Определение расчетных минимальных расходов при отсутствии или недостаточности гидрометрических наблюдений

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 км². 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 (М₃₀) с ростом площади бассейна (F). Она определяется путем построения зависимости M₃₀=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 км². 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 (км²) малых рек

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 км², для увлажненных районов и 100 км² для районов недостаточного увлажнения, рассчитывается по эмпирической зависимости вида

(4.1)

где – минимальный 30-дневный расход воды, средний за многолетний период, для зимнего или летне-осеннего сезонов;

F – площадь бассейна реки в км²;

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

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_vдля увлажненных районов и C_s=1,0-1,5 C_vдля районов недостаточного увлажнения.

Таблица 4.5.

Значения C_vв зависимости от величины модуля минимального 30- дневного стока за летний и зимний сезоны

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 км². 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

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 км². 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 км².

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:

Категория дороги……………………….I – II III – IV

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:

Категория железной дороги…………………… I II III

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.

Расчет максимальных расходов талых вод равнинных рек.

Расчетный расход определяется по формуле

(5.3)

где Q_maxp — расчетный мгновенный максимальный расход талых вод в м³/сек, вероятность превышения которого р%; q_maxр — модуль максимального расчетного расхода воды Q_maxp/F м³/сек с 1 км²; h_p — расчетный слой суммарного (без срезки грунтового питания) стока половодья той же вероятности превышения р%, что и искомый максимальный расход воды, в мм; F – площадь водосбора до замыкающего створа в км²; – коэффициент дружности половодья на элементарных (малых) бассейнах (при F→0 и δ₁δ₂=1); n – показатель степени, характеризующий редукцию (уменьшение) коэффициента дружности половодья в зависимости от площади водосбора; δ₁ – коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода воды рек, зарегулированных озерами (δ₁) и водохранилищами (δ₁‘); δ₂ — коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода воды в заболоченных и залесенных бассейнах.

На рис. 5.2. приведена номограмма степенной функции .

Параметры формулы (5.3) определяются следующим образом.

Значения n и k₀ находятся в зависимости от природной зоны (района) и категории рельефа по табл. 5.1. Природная зона, указанная в этой таблице, в пределах которой расположен бассейн реки, устанавливается по карте (рис. 5.3). Для бассейна, расположенного в двух смежных зонах, принимаются средние значения n и k₀.

Рис. 5.2. График степенной функции

Рис. 5.3. Районирование России применительно к расчету максимальных расходов талых вод.

Таблица 5.1

Значения параметров n и k₀

Для сильно заболоченных бассейнов с площадями водосборов более 10 000 км².

Зависимости , по которым определены параметры n и k₀, приведенные в табл. 5.1, построены по равнообеспеченным значениям модулей q_maxp. И слоев половодья h_p с вероятностью превышения р=1%.

Категория рельефа определяется по гипсометрической карте в зависимости от степени расчлененности бассейна. К первой категории рельефа относятся бассейны, расположенные в пределах холмистых и платообразных возвышенностей, ко второй – бассейны, в пределах которых холмистые возвышенности чередуются с понижениями; к третьей — бассейны, большая часть которых расположена в пределах плоских низменностей, а также реки, имеющие широкие заболоченные поймы.

Признаком для установления категории рельефа служит отношение средневзвешенного уклона главного водотока расчетной реки I_ср к типовому уклону I_т

(5.4)

где (величины уклонов в %).

При а>1,0 бассейн относится к первой категории рельефа, при а=1,0 ÷0,5 – ко второй, при а<0,5 – к третьей.

Слой стока весеннего половодья заданной вероятности превышения h_p определяется по трем статистическим параметрам: среднему многолетнему слою стока половодья , коэффициентам вариации C_υh и асимметрии C_sh слоя стока. Величина определяется по карте изолиний среднего слоя стока половодья (рис 5.4.). Для рек с F<100 км² на Европейской и F<1000 км² Азиатской территории России в величину h, установленную по карте, вводятся поправочные коэффициенты, учитывающие отличие условий стока в их бассейнах по сравнению со средними зональными. Величина этих коэффициентов устанавливается по табл.5.2.

