Предприятия и жилые дома потребляют большое количество воды. Эти цифровые показатели становятся не только свидетельством конкретной величины, указывающей расход.
Помимо этого они помогают определить диаметр трубного сортамента. Многие считают, что расчет расхода воды по диаметру трубы и давлению невозможен, так, как эти понятия совершенно не связаны между собой.
Но, практика показала, что это не так. Пропускные возможности сети водоснабжения зависимы от многих показателей, и первыми в этом перечне будут диаметр трубного сортамента и давление в магистрали.
Выполнять расчет пропускной способности трубы в зависимости от ее диаметра рекомендуют еще на стадии проектирования строительства трубопровода. Полученные данные определяют ключевые параметры не только домашней, но и промышленной магистрали. Обо всем этом и пойдет далее речь.
Расчитаем пропускную способность трубы с помощью онлайн калькулятора
ВНИМАНИЕ! Чтобы правильно посчитать, необходимо обратить внимание, что 1кгс/см2 = 1 атмосфере; 10 метров водяного столба = 1кгс/см2 = 1атм; 5 метров водяного столба = 0.5 кгс/см2 и = 0.5 атм и т.д. Дробные числа в онлайн калькулятор вводятся через точку (Например: 3.5 а не 3,5)
Введите параметры для расчёта:
Какие факторы влияют на проходимость жидкости через трубопровод
Критерии, оказывающие влияние на описываемый показатель, составляют большой список. Вот некоторые из них.
- Внутренний диаметр, который имеет трубопровод.
- Скорость передвижения потока, которая зависит от давления в магистрали.
- Материал, взятый для производства трубного сортамента.
Определение расхода воды на выходе магистрали выполняется по диаметру трубы, ведь эта характеристика совместно с другими влияет на пропускную способность системы. Так же рассчитывая количество расходуемой жидкости, нельзя сбрасывать со счетов толщину стенок, определение которой проводится, исходя из предполагаемого внутреннего напора.
Можно даже заявить, что на определение «трубной геометрии» не влияет только протяженность сети. А сечение, напор и другие факторы играют очень важную роль.
Помимо этого, некоторые параметры системы оказывают на показатель расхода не прямое, а косвенное влияние. Сюда относится вязкость и температура прокачиваемой среды.
Подведя небольшой итог, можно сказать, что определение пропускной способности позволяет точно установить оптимальный тип материала для строительства системы и сделать выбор технологии, применяемой для ее сборки. Иначе сеть не будет функционировать эффективно, и ей потребуются частые аварийные ремонты.
Расчет расхода воды по диаметру круглой трубы, зависит от его размера . Следовательно, что по большему сечению, за определенный промежуток времени будет выполнено движение значительного количества жидкости. Но, выполняя расчет и учитывая диаметр, нельзя сбрасывать со счетов давление.
Если рассмотреть этот расчет на конкретном примере, то получается, что через метровое трубное изделие сквозь отверстие в 1 см пройдет меньше жидкости за определенный временной период, чем через магистраль, достигающей в высоту пару десятков метров. Это закономерно, ведь самый высокий уровень расхода воды на участке достигнет самых больших показателей при максимальном давлении в сети и при самых высоких значениях ее объема.
Смотреть видео
Вычисления сечения по СНИП 2.04.01-85
Прежде всего, необходимо понимать, что расчет диаметра водопропускной трубы является сложным инженерным процессом. Для этого потребуются специальные знания. Но, выполняя бытовую постройку водопропускной магистрали, часто гидравлический расчет по сечению проводят самостоятельно.
Данный вид конструкторского вычисления скорости потока для водопропускной конструкции можно провести двумя способами. Первый – табличные данные. Но, обращаясь к таблицам необходимо знать не только точное количество кранов, но и емкостей для набора воды (ванны, раковины) и прочего.
Только при наличии этих сведений о водопропускной системе, можно воспользоваться таблицами, которые предоставляет СНИП 2.04.01-85. По ним и определяют объем воды по обхвату трубы. Вот одна из таких таблиц:
Внешний объем трубного сортамента (мм)
Примерное количество воды, которое получают в литрах за минуту
Примерное количество воды, исчисляемое в м3 за час
Если ориентироваться на нормы СНИП, то в них можно увидеть следующее – суточный объем потребляемой воды одним человеком не превышает 60 литров. Это при условии, что дом не оборудован водопроводом, а в ситуации с благоустроенным жильем, этот объем возрастает до 200 литров.
Однозначно, эти данные по объему, показывающие потребление, интересны, как информация, но специалисту по трубопроводу понадобятся определение совершенно других данных – это объем (в мм) и внутреннее давление в магистрали. В таблице это можно найти не всегда. И более точно узнать эти сведениям помогают формулы.
Смотреть видео
Уже понятно, что размеры сечения системы влияют на гидравлический расчет потребления. Для домашних расчетов применяется формула расхода воды, которая помогает получить результат, имея данные давления и диаметра трубного изделия. Вот эта формула:
Формула для вычисления по давлению и диаметру трубы: q = π×d²/4 ×V
В формуле: q показывает расход воды. Он исчисляется литрами. d – размер сечению трубы, он показывается в сантиметрах. А V в формуле – это обозначение скорости передвижения потока, она показывается в метрах на секунду.
