3.3. Особенности внутригодового распределения речного стока и его учета в строительном процессе

Необходимость изучения особенностей проявления и внутригодового распределения речного стока предопределена целями и задачами разработки ПОС, ППР, а также разработкой проектных решений по устройству и защите не только основных, но и временных и вспомогательных сооружений, располагаемых на пойменно-русловых частях речной долины, от опасных гидрологических воздействий паводочного и внепаводочного периодов.

Внутригодовое распределение речного стока характеризуется годовыми гидрографами и графиками колебаний уровней воды, по которым определяются возможные сроки и продолжительность строительства при нормативно-обусловленной вероятности превышения рабочих уровней воды.

Для организации строительства, выбора рациональных технологий и конструкций сооружений и других строительно-защитных целей необходимы по каждому месяцу года рабочие расходы и уровни воды, скорости течения и глубины воды и другие расчетные гидрологические характеристики.

Такая практическая значимость внутригодового распределения речного стока и его расчетных характеристик, отсутствие соответствующих рекомендаций по их определению в нормативных документах по организации и производству строительных работ [160, 175] предопределили необходимость проведения исследований по изучению закономерностей внутригодового распределения речного стока и разработке методологии его расчетов.

В рамках этого исследования был проведен анализ результатов предшествующих работ по изучению особенностей распределения внутригодового стока рек и его типизации.

Изучению подлежали классификационные признаки и критерии внутригодового распределения речного стока, расчетные характеристики этого распределения, а также классификация рек по условиям формирования речного стока. Результаты этого анализа получили подробное отражение в работе [132]. Поэтому ниже приводятся лишь основные положения этого анализа.

Первая классификация внутригодового распределения стока рек земного шара была предложена А.И. Воейковым в 1884 г. В ее основу было положено рассмотрение влияния климатических факторов на характер питания рек и внутригодовое распределение стока. При этом выделялся период наибольшей водности, соответствующий преобладающему виду питания.

В соответствии с классификацией А. И. Воейкова вся территория земного шара была разделена на девять типов областей в зависимости от вида питания рек.

Сам А.И. Воейков отмечал, что его классификация устанавливает только несколько главных типов в зависимости от климата. Однако природа отличается многообразием водных режимов, а поэтому эта классификация дает лишь общие представления о режиме рек земного шара.

В 1938 г. М.И. Львовичем было предложено районирование территории СССР на основе классификации рек по двум признакам: по источникам питания и сезонному распределению стока [184].

Классификация построена на оценке преобладающих видов питания и внутри годового распределения стока путем анализа гидрографов. В этой классификации принято достаточно условное чисто календарное деление на сезоны: весенний, летний, осенний и зимний.

В итоге все реки делятся на четыре главных типа: со снеговым питанием, с дождевым питанием, с ледниковым и высокогорно-снеговым питанием, с подземным питанием.

Районирование М.И. Львовича являлось довольно схематичным и в дальнейшем уточнялось разными авторами.

Б.Д. Зайков разработал классификацию, учитывающую, помимо источников питания, режим рек в течение года, т.е. основанную на анализе годовых гидрографов.

В соответствии с этой классификацией, предложенной в 1946 г., все реки бывшего СССР делятся на три основные группы: с весенним половодьем; с половодьем в теплую часть года (весенне-летним и летним); с паводочным режимом.

Однако сам Б.Д. Зайков отмечал, что, несмотря на принятый типовой характер внутри годового режима стока, в отдельные годы ход речного стока может иметь существенные отличия.

В 1948 г. В.А. Троицким было предложено гидрологическое районирование, основанное на территориальном распределении осадков, стока и испарения. Многообразие же водных режимов не нашло отражения в данном районировании.

В соответствии с классификацией П.С. Кузина[65], выполненной в 1960г. на основе типизации Б.Д. Зайкова, но значительно развитой и детализированной, все реки бывшего СССР делятся на три основные типа в зависимости от преобладания фаз водного режима и видов питания:

тип I - реки с половодьем при преобладающем снеговом виде питания;

тип II - реки с половодьем и паводками при преобладающем снеговом и дождевом питании;

тип III - реки с паводками при преобладающем дождевом питании.

Классификация П.С. Кузина является более комплексной, чем у предшественников, так как учитывает не только характер питания рек, соотношение между элементами водного баланса, но и водный режим, и элементы физико-географических зон (рельеф, климат, ландшафт). Разделение трех главнейших фаз водного режима (половодья, паводков, межени) основано на их генезисе и качественных признаках, а не на величинах расходов воды.

В развитие классификации Б.Д. Зайкова Д.Л. Соколовский [166] предложил рассматривать четыре основных типа рек по среднему многолетнему внутригодовому распределению стока:

тип 1 - с преобладающим весенним половодьем;

тип 2 - с весенним половодьем и летними паводками;

тип 3 - с преобладающими летними паводками;

тип 4 - с паводками в течение всего года.

Это распределение дается в табличной форме по месяцам, причем средние месячные расходы представлены в виде отношения к среднему годовому расходу или объему годового стока, которое выражено в процентах.

К настоящему времени методы расчета внутригодового распределения стока регламентированы СП 33-101-2003 [147], которые при наличии гидрометрических наблюдений за период не менее 15 лет рекомендуют три метода: компоновки периодов и сезонов года, распределения стока по аналогии с распределением реального года и среднего распределения стока за годы характерной градации водности.