Таблица 5.2

При особо неблагоприятных условиях стока (сосновые леса на песках, значительное распространение туфогенных пород и др.) допускается снижение величины А, снятой с карты, до 50%

В засушливых районах и полупустынной зоне Западной Сибири и Казахстана учитывается зависимость = f(F). Для F< <3000 км² к Л, снятым с карты, вводятся коэффициенты по табл. 5.3.

Таблица 5.3

Поправочные коэффициенты к среднему слою стока половодья, определенному по приложению

Рис. 5.4. Средний слой стока весеннего половодья, мм

1 – районы, где расчетными являются максимальные расходы дождевых паводков; 2 – горные районы, в которых весеннее половодье не выделяется; 3 – районы интенсивного развития карста.

Для промежуточных площадей водосборов, не приведенных в таблице, значения поправочных коэффициентов определяются интерполяцией.

При озерности бассейна f_оз>2% учитывается снижение по сравнению с его зональным значением согласно табл. 5. 4.

Таблица 5.4

Снижение слоя стока половодья в зависимости от озерности

Таблица 5.5

Изменение C_vhв зависимости от площади водосбора

Значения С_τhдля бассейнов с F > 200 км²снимаются с карты изолиний (рис. 5.5.). Для малых бассейнов, F < 200 км², к снятым с карты C_vh вводится поправочный коэффициент, величина которого принимается по табл. 5.5 в зависимости от площади водосбора.

Значение С_Sh принимается по соотношению C_Sh = 2C_vh,. Для Северо-Запада и Северо-Востока России, где в формировании максимального стока половодья в значительной мере участвуют дождевые осадки, принимается соотношение C_sh,= 3C_vh

Ординаты кривых обеспеченности k_pдля определения расчетного значения слоя стока половодья h_p = k_ph принимаются по таблицам Н. С. Крицкого и М. Ф. Менкеля или рис. 5.6. Коэффициент δ₁ учитывающий снижение максимального стока рек, зарегулированных озерами, определяется по формуле

Рис. 5.5. Коэффициент вариации слоя стока половодья

1 – районы, где расчетными являются максимальные расходы дождевых паводков; 2 – горные районы, в которых весеннее половодье не выделяется; 3 – районы интенсивного развития карста.

Рис. 5.6. Ординаты кривых трехпараметрического гамма–распределения.

, (5.4)

где С — коэффициент, величина которого в зависимости от сред­него слоя стока половодья колеблется от 0,2 (при >=100 мм) до 0,4 (при <100 мм):

f’_оз — средневзвешенный коэффициент озерности

, (5.5)

(здесь F — площадь водосбора в створе проектируемого сооружения, Si — площадь зеркала озера, fi— площадь частного водосбора озера).

Поправочный коэффициент δ’₁ на снижение максимальных расходов воды рек, зарегулированных водохранилищами, вводится с учетом проектных материалов.

Коэффициент δ₂, учитывающий снижение максимального расхода воды в залесенных и заболоченных бассейнах, определяется по формуле

, (5.6)

где f_л — степень залесенности бассейна в %; f_δ — степень заболоченности бассейна в %; γ— эмпирический коэффициент, рав­ный 0,8.

Величины δ₂при γ= 0,8 в зависимости от приведены в табл 5.6.

Таблица 5.6

Величины поправочных коэффициентов δ₂

Примечания:

1. fл менее 10% и fδ менее 5% не принимаются во внимание при расчете максимальных расходов.

2. При β>8 принимается δ2 = 0,30.

3. При fоз>20% влияние fл и f δ не учитывается.