Если сеть водоснабжения питается от водонапорной башни, без дополнительного влияния нагнетающего насоса, то скорость передвижения потока составляет приблизительно 0,7 – 1,9 м/с. Если подключают любое нагнетающее устройство, то в паспорте к нему имеется информация о коэффициенте создаваемого напора и скорости перемещения потока воды.
Данная формула не единственная. Есть еще и многие другие. Их без труда можно найти в сети интернета.
В дополнение к представленной формуле нужно заметить, что огромное значение на функциональность системы оказывают внутренние стенки трубных изделий. Так, например, пластиковые изделия отличаются гладкой поверхностью, нежели аналоги из стали.
По этим причинам, коэффициент сопротивления у пластика существенно меньше. Плюс ко всему, эти материалы не подвергаются влиянию коррозийных образований, что также оказывает положительное действие на пропускные возможности сети водоснабжения.
Определение потери напора
Расчет прохода воды производят не только по диаметру трубы, он вычисляется по падению давления . Вычислить потери можно посредством специальных формул. Какие формулы использовать, каждый будет решать самостоятельно. Чтобы рассчитать нужные величины, можно использовать различные варианты. Единственного универсального решения этого вопроса нет.
Но прежде всего, необходимо помнить, что внутренний просвет прохода пластиковой и металлопластиковой конструкции не поменяется через двадцать лет службы. А внутренний просвет прохода металлической конструкции со временем станет меньше.
А это повлечет за собою потери некоторых параметров. Соответственно, скорость воды в трубе в таких конструкциях является разной, ведь по диаметру новая и старая сеть в некоторых ситуациях будут заметно отличаться. Так же будет отличаться и величина сопротивления в магистрали.
Так же перед тем, как рассчитать необходимые параметры прохода жидкости, нужно принять к сведению, что потери скорости потока водопровода связанны с количеством поворотов, фитингов, переходов объема, с наличием запорной арматуры и силой трения. Причем, все это при вычисления скорости потока должны проводиться после тщательной подготовки и измерений.
Расчет расхода воды простыми методами провести нелегко. Но, при малейших затруднениях всегда можно обратиться за помощью к специалистам или воспользоваться онлайн калькулятором. Тогда можно рассчитывать на то, что проложенная сеть водопровода или отопления будет работать с максимальной эффективностью.
Для определения максимального секундного расхода воды поселка необходимо сначала найти ординаты суммарного часового графика водопотребления. Распределение суточных максимальных расходов воды по часам суток (в %) принимается в зависимости от коэффициентов часовой неравномерности. Коэффициент часовой неравномерности принимается по приложению 6 .
Для коммунального сектора коэффициент часовой неравномерности водопотребления рекомендуется определить только по максимальному значению
К ч.мах =a мах · b мах; (1.9)
где: a ма x - коэффициент, учитывающий степень благоустройства зданий, режим работы предприятий, принимается a ма x =1,2-1,4; β мах - коэффициент, учитывающий количество жителей, в населенном пункте, принимают по приложению 5.
Для населения, пользующегося водоразборными колодцами (табл. 1.1. - 4400 чел) согласно приложению 5
К ч.макс. = 1,4 · 1,5 = 2,1
Для населения, проживающего в благоустроенных домах (табл.1.1. - 4500 чел.)
К ч.макс = 1,4 · 1,5 = 2,1
Среднее значение К ч.макс =
Окончательно можно принять К ч.макс = 2,1
По величине К ч.макс = 2,1 подбирается типовой график распределения воды по часам суток в коммунальном секторе (см. приложение 6).
Распределение расходов воды по часам суток в коммунальном секторе определяется в зависимости от величины коэффициента часовой неравномерности водопотребления К ч.
Предприятие работает в две смены с 7 до 23 часов. Вода на технологические нужды расходуется равномерно по 6,25 % в час от расчетного суточного расхода воды предприятия.
Таблица 1.3
Распределение расходов воды по часам суток.
