Движение жидкости, закон движения жидкости в открытых водотоках. Уравнение бернули

↑

▷ Содержание

Стр 1 из 5Следующая ⇒

1.История развития гидромелиоративной науки и курса.
       Самый древний вид гидромелиорации - обводнение и орошение. В России впервые гидромелиорации были осуществлены в начале 18 века в окрестностях Петербурга, для улучшения вида посещаемых населением мест.
       В 1965-1969 годах облизовались лесные машинно-мелиоративных станции (ЛММС). Осушительные работы стали интенсивно развиваться в конце 50 - начале 60-х годов 20 века.
       Наиболее существенный вклад в гидромелиоративную науку внес академик А.Д. Дубах. Первые его работы опубликованы еще в 1908 году. Также, большой вклад внём академик Л. Костяковым. Он подготовил учебник «Основы мелиораций», последнее издание которого было в 1960 году.
       Профессор Х. А. Писарьков проработал в Ленинградской лесотехнической академии около до 45 лет. Им много было сделано для гидромелиоративной науки: выделены виды водного питания осушительных каналов, предложены формулы для определения коэффициентов фильтрации и др. На основе многолетних исследований в лесных насаждениях Лисино установлены нормы осушения для основных лесообразующих пород в зависимости от возраста древостоя и характера почв.
       Наиболее часто осушаемыми объектами являются болота. Профессорами К. Е. Ивановым и В.Д. Лопатиным была выделена их гидрология. Они определили наличие двух различных горизонтов в строении торфяной залежи - деятельного и инертного.
Развитие гидромелиорации основывалось на исследованиях результатов осушения . Вклад внесли М. Кравчинской и Е. Д. Сабо. Его работы позволили уточнить оценку эффективности осушения. Он внедрил вычислительные машины в проектирование осушительных систем.
       С течением времени исследования результатов осушения перешли в стадию стационарных. Прекрасные стационары созданы учеником Х.А. Писарькова С.Э. Вомперским.
       Стационарные исследования проводятся с 1961 года кафедрой почвоведения и лесных культур СПБГЛТУ под руководством проф. Б.В. Бабикова. В Ленинградской области три стационара: Ушакинский, Тосненский и Малиновский. Гидромелиорация обеспечивает повышение продуктивности лесов и стабилизацию их состояния. Она важна в садово-парковом строительстве и в ландшафтном хозяйстве.

2.Круговорот воды в природе. Водный баланс, его элементы. Уравнение водного баланса
       Вода в природе совершает круговорот между гидросферой, почвой и атмосферой.
Это происходит под влиянием солнечной радиации, вызывающей испарение.
       Есть два типа влагооборота – большой и малый.
       Большой, влагооборот происходит, когда пар с океанов переносится на материки потоком ветра, где выпадает в виде осадков и возвращается в океан в виде стока.
       Малый влагооборот происходит на меньших пространствах. Он бывает океаническим, когда пар, поднявшийся с поверхности океанов снова выпадает в океан в виде осадков, и внутриконтинентальный, когда влага, испарившаяся с поверхности суши, вновь выпадает на сушу в виде атмосферных осадков.

Водный баланс - соотношение прихода и расхода влаги за определенный интервал времени. Его принято выражать уравнением, которое составляют для определенного участка территории: бассейна, реки, страны, материка или земного шара в целом . Составляя уравнение водного баланса, необходимо учитывать изменение запасов влаги в бассейне (в многоводные годы оно может быть положительно, а в маловодные - отрицательно).
       Уравнение водного баланса: О= С+ Е ± ΔW ± ΔU,
где О - осадки ;
С - сток;
Е - испарение (суммарное),
ΔW - изменение запасов влаги в бассейне ;
ΔU - подземный водообмен с прилегающими участками.
При больших водосборах и длительных наблюдениях можно использовать более простое уравнение водного баланса: О= С+ Е ± ΔW.
Уравнение для многолетнего периода: О= С+ Е
Уравнение водного баланса позволяет установить степень обводненности территории, выявить избыток или недостаток влаги.
Норма гидрологических величин - средние многолетние значения составляющих уравнения водного баланса, которые не меняются при увеличении длительности периода наблюдений.
       Элементы водного баланса:
1. Атмосферные осадки.
Осадки оказывают огромное влияние на заболоченность территорий. На величину осадков существенное влияние оказывает лес: задерживает снег, способствует замедлению стока талых вод весной и пр.
2. Испарение.
Испарение - процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в парообразное.
Суммарное испарение - общий расход влаги на физическое испарение и транспирацию.
3. Сток - движение воды по поверхности земли, а также в толще почв и горных пород в процессе круговорота её в природе.

