Определение нормы стока при наличии ряда наблюдений

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Н.И. Зайкова

РЕГУЛИРОВАНИЕ СТОКА

Учебно-методическое пособие

Барнаул

Издательство АГАУ

УДК 556.16:627.81 (072)

Рецензенты:

старший преподаватель кафедры мелиорации и рекультивации земель АГАУ М.П. Гейнрих.

Зайкова Н.И. Регулирование стока: учебно-методическое пособие/ Н.И. Зайкова. Барнаул: Изд-во АГАУ, 2011. 75с.

В учебно-методическом пособии излагаются наиболее распространенные методы расчета годового стока и его внутригодового распределения, максимальных расходов половодья; приведены примеры расчетов гидрологических и статистических параметров при наличии ряда наблюдений, а также методы расчета основных параметров водохранилища и режима его работы.

Пособие предназначено для изучения теоретического курса и самостоятельной работы студентов при выполнении расчетно-графических и практических заданий по дисциплине «Регулирование стока», а также для приобретения практических навыков по обработке и анализу исходных гидрометрических материалов. Оно может быть также полезно студентам при выполнении курсовых и дипломных работ по гидротехническим сооружениям, обучающимся по направлению подготовки 280100 Природообустройство и водопользование.

Рекомендовано к изданию учебно-методической комиссией института природообустройства АГАУ (протокол № 11 от 4 мая 2011 г.).

© Зайкова Н.И., 2011

© ФГОУ ВПО АГАУ, 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 4

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.. 6

1. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ.. 8

1.1. Определение нормы стока при наличии ряда наблюдений. 8

1.2. Построение эмпирической кривой обеспеченности. 10

1.3. Построение аналитических кривых обеспеченности и методы определения их параметров. 11

1.4. Расчет максимального стока на примере р. Алей, с. Староалейское. 17

1.5. Расчет внутригодового распределения стока с расчетной вероятностью превышения 80%.. 19

2. РЕГУЛИРОВАНИЕ СТОКА.. 26

2.1. Расчет водопотребления, его дефицита и определение периода начала водохозяйственного расчета. 26

2.2. Построение батиграфических кривых водохранилища. 29

2.3. Определение мертвого объема и уровня мертвого объема. 32

2.4. Расчет водохранилища сезонного регулирования. 34

2.5. Расчет полезного объема водохранилища таблично-цифровым способом 39

2.6. Определение ФПУ- форсированного подпорного уровня. 45

3. РАСЧЕТ ВОДОХРАНИЛИЩА МНОГОЛЕТНЕГО РЕГУЛИРОВАНИЯ.. 56

ПРИЛОЖЕНИЯ.. 62

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.. 75

ВВЕДЕНИЕ

Основным источником для удовлетворения потребностей населения и народного хозяйства в воде служат поверхностные водные ресурсы, важнейшим критерием из которых является сток рек. Однако наиболее полному и рациональному использованию речного стока препятствуют значительные годовые и многолетние колебания водности рек. В связи с этим возникает необходимость в регулировании стока.

Регулирование стока рек является основным техническим приемом, позволяющим не только более полно использовать водные ресурсы, но и бороться с наводнениями. Регулирование стока осуществляется с помощью специально созданных водохранилищ. Водохранилищем называется искусственный водоем, созданный для временного задержания стока воды с целью ее последующего использования.

Совокупность решений по установлению основных параметров водохранилища и режима его работы называют водохозяйственным расчетом.

В состав водохозяйственного расчета водохранилища входят:

· Гидрологические расчеты основных гидрологических характеристик водотока, на котором создается водохранилище;

· Установление объемов и режима водопотребления из водохранилища, а также потерь воды, вызванных его соору­жением;

· Назначение нормативных подпорных уровней и объема водохранилища;

· оценка экономической эффективности и народ­нохозяйственного значения регулирования стока.

Все расчеты регулирования стока рассматриваются за "расчетный период" (год, сезон), т.е. в наиболее невыгодный и опасный период по условиям возможного наводнения или нехватки воды. Конечной целью расчета является: назначение характерных горизонтов водохранилища, определяющих размеры плотины; установление режима работы водохранилища.

В настоящем пособии рассматриваются два вида регулирования стока – сезонное и многолетнее.

Сезонное (годичное) регулирование стока позволяет перераспределить сток в течение сезона или года. Во время половодий и паводков водохранилище наполняют, а в период межени срабатывают. При расчете сезонного регулирования стока в качестве проектного притока выбирают гидрограф стока маловодного года, т.е. года с обеспеченностью (Р%) более 70%. Объем водохранилища сезонного регулирования определяют путем сопоставления расчетного стока и водопотребления.

