авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Сток ливневых вод на основе паводковой волны для сооружений автомобильных дорог и аэродромов

-- [ Страница 2 ] --

Рис. 4. Схема расчета стока со склоновых элементарных

площадок (а) и по руслу (б)

В сравнении с кривой хода ливней 50 – х годов прошлого столетия можно сказать, что максимальная интенсивность ливней на современном этапе наблюдается в начальный период хода. Что приводит к более интенсивной водоотдаче поверхности водосборных бассейнов, пересекаемых трассой автомобильных дорог. Всего был наблюден 41ливень. По результатам наблюдений получена экспериментальная зависимость хода ливней

% (5)

Для сопоставления рассчитанных гидрографов с натурными были взяты материалы наблюдений Подмосковной воднобалансовой станции, Центральной Высотной Гидрометеорологической обсерватории. Так как разработанная математическая модель стока ливневых вод предполагает сток по сухому водосбору, то для экспериментальных расчетов были взяты данные по логам Лызлово и Кулибин. Сведения о водосборах воднобалансовой станции приведены в таблице 1.

Натурные гидрографы ливневого стока сравнивались с рассчитанными на разработанной математической модели реализованной по программе «LIVSTOK» для ПЭВМ.

Таблица 1

№ п/п Название водотока Площадь водосбора, км2 Длина тальвега, км Средняя ширина водосбора, км Средний уклон тальвега, % Площадь угодий (в % от площади водосбора)
сельхоз. луг лес
1 Лог Лызлово 1,76 1,3 0,7 16,1 20 70 10
2 Лог Кулибин 0,44 0,82 0,32 42,6 20 70 10

Кривые хода дождей для экспериментальных расчетов взяты соответствующими реальному изменению хода дождя во времени. Таким образом, адекватность модели ливневого стока устанавливается на основе натурных пар «дождь-гидрограф», с реально существующих водосборных бассейнов.

На рисунке 6 приведены натурные и рассчитанные гидрографы ливневого стока с рассмотренных водосборов.

Рис. 5. Натурные и рассчитанные гидрографы стока:

1 – гидрограф, полученный путем математического моделирования, 2 – реальный гидрограф стока, 3 – кривая хода дождя, 4 – кривая хода потерь поверхностного стока на впитывание в грунт

Результаты сравнения по критерию Фишера натурного и рассчитанного гидрографа приведены в таблице 2.

Кроме названных водосборов для проверки адекватности математической модели стока ливневых вод были использованы материалы наблюдений Кисловодской метеостанции, входящей в Ставропольский краевой центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Для проверки математической модели стока был взят ливень, прошедший над водосборными бассейнами в ночь на 21 июня 2001г. Согласно данным МС «Кисловодск», количество осадков, выпавших на поверхность водосборных бассейнов, составило 150,2 мм за 8 часов 15 минут (рис. 6).

Рис. 6. Кривая хода ливня и кривая хода потерь

Рис. 7. Графики изменения глубин: 1 – рассчитанный; 2 – реальный

Таблица 2

№ п/п Гидрограф (лог, дата) S2{y}ост S2{y}общ.опыт. Fопыт. Fтабл.
1 2 3 4 5 6 Лог Лызлово, 13.08.73г. Лог Лызлово, 11.08.80г. Лог Кулибин, 11.08.80г. Лог Кулибин, 24.07.80г. г. Кисловодск, водосбор №1 г. Кисловодск, водосбор №2 153.76 92,2 0,153 0,15 1,61 4,57 980.47 893,52 4,85 7,7 9,47 35,15 0,157 0,103 0,03 0,02 0,17 0,13 2.1 2,1 2,1 2,1 2,1 2,1


Наблюдения за ходом изменения глубин выполнялись с интервалом в 1 час. Реальный и моделированный график хода изменения глубин во времени представлены на рисунке 7. Во всех сравниваемых гидрографах Fопыт. <Fтабл.. Следовательно, математическая модель ливневого стока с достаточной степенью достоверности описывает исследуемое явление.

4. Экспериментальные исследования процесса формирования стока ливневых вод методом математического моделирования.

Расчет стока ливневых вод при проектировании водопропускных сооружений на автомобильных дорогах должен учитывать сложный процесс одновременного взаимодействия комплекса показателей, характеризующих водосборный бассейн с одной стороны и комплекса показателей, характеризующих гидрометеорологические процессы с другой стороны. К комплексу показателей, характеризующих водосборный бассейн, следует относить: степень развития гидрографической сети, уклоны склонов и русел, показатели гладкости склонов и русел, характеристики грунтов по впитывающей способности, и других параметров. К комплексу параметров, характеризующих гидрометеорологические процессы, относятся такие как: слой выпавших осадков, продолжительность ливня, направление прохождения ливневого фронта относительно простирания главного тальвега водосбора, скорости прохождения ливневого фронта над водосбором и другие показатели, учитывающие пространственную неоднородность параметров.