3.Зоны увлажнения, обоснования их выделения, практическое значение на примере Европейской части России.
Академик А.Н. Костяков выделил следующие зоны увлажнения:
1)устойчивое увлажнение (коэф. отношения осадков к испарению превышает 1);
2)неустойчивое увлажнение (величина осадков близка к величине испарения). Нужно орошать и поливать;
3)недостаточное увлажнение (испарение превышает осадки). Необходимо орошать.
       Польдерная система - осушительная система с полным или частичным ограждением земель для защиты осушаемой территории от затопления.Создание польдерных водооборотных систем позволяет аккумулировать дренажный сток в искусственно созданном водохранилище или пруде и использовать его в периоды засухи для полива. Такие системы дают возможность утилизировать удобрения, повторно вынесенные из почвы с дренажными водами, и предотвращать загрязнение воды химическими веществами, содержащимися в дренажных водах.

4.Водосборная площадь и способы ее определения.
       Водосборная площадь - это площадь, с которой стекает вода в водоток (реку, ручей, осушительный канал). Почти синонимом водосбора является понятие бассейн. Определение водосборной площади необходимо для гидрологический и других расчетов.
       Водосборные площади для водотока или его части определяются по картам (планам) с горизонталями или без горизонталей. Границей водосборной площади служит водораздельная линия (водораздел), проходящая по наивысшим точкам местности. На топографических картах, где есть горизонтали, площадь определяется наиболее точно.
       Если на картах есть гидрографическая сеть, тогда площадь определяется наименее точно, а еще менее точно, если используется физическая карта.
       Если на карте нет рельефа, то смотрят на косвенные признаки (расположение дорог, населенных пунктов, верховые болота и пр.).
       Если нет таких ориентиров, то водораздельная линия проходит посередине между водотоками, оврагами.

5.Факторы стока.
Сток - движение воды по поверхности земли, а также в толще почв и горных пород в процессе круговорота её в природе.
Факторы стока:
1. Гидрогеология и геоморфология. Влияние на сток оказывает сложение и состав слоев горных пород, глубина залегания водоносных и водоупорных горизонтов, направление и величина их уклона.
2. Величина и форма водосборной площади. При больших водосборных уменьшается сток. Если форма водосбора вытянута вдоль водотока, то потери стока меньше, чем на водосборе, примыкающем к водотоку короткой стороной.
3. Климатические факторы. Атмосферные осадки, температура и влажность воздуха, температура испаряющей поверхности.
4. Озерность и заболоченность водосборов. Озера воздействуют на сток по двум направлениям: накапливая воду половодий и паводков и отдавая ее в межень.
5. Болота аккумулируют сток, поскольку моховая растительность – мощный накопителем влаги. Сток воды из болот происходит слабо.
6. Растительность. Лесная подстилка обладает большой аккумуляционной емкостью и высокой фильтрационной способностью – лес поверхностный сток переводит в почвенный.
7. Водохранилища, аккумулируя воду периода половодий и паводков, позволяют обеспечивать подачу воды в реки по мере необходимости в маловодные периоды.

6.Характеристики стока. Расчетные формулы.
Количественно сток характеризуется объемом, модулем, коэффициентом и слоем.
Объем стока W_c - объем воды, стекающей с водосбора за определенный интервал времени:
                                                                W_c = Qt,
Q - средний расход воды, м³/с; t - время расчетного периода.
Модуль стока q - количество воды, стекающей с единицы площади водосбора в единицу времени, л/с с 1 га или м³/с с 1 км²
                                                                q = Q/F,  
q - модуль стока; Q - расход воды в водотоке, л/с; F - величина водосборной площади, га. Слои стока h_CT - величина, показывающая какой будет слой воды, если сток равномерно распределиться по площади водосбора, мм:
                                                           H_ст=0,1*W_с/F,
W_c - объем стока, м³; F - площадь водосбора, м²
Годовой слой стока (мм/год) по модулю стока можно вычислить по формуле
                                                             h_cт = 3154q,  
q - среднегодовой (или средний за период) модуль стока, л/с с 1 га.
Коэффициент стока δ - отношение величины (объема или слоя) стока к количеству выпавших на площадь водосбора осадков, обусловивших сток:
                                                              δ = С/О,  
С - величина стока; О - величина осадков.
Средняя многолетняя величина стока называется нормой стока.

