МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ АЛЬ-ФАРАБИ
Географический факультет
Кафедра гидрологии суши
Курсовая работа
по гидрометрии
Ускоренные методы измерений расходов воды
Исполнитель
Студент 2 курса____________________________ Уваров Д.В.
Научный руководитель______________________ Л.П. Мазур
Доцент. к.г.н.
Нормоконтролер___________________________ А.Г. Чигринец
Доцент. к.г.н.
Допущен к защите
зав. кафедрой______________________________ Р.Г. Абдрахимов
Профессор. к.г.н.
Алматы, 2009
Реферат
Работа содержит 29 страниц, 3 таблицы, 2 использованных источника.
Ключевые слова: сокращенные методы, интерполяционно-гидравлическая модель, скоростная вертикаль, промерная вертикаль, средняя глубина, скорость, площадь, расход.
В данной курсовой работе, были рассмотрены сокращенные методы обработки расходов воды, в том числе и метод интерполяционно-гидравлической модели. Была обработана книжка КГ-3 (Приложение А), посчитан расход и обработан детальным методом и методом, основанном на интерполяционно-гидравлической модели.
Содержание
Введение
1. Краткая физико-географическая характеристика бассейна р. Тургай
1.1 Гидрография
1.2 Климат
1.2.1 Температура воздуха
1.2.2 Рельеф
1.2.3 Ветер
1.2.4 Геологическое строение
1.2.5 Осадки и снежный покров
2. Описание сокращенных способов измерения
2.1 Интеграционные измерения с движущегося судна
2.2 Измерение расходов воды с использованием физических эффектов
2.3 Аэрогидрометрический метод
3. Обработка расхода с применением интерполяционно-гидравлической модели
Заключение
Список использованных источников
Приложение А. Книжка обработки расходов воды КГ-3
Введение
В данной работе рассмотрим сокращенные способы измерения расходов. В частности интерполяционно-гидравлический метод. Необходимо рассмотреть сущность данного метода. Как он применяется, на чем основывается, как действует. Показать его применение относительно определенного расхода. Определить отклонения, выявить достоинства и минусы данного метода.
1. Краткая физико-географическая характеристика бассейна реки Тургай
Река Тургай располагается в центральной части Кустанайской области (верхняя её часть находится на территории Акмолинской и Карагандинской области).
Долина реки до с. Тургай слабо разработана, с пологими склонами, ниже отчетливо выражен правобережный склон. Пойма шириной от 10 до 30 км, до с. Тургай пересечена рядом продольных протоков и староречий, а также поперечными ложбинами. На участке от с. Амангельды до с. Тургай преобладают перекаты, далее - плёсы. В плёсах ширина русла 20-150 м, глубина 2-4 м (местами более 10 м); на перекатах ширина потока уменьшается до 2-10 м, а глубина снижается до 0,3-0,1 м. Берега реки высотой 3-5 м на большем протяжении заросли кустарниками.
Речная сеть бассейна р. Тургай состоит из четырех водных систем: р. Кара - Торгай, p.p. Жалдама и Ащи-Тасты, оз. Сары-Копа и р. Улькаяк.
1.1 Гидрография
Рассматриваемый район относится к бассейну бессточной впадины Шалкар (Шалкар - Тенгиз). Сухость климата этого района в сочетании с общим преобладанием равнинного рельефа создали своеобразный гидрографический облик территории: развитие речной сети преимущественно на повышенных её участках и сосредоточение большего количества мелких, в основном бессточных, озер на низких плоских пространствах. На территории района насчитывается около 9669 водотоков с суммарной длиной около 52833 км. Водотоков длиной более 10 км насчитывается около 696. Больше всего водотоков длиной менее 10 км - 8707. Рек длиной 26-50 км -190; 51-100 км - 44; 101-200 км - 23; 201-300 км - 4; 301-500 км - 3; 501-1000 км - 2, а более 1000 км - рек в этом районе нет.
