Речная гидравлика и динамика русловых процессов

скачать

Рабочая программа учебной дисциплины

Ф ТПУ 7.1-21/01

УТВЕРЖДАЮ

Директор ИГНД

____________ А.К. Мазуров

«___»____________2010 г.

РЕЧНАЯ ГИДРАВЛИКА И ДИНАМИКА РУСЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ

Рабочая программа учебной дисциплины для направления 280400 «Природообустройство» по магистерской программе 280400.10 «Гидравлика и инженерная гидрология»

Институт геологии и нефтегазового дела (ИГНД)
Обеспечивающая кафедра: ^ Гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии (ГИГЭ)
Курс	5
Семестр	10
Учебный план набора	2005 г.

Распределение учебного времени

Лекции	18	час.
Лабораторные занятия	18	час.
^ Всего аудиторных занятий	36	час.
Самостоятельная (внеаудиторная) работа	36	час.
^ Общая трудоемкость	72	час.
Зачет в 10-м семестре

2010

^ Рабочая программа учебной дисциплины

Ф ТПУ 7.1-21/01

Предисловие

1. Рабочая программа составлена на основе ГОС ВПО направления 280400 «Природообустройство», магистерская программа 280400.10 «Гидравлика и инженерная гидрология» рег. № 158 тех/маг, утвержденного 17 марта 2000г.

РАССМОТРЕНА и ОДОБРЕНА на заседании обеспечивающей кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии «15» января 2010 г., протокол № 6

2. Разработчики:

профессор кафедры ГИГЭ, д.г.н. ________________ О.Г. Савичев

доцент кафедры ГИГЭ, к.г.н. ________________ М.В. Решетько

доцент кафедры ГИГЭ, к.г.-м.н. ________________ В.В Крамаренко.

3. Зав. обеспечивающей и выпускающей кафедрой ГИГЭ

профессор, д.г.-м.н. ______________ С.Л. Шварцев

4. Рабочая программа СООТВЕТСТВУЕТ действующему плану.

АННОТАЦИЯ

Рабочая программа учебной дисциплины «Речная гидравлика и русловые процессы» разработана для направления 280400 «Природообустройство» магистерская программа 280400.10 «Гидравлика и инженерная гидрология». Дисциплина представляет один из важных разделов гидравлики и гидрологии. Знание этих методов является неотъемлемой чертой квалифицированного специалиста по водным проблемам. Приведены цели и задачи изучения дисциплины и краткое описание основных разделов теоретического курса и способов контроля результатов обучения, перечень рекомендуемой литературы. При изучении дисциплины магистрант приобретает знания о целях и методах гидравлических расчетов водотоков, типах русловых процессов и подходах к их идентификации, способах оценки русловых деформаций для проектирования объектов строительства и разработки водохозяйственных мероприятий.
^

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Цели преподавания дисциплины

Дисциплина «Речная гидравлика и динамика русловых процессов» должна дать студентам необходимые знания и навыки в области гидравлических расчётов водотоков, характеристики русловых процессов и оценки русловых деформаций. Эти знания и навыки являются необходимой составляющей процесса инженерных изысканий и проектирования объектов водохозяйственного, гражданского и дорожного строительства, обустройства месторождений полезных ископаемых и ведения мониторинга водных объектов. Гидравлические расчёты нацелены на получение необходимых сведений о расходах и уровнях воды, глубине и ширине потока, гидравлическом радиусе, коэффициентах шероховатости, распределении скоростей течения по ширине и глубине потока, условиях размыва русла и аккумуляции наносов, устойчивости русла, коэффициентах диффузии, коэффициентах смешения водных масс. Необходимо сформировать у студентов понятие о типе руслового процесса, познакомить с методами расчета вертикальных и плановых деформаций русла, распространения примеси в водотоке, а также методами построения кривой свободной поверхности. Изучение дисциплины базируется на положениях гидравлики, общей гидрологии и гидрологических расчётов. В теоретическом разделе выделяются федеральная и региональная компоненты.