При наличии данных многолетних наблюдении по смежным бассейнам или створам расчетный максимум может быть уточнен или вычислен методом аналогии. Для этого путем обратных вычислений по бассейну-аналогу определяется параметр k₀ по формуле

, (5.7)

где n — районный параметр, определяемый по табл. 5.1; Fa, q_1%a, h_1%a; δ_1аδ_2а — параметры бассейна реки-аналога, определяемые известными методами и по формулам (5.4), (5.6).

Значение h_p для бассейна в створе проектируемого сооружения определяется по вышеизложенным рекомендациям или принимается по данным бассейна-аналога.

Максимальный расход талых вод в створе сооружения определяется по формуле (5.3).

В качестве аналогов принимаются бассейны, расположенные в одной и той же природной зоне, с одинаковым показателем редукции n, имеющие продолжительные и надежные гидрометрические наблюдения и близкие с расчетным бассейном факторы подстилающей поверхности.

Расчет максимальных расходов талых вод горных рек.

Максимальные расходы талых вод горных рек с весенне-летним половодьем (Урал, Карпаты, Алтай, Саяны, Камчатка, Сахалин, горные реки Северо-Востока России) определяются по формуле

, (5.8)

Обозначения здесь те же, что и в формуле (5.3).

Параметр k₀ формулы (5.10) принимается по табл. 5.7.

Параметр k₀ уточняется по реке-аналогу. Его значение для аналога определяется по формуле

, (5.9)

k₀, вычисленное по формуле (5.9), подставляется в формулу (5.8).

Значения и С_υh определяются по рис. 5.4., 5.5., C_sh принимается по соотношению C_sh=(3÷4)С_υh.

Таблица 5.7

Значения параметра k₀

Максимальные расходы талых вод рек с летним половодьем (высокогорные районы) вычисляются по формуле

, (5.10)

где h_pr— расчетный слой годового стока вероятностью превышения р%.

h_prопределяется по указаниям расчета нормы годового стока и обеспеченных значений годовых расходов. k₀ рассчитывается по бассейну-аналогу

(5.11)

При выборе бассейна-аналога в горных районах, кроме уже известных требований, учитывается положение бассейна в горной системе, его удаленность и защищенность от влагоносных ветров, амплитуда высот, доля площади, расположенная выше снеговой линии.

Пример 5.1 Определить максимальные расходы весеннего половодья р. Ней у с. Парфеньева обеспеченностью 1 и 5%, пользуясь формулой (5.3).

Река Нея является левобережным притоком р. Унжи, протекает в лесной зоне ET. Площадь водосбора, замыкаемая створом у с. Парфеньева F=954 км², залесенность бассейна fл =75%, заболоченность fб менее 1%, озерность foз менее 1%, средняя высота бассейна 170 м над уровнем моря, средневзвешенный уклон главного водотока I=0,7%o.

По формуле (5.4) бассейн относится ко второй категории рельефа .

Установим по формуле (5.3) значения ее параметров для бассейна р. Ней у с. Парфеньев.

.

k – коэффициент дружности половодья по табл. 5.1 принимается равным 0,008; п – показатель степени редукции по той же табл. 5.1 принимается равным 0,17; h – среднее значение слоя половодья устанавливаем по карте (рис. 5.4) равным 140 мм C_Vh– коэффициент вариации слоя стока половодья по карте (рис. 5.5) равен 0,38.

Принимая C_S = 2C_V – 0,76, по табл. 3.10 получаем значения модульных коэффициентов k_1%=2,09 и k_5%=1,7и обеспеченные значения слоя половодья k_1%= 2,09 140 = 293 мми k_5%=1,70 140 = 238 мм.

δ₁ – коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода за счет зарегулированности озерами, принимаем равным 1,0, так как f_оз менее 1%’.