1.2 Климат
Наш рассматриваемый район расположен в глубине материка и удален от больших водных пространств (океанов, морей). Вследствие отсутствия на севере и на юге районов высоких естественных барьеров её территории доступна для свободного перемещения теплого сухого субтропического воздуха пустынь Казахстана и Средней Азии и холодного, бедного влагой арктического воздуха, перемещающихся в меридиональном направлении. От непосредственного влияния влажных воздушных масс атлантического происхождения территория района защищена мощным естественным барьером - хребтами Уральских гор.
Свободный доступ в пределы района влажных воздушных тихоокеанских масс преграждается Среднесибирским плоскогорьем и горными комплексами Алтая.
Климат резко континентальный: жаркое и сухое лето сменяется холодной и малоснежной зимой. Годовая амплитуда температуры воздуха в среднем составляет 75°С, в отдельные же годы достигает 88°С. В июле температура до 40°С, зимой падает до минус 40, - 46°С. Осадков в течение года выпадает мало - от 300 до 350 мм на севере до 175 мм на юге района, причем 70-80 % их годового количества приходится на теплый период.
Относительная влажность воздуха летом в дневные часы в центральной части района понижается до 30-40 %, на юге до 20-30 %. Для этого района обычны суховеи, снежные метели и бураны.
1.2.1 Температура воздуха
Средние годовые значения температуры воздуха в пределах района колеблются от 1,2°С в северной её части до 4,4°С - в южной. Зима характеризуется довольно устойчивой морозной погодой. Средние температуры наиболее холодных месяцев - января и февраля - составляют мину 16°С, минус 18 °С. В сильные морозы температура воздуха на севере областипонижается до минус 40°С и даже до минус 46°С (февраль 1951 г.) на юге самая низкая температура зафиксирована равной минус 40°С.
В зимнее время иногда отмечаются повышения температуры, обусловленные вторжением на территорию района теплых потоков воздуха с юга. Летом преобладает жаркая погода. В июле средняя температура воздуха в северной части района составляет 19-20°С, а на юге - до 24,4 °С. Наибольшая июльская температура достигает 42°С. Весна и осень продолжаются всего 20-30 дней.
1.2.2 Рельеф
Большая часть рассматриваемой территории относится к Туранской впадине.
По устройству поверхности рассматриваемой территории можно выделить два характерных района:
1) тургайская столовая страна;
2) западная окраина Казахской складчатой страны.
Тургайская столовая страна или Тургайское плато, занимает центральную и южную часть территории и представляет собой переходный район от пустынь Туранской низменности на юге и Западно-Сибирской равнине на севере. На западе этот район ограничен цепью Мугоджарских гор и Южным Уралом, на востоке - увалами Казахской складчатой страны. Северная часть Тургайского плато имеет уклон в сторону Западно-Сибирской низменности, а южная - в сторону Туринской низменности.
Своеобразной особенностью Тургайского плато является меридиональное расчленение его древней широкой Тургай - Убаганской ложбиной. По дну северной её части протекает р. Убаган, южной - р. Тургай. В наиболее низких своих частях ложбина имеет отметки 80-100 м над уровнем моря. В средней части ложбины её ширина достигает 30-40 км, глубина - 50-100 м. На плоском низком (абсолютные высоты не более 125 м) водоразделе p.p. Убаган и Тургай расположено несколько бессточных озер, наибольшими из которых являются Аксуат и Сарымоин. Рельеф Тургайского плато довольно разнообразен. Разрозненные невысокие плоские возвышенности и низкие столовые горы с пологими склонами чередуются с понижениями. Часто встречаются здесь и столово - останцевые возвышенности: Караганытау 305 м, Жыландытау 262 м, поднимающиеся над своими подошвами на 50-80 м. Поверхность плато изрезана долинами рек Кабырга, Теректы, Сары-Озень, Сары Тургай, Тургай, Иргиз и другие, а также котловинами многих больших и малых соленых и пресных водоемов и блюдцеобразными западинами. Более крупные озера расположены преимущественно на дне Тургай - Убаганской ложбины.