Процесс взаимодействия перечисленных параметров и учет влияния каждого из них на формирование максимальных расходов, объемов стока и уровней ливневых сточных вод устанавливались путем проведения экспериментальных расчетов с применением математической модели, представленной в главе 2 данной работы.

Для проведения экспериментальных расчетов по установлению влияния метеорологических характеристик на формирование стока были взяты водосборные бассейны различной конфигурации и структуры (табл.3). А так же были взяты два реальных ливня из полученных по результатам наблюдений – самый ко-

Таблица 3 Параметры экспериментальных водосборов


Номер
п / п
Длина водосбора по главному тальвегу, м Ширина водосбора в средней части, м Площадь
водосбора
км
Уклон по
тальвегу, ‰
Шаг
горизонталей, м
Отношение B/L
1 2 3 4 5 6 7
1 1460 600 0,74 1,1 0,5 0,4
2 3000 300 1,00 0,5 0,5 0,1
3 1000 850 0,75 1,0 0,5 0,85
4 1340 1210 1,16 1,1 0,5 0,9
5 1220 520 0,52 3,0 0,5 0,42
6 3200 2010 4,76 8,5 5,0 0,62
7 5400 2780 10,77 8,0 5,0 0,51

а) б)

Рис. 8. Изменение расчетного слоя стока во времени

для: а) - самого короткого ливня; б) - самого продолжительного ливня

роткий и самый продолжительный. При выборе ливней учитывалось не только продолжительность, но и интенсивность, т.е. при всех прочих равных параметрах получался слой осадков максимальным. Так как, в экспериментальных расчетах сток ливневых вод рассчитывается по реальным водосборным бассейнам, то и грунты по впитываемости приняты соответствующими реальным, подстилающим водосборные бассейны грунтам – суглинкам (рис. 8).

В реальных условиях ливневой фронт передвигается над поверхностью водосбора в определенном направлении, поэтому в экспериментальных расчетах предполагалось выяснить влияние направления передвижения ливневого фронта относительно направления стока по главному логу водосбора на формирование максимальных расходов и объемов стока.

Исходя из этих представлений, были взяты три основных направления движения ливневого фронта относительно направления стока по главному логу: первое направление «по стоку», второе направление «против стока» и третье направление «поперек стока» или ориентировочно перпендикулярно основному направлению стока по главному логу.

Рис. 9. Гидрографы стока ливневых вод с водосбора №1 в серии

экспериментальных расчетов при различном направлении

прохождения ливневого фронта

Рис. 10. Формирование паводковой волны над водосбором №1, при прохождении ливневого фронта в направлении «по стоку, по главному логу»

Рис. 11. Формирование паводковой волны над водосбором №1, при прохождении ливневого фронта в направлении «против стока по логу»

В первой серии экспериментальных расчетов было установлено влияние прохождения ливневых фронтов относительно направления стока по главному логу. Примером рассматриваемого экспериментального расчета является расчет стока по водосбору № 1. Величина максимального расхода составила 9,37 м3/с. Результатом экспериментального расчета является гидрограф стока ливневых вод (рис. 9), глубины потока по главному логу водосбора (рис. 10, 11), по изменению которых на каждом уровне времени можно судить о формировании паводковой волны. С продвижением ливневого фронта над водосбором по изменению глубин потока в русле водосбора можно судить о продвижении паводковой волны. За каждый расчетный интервал времени (tj=2мин) ливневой фронт, двигаясь со скоростью 6 км/час, проходит путь, равный 200м. За время ливня равное (по наблюдениям) 15 минутам, ливневой фронт пройдет путь равный 1500м. Протяженность водосбора по длине главного лога составляет 1460м, т. е. приблизительно равна протяженности ливневого фронта.

При движении ливневого фронта над водосбором в направлении «по стоку» начиная с седьмого уровня времени, т. е. по прошествии 14 минут от начала ливня, происходит полное перекрытие всего водосбора. Следовательно, ливневым фронтом перекрывался весь водосбор, с одновременным ходом ливня над всей площадью. Но так как протяженность ливневого фронта почти равна протяженности водосборного бассейна, то продолжительность полного перекрытия площади водосборного бассейна во времени была незначительна.





Изменчивость параметров стока во времени отражает принятая в математической модели система дифференциальных уравнений. Это соответствует реальному процессу формирования стока ливневых вод, с реальных водосборных бассейнов, с максимальным учетом стокоформирующих факторов. Как видно из графика изменения глубин (рис.10), максимальное значение расхода наступило в момент достижения «ядра» ливня завершающего створа водосбора. Это соответствует 26 минутам хода стока. В то же время лог у водораздела, как видно из графика изменения глубин, уже освобождается от поверхностного стока ливневых вод (рис. 10). Далее с прохождением ливневого фронта над водосбором наступает спад паводка. Паводковая волна все далее уходит от водораздела к завершающему створу. Происходит постепенное уменьшение глубин и уменьшение расхода стока, до полного осушения лога.

