4.12. Особенности расчета годового стока и его внутригодового распределения

Основой для определения расчетных значений годового стока воды являются среднегодовые расходы воды в исследуемом створе. Определение параметров кривой обеспеченности годового стока при любой степени изученности бассейна реки изложено в § 4.11. При отсутствии данных наблюдений норму стока определяют по картам изолиний среднего многолетнего годового стока рек СССР [(л/с) км²] или прямолинейной интерполяцией нормы стока между опорными пунктами с известными значениями среднего многолет­него стока. Определение нормы стока по карте изолиний основано на допущении плавного изменения среднемноголетнего стока по территории в зависимости от зонального изменения физико-геогра­фических факторов стока. Карты изолиний нормы стока составле­ны ГГИ (листы 1, 1а, 16, 1в в приложении 1 [7]) и рекомендуются для рек с площадями водосборов до 50000 км², но при отсутствии резких изменений в рельефе и климатических условиях их можно использовать и для рек с большими площадями водосборов

В случае определения нормы стока по карте изолиний оконту-ривают бассейн исследуемой реки до замыкающего створа и нахо­дят центр его тяжести. Норму стока для центра тяжести бассейна получают путем линейной интерполяции между ближайшими изо­линиями.

При расчлененном рельефе и неравномерном расположении изолиний по площади бассейна среднемноголетний модуль стока рассчитывают как средневзвешенное значение по формуле

(4.64)

где q_h q-i, . . . , q_n — соответствующие средние многолетние модули стока, найденные по карте; f\, {2, ••••, fn — площади между изоли­ниями в пределах бассейна реки, определяемые планиметром.

Коэффициент вариации C_v определяют по карте изолиний так же, как по карте нормы стока. Карта коэффициентов вариации C_v (листы 2,2а, 26 и 2в в приложении 1 [7]) рекомендована для рав-

139

нинных рек с площадью водосбора от 1000 до 50000 км² ^ри от­ сутствии озер или при озерности, не превышающей 3% от площади водосбора. '

При длительных наблюдениях коэффициент асимметрии C_s можно определить методом наибольшего правдоподобия в зависи­мости от статистик Я2 и Кз и графоаналитическим методом по коэффициенту скошенности, вычисляемому по формуле (4.24). При коротких рядах наблюдений или при полном их отсутствии коэф­фициент асимметрии C_s находят по отношению этого параметра к коэффициенту вариации C_v по реке-аналогу.

При отсутствии падежных аналогов расчетное значение отно­шения коэффициента асимметрии к коэффициенту вариации C_s/C_a определяют по карте (лист 4 в приложении 1 [7]).

В практике гидрологических расчетов очень часто возникает необходимость определения не только годового стока, но и распре­деления последнего внутригодового интервала времени. Внутри-годовое распределение стока в зависимости от задач водохозяйст­венного проектирования может быть представлено в виде хроно­логического изменения расходов по месяцам или сезонам или в порядке убывания расходов воды.

В первом случае внутригодовое распределение стока воды при наличии данных гидрометрических наблюдений за период не менее 15... 20 лет проводитсяи-ли методом компоновки сезонов, или ме­тодом характерного реального года.

Метод компоновки сезонов — основной способ расчета календарного внутригодового распределения стока. По методу ком­поновки рассматриваются межсезонное и внутрисезонное распре­деления стока.

Для исследований и расчета межсезонного распределения стока каждый год делится па два основных периода: паводочный (много­водный) и меженный (маловодный). Для практических задач проектирования маловодный период в свою очередь делится на два сезона. Всего в году должно быть не более трех сезонов. Период года и сезон, когда естественный сток может ограничивать потреб­ление, принимают за лимитирующие, так как в этот период года и сезон создаются неблагоприятные условия работы водохозяйст­венных предприятий. Так, для рек с весенним половодьем за ли­митирующий период принимаются два маловодных сезона: летне-осенний и зимний. При преобладающем водопотреблении на сель­скохозяйственные нужды (орошение, обводнение) за лимитирую­щий сезон принимается летне-осенний, для энергетики и водоснаб­жения— зимний. Для высокогорных рек с летним половодьем (Средняя Азия) при преимущественно ирригационном использо­вании стока за лимитирующий период принимается зимне-осенний, а за лимитирующий сезон — весенний.