| Часы суток | Коммунальный сектор | Производст-венный сектор | Полив зеленых насаждений | Животновод-ческий сектор | Общий расход по населенному пункту | Ордината интегральной кривой,% | |||||||
| % | м³/ч | % | м³/ч | % | м³/ч | % | м³/ч | Путевой, м³/ч | Сосред., м³/ч | Общий, м³/ч | % | ||
| 0-1 | 1,96 | 36,1 | 0,50 | 1,95 | 36,1 | 1,95 | 38,05 | 1,48 | 1,48 | ||||
| 1-2 | 0,96 | 17,68 | 1,00 | 3,90 | 17,68 | 3,90 | 21,58 | 0,84 | 2,32 | ||||
| 2-3 | 0,85 | 15,29 | 0,50 | 1,95 | 15,29 | 1,95 | 17,24 | 0,67 | 2,99 | ||||
| 3-4 | 0,96 | 17,68 | 0,50 | 1,95 | 17,68 | 1,95 | 19,68 | 0,76 | 3,75 | ||||
| 4-5 | 1,12 | 20,63 | 2,20 | 8,58 | 20,63 | 8,58 | 29,21 | 1,13 | 4,88 | ||||
| 5-6 | 2,31 | 42,55 | 2,20 | 8,58 | 42,55 | 8,58 | 51,13 | 1,99 | 6,87 | ||||
| 6-7 | 5,28 | 97,25 | 16,7 | 53,4 | 4,20 | 18,33 | 150,65 | 18,33 | 168,98 | 6,57 | 13,44 | ||
| 7-8 | 5,55 | 102,22 | 6,25 | 1,24 | 16,6 | 53,4 | 4,70 | 18,33 | 155,62 | 19,57 | 175,19 | 6,81 | 20,25 |
| 8-9 | 7,12 | 131,14 | 6,25 | 1,24 | 16,7 | 53,4 | 10,2 | 39,78 | 184,54 | 41,02 | 225,56 | 8,77 | 29,02 |
| 9-10 | 6,86 | 126,35 | 6,25 | 1,24 | 5,40 | 21,06 | 126,35 | 22,30 | 148,65 | 5,78 | 34,80 | ||
| 10-11 | 5,82 | 107,20 | 6,25 | 1,24 | 7,20 | 28,08 | 107,20 | 29,32 | 136,52 | 5,31 | 40,11 | ||
| 11-12 | 5,41 | 99,64 | 6,25 | 1,24 | 6,10 | 23,79 | 99,64 | 25,03 | 124,67 | 4,85 | 44,96 | ||
| 12-13 | 3,58 | 65,94 | 6,25 | 1,24 | 4,20 | 16,38 | 65,94 | 17,62 | 83,56 | 3,24 | 48,20 | ||
| 13-14 | 3,27 | 60,23 | 6,25 | 1,24 | 9,10 | 35,49 | 60,23 | 36,73 | 96,96 | 3,77 | 51,97 | ||
| 14-15 | 2,96 | 54,52 | 6,25 | 1,24 | 6,60 | 25,74 | 54,52 | 26,98 | 81,50 | 3,17 | 55,14 | ||
| 15-16 | 3,87 | 71,28 | 6,25 | 1,24 | 2,00 | 7,80 | 71,28 | 9,04 | 80,32 | 3,12 | 58,26 | ||
| 16-17 | 4,45 | 81,96 | 6,25 | 1,24 | 4,20 | 16,38 | 81,96 | 17,62 | 99,58 | 3,87 | 62,13 | ||
| 17-18 | 4,17 | 76,80 | 6,25 | 1,24 | 16,7 | 53,4 | 3,60 | 14,04 | 130,20 | 15,28 | 145,48 | 5,66 | 67,79 |
| 18-19 | 4,73 | 87,12 | 6,25 | 1,24 | 16,7 | 53,2 | 8,20 | 31,98 | 140,50 | 33,22 | 173,72 | 6,76 | 74,55 |
| 19-20 | 6,09 | 112,17 | 6,25 | 1,23 | 16,6 | 53,2 | 7,20 | 28,08 | 165,37 | 29,31 | 194,68 | 7,57 | 82,12 |
| 20-21 | 6,61 | 121,74 | 6,25 | 1,23 | 3,50 | 13,65 | 121,74 | 14,88 | 136,62 | 5,31 | 87,43 | ||
| 21-22 | 7,10 | 130,77 | 6,25 | 1,23 | 4,60 | 17,94 | 130,77 | 19,17 | 149,94 | 5,83 | 93,26 | ||
| 22-23 | 6,35 | 116,96 | 6,25 | 1,23 | 0,80 | 3,12 | 116,96 | 4,35 | 121,31 | 4,72 | 97,98 | ||
| 23-24 | 2,64 | 48,62 | 0,80 | 3,12 | 48,68 | 3,12 | 51,74 | 2,02 | |||||
| Итого | 1841,84 | 19,8 | 2161,84 | 409,80 | 2571,64 |
В животноводческом комплексе, К ч =2,50. Распределение расходов воды по часам суток в животноводческом комплексе принято по приложению 6.
Распределение расходов воды по часам суток прачечной и баней принимается из расчета их работы в сутки с 8 до 24 часов.
Полив зеленных насаждений производится равномерно два раза в сутки: с 6 до 9 часов и с 17 до 20 часов (см. таб. 1.3).
Больница работает круглосуточно.
Все расчеты по определению часовых расходов воды в поселке сводятся в таблицу 1.3.
При вычислении таблицы 1.3 необходимо контролировать подсчеты. Так итог граф З, в таблице должен быть равен расчетному максимальному суточному расходу воды коммунального сектора (1841,64 м 3 /сут) - итог графы 7 равен суточному расходу воды на полив зеленных насаждений. Итог графы 9, равен расчетному максимальному суточному расходу в животноводческом комплексе 390 м 3 /сут. Итог графы 12, табл. 1.3 равен расчетному суточному расходу воды населенного пункта 257,64 м 3 /сут.
На основании табл. 1.3 по данным графы 1, 13 строится сводный суточный график водопотребления в % от расчетного расхода воды в сутки наибольшего водопотребления (рис. 1.1)
Рис.1.2. Сводный суточный график водопотребления в населенном пункте и совмещенный график водопотребления и работы насосной станции: Р-% от максимального суточного расхода воды; Т–часы суток; Р"–ординаты интегральной кривой; 1–график водопотребления в населенном пункте; 2-интегральная кривая водопотребления; 3 – график работы насосной станции 2-го подъема с 4 до 23 часов; И=5,7, Н=5,2 – соответственно избыток и недостаток воды; 4- график работы насосной станции при 24 часовом режиме, И"= 16%, Н"=5%.
Максимальный секундный расход q с.макс. в л/с равен
; (1.10)
л/с
Cекундный путевой расход q c . пут.сети включающий расход коммунального сектора q c .ком и расход на полив зеленых насаждений q c .пзн:
л/с,
где 
л/с; 
л/с;
Потребление воды в водотоке – объем жидкости, проходящей через поперечное сечение. Расходная единица - м3/с.