δ₂ – коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода за счет залесенности и заболоченности, равен

По установленным расчетным параметрам вычислим значения максимальных расходов весеннего половодья:

м³/сек

м³/сек

Пример 5.2 Определить максимальные расходы весеннего половодья реки Подкаменная тунгуска обеспеченностью 1, 5, 25, 75, 99 %. Река в лесной зоне. Площадь водосбора F= = 1844 км², залесенностъ бассейна f_л = 85%, заболоченность f_б менее 1%, озерность f_оз менее 1%, средняя высота бассейна 140 мнад уровнем моря, средневзвешенный уклон главного водотока I=0,5%.

Пример 5.3.Определить максимальные расходы весеннего половодья реки обеспеченностью 10 и 75%. Река в степной зоне. Площадь водосбора F= = 1450 км², залесенностъ бассейна f_л = 15%, заболоченность f_б менее 1%, озерность f_оз менее 1%, средняя высота бассейна 100 м над уровнем моря, средневзвешенный уклон главного водотока I=0,5%₀.

Рассмотрим формулы Д. Л. Соколовского которые применимы для всех районов России. Указанные формулы содержат небольшое количество легко определяемых параметров, что является удобным в учебных целях.

Формула Д. Л. Соколовского. Эта расчетная формула максимальных расходов воды дождевых паводков относится к объемным формулам, связывающим максимальный расход с объемом и формой гидрографа паводка. В окончательном виде она записывается так:

(5.12)

где – слой осадков за время расчетного дождя продолжительностью Т часов в мм; Н₀ – слой потерь осадков, идущих на поверхностное смачивание, начальное увлажнение почвы и заполнение микрорельефа, в мм; – коэффициент дождевого стока; F – площадь водосбора в км², одновременно орошаемая дождем; – продолжительность подъема паводка в часах; f – коэффициент формы паводка; – коэффициент, учитывающий аккумулирующее влияние озер, болот и лесов; – коэффициент учета руслового регулирования; Q_rp – расход грунтового питания, предшествующий паводку; р – обеспеченность в %.

Формула (5.12) применима для малых и больших водосборов всех районов, за исключением лесостепной и степной зоны ETC, а также засушливых и полупустынных районов Азиатской части России, где она пригодна лишь для водосборов с F ≤ 200÷500 км².

Расчетный слой осадков определяется по формуле (5.13) с уточнением показателя редукции ливней и дождей n₁ при расчетах или по данным, приведенным в монографиях «Ресурсы поверхностных вод России». При наличии сведений о суточных максимумах осадков Н_ср обеспеченностью р% и значении n₁ слой осадков за время Т можно установить по формуле

(5.13)

Расчетная продолжительность осадков Т в часах определяется в зависимости от продолжительности подъема паводка по табл. 5.18.

Таблица 5.8

часы	Т часы	часы	Т часы
1,0	1,0		12,5
2,0	1,6		18,0
5,0	3.2		24,0
	6,2
	8,6

Приближенные значения слоя начальных потерь Н₀ мм и коэффициентов дождевого стока ар приводятся в табл. 5.9.

Таблица 5.9

Значения коэффициента стока а и слоя начальных потерь Н₀

Продолжительность подъема паводка приравнивается времени добегания лика паводка τ_п и определяется по формуле

(5.14)

где L – длина реки от наиболее удаленной части бассейна до расчетного створа в км; – средняя скорость добегания пика паводка в м/сек, равная 0,7 от наибольшей скорости в расчетном створе, отвечающей фазе максимума

(5.15)

Значение может быть определено при наличии данных об уклоне и средней глубине по формуле Шези или формуле без коэффициента шероховатости

(5.16)

где I – продольный уклон тальвега в относительных единицах; –средняя глубина в расчетном створе в м.

Приближенное значение может быть установлено по табл. 5.10.

Таблица 5.10

Максимальные значения скорости течения рек в м/сек

Коэффициент формы паводка f зависит от показателей степени кривых подъема и спада паводка тили соотношения продолжительности спада и подъема γ. При m = 2 и n = 3 получим

(5.17)

где γ – отношение продолжительности спада и продолжительности подъема, определяемое по табл. 5.11.

Коэффициент учета влияния озер, болот и леса δ определяется по формуле (5.11).