Федеральная компонента. Основные понятия и определения в области гидравлики и особенностей речной гидравлики. Уравнение Бернуллли, система уравнений Сен-Венана. Методы построения кривой свободной поверхности водотока и водоёма. Методы расчёта распространения примесей в водотоках. Типы русловых процессов. Методы расчёта твердого стока и оценки русловых деформаций.

Региональная компонента. Особенности гидравлических расчётов в Сибири. Преобладающие типы русловых процессов в Сибири. Взаимосвязи русловых и болотных процессов.

^ Требования к уровню подготовки студента

Магистрант, изучивший дисциплину «Речная гидравлика и дина-

мика русловых процессов», должен:

знать:

основные термины и определения в области гидравлики и русловых процессов;
цели и задачи гидравлических расчетов и русловых процессов;
типы русловых процессов.

владеть методами

определения гидравлических параметров водотока;
построения кривой свободной поверхности;
расчёта твёрдого стока;
оценки русловых деформаций;
расчёта распространения примеси в водотоке.

приобрести навыки

построения зависимости расхода воды от уровня и уровня от расхода на основе уравнения Шези;
расчёта кривой свободной поверхности водотока и водохранилища;
расчёта стока взвешенных наносов по методу Караушева;
расчёта стока влекомых наносов по методам Шамова, Леви, Гончарова и др.;
расчёта вертикальных деформаций русла;
определения плановых деформаций русла при использовании картографического материала и расчётными методами;
расчёта деформаций русла за счёт размыва или аккумуляции взвешенных наносов по методу Караушева;
расчёта кратности начального разбавления сточных вод по методу Лапшева;
расчёта кратности основного разбавления сточных вод по методу Фролова-Родзиллера.

иметь представление об основных видах устьевых гидрологических процессов и антропогенных факторах, влияющих на динамику речного потока и русловой процесс.

^ Задачи изложения и изучения дисциплины

Реализация целевых задач обучения достигается за счет выполнения комплекса учебно-методических работ, включающих следующее:

освещение в лекциях основных теоретических положений;
выполнение самостоятельных тематических заданий;
анализ методов речной гидравлики и русловых процессов;
использование в лекциях и лабораторных занятиях реального фактического материала;
изучение материалов инженерно-гидрометеорологических изысканий и мониторинга водных объектов;
изучение картографического материала, применяемого для решения задач по оценке и прогнозу русловых деформаций;
анализ типов русловых процессов, характера соответствующих русловых деформаций и характеристик твёрдого стока на примере рек Российской Федерации и мира.

Для успешного изучения дисциплины “Речная гидравлика и динамика русловых процессов” магистранты должны усвоить основы гидравлики, гидрологии и гидрологических расчётов.

^ 1. СОДЕРЖАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛА ДИСЦИПЛИНЫ

1.1. Основные понятия и определения в области речной гидравлики

Предмет гидравлики. Гидравлика и гидрология. Свойства жидкостей. Силы и напряжения, действующие в жидкости. Уравнение неразрывности. Гидростатическое давление и его свойства. Уравнения равновесия покоящейся жидкости. Напорное и безнапорное движение жидкости. Уравнение равномерного движения открытого потока. Построение кривых расходов речных потоков. Применение уравнения равномерного движения к отдельным вертикалям речного потока. Расчет распределения скоростей по ширине потока. Турбулентная пульсация. Уравнение неравномерного движения открытого потока. Основные зависимости, используемые при изучении неравномерного течения в реках. Основные уравнения неустановившегося движения воды в водотоках.

^ 1.2. Методы расчёта свободной поверхности и плана течений

Методы построения кривых свободной поверхности речных потоков (А.Н.Рахманова, Н.Н. Павловского, Н.М. Бернадского. Поперечные циркуляции. План течений и его построение по данным измерений и расчётным способом.