Многолетнее регулирование стока заключается в перераспре­делении стока в течение многолетнего периода. Цикл регулирования (наполнение и сработка водо­хранилища) длится несколько лет. Дефицит в воде в маловод­ные периоды покрывается из запасов воды, накопленной в водохранилище за многоводный период, предшествующий маловодью.

Основными уровнями воды считают уровень мертвого объема (УМО), нормальный подпорный уровень (НПУ) и форсированный подпорный уровень (ФПУ). УМО – это минимально допустимый уровень воды. Под ним располагается мертвый объем (Vм.о.) – неприкосновенный запас воды. Выше УМО располагается полезный объем водохранилища Vплз. Верхний горизонт полезного объема ограничивается НПУ.

Рис.1 План и схематический продольный профиль водохранилища.

Самый высокий, допустимый только во время больших наводнений, это ФПУ. Объем воды, накапливающийся над НПУ до ФПУ называют объемом форсировки (Vф) или регулирующим объемом.

Одной из основных составляющих водохозяйственного расчета водохранилища является подготовка гидрологических данных. В пособии рассмотрены расчеты гидрологических и статистических параметров при наличии ряда наблюдений; приведены методы расчета основных параметров водохранилища.

При выполнении расчетов следует ясно представлять:

· Какие величины и для чего необходимо определить в данном расчете и для чего они дальше используются.

· Какие требуются данные и где их можно получить.

· В каких случаях, и какие расчетные методы лучше использовать, в чем преимущество каждого из них.

· Порядок расчета и единицы измерения рассчитываемых величин и их результатов.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Q_o ( Q_i) – норма стока (или среднегодовой сток), м³/с;

n – число лет наблюдений;

ε_Q – среднеквадратическая ошибка, %;

σ_Q – среднеквадратичное отклонение;

C_v – коэффициент вариации;

C_s – коэффициент ассиметрии;

М_о – среднемноголетний модуль стока, л/с км²;

F – площадь водосбора, км²;

W_o – средний многолетний объем стока, млн. м³;

Т – число секунд в году, равное 31,54^.10^6, с;

h_о – средний многолетний слой стока, мм;

К – модульный коэффициент;

Р_% – эмпирическая обеспеченность, %;

ε _Cs – среднеквадратическая ошибка определения C_s,%;

ε_Сv – среднеквадратическая ошибка определения C_v,%;

λ₂ и λ₃ –статистики, для определения номограмм;

S – коэффициент скошенности;

Ф – нормированное отклонение ординаты кривой обеспеченности;

K_p% – модульный коэффициент;

U – расход отдачи, м³/с;

V_плз – полезный объем водохранилища, млн. м³;

V – объем воды в водо­хранилище, млн. м³;

V_м.о. – мертвый объем воды в водо­хранилище, млн. м³;

Н – уровень воды, м;

ω – площадь водной поверхности, км²;

L_ωi – критерий литорали (мелководья);

ω_Hi и V_Hi – площадь водной поверхности и объем воды в водохранилище при одном и том же уровне H_i, км² и м³;

ω_Li. – площадь ли­торали (мелководья), соответствующая уровню H_i, км²;

h_cpi – средняя глубина, м;

G – годовой объем стока наносов, м³;

ρ_м, – среднемноголетняя мутность воды, г/м³;

γ – объемный вес наносов, т/м³;

V_нпу – объем воды в водохранилище при НПУ, млн. м³;

V_умо – объем воды в водохранилище при УМО, млн. м³;

ω_нпу – площадь зеркала при НПУ, км²;

ω_{фп у} – площадь зеркала при ФПУ, км²;

V_м.о. – мертвый объем воды в водохранилище, млн. м³;

Н_умо – уровень воды в водохранилище при УМО, м;

Н_нпу – уровень воды в водохранилище при НПУ, м;

V_нi и V_кi – объем воды в водохранилище (наполнение водохранилища) соответственно на начало и конец соответствующего расчетного интервала времени Δt, м³;

V_c6i – объем сброса воды за Δt, м³;

Δd – суммарный дефицит водопотребления, млн. м³;

ΔV – суммарные избытки водопотребления, млн. м³;

В – ширина водослива, м;

V_мн и V_сез – объем водохранилища многолетнего и сезонного регулирования стока, млн. м³;

q_сб – максимальный сбросной расход, м³/с;

β_мн – коэффициент многолетней составляющей;

β_сез – коэффициент сезонной составляющей;

ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

Определение нормы стока при наличии ряда наблюдений

При наличии длительных наблюдений норму стока (среднегодовой сток), определяют, как среднеарифметическое значение годовых величин стока, м³/с:

, (1)

где Q_i – среднегодовой сток за каждый i - ый год, м³/с; n - число лет наблюдений.