При проектировании отвода избыточных вод с целью борьбы с наводнениями или при осушении болот и заболоченных земель за лимитирующий период принимается многоводная часть года (весна

НО

и летоV—осень), а за лимитирующий сезон — самый многоводный сезон ресна).

Расчеты внутригодового распределения стока при выделении сезонов\ведут обычно не по календарным годам, а по водохозяй­ственным, принимая за начало водохозяйственного года многовод­ный период. Границы сезонов назначаются одинаковыми для всех лет с округлением их до целого месяца. Длительность многовод­ного периода устанавливается так, чтобы в его границы помеща­лись полрводья всех лет, как с наиболее ранним сроком его на­ступления, так и с наиболее поздним сроком окончания.

Назначив границы периодов и сезонов, определяют сток за от­дельные периоды и сезоны каждого года путем суммирования средних месячных расходов.

По значениям годового стока и стока за отдельные периоды и сезоны кйждого года наблюдений строят эмпирические кривые обеспеченности. Статистические параметры х и C_v вычисляют не­посредственно по полученным рядам. Третий параметр теоретиче­ской кривой обеспеченности, коэффициент асимметрии С,, лучше подбирать по данным рек-аналогов, расположенных в гидрологи­чески однородном районе. Далее при установленных параметрах теоретической кривой обеспеченности вычисляют значения стока одной и той же заданной обеспеченности за год, лимитирующий период и (внутри его) лимитирующий сезон. Сток нелимитирую­щего периода определяют по разности между стоком за год и ли­митирующий период, а сток за нелимитирующий сезон, входящий в лимитирующий период, вычисляют по разности между стоком этого периода и лимитирующего сезона.

Внутрисезонное распределение стока зависит от водности се­зона. Распределение стока по месяцам устанавливают приближен­но с некоторой схематизацией. Принимают три градации водности рассматриваемого сезона: многоводную, включающую годы с обес­печенностью стока за сезон менее 33%, среднюю по водности с обеспеченностью от 33 до 66% и маловодную с обеспеченностью более 66%.

Для меженных периодов распределение стока внутри сезонов рассчитывают по месячным интервалам времени; в период поло­водья интервалы времени уменьшают до декады ввиду значитель­ной внутримесячной неравномерности стока.

Выделение групп водности производят путем построения эмпи­рической кривой обеспеченности сезонного стока для каждого сезо­на. В соответствии с обеспеченностью ряд сезонных стоков, распо­ложенных в убывающем порядке по вертикали, разбивают на три группы водности, добиваясь примерно одинакового числа членов ряда в каждой группе. Для каждого года, попавшего в соответст­вующую группу водности, выписывают по горизонтали месячные (или декадные для весеннего половодья) значения стока с указа­нием календарных месяцев, к которым они относятся.

141

Для всех лет в каждой группе водности отдельно суммируют месячные (декадные) расходы и сумму средних месячных! расхо­дов за сезон. Делением полученных сумм расходов за каждый месяц внутри сезона на сумму расходов за сезон устанавливают относительное распределение стока по месяцам внутри сезона (в процентах от суммарного стока за рассматриваемый сезон). Полученные значения относительного месячного стока (в(процен­тах от сезонного) следует относить к тому месяцу, который встре­чается наиболее часто. Таким же образом устанавливают/среднее распределение стока по месяцам (декадам) для всех групп вод­ности.

Умножая процентное внутрисезонное распределение стока на расчетный сток за сезон, получают значения месячных и декадных расходов в году расчетной обеспеченности.

Изложенный метод В. Г. Андреянова можно применять при на­личии данных наблюдений не менее чем за 10 лет при условии включения в пего маловодных, многоводных и средних по вод­ности лет.

Более простым методом расчета впутригодового распределения стока рек, представленного по годам в календарной последова­тельности, является метод характерного реального года. За расчетную модель принимают фактический гидрограф, у которого обеспеченность годового стока, лимитирующего перио­да и сезона близка к заданной обеспеченности. Реальный гидро­граф, соответствующий поставленному условию, выбирают путем анализа эмпирических кривых обеспеченности значений годового стока и стока лимитирующего периода. Для этого гидрографа определяется процентное помесячное распределение стока. В соот­ветствии с процентным распределением стока в реальном году рас­пределяется по месяцам расчетный годовой сток, найденный по кривой обеспеченности. Полученное таким образом реальное рас­пределение стока служит расчетной моделью.