Вычисление потребляемой воды должно осуществляться еще на этапе планирования водопровода, поскольку от этого зависят главные параметры водоводов.
Расход воды в трубопроводе: факторы
Для того, чтобы самостоятельно выполнить вычисление расхода воды в трубопроводе, необходимо знать те факторы, которые обеспечивают проходимость воды в трубопроводе.
Главные из них - это степень давления в водоводе и диаметр сечения трубы. Но, зная лишь эти величины, не получится с точностью вычислить расход воды, поскольку он зависит также от таких показателей, как:
- Длина трубы. С этим все понятно: чем больше ее длина, тем выше степень трения воды о ее стенки, поэтому поток жидкости замедляется.
- Материал стенок труб также немаловажный фактор, от которого зависит скорость потока. Так, гладкие стенки трубы из полипропилена дают наименьшее сопротивление, нежели сталь.
- Диаметр трубопровода – чем он меньше, тем выше будет сопротивление стенок движению жидкости. Чем уже диаметр, тем более невыгодным является соответствие площади наружной поверхности внутреннему объему.
- Срок эксплуатации водопровода. Мы знаем, что с годами подвергаются воздействию коррозии, а на чугунных образуются известковые отложения. Сила трения о стенки такой трубы будет существенно выше. К примеру, сопротивление поверхности ржавой трубы выше новой из стали в 200 раз./li>
- Изменение диаметра на разных участках водовода, повороты, запорные фитинги или арматура значительно снижают скорость водного потока.
Какие величины используются для расчета расхода воды?
В формулах используются следующие величины:
- Q – суммарное (годовое) потребление воды на одного человека.
- N – число жильцов дома.
- Q – суточная величина расхода.
- K - коэффициент неравномерности потребления, равный 1,1-1,3 (СНиП 2.04.02-84).
- D – диаметр трубы.
- V – скорость течения воды.
Формула расчета потребления воды
Итак, зная величины, мы получаем следующую формулу потребления воды:
- Для суточного расчета – Q=Q×N/100
- Для часового расчета – q=Q×K/24.
- Расчет по диаметру - q= ×d2/4 ×V.
Пример расчета расхода воды для бытового потребителя
В доме установлены: унитаз, умывальник, ванна, кухонная мойка.
- По приложению А принимаем расход за секунду:
- Унитаз - 0,1 л/сек.
- Умывальник со смесителем - 0,12 л/сек.
- Ванна - 0,25 л/сек.
- Кухонная мойка - 0,12 л/сек.
- Сумма потребляемой от всех точек подачи воды составит:
- 0,1+0,12+0,25+0,12 = 0,59 л/сек
- По суммарному расходу (приложение Б) 0,59 л/сек соответствует расчетный расход 0,4 л/сек.
Можно перевести в м.куб/час, умножив его на 3,6. Таким образом получается: 0,4 х 3,6 = 1,44 м.куб/час
Порядок расчета расхода воды
Весь порядок расчета указан в своде правил 30. 13330. 2012 СНиП 2.04.01-85* «Внутренний водопровод и канализация» актуализированной редакции.
Если вы планируете начать строительство дома, перепланировку квартиры или установку водопроводных конструкций, то информация о том, как рассчитать расход воды будет как нельзя кстати.. Расчет расхода воды поможет не только определить необходимый объем воды для конкретного помещения, но и позволит своевременно выявить снижение давления в трубопроводе. К тому же, благодаря нехитрым формулам все это можно сделать самостоятельно, не прибегая к помощи специалистов.
Определение стока маловодных лет и минимальных расходов весьма важно как при использовании рек в естественном состоянии так и при регулировании рек для ряда отраслей водного хозяйства-гидроэнергетики, судоходства, водоснабжения и орошения.
Для определения минимальных расходов воды рек используются данные наблюдений по стоку за зимний и летне-осенний сезоны. При этом под летне-осенним сезоном понимается период от конца весеннего половодья до начала ледовых явлении на реках рассматриваемой территории; за зимний сезон принимается период от начала появления ледовых явлений на реках до начала весеннего половодья. В случае отсутствия ледовых явлений за зимний сезон принимается период от средней даты устойчивого перехода температуры воздуха через 0° в сторону понижения до начала весеннего половодья.
Основной расчетной характеристикой является минимальный средний месячный расход воды, наблюдающийся в меженный период зимнего или летне-осеннего сезона. В случае если меженный период является коротким (меньшим двух месяцев) или прерывистым (состоит из нескольких периодов, разделенных паводками), вместо среднего месячного расхода воды используется средний расход воды за 30 суток с наименьшим стоком (не календарный месяц).
Он определяется следующим образом: строятся гидрографы стока исследуемой реки за каждый год за весь период наблюдений (необходимость такого построения определяется сложностью режима стока реки, что устанавливается путем анализа таблиц ежедневных расходов воды); на гидрографе определяется участок с наименьшими расходами воды в данном сезоне продолжительностью 30 суток и по таблицам ежедневных расходов воды производится подсчет среднего расхода воды за выбранный период.