Юго-Восточная часть рассматриваемой территории занята сильно расчлененной окраиной Казахской складчатой страны, частично представленной отрогами гор Улытау. Отдельные возвышенности достигают здесь 400-500 м, а самая высокая вершина - гора Улытау (1135 м). На склонах гор Улытау и северных отрогах берут начало р. Тургай (Кара-Тургай), Улы-Жиланшик и ее многочисленные притоки.
Высоты на западе и северо-западе равнины (у подножья склонов Мугоджарских гор) составляют 320-280 м, а в юго-восточной её части (в низовьях рек Тургай, Иргиз и в районе впадины Шалкар - Тенгиз) всего 70-50 м. На поверхности плато, особенно в низовьях рек Тургай, Иргиза, Улькаяка, имеются много бессточных озерных котловин, солончаковых впадин и такыров.
1.2.3 Ветер
Ветер в зимнее время вдоль параллели 50°с.ш. обычно образуется полоса повышенного атмосферного давления - отрог сибирского антициклона, к северу от неё преобладают ветры южного и юго-западного, а к югу северного и северо-восточного направления. Нередки снежные метели и бураны. В летний период господствующими являются ветры северных и северо-западных румбов.
Скорость ветра на рассматриваемой территории, в общем, изменяется в небольших пределах, увеличиваясь несколько с севера на юг. Сила ветра возрастает весной, особенно в ее начале (в марте). Более слабые ветры летом. Наибольшая средняя скорость ветра в марте составляет, 11 м/сек, а в августе -5,4 м/сек.
1.2.4 Геологическое строение
Наиболее распространенными на территории исследуемого района, являются отложения палеогена и неогена.
Зауральское плато в основном представляет собой цоколь неглубоко залегающих кристаллических пород, прикрытых палеогеновыми отложениями (песчаниками, опоками, конгломератами, глинами), а местами обнажающихся на склонах речных долин.
Почвообразующими породами здесь служат четвертичные песчано-глинистые, кое-где щебенистые отложения, залегающие небольшим слоем на морском засоленном палеогене, или на размытом цоколе кристаллических пород Равнина на севере района покрыта мощной толщей отложений третичного и четвертичного возраста (в наиболее возвышенных местах они развиты слабее). Третичные отложения представлены переслаивающимися глинами и песками, а более поздние четвертичные отложения состоят из озерных аллювиальных глин, суглинков, галечников и песков. Тургайская столовая страна образованна глинистыми и песчаными уплотненными пластами морских засоленных отложений палеогена, залегающими горизонтально или со слабым уклоном к северу. Нижние слои этой толщи глинистые с прослойками мергелей, а верхние - песчаные с галькой и конгломератами. Местами толща палеогена покрыта более поздними четвертичными отложениями суглинков и супесей.
Почвообразующими породами здесь являются как засолоненные палеогеновые отложения, так и покрывающие их более позднее опресненное образование.
Тургай-Убаганская ложбина, проходящая меридионально по Тургайскому плату, в основном сложена гипсоносными песками и глинами, а также кварцевыми песками и лессовидными суглинками общей мощностью около 60 м. К югу мощность третичных отложений увеличивается, достигая в районе р. Улы-Жиланшик и озера Шубар-Тенгиз 100 м. Залегание пластов горизонтальное.
Западная окраина Казахской складчатой страны имеет более сложное геологическое строение по сравнению с рассмотренными выше орографическими районами. Она сложена породами палеозойского возраста, представленными солонцами и песчаниками, прорезанными мощными интрузиями гранитов. Пониженные части этой территории, покрытые третичными и четвертичными отложениями, последние представлены супесями и суглинками, а также элювиальными и песчано-глинистыми делювиальными, и щебенистыми образованиями.