Русловое регулирование учитывается на больших и средних реках при наличии значительных пойм по формуле

(5.18)

Таблица 5.11

где – глубина наполнения поймы при паводках; – площадь поймы; W – объем дождевого паводка, определяемый по формуле

, (5.19)

где Н_Т, Н₀, a, F – имеют те же значения, что и в формуле (5.12). Величина грунтового расхода Q_гpдля суходолов, балок, логов принимается равной нулю, а для постоянных водотоков и рек определяется приближенно по равенству (5.20)

(5.20)

где M₀ – норма годового стока в л/сек с 1 км².

Пример 5.5. Определить максимальный расход воды ливневого паводка 1%-ной обеспеченности балки Крутой Яр в районе ж.-д. ст. Ясеноватой (Донбасс) по формуле (5.12).

Исходные данные: площадь водосбора балки F = 22,5 км², длина по тальвегу L – 8,5 км, рельеф бассейна крупнохолмистый, залесенность незначительная, озер, водохранилищ и болот в бассейне нет.

Установим расчетные параметры формулы. По табл. 5.10 принимаем = 1,5 м/сек, тогда = 0,7 • 1,5= 1,05 м/сек.

Продолжительность подъема паводка = 2,25 часа.

Продолжительность расчетного дождя по табл. 5.8 .Т = 1,7 часа. Слой осадков за дождь продолжительностью 1,7 часа по формуле (5.13)

=70 мм

По табл. 5.9 принимаем H₀ = 20 мм и а_1%=0,40. При f = 2,0 (см табл. 5.11) коэффициент формы гидрографа f=l,2

По формуле (5.12) при установленных параметрах максимальный расход ливневого паводка 1% – ной обеспеченности балки Крутой Яр равен =67,2 м³/сек.

Дождевые максимумы.

Дожди, по предложению Д. Л. Соколовского, можно разделить на три группы:

1) ливни – короткие и интенсивные дожди продолжительностью не более двух-трех часов и средней интенсивностью α 10– 20 мм/час;

2) ливневые дожди продолжительностью от нескольких часов до нескольких суток со средней интенсивностью α 2–10 мм/час;

3) обложные дожди продолжительностью от двух-трех суток и более со средней интенсивностью α 1–2 мм/час.

Ливни характерны для засушливых районов, в частности для лесостепной и степной зон европейской территории России. Как правило, они охватывают небольшие площади порядка десятков, реже сотен квадратных километров. Поэтому они могут вызвать значительные паводки лишь на малых водотоках с бассейном до 100 – 200 км², реже 1000 км².

Многочисленные формулы по расчету дождевых максимумов разрабатывались в двух направлениях:

1) для определения размеров городских водостоков;

2) для расчета отверстий мостов.

Кратко остановимся на каждом из этих направлений.

Водостоки рассчитывают на пропуск дождевых и снеговых вод. Наибольшие расчетные расходы с водосборов населенных пунктов образуются при выпадении дождей. Однако не весь объем выпавших осадков попадает в водостоки. Часть его расходуется на инфильтрацию в грунт, испарение и смачивание растительного покрова. Это учитывается при определении расчетного расхода дождевых вод по формуле

, (5.20)

где q – расчетная интенсивность дождя, л/сек на 1 га;

σ – коэффициент стока;

F – площадь бассейна, га;

η – коэффициент неравномерности выпадения дождя, зависящий от площади стока и продолжительности дождя.

Средние значения η составляют 0,8 – 0,9. При площади в 200 га и менее коэффициент η может быть принят равным единице. Значения коэффициента σ колеблются в больших пределах: от 0,9 для бетонных и асфальтовых покрытий и до 0,10 – 0,20 – для садов и парков.

