2.2. Норма стока и ее определение

Количество воды, стекающей с данного бассейна за год, называют годовым стоком. Годовой сток в каком-либо створе реки непостоянен во времени. Он непрерывно колеблется в зависимости от климатических (осадки, испарение и др.) и физико-географических (рельеф, площадь и форма бассейна, его почвенный и растительный покров, озерность, залесенность и т.д.) факторов. Длительными наблюдениями установлено, что колебания годового стока носят циклический характер, выражающийся в последовательной смене много- и маловодных лет.

Среднеарифметическое значение годового стока за многолетний период такой продолжительности, при увеличении которой полученное среднее значение существенно не меняется, называют нормой стока (Q₀).

Норма стока – очень важная гидрологическая характеристика, которую приходится определять при проектировании гидротехнических сооружений, гидромелиоративных систем и других водохозяйственных объектов.

Расчет нормы стока при наличии данных гидрометрических наблюдений. Как уже говорилось выше, норма стока – это среднеарифметическое значение годового стока за многолетний период. Таким образом, чем длиннее ряд наблюдений, тем точнее можно определить Q₀:

, (2.1)

где Qi – средний годовой расход воды за i-й год;

п – число лет наблюдений.

Норма стока характеризует положение центра, вокруг которого колеблются отдельные значения ряда наблюдений.

Расчет нормы стока при недостаточном ряде гидрометрических наблюдений.

1. Метод корреляции применяется для сооружений 1-го и 2-го классов капитальности.

Для применения метода необходимо иметь параллельные наблюдения в изучаемом и аналогичном бассейнах не менее чем 10-15 лет.

Норму стока находят по уравнению регрессии:

, (2.2)

где Q₀ – норма стока;

Q_n – величина среднего стока за короткий период наблюдения 10-15 лет;

r_n – коэффициент корреляции (должен быть не более 0,8) ;

а – индекс, означающий, что данная характеристика принадлежит аналогу.

δ_Q – среднеквадратичное отклонение среднегодовых расходов воды от нормы стока.

. (2.3)

Коэффициент корреляции определяется по формуле:

r_n = , ( 2.4)

где ΔМ_n = М_n,i – М_n,ср ;

ΔМ_а = М_a,i – М_a,ср;

М = , л/с км² – модуль стока показывает, сколько воды стекает с 1 км² площади водосбора в 1 сек.

Норму стока в изучаемом бассейне с коротким рядом наблюдений (не менее 6 лет) можно определить по графику связи бассейна-аналога, имеющего длительный ряд наблюдений, путем графического приведения стока к многолетнему периоду.

На координатную сетку наносят величины годового стока за период параллельных наблюдений в изучаемом и аналогичном бассейнах. По этим точкам проводят линию связи.

Метод аналитического приведения стока к многолетнему применяется при сроке наблюдения менее 5 лет.

Исходят из предположения, что линия связи двух бассейнов проходит через начало координат, а соотношение стока за различные периоды – постоянно.

, тогда Q₀ = Q₀,_а Q_cр/Q _ср,а (2.5)

где Q_ср и Q_ср,а – средние значения годового стока за одновременно короткий период наблюдений;

Q₀ и Q_0,а – норма стока в изучаемом бассейне и бассейне-аналоге.

При отсутствии наблюдений норму стока определяют по картам изолиний среднемноголетнего стока методом интерполяции между опорными пунктами.

Основные гидрологические характеристики речного стока. Полученную норму в виде среднего многолетнего расхода воды требуется выразить через другие характеристики стока: модуль, слой, объем и коэффициент стока.

Объем стока (W) – объемное количество воды, проходящее через поперечное сечение реки в данном створе за определенный промежуток времени (год, месяц, сутки, и т.д.), м³; млн м³; км³:

W₀ = Q₀T, (2.6)

где Т – число секунд за рассматриваемый период

Модуль стока (М) — объемное количество воды, проходящее через поперечное сечение реки за 1 с, отнесенное к единице площади водосбора, л/км²:

, (2.7)

Слой стока (h) – объем стока за определенный промежуток времени, отнесенный к единице площади, мм/год:

. (2.8)

Речной сток может быть выражен в относительных единицах через модульный коэффициент стока (К).

Модульный коэффициент (К) – отношение одной из величин, характеризующих сток (Q, W, h, М,) за определенный промежуток времени (месяц, год, и т. д.) к среднему значению соответствующих величин за весь рассматриваемый период.

К = Q_с.г/Q ₀ = h_с.г/h ₀ = M_с.г/M₀ = W_с.г/W₀, (2.9)

где Q_с.г и Q₀, h_с.г и h₀, M_с.г и M₀, W_с.г и W₀ – соответственно, средний годовой и среднемноголетний расход воды, слой стока воды, модуль стока воды, объем стока воды.

Репрезентативность ряда наблюдений. Согласно нормам (СП 33-101-2003), продолжительность ряда наблюдений считается достаточной для установления расчетных значений гидрологических характеристик заданных обеспеченностей, если рассматриваемый период репрезентативен (представителен), однороден и среднеквадратическая ошибка расчетного значения исследуемой гидрологической характеристики не превышает 10%.

. (2.10)

где п – продолжительность периода наблюдений, лет;

Сv – коэффициент вариации характеризует относительную меру изменчивости ряда (т.е. отклонение от среднеарифметического значения).

(2.11)

где σ_Q – среднеквадратическое отклонение годовых расходов от нормы стока, определяется по формуле 4.3.

Репрезентативность, или представительность, ряда выявляется построением сокращенной интегральной кривой, с помощью которой из многолетнего ряда исключаются неполные циклы водности.

Цикл – это сочетание многоводных, маловодных и средних по водности лет. Включение в расчетный период одной многоводной фазы дает преувеличение, только маловодной – преуменьшение нормы стока.

Год является многоводным, если значение среднего расхода больше нормы, и маловодным, если значение среднегодового расхода меньше нормы.

Ввиду циклического характера многолетних колебаний стока очень важно правильно выбрать расчетный период.

Таким образом, репрезентативным при определении нормы стока следует считать такой период наблюдений, который включает несколько полных циклов колебаний годового стока, состоящих из групп много- и маловодных лет. Неполные циклы (имеющие только много- или маловодную фазу) из расчетного ряда наблюдений исключаются. При длинном периоде наблюдений (более 60 лет) норму стока вычисляют с учетом всего ряда, так как в этом случае от прибавления некоторого числа лет, не составляющих полного цикла, среднеарифметическое изменяется незначительно.