Порядок выполнения расчета:

а) По данным наблюдений за расходами воды на примере р. Алей у с. Староалейское (Приложение 1) определяется норма стока Q_o:

= м³/с.

Среднеквадратическая ошибка ε_Q при определении нормы стока должна быть не более 10%. Если значение ошибки больше, то строят сокращенную интегральную кривую. По этой кривой выбирают полный цикл (период спада и подъема) и рассчитывают норму стока за период полного цикла.

, (2)

где C_v – коэффициент вариации.

. (3)

σ_Q – среднеквадратичное отклонение (табл.1):

= . (4)

= (<10%).

Так как ε_Q < 10%, окончательно принимаем Q_o= 19,15 м³/с.

Результаты расчета заносят в табл. 1

Таблица 1

Расчет параметров гидрологических наблюдений на примере р. Алей с. Староалейское

№ п/п	Год	Qср год	К	К-1	(К-1)2	(К-1)3	lg K	K lg K	Qср в убыв.поряд.	Р,%
		29,47	1,54	0,54	0,2904	0,1565	0,1872	0,2881	34,58	3,85
		25,45	1,33	0,33	0,1082	0,0356	0,1235	0,1642	29,47	7,69
		18,98	0,99	-0,01	0,0001	0,0000	-0,0039	-0,0038	26,88	11,54
		11,6	0,61	-0,39	0,1554	-0,0613	-0,2177	-0,1319	26,55	15,38
		19,54	1,02	0,02	0,0004	0,0000	0,0088	0,0089	25,45	19,23
		15,83	0,83	-0,17	0,0301	-0,0052	-0,0827	-0,0684	23,12	23,08
		34,58	1,81	0,81	0,6492	0,5231	0,2567	0,4635	20,96	26,92
		13,34	0,70	-0,30	0,0920	-0,0279	-0,1570	-0,1094	20,5	30,77
		17,53	0,92	-0,08	0,0072	-0,0006	-0,0384	-0,0351	20,42	34,62
		26,88	1,40	0,40	0,1629	0,0658	0,1473	0,2067	20,15	38,46
			0,89	-0,11	0,0126	-0,0014	-0,0517	-0,0459	19,54	42,31
		20,96	1,09	0,09	0,0089	0,0008	0,0392	0,0429	18,98	46,15
		20,5	1,07	0,07	0,0050	0,0004	0,0296	0,0317	18,64	50,00
		26,55	1,39	0,39	0,1493	0,0577	0,1419	0,1967	17,53	53,85
		18,64	0,97	-0,03	0,0007	0,0000	-0,0117	-0,0114	17,14	57,69
		17,14	0,90	-0,10	0,0110	-0,0012	-0,0482	-0,0431		61,54
		20,15	1,05	0,05	0,0027	0,0001	0,0221	0,0233	15,85	65,38
		20,42	1,07	0,07	0,0044	0,0003	0,0279	0,0297	15,83	69,23
		15,85	0,83	-0,17	0,0297	-0,0051	-0,0821	-0,0680	14,33	73,08
		23,12	1,21	0,21	0,0430	0,0089	0,0818	0,0988	14,3	76,92
		14,33	0,75	-0,25	0,0634	-0,0159	-0,1259	-0,0942	13,34	80,77
		11,94	0,62	-0,38	0,1418	-0,0534	-0,2052	-0,1279	13,05	84,62
		13,05	0,68	-0,32	0,1015	-0,0323	-0,1666	-0,1135	11,94	88,46
		14,3	0,75	-0,25	0,0641	-0,0162	-0,1268	-0,0947	11,67	92,31
		11,67	0,61	-0,39	0,1526	-0,0596	-0,2151	-0,1311	11,6	96,15
∑		478,82		0,00	2,2866	0,5690	-0,4671	0,4760

б) Полученную норму в виде среднемноголетнего расхода воды Q_o требуется выразить через другие характеристики стока: модуль, слой, объем и коэффициент стока.

· Среднемноголетний модуль стока вычисляется по соотношению:

л/с км² , (5)

где F – площадь водосбора, км².

· Средний многолетний объем стока:

W_o = Q_o T = 19,15 ^. 31,54^.10⁶ = 604·10⁶ = 604 млн.м³ , (6)

где Т – число секунд в году, равное 31,54^.10⁶с.

· Средний многолетний слой стока вычисляют по зависимости:

мм . (7)

· Модульный коэффициент К определяется для каждого года наблюдений по формуле:

К = _. (8)