^ 1.3. Распространение растворов и тепла в потоках

Уравнения турбулентной диффузии и турбулентной теплопроводности. Уравнение установившейся турбулентной диффузии в форме конечных разностей. Учёт начальных и граничных условий при расчёте диффузии. Расчёт кратности разбавления методами Фролова-Родзиллера и Лапшева.

^ 1.4. Взвешенные и влекомые наносы

Общие сведения о речных наносах. Гидравлическая крупность. Начальная скорость донного влечения. Взвешивание наносов. Распределение мутности по вертикали. Транспортирующая способность потока. Баланс наносов участка реки. Методы расчёта стока взвешенных и влекомых наносов.

^ 1.5. Русловые процессы и деформации речных русел

Типы русловых процессов. Устойчивость речных русел. Морфометрические соотношения. Критерии устойчивости речных русел. Расчёт деформаций русла при наличии данных о мутности потока. Оценка вертикальных деформаций речных русел. Оценка плановых деформаций речных русел.

^ 2. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛА ДИСЦИПЛИНЫ

Целью практического раздела дисциплины (цикла лабораторных работ) является:

закрепление и углубление теоретических знаний;
приобретение навыков ведения необходимых гидрологических расчетов.

^ 2.1. Тематика лабораторных работ

1.	Построение кривых расходов воды	2 часа
2.	Построение кривой свободной поверхности водотока и водоёма	4 часа
3.	Методы расчёта распространения примесей в водотоках.	2 часа
4.	Методы расчёта твердого стока	2 часа
5.	Определение типа руслового процесса	2 часа
6.	Расчет вертикальных и плановых деформаций русла	6 часов

^ 3. ПРОГРАММА САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОЗНАВАТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Целью самостоятельной работы магистрантов является расширение и закрепление знаний, полученных магистрантом на лекциях и при выполнении лабораторных работ; приобретение умения самостоятельно и целенаправленно работать со специальной литературой; производить поиск необходимой информации в Internet, уметь критически оценивать полученную информацию, проводить анализ и обобщение материала, составлять краткий обзор прочитанного в виде реферата.

Для углубления знаний в области гидрологических расчётов магистрантам выделено 36 часов на самостоятельную проработку следующих вопросов из предложенных тем дисциплины:

Ниже приведенные темы должны быть проработаны с использованием рекомендованной литературы к данной дисциплине. Вопросы по самостоятельной работе студентов включаются в текущий, рубежный и итоговый контрольные.

Тема самостоятельной работы	Вид занятия	Технология организации самостоятельной работы	Контроль результа-тов СРС	Бюджет време-ни, час
Методы решения системы Сен-Венана	Внеауд.	работа с учебной литературой	РК - 1	8
Критерии динамического подобия	Внеауд.	работа с учебной литературой	РК - 1	4
Моделирование гидравлических явлений	Внеауд.	работа с учебной литературой	РК - 1	6
Принципы классификаций речных русел	Внеауд.	работа с учебной литер. и картограф. материалом	РК - 2	4
Морфодинами-ческая класси-фикация речных русел	Внеауд.	работа с учебной литер. и картограф. материалом	РК - 2	5
Основные виды устьевых гидрологических процессов	Внеауд.	работа с учебной литер. и картограф. материалом	РК - 2	5
Антропогенные факторы, влияющие на динамику речного потока и русловой процесс	Внеауд.	работа с учебной литер., изучение материалов инженерно-гидрометеорол. изысканий и мониторинга водных объектов	РК - 2	4

^ 4. ТЕКУЩИЙ И ИТОГОВЫЙ КОНТРОЛЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Текущий и итоговый контроль осуществляется на основе рейтинговой системы оценки знаний ТПУ. Основной целью которой является систематическая работа студентов над освоением теоретического и практического материала.

При изучении дисциплины «Речная гидравлика и динамика русловых процессов» предусматриваются следующие виды контроля: входной; текущий; рубежный; итоговый.

