Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
Федеральное государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
ИРКУТСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
КАФЕДРА ЗЕМЛЕУСТРОЙСТВА
Расчетно-графическая работа
ПО ДИСЦИПЛИНЕ "ГИДРОЛОГИЯ"
Выполнил: студент третьего курса
заочного отделения агрономического ф-та
специальность: землеустройство
Шифр 06404
Кобелева М.А.
Проверил: д. т. н. профессор Иваньо Я.М.
Иркутск 2008

Содержание
  Введение
1. Характеристики водности рек
Выводы
2. Расчеты испарения
2.1 Определение испарения с малого водоема при отсутствии данных наблюдений
2.2 Определение испарения с суши с помощью карты изолиний испарения
2.3 Определение испарения с суши по уравнению связи теплового и водного балансов
3. Вычисление расхода воды аналитическим способом
4. Расчёт годового стока
Заключение
Список использованной литературы

Введение

Значение гидрологии, гидрометрии и регулирования стока определяется главными задачами водного хозяйства как отрасли науки и техники, охватывающей учет, изучение, использование, охрану водных ресурсов, а также борьбу с вредным действием вод.
Гидрология - это наука, изучающая гидросферу, включая океаны и моря, реки, озера, болота, почвенные и грунтовые воды, снег и ледники, влагу атмосферы, а также ее свойства и протекающие в ней процессы и явления во взаимосвязи с атмосферой, литосферой (земной корой) и биосферой.
Вода - основная среда, обеспечивающая обмен веществ и развитие организмов. С древнейших времен жизнь человека и развитие культуры связаны с водой. Она широко используется в промышленности, энергетике, сельском и рыбном хозяйстве, в медицине и т.д. Вода - объект изучения физики, химии, механики и других наук.
Гидрология тесно связана с метеорологией - наукой об атмосфере и происходящих в ней процессах, и в первую очередь с той ее частью, которая исследует влагооборот и испарение с поверхности воды. Взаимосвязь гидросферы с литосферой наиболее отчетливо проявляется в процессах формирования земной поверхности под влиянием деятельности воды. В свою очередь, рельеф земной поверхности оказывает существенное влияние на образование водных потоков. Поэтому гидрология имеет много общего с геоморфологией - наукой, изучающей закономерности возникновения и развития форм земной поверхности.
Раздел гидрологии, изучающий поверхностные воды, называется гидрологией суши или континентальной гидрологией. Раздел гидрологии по изучению воды океанов и морей называют гидрологией океанов и морей или океанологией.
Гидрология грунтовых (подземных) вод называется гидрогеологией. В гидрологию входят те разделы гидрогеологии, которые изучают взаимодействие поверхностных и подземных вод, питание рек грунтовыми водами и др. Разделы гидрогеологии, изучающие способы поиска и добычи грунтовых вод, их взаимодействие с горными породами, относят к геологии.
Различают гидрологию рек (речная гидрология, или потамология), озер (лимнология), болот (тельматология), водохранилищ, ледников (гляциология). Речная гидрология и речная гидравлика, изучающие движение воды в речных руслах и их формирование, дополняют друг друга. Речную гидравлику можно рассматривать как раздел гидрологии суши и как раздел гидравлики.
Гидрология, занимающаяся решение различных инженерных задач (в гидротехнике, гидромелиорации, гидроэнергетике, водоснабжении, строительстве мостов, автомобильных и железнодорожных дорог и т.д.) называется инженерной.
В результате широкого применения в гидрологии теории вероятностных процессов сформировалась стохастическая гидрология.
Гидрометрия - это наука о методах и средствах определения величин, характеризующих движение и состояние жидкости и режим водных объектов. В задачу гидрометрии входят определения: уровней, глубин, рельефа дна и свободной поверхности потока; напоров и давлений; скоростей и направлений течения жидкости, пульсаций скоростей и давлений; параметров волн; гидравлических уклонов; расходов жидкости; мутности потока; расходов наносов и пульпы; элементов термического и ледового режимов потоков.
Регулирование речного стока - это наука о перераспределении (увеличение или уменьшение) во времени объемов речного стока в замыкающем створе реки по сравнению с ходом поступления воды на поверхность водосбора.