Во втором случае внутригодовое распределение стока может быть выполнено в виде кривых обеспеченности среднесуточных расходов, представляющих интерес для различных отраслей народ­ного хозяйства. Так, для выработки электроэнергии промышлен­ного водоснабжения возникает необходимость определения обеспе­ченности расходов воды, равных или превышающих заданный рас­ход, вне зависимости от времени их наступления. В этих случаях используют кривую обеспеченности суточных расходов, характе­ризующую продолжительность времени (в днях или долях и про­центах года), в течение которого расход воды равен или превы­шает заданный.

Кривая обеспеченности суточных расходов представляет интег­ральное распределение внутри года фазово-разнородных расходов, в то время как кривые обеспеченности среднегодовых, максималь­ных, минимальных и других значений стока показывают распре­деление фазово-однородных расходов в многолетней перспективе.

142

Крчвая обеспеченности суточных расходов имеет твердо уста­новленные пределы, соответствующие абсолютному максимуму и абсолютному минимуму наблюдавшихся расходов.

Кривые обеспеченности гидрологических характеристик не име­ют фиксированных границ: в области малых значений обеспечен­ности кЬивая не имеет предела; нижним пределом может быть только нулевое значение характеристики.

Кривая обеспеченности суточных расходов служит для опреде­ления расходов различной продолжительности стояния между фиксированными пределами. Основной задачей при построении кривых (обеспеченностей среднегодовых, максимальных и мини­мальных] расходов является их экстраполяция для определения расходов редкой повторяемости.

Кривая обеспеченности суточных расходов может быть обоб­щенной (!или абсолютной) и средней. При построении обобщенной кривой, предложенной Д. И. Кочериным, среднесуточные расходы за весь период наблюдений располагаются в убывающем порядке и для каждого расхода вычисляют его эмпирическую обеспечен­ность по (4.10). По мнению Д. И. Кочерина, абсолютная кривая отражает истинное распределение стока в многолетнем разрезе, однако ее построение является достаточно трудоемкой задачей, особенно при продолжительных наблюдениях.

Средняя кривая обеспеченности суточных расходов строится по характерным расходам различной обеспеченности, полученным по кривым обеспеченности за отдельные годы. Средние кривые строят по фондовой таблице «Основные гидрологические характеристики», опубликованной во второй серии Водного кадастра СССР. Харак­терными суточными расходами являются расходы, наблюдавшиеся в течение 30 сут (Р_% =8,3%), 90 сут (Р„_/о = 25%), 180 сут (Р% = = 50%), 270 сут (Ро_/0 = 75%), 355 сут (Р»_/0=97%), а также годовые максимум и минимум. В названной таблице эти расходы приве­дены за отдельные годы и за весь период наблюдений (включая 1962 г.).

По данным Д. Л. Соколовского, сопоставление абсолютной и средней кривых обеспеченности суточных расходов показывает, что в пределах от 10 до 90% обеспеченности обе кривые очень близки, их расхождение не превышает 15... 20%. Крайние расходы отли­чаются значительно. В верхней части абсолютная кривая идет выше средней, а в нижней части — ниже средней.

Учитывая простоту построения средней кривой, для практиче­ских целей Д. Л. Соколовский рекомендует получать обобщенную кривую из средней кривой путем графической экстраполяции от расходов 10%-ной и 90%-ной обеспеченности к абсолютному мак­симуму и минимуму. В этом случае обобщенная кривая характе­ризует средний по водности год, т. е. распределение расходов в те­чение года от среднемаксимального до среднеминимального за многолетний период.

143

При отсутствии или недостаточности данных наблюдений рас­ чет внутригодового распределения стока ведут по методу/гидро­ логической аналогии. |

При отсутствии надежных аналогов внутригодовое распределе­ние стока рассчитывают по региональным эмпирическим /зависи­мостям статистических параметров сезонного стока от определяю­щих его факторов [площади водосбора, его средней высоты, харак­тера почв (грунтов), озерности и др.].