Под толщей песчано-глинистых отложений Тургайской впадины сосредоточенны, как показали исследования последних лет громадные залежи ценнейших полезных ископаемых.
1.2.5 Осадки и снежный покров
Норма годовых осадков для крайней северной части района составляет 300-350 мм, а для южной её окраины 175 мм.
На западе и юго-востоке, в пределах возвышенных районов, широтная зональность распределение осадков заметно нарушается. Так, например, в предгорьях Южного Урала средняя годовая сумма осадков составляет 280-350 мм, а на этой же широте в различной части уменьшается до 200-225 мм. Изменчивость годовых сумм осадков относительно невелика (0,2-0,3). Большая часть осадков - 70-80 % годовой суммы - выпадает в теплый период - с апреля по октябрь.
Бездонные периоды в южной части, в зоне сухих и полупустынных степей, достигает 70 дней, а в северных, более увлажненных районах - 30-35 дней.
Распределение снежного покрова по территории носит в основном зональный характер. Это проявляется в первую очередь в довольно плавном уменьшении снегозапасов с убыванием широты местности. Постепенное изменение всех характеристик снежного покрова в направлении с севера на юг нарушается лишь у более возвышенных западной и восточной границ района, проходящих, с одной стороны, вдоль восточного склона Урала и с другой - вдоль западной стороны Казахского мелкосопочника, где широтное направление изолинии, характеризующих распределение снежного покрова, меняется на меридиональное.
Первый снег выпадает в северо-восточной части в среднем в последней декаде октября, а на остальной её территории - в первой декаде ноября. Максимальные запасы воды в снежном покрове накапливаются в среднем к середине марта в северной части и к 5-10 марта - в южной.
Максимальная высота снежного покрова перед началом весеннего снеготаяния обычно бывает незначительной, в среднем от 30-35 см в северной части до 18-20 см в южной. Плотность снежного покрова к началу весеннего снеготаяния чаще всего составляет около 0,30.
Максимальные запасы воды в снежном покрове перед началом весеннего снеготаяния изменяется в среднем от 70-80 мм на севере до 55-60 мм - на юге. Приведенные характеристики высоты снежного покрова и запасов воды в нем относятся ровной открытой степи.
Запасы воды в снежном покрове в речных руслах в зависимости от морфологических особенностей, ориентировки по отношению к преобладающему направлению зимних ветров и силы метелей превышают снегозапасы на прилегающих участках равной степи от 1,7 до 5,3 раза. Таяние снежного покрова весной начинается под влиянием солнечной радиации обычно ещё при отрицательных дневных температурах воздуха. Снежный покров на степных участках исчезает в среднем около 7-9/IV в северной половине и около 2-5/IV - в южной.
В Тургайской впадине, по геологическому строению относящейся к так называемым "закрытым районом Южного Зауралья" главная рудоносная полоса имеет ширину несколько десятков км и простирается в меридиональном направлении на 450-500 км. На территории района имеются также богатые залежи угля (Жиланшикский бассейн). Амангельдинский район богат месторождениями бокситов.
2. Описание сокращенных способов измерения
Многоточечные измерения расходов воды вертушками требуют значительных затрат времени. Конечно, в условиях изменчивости расходов воды при этом достигается наименьшая погрешность измерений, чем и окупается их большая продолжительность. Иначе обстоит дело, когда наблюдается явно выраженное неустановившееся движение воды, которое свойственно как естественным паводкам, так и попускам из водохранилищ. В таком случае большая продолжительность измерений порождает дополнительные погрешности, связанные с изменчивостью расходов воды. В этих условиях ускорение измерений обеспечивает не только экономию времени, но и повышение точности получаемых данных. Способы ускоренных измерений весьма многообразны: наряду с точечными наблюдениями они включают такие сложные, как f - интеграционные, акустические и аэрогидрометрические. Рассмотрим основные виды ускоренных измерений, как широко распространенные в настоящее время, так и предназначенные для внедрения в ближайшей перспективе.
При сокращенных способах измерения уменьшается количество скоростных вертикалей до одной - трех при условии, что среднее квадратическое отклонение получаемых при этом расходов от результатов измерения основным способом не превышает 5 %. Существует два варианта сокращенных измерений:
1) применение интерполяционно-гидравлической модели
2) использование его репрезентативных элементов
Интерполяционно-гидравлическая модель расхода воды основывается на представлении измеренной средней скорости на вертикали в виде суммы двух составляющих
(1)
где vi - это компонент, измеренной скорости, гидравлически обусловлена глубиной на вертикали. Если считать уклон свободной поверхности и коэффициент шероховатости неизменным по ширине потока, то
(2)
Причем 
Вторая в общем случае знакопеременная компонента w зависит от особенностей кинематической структуры потока и поэтому названа структурной составляющей средней скорости на вертикали (она включает также средние случайные погрешности измерения).
Значения wi не следует за изменением глубин. Поэтому для среднего по ширине отсека допустима их линейная интерполяция. На основе чего можем представить себе вид следующей формулы
(3)
На основе приведенных предпосылок И.Ф. Карасевым и В.А. Реминюком синтезирована следующая модель расхода воды, названная интерполяционно-гидравлической:
(4)
где hs – средняя глубина в отсеке между скоростными вертикалями; Ps – весовой коэффициент: Ps = 0,5 для прибрежных отсеков (s = 1; s = N) ; Ps – 0,5 для всех остальных отсеков (1<s<N).
Значения а0 устанавливаются по характерным фазам режима на основе специальных многоточечных (детальных) измерений. Вместе с тем а0 вполне допустимо вычислять непосредственно по данным каждого конкретного измерения элементов расхода воды.
(5)
где Nb – количество скоростных вертикалей.
Достоинство интерполяционно-гидравлической модели расхода воды по сравнению с моделью состоит в том, что она практически исключает систематическую погрешность – занижение расхода воды при сокращении числа скоростных вертикалей. Такой эффект достигается тем, что интерполяция средних скоростей на вертикалях vi ( j ) по ширине отсека между ними ведется с учетом распределения глубин. Отметим, что этим интерполяционно-гидравлическая модель превосходит и графический способ обработки расхода воды, в котором средние скорости на вертикалях интерполируются линейно.
При использовании интерполяционно-гидравлической модели достаточно измерять скорости всего на трех-четырех вертикалях, размещенных на равных расстояниях.
При устойчивом русле, когда площадь живого сечения F становится однозначной функцией уровня, все измерения расхода воды сводятся к определению средней скорости потока v . Но давно замечено, что её значение тесно связано со скоростями течения в какой-либо точке или со средней скоростью на вертикали, которые и носят название репрезентативных.
В качестве репрезентативной скорости принимается максимальная скорость в поперечном сечении потока или в точке стержневой вертикали на глубине 0,2h. При этом по данным предшествующих многоточечных измерений строится зависимость vcp =f ( u макс ) или vcp =f ( u 0,2 h ) , которая может аналитически быть представлена в виде уравнений регрессии:
(6)
Координата точки с максимальной скоростью течения не остается постоянной, а теснота связи нередко оказывается недостаточной (рассеяние достигает 15%). Такая неопределенность не дает основания рассматривать uмакс как заведомо репрезентативный элемент для определения средней скорости потока. В связи с этим, заслуживает внимания предложение Е.П. Буравлева использовать в качестве репрезентативных средние скорости на вертикалях в прибрежных частях потока, расположенных на расстояниях 0,2В и 0,8В (считая от одного из урезов воды).
Расчетное уравнение регрессии в таком случае приобретает вид
(7)
Точность определения расхода воды по репрезентативным элементам неодинакова для различных фаз гидрологического режима. Если рассматривать отдельно взятый
29-04-2015, 00:51