1. Характеристики водности рек

Цель занятия - изучить и определить основные характеристики речного бассейна, связанные с ее гидрологическим режимом.
Задачи: освоить основные понятия гидрологических характеристик бассейна реки; изучить основные характеристики, отображающие водный режим реки. Исходные данные: река и пункт наблюдений (р. Мура - п. Ирба); площадь водосбора (F=9320 км²); расход воды (Q=24,3 м³/с); высота годового слоя осадков (x=405 мм).
Требуется: вычислить модуль стока (q, л/с∙км²); определить высоту слоя стока (y, мм); рассчитать объем годового стока (V, км³); найти коэффициент стока (η). Порядок выполнения работы:
Река Мура впадает в Ангару, являясь её левым притоком. Площадь водосбора - 9320 км². Высший уровень воды за год - 537 см, низший - 209 см, средний уровень воды за год - 388 см. Наибольший расход воды за год 33,9 м³/сек, наименьший - 13,1 м³/сек, средний расход воды за год - 23,7 м³/сек. Годовой слой стока - 81 мм. Средняя продолжительность половодья 55 суток, за это время стекает 84% от годового стока вод. Паводок длится 13 суток. Наивысшая температура воды в году 21,9єС приходится на 17 июля. С первой декады ноября по последнюю декаду апреля река находится под ледяным покровом, толщина которого достигает 112 см.
Модуль стока:

Слой стока:


Объём стока:

Коэффициент стока:

Выводы

В 4 варианте дана р. Мура в пункте наблюдения Ирба. Имея данные: площадь водосбора - 9320 км², расход воды - 24,3 м³/сек, высота годового слоя осадков - 405 мм, мы получили следующие характеристики водности рек: модуль стока - 2,61 л/с∙км²; высота слоя стока - 82,22 мм; объем годового стока - 0,77 м³; коэффициент стока - 0, 203.
Последний показатель отражает, в районе с какой влажностью находится пункт наблюдения, в данном случае с. Ирба. Исходя из полученных данных можно сказать, что район относится к засушливым, так как в таких районах коэффициент стока уменьшается до нуля, а в районах избыточного увлажнения возрастает до 0,7. В данном случае =0, 203.

2. Расчеты испарения

Цель - рассчитать испарение с поверхности воды и с поверхности суши различными методами.
Задача - определить испарение:
1) с малого водоема при отсутствии данных наблюдений.
2) с суши с помощью карты изолиний испарения.
3) с суши по уравнению связи водного и теплового балансов.

2.1 Определение испарения с малого водоема при отсутствии данных наблюдений

Исходные данные: площадь водоема, расположенного вблизи г. Иркутска S = 4,5 км², средняя глубина H = 3,0 м, средняя длина разгона воздушного потока D = 4,5 км, средняя высота препятствий на берегу h = 12 м.
Требуется: вычислить среднемноголетнее испарение.
Порядок выполнения.
Среднемноголетнее испарение с малых водоемов, расположенных в равнинных условиях определяют по выражению:
,
где - среднемноголетнее испарение с эталонного бассейна площадью 20 м², мм;
к_н, к_з, к_Ώ - поправочные коэффициенты соответственно на глубину водоема, на защищенность водоема от ветра древесной растительностью, строениями, крутыми берегами и другими препятствиями, а также на площадь водоема.
Среднемноголетнее испарение с бассейна площадью 20 м² находят на карте изолиний. Так, для Муры Е₂₀ = 350 мм.
Поправочный коэффициент на глубину водоема находят в зависимости от местоположения водоема и средней глубины. Для р. Мура, расположенной в лесостепной зоне, при  = 3,0 м, к_н = 0,995.
Поправочный коэффициент к_з определяют в зависимости от отношения средней высоты (м) препятствий h_р к средней длине (м) разгона воздушного потока D, следовательно,
; К = 0,98
Поправочный коэффициент на площадь водоема к_Ώ для лесостепной зоны при Ω = 4,5 км² равен 1,25.
Находим среднемноголетнее испарение:
Е_в = 350∙0,995∙0,98∙1,25 = 427 мм

2.2 Определение испарения с суши с помощью карты изолиний испарения

Исходные данные: карта среднегодового слоя испарения с суши.
Требуется: определить среднемноголетнее годовое испарение.
Порядок выполнения.
По карте находим расположение Иркутского района и замечаем, что изолиния проходит на отметке 350 мм. Следовательно, для Иркутского района среднемноголетнее годовое испарение (норма) равно 350мм.