В случае если для рек данного района характерно наличие длительного меженного периода, прерываемого только в многоводные годы значительными паводками, т.е. когда меженный период является коротким, вместо 30-дневного периода в такие годы используется и более короткий период, но не менее 25-23 суток, чтобы исключить влияние паводков. Если длительные беспаводочные периоды наблюдаются редко, в расчет вводится величина минимального стока, определенная за 23-30 суток с наименьшим стоком. Такой режим характерен для рек с коротким и неустойчивым меженным периодом. Длительность периода минимального стока определяется величиной паводков, предшествующих периоду наименьшего стока и следующих за ним.
Средний за период наблюдений минимальный расход воды определяется как среднее арифметическое из имеющегося ряда фактических данных о стоке. При этом в случае определения минимального 30-дневного расхода воды средняя величина рассчитывается независимо от того, имеются в ряду наблюдений только 30-дневные величины или с сокращенным периодом - 25-23-дневные. Средняя многолетняя величина минимального стока считается достаточно надежной, если ее средняя квадратическая ошибка σ n , определяемая по формуле , составляет не более ±15%. Если значение σ n превышает допустимую величину, необходимо удлинить ряд наблюдений методом аналогии. При выборе реки-аналога используются гидрогеологические описания и карты изучаемого района, а также карты районов для определения минимального стока на малых реках. При отсутствии аналога расчет производится по методу определения минимального стока на реках с отсутствием гидрометрических наблюдений.
Наиболее обоснованными являются карты Л. Н. Попова (рис 4.1 и 4.2), составленные им для среднемесячных минимальных летних и зимних модулей стока. Картами можно пользоваться при предварительных расчетах для площадей бассейнов более 2000 км 2 . Средняя ошибка при определении минимального стока, по мнению автора, равна ±12,0-14%. При сложных геологических условиях эта ошибка может оказаться значительно большей.
При достаточном ряде наблюдений можно составить кривые обеспеченности. Для пересыхающих рек М. Э. Шевелев рекомендует принимать C s min =0 (для рек южной полосы и рек малых бассейнов), а для бассейнов, покрытых растительностью, C s min = =2 C υ min . Для пересыхающих рек рекомендуется принимать C s min от 2C υ min до ЗC υ min . В зависимости от величины C υ годового стока C s min принимают от 1,5 C v до 2 C v .
При недостаточном ряде наблюдений производят удлинение этого ряда по реке-аналогу. При кратковременных наблюдениях (один -два года) в правильности выбора аналога убеждаются определением в хронологическом порядке отношения расходов грунтового питания Q a реки-аналога и расходов Q рассматриваемой реки:
(4.1)
Если в течение нескольких месяцев эти отношения постоянны или близки между собой, то условия грунтового питания обеих рек считают одинаковыми.
.
Рис. 4.1. Изолинии среднемесячных минимальных модулей стока за летний период, л/сек·см ² (по Л. Н. Попову)
Тогда при определении минимумов расчетной обеспеченности поступают следующим образом:
1) для тех месяцев, у которых определялись указанные коэффициенты К, определяют средний из среднемесячных для расчетного створа расход Q p и средний расход Q a реки-аналога;
вычисляют по Q cp , C v и C s минимальные месячные расходы расчетной обеспеченности реки-аналога, например, Q 95% и Q 97% ;
берут отношения
и
(4.2)
Расчетные минимальные месячные расходы в рассматриваемом створе определяют при помощи полученных величин Qp и коэффициентов С 95% и C 97% :
(4.3)
(4.4)
Рис. 4.2. Изолинии среднемесячных минимальных модулей стока за зимний период, л/сек·км 2 (по Л. Н. Попову)
Если по расчетному створу имеется два-три года наблюдений над минимальным стоком, то указанным способом определяют Q 95% и Q 97% для каждого года в отдельности и в качестве расчетного для каждой обеспеченности принимают средний из расходов, установленных за эти годы.
Минимальные расходы воды расчетной обеспеченности определяются методом, аналогичным определению средних годовых расходов. Построение кривых обеспеченности производится отдельно для зимнего и летне-осеннего периодов. Если в составе ряда минимальных расходов воды имеются нулевые значения вследствие пересыхания или промерзания реки, величина C v определяется графо-аналитическим способом по эмпирической кривой обеспеченности.
Пример 4.1. Определить минимальные средние месячные расходы воды на р. Печа у д. Падун (Кольский полуостров) в зимний и летне-осенний сезоны, обеспеченные на 90%. Сведения о стоке исследуемой реки имеются с 1933 по 1965 г. Анализ водного режима реки показывает, что в зимний сезон меженный период является продолжительным и устойчивым, в то время как в летне-осенний сезон он довольно часто нарушается дождевыми паводками, являясь прерывистым или коротким. Поэтому в зимний сезон используется величина минимального расхода воды, среднего за календарный месяц, а в летне-осенний сезон в многоводные годы производится сдвижка по времени и, вместо календарного среднего месячного, используется средний расход воды за 30 суток с наименьшим стоком. Результаты произведенной выборкиминимальных средних месячных (30-дневных) расходов воды за зимний и летне-осенний сезоны приведены в таблица 4.1.
Таблица 4.1
Минимальные средние месячные (30-дневные) расходы воды р. Печау д. Падун
* Расход воды, определенный со сдвижкой по времени, т. е. за период наименьшего стока продолжительностью 30–23 дня.
Исходя из данных этой таблицы, для зимнего сезона получаем следующие параметры, необходимые для построения кривой обеспеченности: Q=3,45 м³/сек, Cv=0,23 при σ n =4,8%. Эмпирическим точкам соответствует теоретическая кривая при Cs = 2Cv. Тогда искомая величина Q 90% будет равна 2,4 м 3 /сек.
В летне-осенний сезон величина среднего многолетнего минимального 30-дневного расхода воды составляет 13,3 м 3 /сек, что на 14% меньше величины, определенной по календарным месяцам без сдвижки по времени. Значения других параметров следующие: Сv = 0,41; σ n =7,1%, т.е. в пределах допустимой ошибки. Эмпирической кривой, построенной на клетчатке вероятности, наиболее соответствует теоретическая биномиальная кривая при Сs = 2Сv. Искомая величина минимального 30-дневного расхода воды обеспеченностью 90% составляет 6,94 м 3 /сек.
Пример 4.2.
Определить минимальные средние месячные расходы воды в зимний и летне-осенний сезоны, обеспеченные на 5, 15, 25, 75, 90, 99 %. Сведения о стоке исследуемой реки имеются с 1963 по 1995 г. Результаты произведенной выборки минимальных средних месячных (30-дневных) расходов воды за зимний и летне-осенний сезоны приведены в таблица 4.2.
Таблица 4.2
Минимальные средние месячные (30-дневные) расходы воды реки
Расчет минимальных расходов воды на неизученных реках или в случае, когда имеющийся фактический материал не пригоден для использования в расчетах по статистическим формулам, производится в основном двумя способами: по картам изолиний минимального стока и по эмпирическим зависимостям.
Карты изолиний используются при расчетах минимального 30-дневного стока средних рек, с площадью водосбора от 1000 – 2000 (критическая площадь) до 75 000 км 2 . Реки с площадью водосбора, меньшей критической, относятся к малым рекам.
Они имеют величину модуля минимального стока, отличную от аналогичной характеристики средних рек. Способ определения минимального стока на малых реках излагается ниже. Критическая площадь показывает величину площади бассейна, начиная с которой на реках данного района практически не наблюдается изменение модуля минимального 30-дневного стока (М 30) с ростом площади бассейна (F). Она определяется путем построения зависимости M 30 =f(F) на двуосной логарифмической клетчатке, на которой критической площади будет со ответствовать точка перегиба кривой при переходе ее в прямую, близкую к горизонтальной линии.
На территории России выделено 11 районов в зимний сезон и 14 районов в летне-осенний, в которых реки имеют близкие по размеру критические площади бассейнов. Их величина изменяется от 800 до 10 000 км 2 . Поэтому для ее определения в данном районе может быть использована карта районов (рис. 4.3., 4.4.) для определения минимальных 30-дневных расходов воды на малых реках и таблица наибольших (критических) площадей бассейнов малых рек (табл. 4.3).
Таблица 4.3.
Наибольшие критические площади бассейнов (км 2 ) малых рек
| Индекс района по карте | Летне-осенний сезон | Зимний сезон | Индекс района по карте | Летне-осенний сезон | Зимний сезон |
| А | Д | ||||
| Б | Е | ||||
| В | Ж | ||||
| Г |
Способ определения минимального 30-дневного стока по картам изолиний аналогичен методу вычисления годового стока. Карты изолиний минимального стока не применяются для озерных рек и рек, расположенных в карстовых районах.
Минимальный 30-дневный сток на малых реках, с площадью водосбора не менее 50 км 2 , для увлажненных районов и 100 км 2 для районов недостаточного увлажнения, рассчитывается по эмпирической зависимости вида
где – минимальный 30-дневный расход воды, средний за многолетний период, для зимнего или летне-осеннего сезонов;
F – площадь бассейна реки в км 2 ;
а, n, с - параметры, определяемые в зависимости от географического местоположения реки, устанавливаются по таблице и картам районов для определения минимального 30-дневного стока на малых реках (табл. 4.4).
1 – граница и индекс района для определения наибольшего значения (критической) площади бассейна малой реки; 2 – граница и номер района для определения минимальных 30 – дневных расходов воды на малых рек; 3 – номер района и индекс подрайона для определения минимальных 30 – дневных расходов воды на малых реках; 4 – расчетные створы
Рис. 4.3. Выкопировки из карт районов для определения минимальных 30 – дневных расходов воды на малых реках в летне-осенний сезон.
1 – граница и номер района для определения коэффициента изменчивости; 2 – граница и номер района для определения минимального среднего суточного расхода воды;
Рис. 4.4. Выкопировка из карты районов для определения минимального среднего суточного расхода воды и коэффициента изменчивости 30-дневного стока в летне-осенний сезон.
Таблица 4.4.
Значения параметров а, n, с
| Номер района по карте | Зминий сезон | Летне – осенний сезон | ||||
| а 10 3 | n | с | а 10 3 | n | с | |
| 2,50 | 1,08 | 1,40 | 1,27 | |||
| 1,60 | 1,05 | 0,94 | 1,24 | |||
| 1,00 | 1,14 | 0,64 | 1,22 | |||
| … | ||||||
| 0,012 | 1,30 | 0,0034 | 1,12 | -500 | ||
| 0,72 | 0,74 | -300 | 0,15 | 1,05 | -200 | |
| 0,24 | 0,90 | -500 | 0,00013 | 1,93 | -200 | |
| 1,10 | 0,85 | -1000 | 0,053 | 1,06 | -500 | |
| 0,87 | 0,84 | -160 | 0,065 | 1,09 |
Для расчета минимальных 30-дневных расходов воды различной обеспеченности коэффициент изменчивости Сv определяется в зависимости от величины среднего многолетнего минимального 30-днсвного модуля стока за зимний или летне-осенний сезон для данного района. В качестве вспомогательного материала используется карта районов для определения коэффициентов изменчивости и таблица значений C v (табл. 4.5.). Коэффициент асимметрии принимается по аналогии с окружающими изученными реками или назначается по соотношению C S = 2C v для увлажненных районов и C s =1,0-1,5 C v для районов недостаточного увлажнения.