Наибольшую сложность при вычислениях представляет собой величина q. На основании длительных наблюдений за ливнями впервые в Советском Союзе эта величина наиболее полно была изучена П. Ф. Горбачевым. Он исходил из того положения, что интенсивность дождя q изменяется в обратной зависимости от его продолжительности t:

, (5.21)

При этом для величины А им была установлена такая зависимость:

, (5.22)

где 166,7 – переводной коэффициент;

α – климатический коэффициент, колеблющийся в европейской части России от 0,025 – на севере до 0,053 – на юге;

Н – среднегодовое количество осадков в мм высоты слоя;

Р – период однократного переполнения водостоков в годах с колебаниями от 1 до 25 лет. Дальнейшее усовершенствование величины расчетной интенсивности дождя q было выполнено рядом авторов и научно-исследовательскими коллективами. Наибольшее признание получила формула Ленинградского научно-исследовательского института коммунального хозяйства, принятая в нормах и технических условиях проектирования канализации населенных мест (СНиП П-Г, 6-62):

, (5.23)

В этой формуле n – показатель степени; определяется по картам в зависимости от места расположения объекта и колеблется от 0,55 до 0,75. Величина q₂₀ – интенсивность дождя в литрах в секунду на 1 га при продолжительности 20 мин и повторяемости один раз в год. Определяемые по карте территории России значения этой величины достигают минимума на севере (50–60) и увеличиваются к югу и западу (80–100). На Черноморском побережье Кавказа q₂₀ достигает максимальных величин (100–200). Коэффициентом С учитываются климатические особенности районов. В северных и центральных районах европейской части России величина С равна 0,85, к югу и в Сибири она увеличивается до единицы, а в Крыму и в Средней Азии – до 1,20–1,50.

Как видно из формулы (5.21), величина q зависит от продолжительности дождя t. При ее расчетах принято положение о предельных интенсивностях дождей, при которых продолжительность дождя t_расч равна времени добегания потока от удаленной точки площади водосбора до расчетного сечения водостока.

Достоинством формул (5.19) и (5.21) является сочетание правильного учета метеорологических факторов, определяющих характер и интенсивность дождей, с факторами подстилающей поверхности, определяющими величину инфильтрации, скорости и времени добегания как по склонам бассейна, так и по естественному и искусственному руслам. Недостатком этих формул следует считать зависимость их от большого числа параметров, каждый из которых вычисляется с определенной степенью точности.

Для расчета отверстий мостов разработан ряд формул по определению дождевых максимумов, остановимся на более простых из них.

Рис. 5.7 Карта изолиний параметра С в формуле НКПС 1928г.

Для европейской части

Обработка Г. Д. Дубелиром данных по ливневому стоку дала возможность Народному комиссариату путей сообщения в 1928 г. принять «Правила определения наибольшего расчетного притока ливневых вод к отверстиям малых сооружений» (HKJIC– 1928 г.) Согласно этим правилам “максимальный дождевой расход

, (5.24)

где С – географический параметр, определяемый по картам изолиний (рис. 5.7), он колеблется от 6 – на севере до 24 – на юге;

α – коэффициент, зависящий от длины и уклона реки;

α = f(l,i) и вычисляется по табл. 5.8.

Таблица 5.8

Значения коэффициентаа

В формулу (5.24) вводятся поправочные коэффициенты, исходя из следующих соображений: допускается снижение расхода на 50% при легкопроницаемых породах и на 20% при покрытии большей части площади бассейна лесом; увеличивается расход не более чем на 30%, при непроницаемых породах. Максимальный расход по этой формуле имеет обеспеченность порядка 2–3%. Эта формула пригодна для подсчета максимальных расходов при площадях водосборов F<4C и не более 60 км². Для больших площадей водосборов дождевой максимум приближенно можно определить по упрощенной формуле Д. Л. Соколовского:

Как видно из табл. 5.9, точность подсчета по этой формуле невелика. По ней можно получить только порядок цифр для предварительных соображений. Проверкой величины В могут быть наблюденные величины дождевых максимумов. Тогда

.

, (5.25)

Величина параметра В определяется по табл. 5.9.