7.Методы изучения стока.
Метод стоковых площадок.
Стоковые площадки устраивают на местности, имеющей уклон с определенной площадью водосбора. Во избежание притока поверхностных вод по границам стоковых площадок устраивают оградительные канавки. Для предотвращения притока грунтовых вод на необходимую глубину врезают водонепроницаемый экран из глины или бетона. В нижней части склона площадки устраивают сооружения для сбора воды. На стационарных стоковых площадках в нижней части площадок устраивают траншеи, собирающие воду, и сооружают землянки, в которых устанавливают емкости для сбора воды.
Особенности режима стока с осушенных земель и определение суммарного испарения на основе метода баланса проводят на небольших водосборах с помощью гидрометрических водосливов. При устройстве водосливов на каналах строят простейшие плотины с вырезом определенного сечения для пропуска воды. Определяют площадь водосбора, с которого стекает вода в данный канал (каналы).
Расход воды через водослив вычисляют по величине напора путем измерения уровней воды с помощью самописцев. Расход воды рассчитывают по формулам расхода или по кривой расхода, построенной для данного водотока.
При определении стока с больших водосборов используют гидрологические посты на реках.

8.Вред избыточного увлажнения. Требования растений к водно-воздушному режиму почв.
В условиях избыточного увлажнения возникает недостаток кислорода,что негативно сказывается на растениях.В почвепоявляется больше CO₂ (1,5-6%). Норма для атмосферы-0,04%.В переувлажненной почве уменьшается газообмен, замедляются микробиологические процессы, снижается температура в среде обитания корней, что может привести к их отмиранию. Поэтому необходим осушительный дренаж.

Требования растений к водно-воздушному режиму почв.
Для развития и роста необходимы одновременно свет, тепло, вода, воздух и питание. В период вегетации растение потребляет огромное количество воды (99,8 %) на транспирацию, и только 0,2 % — на построение своих органов. В растении идет постоянный ток воды от корней к листьям. Чтобы растение нормально развивалось, этот ток должен пополнять все потери воды на испарение через листья, то есть в почве всегда должен быть достаточный запас эффективной влаги. Для удовлетворения этого требования влажность почвы должна быть всегда близка к ее наименьшей влагоемкости.Одновременно с водой в почве должен быть и кислород, который непрерывно расходуется на дыхание корней растений и аэробных бактерий, на окислительные процессы, происходящие в почве.Сильное повышение температуры почвы задерживает рост корней, уменьшает растворимость кислорода в воде. Поэтому условия внешней среды должны соответствовать биологии развития растений.

По характеру скорости и расхода движение воды бывает:

1. Установившееся движение - движение, при котором скорость и расход воды, а следовательно, и давление во всех точках потока неизменны за рассматриваемый промежуток времени. Такое движение наблюдается в реках, когда уровень воды остается неизменным.

2. Неустановившееся движение - движение, при котором скорость и расход воды в пределах рассматриваемого периода меняются, например, в реке при изменении уровней.

По характеру перемещения потока по длине водотока установившееся движение подразделяется на:

1. Равномерное - движение воды, при котором форма и площадь поперечного сечения русла, а также средние скорости и скорости во всех точках потока по длине одинаковы.

2. Неравномерное движение отличается изменяемостью площадей сечения потока, глубин, скоростей потока по длине.

По характеру режима движение воды подразделяется на:

1. Ламинарное движение - перемещением воды без перемешиваний струй. Такой режим наблюдается при движении грунтовых вод или воды в тонких капиллярных трубках.

2. Турбулентное движение - перемешивание частиц воды, которые кроме поступательного движения с большими скоростями имеют и вращательное движение. Такой режим наблюдается в трубах, реках, каналах и т.п.

По характеру сил, вызывающих движение жидкости:

1. Безнапорное движение происходит под действием сил тяжести . Поверхность потока не ограничена, находится под атмосферным давлением. Этот вид движения наблюдается в реках, каналах, трубах при неполном их заполнении.

2. Напорное движение происходит под действием давления (напора), создаваемого насосами, водонапорной башней или при подаче воды по трубам из прудов, располагающихся выше потребителей (например, петергофские фонтаны) и т.п.

Движение воды характеризуется уравнением Бернулли:

где Z1 и Z2 - геометрическая высота центров тяжести потока в сечениях 1- 2;
Р1 и Р2:, - гидростатическое давление;
у -удельная масса воды;
V1 и V2 - скорости движения воды;
а - поправочный коэффициент на среднюю скорость потока;

Р1/ У, Р1/У - пьезометрическая высота давления в сечениях 1 и 2;

Z1+ Р1/ У, Z1+ Р1/ У - пьезометрический напор, характеризующий удельную потенциальную энергию в сечениях I-II;
V1(2)/2g и V2(2)/2g - скоростной напор, характеризующий удельную кинетическую энергию в сечениях 1 и 11;
h (w)- потери напора или удельной энергии.
Все величины имеют размерность скорости.

10.Течение воды через водосливы, их хар-ка и значение. Расчет расходов воды.
Течение воды через водосливы.
Водослив – установленная на пути движения водного потока преграда, через которую переливается вода.
Преграда может быть сплошной или с вырезом в ней разной формы.
Порог – участок, где происходит перелив воды.
Напор – превышение уровня воды перед водосливом над порогом. Измеряют на расстоянии 3-5 величин напора от порога.
В зависимости от формы водосливного отверстия водосливы подразделяются на прямоугольные, трапециевидные и треугольные. Разделяют водосливы и по толщине порога (толщине стенки). Если толщина порога составляет не более 0,5Н, то их относят к водосливам с тонкой стенкой, если более 2Н, то - с широким порогом. На пропускную способность водослива влияет уровень воды ниже водослива. Расход воды через водослив определяют по формуле,
 
где Q - расход воды, м3/с;
b - ширина порога, м;
Н - величина напора, м;
µ - модуль расхода воды для незатопленных водосливов, равный 1,95.

Расход воды через прямоугольный водослив с широким порогом определяют по формуле
 
где т - коэффициент расхода (0,38-0,39).
  
Расход воды через водослив с тонкой стенкой прямоугольного (Qп), трапецеидального (Qтп) и треугольного (QTP) сечений определяют по формулам:

11. Расход грунтового потока.
           Скорость фильтрации грунтовых вод определяют по формуле Дарси.
                                                            V = K*i,
где К - коэффициент фильтрации. Для разных почв он отличается; i - уклон.
       Для определения уклона грунтовых вод на местности по углам треугольника, близкого к равностороннему, устраивают три скважины. Стороны треугольника измеряют, 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 определяю уклоны грунтовой воды. Расход воды грунтового потока определяется по формуле Q = õ ù. Площадь поперечного сечения грунтового потока ω определяют умножением глубины потока H на его ширину B.

12. Виды фонтанов. Конструкция самотечных фонтанов. Источники воды. Как обеспечивается напор
По типу расположения:
       Наземный фонтан (фонтан с чашей) – гидротехническое сооружение, состоящее из основного резервуара, заполненного отфильтрованной водой, а также системы водонесущих труб, насосов, фильтров и другого оборудования, задействованного в создании водных форм. Это самый распространенный, классический вид фонтана.
       Подземный (сухой, плоскостной, пешеходный) фонтан – наиболее современный вид городских фонтанов, особенностью которого является отсутствие привычного резервуара для хранения воды. Чаша скрыта от глаз и находится ниже уровня земли. Она состоит из серии сообщающихся каналов различной глубины, диаметра и протяженности.
По разновидности динамики водной картины:
- статические фонтаны
- динамические фонтаны
- светодинамические фонтаны
- светомузыкальные фонтаны
По типу:
- Струйный фонтан
- Тип «колокол»
- Тип «тюльпан»
- Тип «рыбий хвост»
- Тип «Тиффани»
- Полушарие
- Кольцо
- Одиночный распылитель
- Ярусный распылитель
       Конструкция самотечных фонтанов:
Расположить водоем-источник на возвышении относительно самого фонтана, что обеспечивает напор за счет разницы высот.
       Питание фонтанов может осуществляться из рек, прудов, водородов, или других источников с подачей воды к фонтанам по трубам.  
       Напор воды создаётся или высоким расположением источника воды ( пруд, озеро), из которого вода поступает в трубу, или насосами.

13.Расчет расхода воды фонтанов.
       Питание фонтанов может осуществляться из рек, прудов, водородов, или других источников с подачей воды к фонтанам по трубам.
       Гидравлический расчет фонтана сводится к определению расходов воды и высоты фонтанных струй. Движение воды в фонтанных трубах происходит за счет гидростатического давления вызываемого гидростатическим напором Н. Если источник питания расположен выше фонтана, то напор воды при движении по трубам теряют напор на преодоление сопротивлений по длине трубопровода и на создании скорости при выходе воды из насадки в атмосферу (Н=h_дл+h_о)
     Истечение воды из отверстия можно определение по формуле Торичелли, м/с:
                                                             V= √ 2gh,
где g – ускорение свободного падения, м/с;
Н - напор над центром отверстия, м.

Вследствие сжатия струи происходит потеря напора и снижение скорости, поэтому необходимо ввести коэффициент скорости . Расход через отверстие определяется по формуле:
,
коэффициент сжатия и коэффициент скорости, определяющие расход, можно заменить коэффициентом расхода
                                                      
Если отверстие затоплено и истечение происходит под уровень воды то в формуле применяют разность уровней перед отверстием и за отверстием.

14.Режимы уровней воды в реках. Графики частоты и обеспеченности. Гидрологические и водомерные посты. Их типы.
       Гидрологический режим - совокупность закономерно повторяющихся изменений состояния водного объекта. Основные характеристики: уровень, скорость и расход воды.
Фазы водного режима реки:

1. Половодье - фаза водного режима, характеризующаяся наибольшей водностью, высоким и длительным подъемом уровня воды и вызываемая снеготаянием или совместным таянием снега и ледников.

2. Паводок - фаза водного режима, характеризуется интенсивным, кратковременным увеличением расходов и уровней воды и вызывается дождями или снеготаянием во время оттепелей.

3. Межень - фаза водного режима, характеризующаяся малой водностью, длительным стоянием низких уровней воды и возникающая вследствие сокращения водного питания рек.

По результатам наблюдений строят графики частота и обеспеченности.
График частоты: уровень воды разбивают на интервалы (10-15), измеренные уровни группируют по интервалам, на миллиметровке откладывают число дней стояния горизонтов в пределах данного интервала (на середине интервала).
График обеспеченности: дни стояния воды в интервалах суммируют от верхних к нижним, определяют количество дней стояния воды выше уровня, точки ставят по нижним границам интервалов, обеспеченность показывает сколько дней уровень был не ниже заданного.

Гидрологические посты устраивают для систематических наблюдений на реках при изучении режима. Водомерный пост входит в состав гидрологического поста.
Свайный: прямой участок реки, без подпора воды, на суше устанавливают репер, на берегу и по дну устанавливают сваи (перпендикулярно течению), превышение свай 0,6-0,8м, на 0,5м выше максимального и ниже минимального уровня воды, сваи металлические или деревянные (лиственница, дуб).
Реечный: при колебаниях до 5 м, на обрывистом берегу, набережной или опоре моста устанавливают рейку (2×0,13×0,25).
       Пост с самописцем: будка, колодец, соединенный трубой с водотоком, столик с самописцем.

15.Теоретическая кривая обеспеченности расходов.
       Расходы воды в реках используют для определения расчетных модулей стока по фактическим наблюдениям,для вычисления величины твердого стока, для планирования водохозяйственных мероприятий.
       При проектировании осушительных систем необходимо знать их обеспеченность (вероятность превышения). Обеспеченность вычисляется в процентах. Обеспеченность наглядно характеризуется кривой обеспеченности. Вследствие большой изменчивости расходов для построения кривой обеспеченности необходимо иметь достаточно продолжительный ряд наблюдений (не менее 30-50 лет). Иногда приходится ограничиваться краткими (15-20 лет). Построение кривой предшествует обработка результатов наблюдений. В основу обработки положены методы математической статистики.
1. Определяют среднеарифметическую величину расходов Q(среднее значение)
                                                            
2. Вычиляют модульный коэффициент( К)
                                                                

3. Находят коэффициент вариации (N-число лет наблюдений)

Кривая обеспеченности обычно ассиметрична относительно среднего значения, ее характеризует коэффициент ассиметрии C_s

4.Вычисляют эмпирическую обеспеченность каждого члена ряда по формуле Чегодаева.

m-порядковый номер члена ряда. N-общее число членов ряда.

5. Для построения теоретической прямой обеспеченности, вычисляют ординаты кривой

Познавательные статьи:



Алгоритмические операторы Matlab

Конструирование и порядок расчёта дорожной одежды

Исследования учёных: почему помогают молитвы?

Почему терпят неудачу многие предприниматели?