2.3 Определение испарения с суши по уравнению связи теплового и водного балансов

Исходные данные: среднемноголетний слой осадков х = 405 мм, радиационный баланс R = 120 кДж/см², сумма среднемесячных положительных температур воздуха за год равна 54,3 .
Требуется: определить среднемноголетнее годовое испарение.
Порядок выполнения.
1. По номограмме находим, что при х = 405 мм и R = 120 кДж/см² среднемноголетний слой испарения Е_с = 320 мм.
2. Для расчета испарения используют уравнение В.С. Мезенцева, которое имеет следующий вид:
,
где  - максимально возможное испарение, мм;
 - общее увлажнение, мм;
 - параметр, учитывающий гидравлические условия стока.
3. Для определения максимально возможного испарения используем формулу И.В. Карнацевича:

Где Σt - сумма среднемесячных положительных температур воздуха за год.
мм
4. Находим испарение для Ирбы
 мм
Вывод: данные расчеты испарения приобретают важное значение в связи с оценкой водного баланса. В результате расчетов получили:
среднемноголетнее испарение с поверхности воды Е_в = 427 мм;
среднемноголетнее испарение с поверхности суши Е_с = 320 мм.

3. Вычисление расхода воды аналитическим способом

Цель - найти основные гидрометрические характеристики реки.
Задача: вычислить расход воды.
Исходные данные: выписка из книжки для записи измерения расхода воды на реке.
Требуется: найти ширину реки (В, м); найти среднюю скорость реки ( , м/с); найти максимальную глубину (h_max, м); найти среднюю глубину ( , м); найти расход воды (Q, м³/сек); найти смоченный периметр (ψ, м); найти гидравлический радиус (R, м); найти максимальную скорость реки (V_max, м/сек); найти площадь живого сечения (ω, м²).
Порядок выполнения работы.
Таблица. Вычисление расхода воды аналитическим способом
Столбцы 1, 2, 3, 4, 9 - известны.
Столбец 5 - глубина между промерными вертикалями - среднее значение между средними глубинами на урезе правого берега и первой промерной вертикалью и так далее.
Столбец 7 - площадь между промерными вертикалями - произведение столбца 5 - глубина между промерными вертикалями, и столбца 6 - расстояние между промерными вертикалями.
Столбец 8 - площадь между скоростными вертикалями - сумма площадей между соответствующими промерными вертикалями. Общая площадь водного сечения получена как сумма частичных площадей между промерными или скоростными вертикалями.
Столбец 10 - скорость между скоростными вертикалями - между урезами воды и первой или последней промерной вертикалью это произведение средней скорости на вертикали и коэффициента 0,7; между остальными скоростными вертикалями - их среднее значение.
Столбец 11 - расход воды между скоростными вертикалями -произведение значений столбца 8 - площадь сечения между скоростными вертикалями, и столбца 10 - средняя скорость между скоростными вертикалями. Общий расход определяется как сумма всех расходов между скоростными вертикалями. Ширина реки - расстояние между геодезическим прибором и урезом левого берега вычесть расстояние между геодезическим прибором и урезом правого берега:
В = 24,7 м - 2 м = 22,7 м
Средняя скорость реки определяется по формуле:

Среднюю глубину реки находим с помощью выражения:

Смоченный периметр - ломаная линия по дну реки. Смоченный периметр всегда больше ширины реки (Ψ>В).

В нашем случае: ψ₁=2,15 м, ψ₂=2,28 м, ψ₃=2,04 м, ψ₄=2,00 м, ψ₅=2,01 м, ψ₆=2,05 м, ψ₇=2,01 м, ψ₈=2,01 м, ψ₉=2,02 м, ψ₁₀=4,98 м
Гидравлический радиус определяем по формуле:


Выводы: из работы видно, что:
расход воды на реке (Q) равен 22,14 м³/сек;
площадь водного сечения (ω) - 38,01 м²;
ширина реки (В) - 22,7 м.;
средняя глубина ( ) - 1,67 м.;
максимальная глубина (h_max) - 2,65 м.;
средняя скорость течения ( ) - 0,58 м/сек;
максимальная скорость (V_max) - 0,73 м/сек;
смоченный периметр (ψ) - 23,55 м.;
гидравлический радиус (R) - 1,61 м.

4. Расчёт годового стока

Цель: изучить закон вероятности гамма-распределения.
Задачи: построить эмпирическую кривую; найти статистические параметры ряда; построить аналитические кривые обеспеченности гамма-распределения.
Задание 1 Построение эмпирической кривой обеспеченности среднегодовых расходов воды.

Исходные данные: среднегодовые расходы воды на реке по данным наблюдений за 28 лет.
Требуется: построить эмпирическую кривую обеспеченности среднегодовых расходов воды.
Порядок выполнения работы.
Чтобы построить эмпирическую кривую нужно заполнить таблицу.
Таблица 1 Вычисление эмпирической обеспеченности среднегодовых расходов воды
Модульный коэффициент К_i находим по формуле:

Для каждого модульного коэффициента вычисляем соответствующую ему эмпирическую обеспеченность Р по формуле:

В последнем столбце располагаем ранжированные в порядке убывания значения модульных коэффициентов К_р.
Эмпирическая кривая представляет собой зависимость К_р от Р.


Задание 2. Определение статистических параметров ряда.
Исходные данные: среднегодовые расходы воды на реке по данным наблюдений за 28 лет.
Требуется: найти среднеарифметическое ; отклонение σ; коэффициент асимметрии с_s; коэффициент вариации с_v.
Порядок выполнения работы.
Находим статистические параметры.
Таблица 2 Статистические параметры
Из последней таблицы следует:
среднеарифметическое Q_i:
 м³/сек;
стандартное отклонение σ:
 м³/сек;
коэффициент асимметрии С_S:

коэффициент вариации С_V:

Задание 3. Построение аналитических кривых обеспеченности гамма-распределения.
Исходные данные: эмпирическая обеспеченность и ранжированный в порядке убывания модульный коэффициент.
Требуется: построить аналитическую кривую обеспеченности и вычислить расход воды при 75-процентной и 95-процентной обеспеченности при гамма-распределении.
Порядок выполнения работы.
Для построения аналитических кривых заполняем таблицу ниже.
Таблица 3
К_р - ранжированный в порядке убывания модульный коэффициент. Р - эмпирическая обеспеченность.
Р_Г - значения обеспеченности при гамма-распределении, которое определяется формулой:

;

Для нахождения Р_Г в Excel пользуемся функцией ввода формул: гаммарасп. При этом x - первое значение k_p; альфа - ; бетта = ; интегральное - 1.
Пользуясь диаграммой, расположенной ниже, мы находим значение расхода воды при 75-процентной и 95-процентной обеспеченности, но данные значения не совсем точные, поэтому для определения расхода воды при 75-процентной и 95-процентной обеспеченности пользуемся следующими формулами:
 
Теперь мы находим К_75Г и К_95Г. Получаем, что: К_75Г=0,82, а К_95Г=0,63.
Следовательно:



Выводы: используя данные значения, мы построили эмпирическую кривую обеспеченности, а также аналитическую кривую обеспеченности при гамма-распределении среднегодовых расходов воды реке. Нашли расход воды при 75-процентной и 95-процентной обеспеченности гамма-распределения: Q_75Г = 19,93 м³/сек, Q_95Г = 15,31 м³/сек. Также получили статистические параметры:

Заключение

Из первой выполненной работы имея данные: площадь водосбора - 9320 км², расход воды - 24,3 м³/сек, высота годового слоя осадков - 405 мм, мы получили следующие характеристики водности рек:
модуль стока - 2,61 л/с∙км²;
высота слоя стока - 82,22 мм;
объем годового стока - 0,77 м³;
коэффициент стока - 0, 203.
Последний показатель отражает, в районе с какой влажностью находится пункт наблюдения, в данном случае с. Ирба. Исходя из полученных данных можно сказать, что район относится к засушливым, так как в таких районах коэффициент стока уменьшается до нуля, а в районах избыточного увлажнения возрастает до 0,7. В данном случае ɳ=0, 203.
Во второй работе данные расчеты испарения приобретают важное значение в связи с оценкой водного баланса. В результате расчетов получено:
среднемноголетнее испарение с поверхности воды Е_в = 427 мм;
среднемноголетнее испарение с поверхности суши Е_с = 320 мм.
Из третьей работы видно, что:
расход воды на реке равен 22,14 м³/сек;
площадь водного сечения - 38,01 м²;
ширина реки - 22,7 м.;
средняя глубина - 1,67 м.;
максимальная глубина - 2,65 м.;
средняя скорость течения - 0,58 м/сек;
максимальная скорость - 0,73 м/сек;
смоченный периметр - 23,55 м.;
гидравлический радиус - 1,61 м.
В четвертой работе используя данные значения, мы построили эмпирическую кривую обеспеченности, а также аналитические кривые обеспеченности при гамма-распределении среднегодовых расходов воды. Нашли расход воды при 75 - и 95-процентной обеспеченности гамма-распределения: Q_75Г = 19,93 м³/сек, Q_95Г = 15,31 м³/сек.

Список использованной литературы

1.                Гидрология, гидрометрия и регулирование стока: Учебники и учебные пособия для высших сельскохозяйственных учебных заведений/ Г.В. Железняков, Т.А. Неговская, Е.Е. Овчаров. - М. "Колос", 1984.
2.                Практикум по гидрологии, гидрометрии и регулированию стока: Учебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений/ под редакцией Е.Е. Овчарова. - М. ВО"Агропромиздат", 1988.
3.                Статистика с применением Exsel: Учебное пособие. / Под ред. Я.М. Иваньо, А. Ф Зверева. - Иркутск, 2006. - 137 с.