Таблица 4.5.
Значения C v в зависимости от величины модуля минимального 30- дневного стока за летний и зимний сезоны
| Номер района по карте | М зим. мес л/сек с 1 км 2 | С v зим. мес | М лет. мес л/сек с 1 км 2 | С v лет. мес |
| 0,5-3 | 0,3-0,2 | 3-12 | 0,5-0,3 | |
| 0-1 | 0,4-0,3 | 4-7 | 0,6-0,3 | |
| __ | 2-4 | 0,6-0,4 | ||
| 1,5-6 | 0,3-0,2 | 3-12 | 0,4-0,3 | |
| 1-5 | 0,4-0,2 | 1-7 | 0,5-0,3 | |
| 0,5-3 | 0,4-0,2 | 6-7 | 0,6-0,3 | |
| 1-5 | 0,7-0,3 | 1-5 | 0,6-0,3 |
Минимальные расходы воды малых рек могут быть получены по зависимости минимального 30-дневного модуля стока обеспеченностью 97% от отметки тальвега русла реки в замыкающем створе, выраженной в абс. м. для районов с одинаковыми гидрогеологическими условиями питания реки.
Величина минимального среднего суточного стока устанавливается по его соотношению с минимальным 30-дневным модулем стока по зависимости
М сут = аМ мес - b, (4.2)
где М сут - минимальный средний суточный модуль стока в л/сек с 1 км 2 . М мес - минимальный 30-дневный модуль стока; а , b - параметры, определяемые в зависимости от местоположения реки (табл. 4.6.).
Таблица 4.6.
Значения параметров а и b для определения минимального среднего суточного модуля стока
| Номер района по карте | Зминий сезон | Летне – осенний сезон | ||
| а | b | а | b | |
| 0,94 | 0,1 | 0,82 | 0,4 | |
| 0,86 | 0,1 | 0,74 | 0,1 | |
| 0,80 | 0,3 | 0,83 | ||
| 0,70 | 0,4 | 0,72 | ||
| 0,70 | 0,2 | 0,42 | ||
| 0,75 | 0,1 | 0,47 | 0,1 |
Пример 4.3. Определить минимальные 30-дневные и средние суточные расходы воды 90%-ной обеспеченности в летне-осенний сезон р. Ура у ст. Ура-Губа (Кольский п-ов).
1. Устанавливаем, что площадь бассейна реки до замыкающего створа составляет 1020 км2.
2. Исходя из местоположения речного бассейна на карте (рис. 4.3), определяем индекс района и по табл. 4.6 устанавливаем величину площади бассейна, до которой река считается малой (критическую площадь). Величина критической площади для района А, в котором находится бассейн р. Ура, составляет 1400 км2. Следовательно, расчет необходимо производить по схеме, применяемой для определения минимального стока на малых реках.
3. По той же карте находим, что номер района для определения минимального стока малой реки. По табл. 4.4 определяем значения параметров расчетной формулы для района 1, которые равны а = 0,0014, n = 1,27, С=95. Подставив все расчетные параметры в формулу 4.1 получаем, что величина среднего многолетнего минимального 30-дневного расхода воды в летне-осенний сезон составляет 9,85 м3/сек, или 9,65 л/сек с 1 км2.
4. Для определения коэффициента изменчивости Cv по карте (рис. 4.4) устанавливаем, что бассейн р. Ура расположен в районе 1. По табл. 4.5 находим, что в районе 1 величине модуля 9,65 л/сек с 1 км2 соответствует значение коэффициента изменчивости Cv, равное 0,34 (величина Cv определена путем интерполяции с учетом того, что большему значению модуля соответствует меньшая величина Cv).
5. Величина коэффициента асимметрии Cs принимается в соответствии с рекомендацией для увлажненных районов равной 2 Cv
6. По установленным параметрам Q = 9,85 м3/сек, Cv = 0,34 и Cs =2 Cv определяем, что расчетное значение минимального 30-дневного расхода воды 90%-ной обеспеченности равно 5,3 мг/сек.
7. Для расчета минимального среднего суточного расхода воды по уравнению используется карта, показанная на рис. 4.4, по которой устанавливается, что р. Ура расположена в районе 1, для которого районные параметры а и b равны соответственно 0,82 и 0,4 (значения параметров определены по табл. 4.6). В качестве параметра Ммес подставляется величина М 90% ,равная 5,2 л/сек с 1 км 2 . В результате расчета получаем, что искомая величина минимального среднего суточного расхода воды (после перевода модуля в расход воды) 90%-ной обеспеченности составляет 3,94 м3/сек.
Пример 4.4. Определить минимальные 30-дневные и средние суточные расходы воды 75%-ной обеспеченности в летне-осенний сезон река на Кольском п-ове в зоне 3 (рис. 4.3). Устанавливаем, что площадь бассейна реки до замыкающего створа составляет 920 км 2 .
