим метод парной регрессии.

Результаты расчета параметров, необходимых для определения коэффициентов корреляции и регрессии, сведены в табл. 3.

Вычислим средние значения:

Хс = ∑Х_i / 11 = 3801 / 11 = 345,5 м³/с;

Yc = ∑ Y_i / 11 = 2245/ 11 = 204,1 м³/с.

Отклонения от средних арифметических значений будут равны:

Δ Xi = Хi – Xc; Δ Yi = Yi – Yc.

Коэффициент корреляции определим по формуле (6):

Таблица 3

Годы	X_i, м³/с	Y_i, м³/с	ΔX_i, м³/с	ΔY_i, м³/с	ΔX_i ΔY_i*,	ΔX_i²	ΔY_i²
			28.5 -145.5 0.5 145.5 126,5 -16,5 -43,5 131,5 -100,5 -85 -117,5	-13.1 -80.1 -11.1 76.9 110,9 -31,1 -53,1 103,9 -67,1 -1,1 -35,1	-373 -6
-	∑X_i = 3801	∑Y_i = 2245	-	-	∑ΔX_i ΔY_i* =63763	∑ΔX_i² =91969	∑ΔY_i² =45241

Среднее квадратическое отклонение коэффициента корреляции составит:

Критерий достоверности (не случайности) коэффициента корреляции равен:

К_д = r / σ_r = 0,99 / 0,0063 = 157.

Для удлинения ряда воспользуемся уравнением регрессии (7), в котором:

Таким образом, выполнены условия возможности применения метода парной регрессии для удлинения данного гидрологического ряда, т.е.: коэффициент корреляции r > 0.7 и коэффициент достоверности корреляции К_д > 2.

2. Прямую связи расходов рек А и В построим по двум значениям X_i, охватывающим весь ряд наблюдений на реке А:

X₁ = 600 м³/с. Эта величина больше X_max = 576 м³/с.

Х₂ = 150 м³/с. Эта величина меньше Х_min = 185 м³/с.

Y₁ = 204,1 + 0,99 * (67,3/95,9) * (600 – 345,5) = 379,7 м³/с;

Y₂ = 204,1 + 0,99 * (67,3/95,9) * (150 – 345,5) = 69,2 м³/с.

После построения прямой связи, нанесем на график точки с соответствующими значениями X_i и Y_i, которые должны находиться рядом с прямой (рис. 2).

3. По уравнению регрессии (7) определим 20 недостающих расходов воды (до n = 31) в реке В для соответствующих значений расходов воды в реке А. Определенные значения расходов воды в реке В, заключенные в скобках, приводятся в отчете.

Река (В), Y_i , м³/с

Река (А), X_i , м³/с

Рис. 2. Прямая связи расходов рек А и В. (Точками показаны расходы воды за 11 лет параллельных наблюдений).

Литература

1. СП 33-101-2003. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. Госстрой России. М., 2004.

2. Пособие по определению расчетных гидрологических характеристик». - Л., Гидрометеоиздат, 1984.

3. Ресурсы поверхностных вод СССР. Ч. 1-2. Л., Гидрометеоиздат, 1972-75.

4. Железняков Г.В. и др. Гидрология, гидрометрия и регулирование стока. – М., Колос, 1984.

5. Гидрология и гидротехнические сооружения: Уч. для Вузов / Г.Н. Смирнов и др. М., Высш. шк., 1988.

6. СП 11-103-97. Инженерно-гидрометеорологические изыскания. Госстрой России. М., 1998.

7. СНиП 2.04.03 - 85. Канализация. Наружные сети и сооружения. М., 1986.

8. Андреев О.В. и др. Русловые и гидравлические расчеты при проектировании переходов через водотоки. Уч. пособие. М., 1989.

Приложение 1

Варианты заданий.

Ряды максимальных расходов Qi , м3/с

Год Вариант Река А, xi м3/с Река В, уi, м3/с Река… Продолжение прил. 1

Продолжение прил.2

Приложение 3

Ординаты кривых трёхпараметрического гамма-распределения [10]

Продолжение прил.3