Входной контроль проводится в начале лекционного занятия путем проведения письменной работы (3-4 вопроса) на предмет знания базовых понятий из курсов гидравлики, гидрологии, комплексного использования водных ресурсов и математической статистики.

Текущий контроль проводится в течение лекционного занятия путем опроса 1-4-х магистрантов и письменных работ (1-2 вопроса) по материалам предыдущей лекции и теме самостоятельной работы магистрантов. Текущий контроль преследует цель выработать у магистрантов необходимость к систематической работе по освоению материала дисциплины.

Рубежный контроль проводится в конце каждого месяца путем выполнения письменной работы, включающей 2-3 вопроса по теоретической части. Рубежный контроль преследует цель проверки усвоения магистрантами знаний, усвоенных в результате самостоятельной работы, на лекционных и лабораторных занятиях.

Итоговым контролем является зачет, который проводится после завершения обучения магистрантов дисциплины «Речная гидравлика и динамика русловых процессов (10-й семестр). Итоговый контроль преследует цель проверки знаний магистранта по всему изученному курсу, понимания взаимосвязей различных его разделов друг с другом и связей с иными естественнонаучными, общепрофессиональ-ными и специальными дисциплинами. В процессе экзамена проводится проверка достижения результатов, предусмотренных разделом «Цели преподавания дисциплины» данной рабочей программы и ГОС по направлению 280400 «Природообустройство» магистерская программа 280400.10 «Гидравлика и инженерная гидрология. Итоговый контроль предусматривает ответы на вопросы теоретического курса, решение индивидуальных заданий с использованием средств вычислительной техники и литературных источников. Зачет сдают студенты, выполнившие все лабораторные работы, предусмотренные программой.

Примеры заданий входного контроля:

Дайте определение понятий «гидравлика».
Дайте определение понятий «равномерное и неравномерное движение жидкости, установившееся и неустановившееся движение жидкости».
Дайте определение понятий «гидравлический радиус, смоченный периметр».
Напишите формулу Шези.

Примеры заданий рубежного контроля:

Напишите систему уравнений Сен-Венана, укажите единицы размерности параметров уравнения.
Опишите алгоритм построения кривой расхода воды по данным инженерных изысканий.
Напишите трёхмерное уравнение турбулентной диффузии в декартовых координатах.
Напишите двумерное уравнение установившейся турбулентной диффузии в форме конечных разностей.
Напишите формулу Шамова для определения расхода влекомых наносов, укажите единицы размерности параметров уравнения.

Примеры заданий итогового контроля:

Перечислите основные документы, регламентирующие построение кривых расходов воды и оценку русловых деформаций.
Опишите алгоритм построения кривой свободной поверхности речного потока методом Бернадского.
Постройте график связи H=H(Q) (H и Q – уровень и расход воды) по данным: коэффициент шероховатости 0.02; уклон водной поверхности 0.2 промилле; опорные точки поперечного профиля долины (X, Y, м): (0; 75.1); (15; 74.3); (6.5; 71.2); (1; 69.5); (1.5; 68.7); (1.2; 69.2); (0.5; 69.5); (5; 71.9); (17; 74.8); (23; 76.2).
Определить расход воды для уровня 69.5 м. Исходные данные: коэффициент шероховатости 0.04; уклон водной поверхности 0.05 промилле; опорные точки поперечного профиля долины (X, Y, м): (0; 75.1); (15; 74.3); (6.5; 71.2); (1; 69.5); (1.5; 68.7); (1.2; 69.2); (0.5; 69.5); (5; 71.9); (17; 74.8); (23; 76.2).
Перечислите типы русловых процессов. Напишите критерии выбора типа руслового процесса.
Напишите уравнение баланса наносов участка реки.