Таблица 5.9

Величина параметра В

Заключение

В методических указаниях изложены основные методы гидрологических расчетов элементов стока и применение их для вычислений характеристик нормы годового стока и определение годового стока различной обеспеченности, построение кривых повторяемости и обеспеченности, и, как вспомогательный к ним, метод удлинения коротких рядов наблюдений. При применении этих методов результаты расчетов будут тем точнее, чем длиннее ряд наблюдений. Особое внимание следует уделить выбору величины коэффициента асимметрии в зависимости от коэффициента вариации. Метод уточнения величины этого коэффициента подробно изложен в тексте пособия.

Для овладения методом построения кривой обеспеченности гидрологических величин студенты выполняют соответствующие упражнения, руководствуясь изложенными в тексте пособия примерами задач. Определение максимальных и минимальных расходов воды изложены в размерах необходимых для практических целей.

Закономерности гидрологии изучены еще недостаточно, по мере накопления новых наблюдений эти закономерности будут уточняться.

Библиографический список

1. Грацианский М.Н. Инженерная гидрология и гидрометрия./ М.Н. Грацианский. – М.: Высшая школа, 1966 г. – 116 с.

2. Клибашев, К.П. Гидрологические расчеты. / К.П.Клибашев, И.Ф. Горохов. – Гидромедиздат: Ленинград – 1970 г.

3. Гавич И.К. Теория и практика применения моделирования в гидрогеологии М., 1980.

4. Горшков С.П. Концептуальные основы геоэкологии: Учебное пособие – М.: Желдориздат, 2001 – 592 с.

5. Каменский Г.Н. Основы динамики подземных вод. 2-е изд. М., 1943.

6. Кац Д.М., Шестаков В.М. Мелиоративная гидрогеология. М., 1981.

7.Справочное руководство гидрогеолога. 3-е изд. Л., 1980, т. 1,2.

8. СНиП 2.01.14-83. Определение расчетных гидрологических характеристик. М.: 1985. с. 36.

9. Мироненко В.А. Динамика подземных вод. М., 1983.

10. Мироненко В. А. Динамика подземных вод / В. А.Мироненко. М.: Изд-во Московского государственного горного университета, 2005 г.

11. Семенов С. М. Гидрогеологические прогнозы в системе мониторинга подземных вод / Семенов С. М. М.: Изд-во: Наука, 2005г.

12. Экологическая гидрогеология / А. П. Белоусова, И. К. Гавич, А. Б. Лисенков, Е. В. Попов. М.: Академкнига, 2007 – 398 с.

13. Всеволожский В. А. Основы гидрогеологии / В. А. Всеволожский. М.: Издательство Московского университета, 2007 – 448 с.

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ. 3

1. Водно-балансовые расчеты.. 5

1.1 Уравнение для произвольного контура. 6

2.2 Уравнение речных бассейнов. 8

1.3 Уравнения для многолетнего периода. 10

1.4. Водный баланс озер. 12

2. Норма годового стока и его распределение. 13

2.2. Определение нормы годового стока при наличии длительных гидрометрических наблюдений. 16

2.3 Внутригодовое распределение стока. 21

3. Расчет значений годового стока различной обеспеченности 24

3.1. Определение коэффициентов вариации и ассиметрии при наличии длительного ряда наблюдений. 26

4. Расчет минимальных расходов воды.. 45

4.1 Определение минимальных расходов различной обеспеченности при наличии гидрометрических наблюдений. 45

4.2 Определение расчетных минимальных расходов при отсутствии или недостаточности гидрометрических наблюдений. 51

5. Максимальные расходы воды.. 56

5.1 Расчет максимальных расходов при наличии ряда наблюдений. 59

5.2 Определение максимальных расходов при отсутствии или недостаточности наблюдений. 61

5.3 Расчет по формулам максимальных расходов дождевых паводков. 74

5.4 Дождевые максимумы. 78

Заключение. 83

Библиографический список.. 84