Одновременно с расчетами максимальных расходов математическая модель предоставляет возможность установить влияние неустановившегося и неравномерного режима потока жидкости с изменяющейся массой потока по длине на время добегания «условной элементарной частицы» жидкости от водораздела до завершающего створа (рис. 4). Учитывая, что в каждый расчетный интервал времени tj, на каждом расчетном интервале длины лога водосбора

lmj известна скорость потока воды mj, то «условная элементарная частица» воды пройдет путь за расчетный интервал времени, который определится как

(м). (10)

Таким образом, начиная от водораздела, т.е. на первом расчетном шаге по длине русла, m=1, и на первом уровне времени, j=1, определяется расстояние, пройденное «условной элементарной частицей» воды S1=S1. При переходе на

следующий уровень по времени, j=2, математической моделью определяется место положения «условной элементарной частицы» в соответствии с расстоянием, пройденным на предыдущем уровне времени. Тем самым, определяется индекс расчетного шага по длине русла – m, и значение скорости потока воды в русле принимается в соответствии с этим индексом – m. Далее определяется отрезок пути, пройденный «частицей» воды на втором уровне времени . Затем определяется суммарный путь, пройденный частицей воды от водораздела за два уровня времени и т. д., т.е.

. (11)

Аналогично определяются расстояния, пройденные «условной частицей» ливневой воды на всех последующих уровнях времени до тех пор, пока она не

достигнет завершающего створа. За время добегания принимается момент достижения частицей завершающего створа, т.е.

(мин), (12)

где: j - число уровней времени до момента достижения «условной частицей» завершающего створа; - расчетный интервал времени, мин.

В рассматриваемом экспериментальном расчете время достижения «условной» частицей завершающего створа наступило на 7 – мом уровне времени или на 14 минуте паводка. В то же время продолжительность ливня составляет 15 минут. Основываясь на принципе «предельных интенсивностей», можно сказать, что данный ливень является расчетным для данного водосбора по продолжительности, т. е. время добегания «условной элементарной частицы» равно продолжительности ливня. Но пик паводка наступил несколько позже, на 22 минуте стока. В данном случае можно сказать, что добегание «условной элементарной частицы» в сочетании с достижением завершающего створа водосбора паводковой волны дает максимальный расход стока с данного водосбора.

Следующий экспериментальный расчет выполнен при прохождении ливневого фронта в направлении «против стока» над тем же водосбором, при орошенииего тем же ливнем. Гидрограф стока, полученный в результате этого экспериментального расчета, представлен на рисунке 9. Максимальное значение расхода стока ливневых вод составляет - 6,36 м3/с. Поскольку в данном экспериментальном расчете имеет место продвижения ливневого фронта «против стока», т. е. в направлении от завершающего створа к водоразделу, то в этом случае контролировать в процессе расчета стока время добегания «условной элементарной частицы» воды теряет смысл. Так как заранее видно, что сток начинается с той части площади, которая перекрыта ливневым фронтом, а эта часть значительно меньше всей площади водосбора и процесс формирования ливневого стока в рассматриваемом экспериментальном расчете происходит по другой схеме в отличие от прохождения ливневого фронта по направлению стока. Кривые свободной поверхности глубин потока в этом случае представлены на рисунке 11. Разность величин максимальных расходов в данных экспериментальных расчетах составляет 3,01 м3/с. Это объясняется недостаточной концентрацией выпавших ливневых осадков на поверхность водосбора в завершающем створе водосборного бассейна. Так как при перемещении ливневого фронта над водосборным бассейном в направлении «против стока», до того как ливневой фронт достигнет границ водосбора, т.е. водораздела, значительная часть ливневых осадков стекает с уже перекрытой ливневым фронтом площади водосбора, тем самым ослабляя концентрацию стока ливневых вод на водосборной площади в отличие от прохождения ливневого фронта в направлении «по стоку» и как бы выключая часть водосборной площади из процесса формирования максимального расхода стока.

Пик паводка в данном случае наблюдается на 10 – том уровне времени, что соответствует 20 минутам от начала ливня, и от начала хода процесса стока. При этом следует отметить, что спад паводка происходит более стремительно, чем подъем. Это объясняется опять же меньшей концентрацией стока на водосборном бассейне, в отличие от прохождения ливневого фронта «по стоку», где интенсивность спада паводка условно можно считать совпадающей с интенсивностью подъема, т. е. гидрограф стока практически симметричен относительно вертикали с максимальным значением расхода стока.

При прохождении ливневого фронта поперек стока, т. е. в направлении

Рис. 12. Формирование паводковой волны над водосбором №1, при прохождении ливневого фронта в направлении «перпендикулярно главному логу»



Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.