^ 5. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

Дайте определение понятиям расхода и уровня воды, глубины и ширины потока, гидравлического радиуса, коэффициента шероховатости.
Как могут распределяться скорости течения по ширине и глубине потока.
Что необходимо для построения кривой расхода воды.
Методы построения кривой свободной поверхности.
Каковы условия размыва русла и аккумуляции наносов.
Критерии устойчивости речных русел.
Что Вы знаете о коэффициентах диффузии, коэффициентах смешения водных масс.
Какие данные необходимы для расчета расхода наносов.
Методы расчета вертикальных и плановых деформаций русла.
Методы расчета распространения примеси в водотоке.
Основные измерители типов руслового процесса.
Типы руслового процесса согласно гидроморфологической теории ГГИ.

^ 6. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Практические и самостоятельные занятия проводятся в компьютерном классе с использованием ПЭВМ, в частности табличного процессора Microsoft Excel для проведения рутинных вычислений и Microsoft Word для оформления лабораторных работ.

Контроль за выполнением лабораторных работ и степенью освоения теоретического материала проводится непосредственно на занятиях и консультациях. При изложении лекционного материала также используется электронное пособие «Гидравлика» (составители Крамаренко В.В., Савичев О.Г.), нормативные документы в области инженерных изысканий и гидрометеорологии, материалы инженерных изысканий и мониторинга водных объектов на территории Сибирского федерального округа.

^ ПЕРЕЧЕНЬ РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Основная:

Савичев О.Г., Паромов В.В., Решетько М.В. Гидрология и геоэкология рек Томской области. Уч. пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2005. – 106 с.
Михайлов В.Н., Добровольский А.Д., Добролюбов С.А. Гидрология. Учебник. – М.: МГУ, 2005. – 463с.
Земцов В.А., Вершинин Д.А., Крутовский А.О., Каменсков Ю.И. Русловые и пойменные процессы рек Сибири. Уч. пособие. – Томск: ТГУ, 2007. – 182 с.
ВСН 163-83. Учет деформаций речных русел и берегов водоемов в зоне подводных переходов магистральных трубопроводов. – Л.: Гидрометеоиздат, 1985. – 139 с.
СП 33-101-2003. Определение основных гидрологических характеристик. – М.: Госстрой России, 2004. – 72 с.
Лучшева А.А. Практическая гидрология. Уч. пособие. – Л.: Гидрометеоиздат, 1976. – 440 с.
Алексеевский Н.И. Гидрофизика. Учебник. – М.: Академия, 2006. – 170 с.
Караушев А.В. Речная гидравлика. – Л.: Гидрометеоиздат, 1969. – 416 с.
Крамаренко В.В., Савичев О.Г. Гидравлика. Метод. матер. по курсу «Гидравлика» для студ. II курса по напр. 280302 «Комплексное использование и охрана водных ресурсов». –Томск: ТПУ, 2009. – Ч. I. – 112 с.
Крамаренко В.В., Савичев О.Г. Гидравлика. Метод. матер. по курсу «Гидравлика» для студ. II курса по напр. 280302 «Комплексное использование и охрана водных ресурсов».–Томск: ТПУ, 2009.– Ч. II. – 124 с.

Дополнительная:

Крицкий С.Н., Менкель М.Ф. Гидрологические основы управления водохозяйственными системами. – М.: Наука, 1982. – 271 с.
Ботвинников В.М., Дегтярев В.В. Седых В.А. Гидроэкология на внутренних водных путях. Уч. – Новосибирск: Сиб.сог., 2002. – 356 с.
Гидравлика, гидрология, гидрометрия. Ч. 1, Общие законы: уч. пос.: в 2 частях / Н.М. Константинов, Н.А. Петров, Л.И. Высоцкий. — М.: Высшая школа, 1987. — 304 с.
Гидравлика, гидрология, гидрометрия. Ч. 2, Специальные вопросы: уч. пос.: в 2 частях / Н.М. Константинов, Н.А. Петров, Л.И. Высоцкий. — М.: Высшая школа, 1987. - 431 с.
Справочник по гидравлическим расчетам / Под ред. П.Г. Киселева. – М., Энергия, 1974. – 312 с.
Состояние поверхностных водных объектов, водохозяйственных систем и сооружений на территории Томской области в 2000-2005 гг. / В.А. Льготин, О.Г. Савичев, В.Я. Нигороженко. – Томск: Томскгеомониторинг, 2006. – 88 с.
Каменсков Ю.И. Русловые и пойменные процессы. – Томск: Изд-во ТГУ, 1987. – 171 с.
Речная гидравлика и русловые процессы: [лекции]: в 2 ч. / МГУ, Международные высшие гидрологические курсы ЮНЕСКО, 6 сессия. – М.: Изд-во МГУ, 1976. – Ч. 1. – 149 с.,
Речная гидравлика и русловые процессы: [лекции]: в 2 ч. / МГУ, Международные высшие гидрологические курсы ЮНЕСКО, 6 сессия. – М.: Изд-во МГУ, 1976. – Ч. 2. – 122 с.
Проблемы насосов и качества поверхностных вод: сборник статей / Труды ГГИ; Вып. 349; под ред. А. В. Караушева. – СПб.: Гидрометеоиздат, 1991. – 142 с.
Р.С. Чалов Русловедение. Теория, география, практика. Том 1. Русловые процессы. Факторы, механизмы, формы прояв-ления и условия формирования речных русел. – Изд-во: ЛКИ, 2008. – 610 с.
Боровков В. С. Русловые процессы и динамика речных потоков на урбанизированных территориях. – Л.: Гидрометеоиздат, 1989. – 286 с.
Михайлов В.Н. Гидрологические процессы в устьях рек. – М.: ГЕОС, 1997. – 176 с.
Морфодинамика русел равнинных рек / Под ред. Р.С. Чалова – М.: Изд-во МГУ, 1998. – 288 с.
Беркович К.М., Чалов Р.С., Чернов А.В. Экологическое русловедение – М.: ГЕОС, 2000. – 332 с.
Барышников Н.Б. Динамика русловых потоков. – СПб.: РГГМУ, 2007. – 314 с
Барышников Н.Б., Попов И.В. Динамика русловых потоков и русловые процессы. – Л., Гидрометеоиздат, 1988 – 456 с.
Барышников Н.Б. Руководство к лабораторным работам по динамике русловых потоков и русловым процесам СПб.: РГГМУ, 1991. – 224 с.
Гидравлика (техническая механика жидкости): учебник / Р.Р. Чугаев. – 5-е изд. – М.: Бастет, 2008. – 672 с.
Гидрологические исследования / Под ред. В. Н. Глубокова. – СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. – 228 с.http://urss.ru/cgi-bin/db.pl?lang=ru&blang=ru&page=Book&list=612&id=66694 - AB
Барышников Н.Б. Пойменные процессы при интенсивном антропогенном воздействии / Тезисы докладов VI Всероссийского гидрологического съезда. Секция 6. Проблемы русловых процессов, эрозии и наносов. СПб.: Гидрометеоиздат, 2004. – с. 19-21.
Беркович К.М. О прямых антропогенных нарушениях русел рек бассейна Волги / Тезисы докладов VI Всероссийского гидрол. съезда. Секция 6. Проблемы русловых процессов, эрозии и наносов. СПб., Гидрометеоиздат, 2004. – с. 51-53.

Учебное издание

^ РЕЧНАЯ ГИДРАВЛИКА И ДИНАМИКА РУСЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ

Рабочая программа для направления

280400 «Природообустройство»

по магистерской программе 280400.10
«Гидравлика и инженерная гидрология»

Разработчики:

САВИЧЕВ Олег Геннадьевич

РЕШЕТЬКО Маргарита Викторовна

КРАМАРЕНКО Виолетта Валентиновна

Подписано к печати 00. 00.2010. Формат 60х84/16. Бумага «Снегурочка». Печать Xerox. Усл. печ. л. 000. Уч.-изд. л. 000. Заказ . Тираж ххх экз.
	Томский политехнический университет Система менеджмента качества Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту ISO 9001:2008
634050, г. Томск, пр. Ленина, 30. Тел/факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru