Гидрология изучает все воды земного шара (гидросферу), процессы, состав, свойства, перемещения, запасы, изменения.
Объект изучения: водоемы, реки, озера, грунтовые воды, ледники, снежный покров, болота.
Водоток- углубление в земле по которому течет вода в сторону уклона.
Река- водоток, но имеющий размеры, ярко выраженное русло и свою водосборную площадь. Река имеет:
Исток (начало реки)
Устье (конец реки)
Крупные реки имеют рукава на устье реки, которое называется дельта реки.
Излучены - повороты реки.
Меандра - извилистая часть реки. Извилистость характеризуется коэффициентом извилистости (К).
К=l/L
l- длина реки с учетом излучин
L- длина реки по прямой
Пойма реки (пойменная терраса)- низкий пологий участок, который периодически заливается водой.
Надпойменная терраса - бывшая пойма реки, которая с углублением реки перестает заливаться водой.
Живое сечение реки
W-площадь поперечного сечения реки занятого водой (м2 )
χ-смоченный периметр реки занятый водой (м2 )
гидравлический радиус (R)- отношение живого сечения к смоченному периметру реки.
R=W/χ , (м)
Водосборная площадь реки
F (км2 или га)- поверхность земли по которой стекает вода в данный водоток. Границами водосборной площади является сама река и водораздел.
Водосборную площадь можно определить следующими методами:
1. По топографическим картам, погрешность 5-10 %
2. По гидрографическим картам- нанесена только сеть рек без горизонталей высот. В этом случае водораздел проводят по середине, между реками, погрешность 15-20 %
3. По физическим картам, погрешность до 30 %
4. На физической карте нанесена гидрографическая карта, погрешность до 20 %
5. Если не возможно определить, то по косвенным признакам, погрешность 50 и более %
Синонимом водосборной площади является бассейн. Бассейн- это подземный водосбор
В=F км2
L км
В- ширина бассейна
Сток и его характеристики.
Сток- движение воды по поверхности земли, а также в толще почв и горных пород в процессе круговорота ее в природе.
Сток подразделяется на:
Внутрипочвенный
Поверхностный- происходящий по земной поверхности и делится на: речной, русловый(по старым руслам рек или искусственные каналы), склоновый(с большим уклоном);
почвенный- в почвенной толще.
Характеристики стока
Объем стока (Wс , м3 )- количество воды,стекающей со всей водосборной площади за определенное время. Объем стока определяется по ее расходу в водотоке за определенный период времени (сутки, месяц, год, период года и т. д.).
Wс =Qt
Q- средний расход воды, м3 /с; л/с. Расход воды стекающий со всей водосборной площади в единицу времени определяется методом стоковых площадок.
t- время расчетного периода
Модуль стока – объем воды, стекающий с единицы водосборной площади в единицу времени.
q = Q/ F (л/с га; м3 /cкм2 )
Слой стока - величина, показывающая, какой слой воды будет, если сток равномерно распределить по площади водосбора.
hст = 0.1W/F (мм)
Коэффициент стока – показывает какая часть осадков стекает. Может быть больше 1 только весной в период снеготаяния.
δ = hст /hос
Объем весеннего снеготаяния
W = 10000FHδσ
H – высота снежного покрова
σ- плотность снега
Режим уровней
Уровни меняются в течении года, изменения протекают в одни и тоже сезоны года и называются фазами.
Выделяют 4 фазы
1. Половодье- продолжительное стояние высоких уровней воды в реках
2. Паводок- высокое стояние уровней воды в реке, но не продолжительное
3. 4.Межень
- зимний
- летний
Совокупность закономерно повторяющихся изменений состояния водного объекта, которое присуще только ему, отличает его от других водных объектов, называется гидрологическим режимом.
За гидрологическим режимом рек ведут наблюдения на водомерных постах.
Водомерный пост
1. Свайный – устраивается на реках с пологими берегами
2. Реечный – устраивается на реках с крутыми берегами (сантиметровая рейка)
3. Самописный – устанавливаются самописцы
Гидрологический пост – это водомерный пост, соединенный с метеопостом.
Повторяемость (частота) уровней – это количество дней, когда уровень наблюдается в пределах того или иного интервала.
Обеспеченность- это количество дней, когда уровень воды в реке был не ниже заданного.
Водосливы
Водосливы – это гидротехнические сооружения на водомерных постах. Могут использоваться как шлюзорегуляторы.
Водосливы устраивают поперек реки, и через которые переливается вода.
Водосливы
- сплошные 
- с вырезом
Водослив имеет порог – участок водослива через который переливается вода. Порог имеет ширину(b), у треугольного водослива b = 0. имеет толщину порога (C).
Напор – превышение уровня воды над порогом водослива (H).
Зависимость от отношения напора и толщины водосливы делятся на:
1. Если H > C в 2-3 раза и более, то водослив с тонкой стенкой. Используется на небольших водотоках для определения расхода.
2. Если Н в 2-3 раза меньше С – водослив с широким порогом. Используется как шлюзы регуляторы, как водосборное сооружение при плотинах.
Для определения напора измеряются уровни воды до после водослива, на расстоянии равном 3-5 кратной величине напора.
Бьеф – расстояние на котором измеряются уровни.
Н = УВБ – УНБ
Напор – это разность между уровнем верхнего бьефа и уровнем нижнего бьефа.
Водосливы делятся в зависимости от уровня нижнего бьефа на:
- затопляемые
- незатопляемые
УНБ ниже порога водослива. Незатопляемые не влияют на расход
УНБ выше порога водослива. Затопляемые снижает расход воды
Тарировка водослива – построение графика зависимости расхода воды от напора.
Определение расходов на больших водотоках
Q = υω (м3 /с)
Площадь живого сечения (площадь, занятая водой).
Гидрометрическая вертушка определяет скорость.
Обеспеченность уровней – количество дней, когда уровень воды был не выше заданного.
На больших водотокахпри регулярных наблюдениях за гидрологическим режимом используются гидрологические посты. Уровни воды в реках измеряют на водомерных постах, скорости определяют гидрометрическими вертушками. По скоростям и уровням рассчитывают расходы воды. Известно, что расходы в разные годы могут значительно различаться. Для получения достоверных расчетных характеристик необходимо иметь длительный ряд наблюдений. При наличии небольшого ряда фактических наблюдений производится специальная обработка таких наблюдений с построением теоретической кривой обеспеченности.
Режим расходов на небольших водотоках
Небольшие водотоки имеют небольшую водосборную площадь.
Q = VWм2 /с
υ – определяется с помощью поплавков
Поплавок – это кружок из легкой древесины.Для определения скорости выбирают прямолинейный незаросший участок реки без подпора воды. На выбранном участке разбивают три створа. Расстояние между крайними створами принимается приблизительно равным трех-четырехкратной ширине реки. Для измерения скорости в воду, несколько выше верхнего створа, на середине реки бросают 10 поплавков. Поплавки должны проходить расстояние от верхнего до нижнего створа не менее, чем за 25 с.
Для вычисления расходов на створах промеряют поперечные сечения и определяют смоченный периметр. Площадь поперечного сечения (живое сечение) определяют как сумму элементарных геометрических фигур, а смоченныйпериметр — как сумму гипотенуз элементарных треугольников.
VMAX = L/tCP
V = VMAX * K
K = C / 14+C К – переходной коэффициент
C = 87 / 1+ γ/ √R С – скоростной коэффициент
R = W / XR – гидравлический радиус
W = 0.5*abW – живое сечение
Wcp = WB + 2 WCP + WH
4
X = L1 * L2 Х – смоченный периметр
XCP =XB +2XCP + XH
4
Движение грунтовых вод
Вода, заполняющая поры почвы и передвигающаяся под действием силы тяжести называется гравитационной водой. Перемещаясь в почве, вода образует поток и движет его в пористой среде – фильтрация.
Фильтр – количество воды, протекающее в единицу времени через единичную площадь, выделенную пористой среде.
Закон движения грунтового потока подчиняется Закону Дарси
V = K*I
V – скорость фильтрации
K – коэффициент фильтрации
I – уклон грунтового потока
Коэффициент фильтрации зависит от водопроницаемости почвогрунта и характеризует поросность почвы. Коэффициент фильтрации – это скорость фильтрации при уклоне равном 1.
Коэффициент фильтрации определяется двумя способами: полевым и лабораторным,
Полевые методы
1. Метод восстановления воды в скважине после откачки. Используется при неглубоком залегании грунтовых вод, например на торфяных почвах.
2. Метод инфильтрации (Способ Болдырева). Используется при глубоком залегании вод, например минеральные воды.
Определение коэффициента фильтрации методом инфильтрации.
При определении коэффициента фильтрации на выбранном месте устраивают шурф сечением не менее 0,2х0,2 м или скважину диаметром не менее 0,2 м. Дно шурфа или скважины должно доходить до поверхности того слоя, водопроницаемость которого определяется. При глубоком залегании изучаемого слоя (глубже 0,5 — 0,6 м) сначала выкапывают обычный почвенный шурф (яму), а на дне его устраивают измерительный шурф или скважину. В неустойчивых грунтах шурфы или скважины закрепляются. В дно их забивают колышек, возвышающийся над дном на 5 — 10 см, и насыпают слой мелкого гравия или песка толщиною около 2 см. В шурф или скважину наливают воду до верха колышка. Затем выливают определенное количество воды (500 — 1000 см3 ) и отмечают время долива на часах.
Когда уровень воды в скважине снизится до верха колышка, опять выливают то же количество воды и замечают время и т. д.
В бланке специальной формы записывают время долива и объем вылитой воды.
Так как сначала одновременно с фильтрацией происходит и впитывание воды в почву до определенной влажности, то поступление воды в почву с течением времени замедляется. Исследования продолжаются до тех пор, пока фильтрационный расход не стабилизируется (установившийся расход).
Коэффициент фильтрации вычисляют по формуле
K = Q/F
Q – установившийся расход воды, см3 /с = м/сутки
F – площадь смоченной поверхности скважины, см2
F= πr(r + 2Z)
r- радиус скважины, см
Z - высота постоянного слоя воды, см
Определение коэффициента фильтрации методом восстановления воды после откачки
Тарелочным буром диаметром 10—20 см устраивают не менее двух скважин глубиной, приблизительно равной глубине осушительных каналов или дрен, приблизительно 1 м. После устройства скважины следует выждать, пока уровень воды в ней займет свое естественное положение, т. е. до тех пор, пока не прекратится подъем воды в скважине. Когда уровень воды в скважине установится, измеряют следующие величины:
1) глубину стояния грунтовой воды от поверхности (начальный уровень);
2) глубину скважины Т;
3) глубину воды в скважине H;
4) диаметр скважины d .
Все эти величины измеряют от нижнего края доски длиной около 0,5 м, которую укладывают на поверхность почвы поперек скважины, несколько перекрывая ее.
Когда измерения сделаны, воду из скважины вычерпывают почти до дна. Вычерпывание удобно производить специальным черпаком или консервной банкой емкостью 0,5 л, которая укрепляется на длинной деревянной ручке.
После откачки воды быстро измеряют расстояние У0 ' от поверхности почвы допониженного уровня воды в скважине и замечают время измерения по часам
При дальнейшем подъеме воды эти измерения периодически повторяют, при каждом измерении величины Уп ' отмечают время. Эти измерения повторяют до тех пор, пока уровень воды в скважине не поднимется почти до первоначального положения (до откачки).Таких измерений делают от 6 до 8 и более.Время, через которое проводят измерения, зависит от скорости подъема воды в скважине.
Когда уровень воды в скважине приблизительно займет свое первоначальное положение, нужно произвести вторую откачку из скважины и повторить измерения.
Определение уклона грунтового потока
Скорость фильтрации грунтовых вод определяют по формуле Дарси. Для определения уклона грунтовых вод на местности по уклонам треугольника, близкого к равностороннему, устраивают три скважины. Стороны треугольника промеряют, а треугольник снимают инструментально.
Нивелировкой определяют отметки поверхности земли у каждой скважины. Измеряют глубины грунтовых вод и вычисляют отметки уровней грунтовой воды; по этим данным(отметкам) проводят горизонтали, которые называются гидроизогипсами. По гидроизогипсам определяют уклоны грунтовой воды.
Рельеф осушительного участка представляет собой водораздел.
Определение уклона осушительного участка
I = h/l
Iмах = 0,4/300=0,0013
Iср = 0,8/450=0,0017
Iма in = 0,4/150=0,0026
Iср = 0,0013+0,0015+0,0026 =0,0018‰
3
Определение типа заболачивания
Если заболоченность > 10-15% - низинное заболачивание
< 4,5% - верховое заболачивание
5-10% - переходное заболачивание
Если тип леса травяно-болотный, то низинное болото. Если зольность меньше 4,5%, но кроме сосны еще что-то растет, то это переходной тип.
На данном участке тип заболачивания: низинное заболачивание
Проектирование осушительной системы
Осушительная система состоит из:
· Гидротехнические сооружения (мосты, трубопереезды, труопереходы, перепады, быстротоки )
· Осушительные сети
- водоприемник (река)
-проводящая сеть (магистральный канал и собиратели)
-регулирующая сеть (осушители)
-оградительная сеть (нагорные каналы, ловчие каналы)
нагорные каналы – перехватывают только поверхностный сток
ловчие каналы – перехватывают грунтовые воды, глубина 2 м
На данном участке:
Водоприемник- река Тосна.
Магистральный канал отсутствует. Есть 4 собирателя. Осушители № 1-4 впадают в собиратель 1, осушители № 5-8 впадают в собиратель 2, осушители № 9-12 впадают в собиратель 3, осушители № 13-16 впадают в собиратель 4.
Оградительная сеть- 2 нагорных канала перехватывающие поверхностный сток с территории находящейся выше, осушаемого участка, по склону. Нагонный канал 1 впадает в осушитель 1, нагорный канал 2 впадает в осушитель 2.
Вместо просеки строится проезжая дорога, поэтому осушители 9-16 делаются с поворотом.
Для проезда по просекам и дороге предусматривается устройство мостов и трубопереездов.
Определение количества осушителей и конкретного расстояния между ними
Так как глубина торфа 0,6 м, подстилаемый крупнозернистым песком. Заболачивание низинное, то расстояние между осушителями 250-340 м. Так как участок располагается в Вологодской области, то используется территориальный коэффициент равный 0,85.
Расстояние между осушителями 212,5-289 м.
Так как уклон меньше 0,005 ‰, то расстояние между осушителями увеличивать не надо.
Расчеты:
С-1: 930/250=4 осушителя
930/4=233 м (расстояния между осушителями)
С-2: 910/250=4
910/4=227,5 м
С-3: 920/250=4
920/4=230
С-4: 910/250=4
910/4=227,5 м
Глубина осушительных каналов
Тпр =Т0 +H0
Тпр - проектная глубина канала
Т0 - глубина канала после осадки торфа
H0 - осадка торфа
Т0 =1 м.
Тпр =Т0 *m
m- коэффициент который учитывает плотность торфа
m=1,5
Тпр =1*1,5=1,5 м.
Так как глубина торфа меньше проектной глубины канала, то расчет продолжаем через осадку торфа.
Тт ′=Тт
m
Тт ′- мощность торфа после осадки
Тт - мощность торфа
Тт ′=06/1,5=0,4 м.
Н0 =Тт -Тт ′
Н0 =0,6-0,4=0,2 м.
Тпр =0,2+1,0=1,2 м.
| Наименование канала | Глубина канала после осадки торфа | проектная глубина канала |
| Осушитель | 1,0 | 1,2 |
| нагорный канал | 1,0 | 1,2 |
| Собиратель | 1,15 | 1,35 |
Коэффициенты откосов осушительных каналов
Коэффициенты откосов(m) характеризуют крутизну откосов.
Коэффициенты откосов должны быть меньше mос <mнк <mсоб <mмк
mос =1,5 песок
mнк =1,75 песок
mсоб =2,0 песок
. Поперечный профиль осушителя
В=в+2l
В- ширина осушителя
в- ширина осушителя по дну (0,3 м)
L=Тпр *m=1,5*1,2=1,8
В=0,3+2*1,8=3,9 м.
Гидрологический и гидравлический расчеты
Гидрологический расчет
· Расчет производится для вод максимального объема послепаводкого периода весны.
Водосборная площадь транспортирующего собирателя 13175га.
· Положение расчетного горизонта воды в канале (hр )
hр =Т0 -0,3=1,15-0,3=0,85 м.
· Определение расчетного модуля стока методом Аналога
Река Тосна F=131700 га
Обеспеченность принимаем равную 20%
q=0,081 л/с га
Qводосбора =qF
Для перехода от q наблюдаемого к q расчетное используют формулу:
qр =qн F н л/с га
Fр
qр =0,081* 131700/13175=0,14 л/с га
Qв =qр *Fр
Qв =0,14*13175=1780,1 л/с
Гидравлический расчет
Расход воды по каналу по формуле:
Qк =wυм3 /с
Скорость течения воды по формуле равномерного движения воды в открытых водотоках
υ=с√Ri формула Шизи
i- уклон дна канала в рассчитываемом сечении
в=0,4 м.
m=2
Площадь живого сечения
w=(в+m*hр )*hр
w=(0,4+2*0,85)*0,85=1,785 м2
Смоченный периметр
χ=в+2hh √1+m2
χ=0,4+2*0,85 1+22 =4,208 м.
Гидравлический радиус
R=w
χ
R=1,785/4,208=0,42 м.
Скоростной коэффициент С, по формуле Н.Н.Павловского
С=1 Rу
n
n- коэффициент шероховатости русла, равен 0,03
у- переменный показатель степени
у=1,5√n, при R<1
у=1,5√0,03=0,26
С= 1 *0,42026 =26,64
0,03
υ=26,64 0,42*0,0015 =0,66 м/с
Qк =1,785*0,66=1,2 м3 /с =1200л/с
Qк =Qв ±5%
1200=1844,5 ±5%
Принятая ширина по дну принятая за 0,4 м недостаточна. Производим подбор канала по дну и повторяем расчет
в=1,1 м.
m=2
w=(1,1+2*0,85)*0,85=2,38 м2
χ=1,1+2*0,85 1+22 =4,9 м.
R=2,38/4,9=0,49 м.
у=1,5√0,03=0,26
С= 1 *0,49026 =27,7
0,03
υ=27,7 0,49*0,0015 =0,75 м/с
Qк =2,38*0,75=1,785 м3 /с =1785л/с
Qк =Qв ±5%
1785=1844,5 ±5%
Объемы земляных работ
Объем выемки грунта на 1 га осушаемой площади следует вычислить отдельно по проводящим и регулирующим каналам и общий объем грунта разделить на всю осушаемую площадь, определяемую по плану задания.
S=364 га
Vпр= Σобьемов выемки собирателей
Vпр =14952,4 м3
Vпр = 14952,4/364=41,1 м3 /га
Vрег =Σ обьемов выемки осушителей + НК
Vрег =49186 м3
Vрег =49186/364=135,1 м3 /га
V=(Vпр +Vрег )/S
V=(14952,4+49186)/364=176,2 м3 /га
Объем выемки грунта вычисляют между каждой парой соседних пикетов по формуле:
V=F 1 + F 2 *l
2
F1 и F2 - площади поперечных сечений канала на двух соседних пикетах, м2 ; l- расстояние между этими пикетами, м; V- объем выемки между пикетами, м3
Площадь поперечных сечений на каждом пикете вычисляют как площадь трапеции:
F=b + B *Tпр
2
F0 =((0,3+3,9)/2)*1,2=2,52 м2
F1 =((0,3+3,87)/2)*1,19=2,5 м2
F2 =((0,3+3,84)/2)*1,18=2,5 м2
F3 =((0,3+3,78)/2)*1,16=2,4 м2
V0-1 =((2,52+2,5)/2)*100=251 м3
V1-2 =((2,5+2,5)/2)*100=250 м3
V2-3 =((2,5+2,4)/2)*100=245 м3
ВЕДОМОСТЬ
Объема земляных работ по устройству транспортирующего собирателя№1
№ пике- тов |
Глубина канавы в м | Ширина канавы | Площадь поперечного сечения в м2 | Средняя площадь поперечного сечения в м2 | Расстояние между пикетами в м | Объем выемки в м | Коэф. откоса | |
| по дну в м | по верху в м | |||||||
| 0 | 1,35 | 1,1 | 6,5 | 5,13 | 4,9 | 100 | 490 | 2,0 |
| 1 | 1,29 | 1,1 | 6,26 | 4,7 | ||||
| 4,65 | 100 | 465 | 2,0 | |||||
| 2 | 1,27 | 1,1 | 6,18 | 4,6 | ||||
| 4,6 | 100 | 460 | 2,0 | |||||
| 3 | 1,27 | 1,1 | 6,18 | 4,6 | ||||
| 4,75 | 100 | 475 | 2,0 | |||||
| 4 | 1,32 | 1,1 | 6,38 | 4,9 | ||||
| 5 | 100 | 500 | 2,0 | |||||
| 5 | 1,35 | 1,1 | 6,5 | 5,13 | ||||
| 5,13 | 100 | 513 | 2,0 | |||||
| 6 | 1,35 | 1,1 | 6,5 | 5,13 | ||||
| 5,16 | 100 | 516 | 2,0 | |||||
| 7 | 1,36 | 1,1 | 6,54 | 5,2 | ||||
| 5,25 | 100 | 525 | 2,0 | |||||
| 8 | 1,37 | 1,1 | 6,58 | 5,3 | ||||
| 5,25 | 100 | 525 | 2,0 | |||||
| 9 | 1,36 | 1,1 | 6,54 | 5,2 | ||||
| 5,25 | 100 | 525 | 2,0 | |||||
10 |
1,38 | 1,1 | 6,62 | 5,3 | ||||
| 2,21 | 40 | 88,4 | 2,0 | |||||
10+40 |
1,35 | 1,1 | 6,5 | 5,13 | ||||
| Итого | 1040 | 5082,4 | ||||||
10. Степень канализации
Степень канализации- это протяженность каналов (в метрах) на га осушаемой площади. Степень канализации вычисляется отдельно для проводящей и регулирующей сети и для всей осушаемой сети путем деления протяженности всех каналов на осушаемую площадь.
L=(lпр +lрег )/S
lпр =С-1+С-2+С-3+С-4
lпр = 3390 м
lпр =3390/364=9,3 м/га
lрег =НК1+НК2+ОС1+ОС2+…+ОС18
lрег =19510 м
lрег =19510/364=53,6 м/га
L=(3390+19510)/364= 63 м/га
11.Строительство осушительной сети
Fраз = Ширина разрубки * длина разрубки
Ширина разрубки: для осушителя 12м
Для собирателя 15м
Fраз = 15*3390+12*17880+12*1630=28,4 га
Fкорч = (В + 1м)L
Fкорч = (6,5+1)1040+(5,8+1)2350+(3,9+1)17880+(4,4+1)1630=12,0 га
Строительство осушительной сети
СВОДНАЯ ВЕДОМОСТЬ
Объема земляных работ по всей осушительной сети
№№ канав |
Наименование канав | Длина канав в м | Глубина канав в м | Ширина канав | Площадь поперечного сечения в м2 | Объем выемки в м3 | Коэф. откоса | ||||
| по дну в м | по верху в м | ||||||||||
| Собиратель№1 | 1040 | 1,35 | 1,1 | 6,5 | 5,13 | 5082,4 | 2,0 | ||||
| Собиратель№2 | 690 | 1,35 | 0,4 | 5,8 | 4,2 | 2898 | 2,0 | ||||
| Собиратель№3 | 930 | 1,35 | 0,4 | 5,8 | 4,2 | 3906 | 2,0 | ||||
| Собиратель№3 | 730 | 1,35 | 0,4 | 5,8 | 4,2 | 3066 | 2,0 | ||||
| Итого | 3390 | 14952,4 | |||||||||
| осушитель№1 | 1010 | 1,2 | 0,3 | 3,9 | 2,5 | 2525 | 1,5 | ||||
| осушитель№2 | 900 | 1,2 | 0,3 | 3,9 | 2,5 | 2250 | 1,5 | ||||
| осушитель№3 | 900 | 1,2 | 0,3 | 3,9 | 2,5 | 2250 | 1,5 | ||||
| осушитель№4 | 900 | 1,2 | 0,3 | 3,9 | 2,5 | 2172 | 1,5 | ||||
| осушитель№5 | 1000 | 1,2 | 0,3 | 3,9 | 2,5 | 29-04-2015, 00:59 Разделы сайта | |||||