Пример 4.5. Определить минимальные 30-дневные и средние суточные расходы воды 25%-ной обеспеченности в летне-осенний сезон река на Кольском п-ове в зоне 2 (рис. 4.3). Устанавливаем, что площадь бассейна реки до замыкающего створа составляет 1020 км2.
Максимальные расходы воды
Под максимальными расходами воды рек и малых водотоков понимаются наибольшие в году значения мгновенных или срочных расходов, наблюдаемые во время весеннего половодья или дождевых паводков.
На малых водотоках со значительным внутрисуточным изменением уровней и расходов, особенно в период дождевых паводков, пик паводка может пройти между установленными сроками наблюдений. Поэтому срочные максимальные расходы бывают меньше мгновенных. В свою очередь средний суточный максимум меньше срочного. Эта разница бывает значительной на очень малых водотоках и уменьшается с возрастанием площади водосбора реки. Расчеты следует производить для мгновенных максимальных расходов воды.
По генетическому признаку, или происхождению, максимальные расходы воды подразделяются на:
а) образующиеся в основном от таяния снегов на равнинах,
б) от таяния снегов в горах и ледников,
в) от дождей,
г) от совместного действия снеготаяния и дождей – смешанные максимумы.
К максимумам смешанного происхождения относятся максимальные расходы воды, в образовании которых невозможно установить превалирующую роль талых или дождевых вод.
При анализе и расчетах максимальных расходов воды с применением методов математической статистики максимумы различного генетического происхождения рассматриваются раздельно.
Практическая важность вопроса определяется тем, что многие элементы половодья или паводков необходимо учитывать при строительстве гидротехнических сооружений. Особенно важно знать максимальные расходы воды весеннего половодья и дождевых паводков, от величины которых зависят размеры наиболее массовых сооружений – мостовых переходов через реки и малые водотоки, большое количество которых ежегодно строится на автомобильных и железных дорогах, а также размеры водосбросных и водопропускных отверстий других сооружений.
От правильного определения максимальных расходов воды и работы водосбросных отверстий зависит бесперебойность работы сооружения или дороги, безопасность пли судьба всего сооружения и прилегающих к реке объектов, а также, и стоимость сооружения. Завышенные максимальные расходы воды повысят общую стоимость сооружения, что снизит его экономическую эффективность. Занижение максимальных расходов приведет к разрушению сооружения, затоплению прилегающей к реке местности, материальному убытку и человеческим жертвам.
Расчетные ежегодные вероятности превышения, или обеспеченности, максимальных расходов воды определяются в зависимости от класса капитальности сооружения и нормируются общими техническими указаниями, рекомендуемыми или обязательными для проектных организаций.
Все гидротехнические сооружения по своей капитальности делятся на несколько классов. Сооружения высоких классов капитальности должны служить несколько сот лет. Чтобы они работали бесперебойно, их водосбросные отверстия нужно рассчитывать на пропуск максимальных расходов воды очень редкой повторяемости. Временные гидротехнические сооружения рассчитываются на максимальные расходы воды более частой повторяемости.
Строительными нормами и правилами [СНиП II–И 7–65] установлены следующие расчетные ежегодные вероятности превышения, или обеспеченности, максимальных расходов воды в зависимости от класса капитальности сооружения:
Класс сооружения ……..I II III IV
Р °/о……………………0,01 0,1 0,5 1
Временные гидротехнические сооружения V класса рассчитываются на пропуск максимальных расходов 10%-ной обеспеченности.
Постоянные водопропускные сооружения на автомобильных дорогах рассчитываются на максимальные расходы воды следующих обеспеченностей:
Бровка насыпи……………………………1,0 2,0
Отверстия мостов, труб…………………1,0 2,0
Ответвленные водоотводы………….....…2,0 4,0
Обвалование населенных пунктов,
вход в шахты, тоннели и пр.……………. 0,1 0,1
При этом если наблюденный максимальный расход имеет обеспеченность меньше 1%, то он принимается в качестве расчетного.
Технические условия проектирования железных дорог предусматривают расчеты отверстий мостов и труб на пропуск следующих расходов:
а) наибольшего обеспеченностью 0,33% для больших и средних мостов и 0,2% для малых мостов и труб;
б) расчетного обеспеченностью, указанной ниже:
Класс сооружения по степени капитальности I I и II II
Обеспеченность расхода, %............................1 (для труб 2) 1 (для труб2) 2
В зависимости от степени достаточности (длительности) ряда наблюдений и надежности исходных данных применяются следующие методы расчета максимальных расходов воды:
а) при наличии длительного ряда гидрометрических наблюдений строится эмпирическая кривая обеспеченности, и верхняя часть экстраполируется за пределы наблюдений до заданных обеспеченностей с помощью теоретической кривой обеспеченности;
Б) при наличии короткого ряда наблюдений, недостаточного для построения кривых обеспеченности, но достаточного для приведения его к длительному ряду, имеющийся короткий ряд приводится к длительному ряду и по последнему строятся кривые обеспеченности;
в) при наличии короткого ряда наблюдений, недостаточного для приведения его к длительному периоду, а также при отсутствии наблюдений по расчетному створу расчет производится косвенными методами – по методу аналогии или по формулам с обеспеченными параметрами.