Расчеты внутригодового стока при отсутствии или недостаточности гидрометрических наблюдений рекомендуется производить по методу гидрологической аналогии, а при отсутствии надежных аналогов - по существующим районным схемам распределения стока и по региональным зависимостям.

Расчет по методу компоновки состоит из двух частей: межсезонного распределения стока (рассчитываемого достаточно точно) и внутрисезонного распределения (по месяцам или декадам), рассчитываемого приближенно с допущением схематизации.

При наличии длительного периода наблюдений в качестве расчетного гидрографа выбирают тот год, который имеет обеспеченность годового стока лимитирующего периода и сезона, а также месяца с наибольшим стоком, близким к расчетной вероятности. Выбор расчетного гидрографа по способу реального года напрямую зависит от числа наблюдений.

Считается, что при периоде наблюдений менее 20 лет нельзя надежно установить относительную водность года и сезона, исходя из номера в порядке убывания.

Выбор аналога реки по внутри годовому распределению стока является наиболее трудным элементом расчета, поскольку большое число факторов влияет на распределение стока.

Многообразие природных условий в одном физико-географическом районе может вызывать существенные отличия по внутригодовому распределению стока при выборе рек аналогов, даже если они относятся к типу рек с одинаковым режимом питания.

Использованию районных схем должны предшествовать хотя бы краткосрочные гидрометрические наблюдения, которые необходимы для выявления азональных физико-географических условий в заданном районе.

Рассматривая результаты исследований А.И. Воейкова, М.И. Львовича, Б.Д. Зайкова, В.А. Троицкого, Д.Л. Соколовского, В.Г. Андреянова, В.Л. Шульца [187], Р. Парде, а также методы, регламентированные СП 33-101-2003 [147], следует отметить,

что типизация рек и принципиальный методический подход к определению расчетных характеристик внутригодового распределения речного стока, предложенные Д.Л. Соколовским [166], обладают наибольшими возможностями для их дальнейшего развития и использования в практике проектирования. В этом отношении представляют интерес результаты исследований Б.Ф. Перевозникова и И.Б. Сидоровой (1976 г.).

Этими авторами были выполнены разработки [80], содержащие практические рекомендации по определению основных типов внутригодового распределения расходов воды и их районированию для целей дорожно-мостового строительства.

Они восполнили существовавший к тому времени пробел в методическом сопровождении проектно-строительных решений. Однако к настоящему времени эти рекомендации устарели, поскольку они были разработаны в развитие уже утративших силу нормативных документов: ВСН 67-67, ВСН 136-67, СН 435-72 и других документов.

Но их разработка сыграла в свое время положительную роль в практике проектирования, а их основные положения не потеряли научную ценность.

Недостаточность взаимной увязки различных методов расчета внутригодового распределения стока, а также отсутствие таких методов при полном отсутствии данных наблюдений за стоком и в условиях его искусственной и естественной зарегулированности вызвало необходимость продолжения исследований и обобщения накопленного опыта.

В результате этих работ была разработана новая классификация типов внутригодового речного стока и их районирование применительно к территории стран СНГ (рис. 3).

Предложенные в свое время Д.Л. Соколовским, Б.Ф. Перевозниковым и И.Б. Сидоровой и принятые за основу в этой классификации типы внутригодового распределения стока соответствуют основным видам режима рек на территории стран СНГ, установленным в разное время Б.Д. Зайковым и П.С. Кузиным, а по Средней Азии - В.Л. Шульцем [187].

Для разработки ПОС и ППР наряду с рабочим уровнем воды требуется знание продолжительности стояния высоких паводочных уровней и стабильной межени. Поэтому в разработанной классификации внутригодового распределения стока были установлены шесть основных типов внутригодового распределения стока рек и три характерных сезона: половодье (паводок); устойчивая межень; некоторое повышение уровня воды над меженью (табл. 2, см. рис. 3, рис. 4).

Типы внутригодового распределения стока рек	Характер паводочного периода	Продолжительность сезона по месяцам года
		Половодье (паводок)	Устойчивая межень	Некоторое повышение уровня воды над меженью
1	Осенне-зимне-весенний	X-XI, IV-V	VI-X	ХII-III
2	Весенний	IV-V	VI-X	V-VI, Х-III
3	Весенне-летний	IV-VI	VIII-II	VI-VIII, II-IV
4	Летний	V-IX	XI-IV	V, IX-X
5	Летне-осенний	VI-IX	XII-IV	IX-XI, IV-V
6	В течение всего года	II-XII	-	I-II

Выделенные в табл. 2 шесть основных типов внутригодового распределения стока, в отличие от классификаций Д.Л. Соколовского, Б.Д. Зайкова и других авторов, объединяют несколько типов и подтипов рек в одну группу.

Главный принцип выбора расчетных типов заключался в том, что для обоснования проекта организации строительства важно выделить основной паводочный период, характеризующийся продолжительностью, а не видом пиков паводков.

Такое объединение нескольких подтипов в одну группу в отдельных случаях может дать несколько завышенные максимальные расходы за период половодья (паводка) ориентировочно до 15-20%. Но продолжительность половодья выделяется достаточно точно, что и определило основные принципы разработки уточненного автором районирования внутригодовых типов распределения речного стока по территории стран СНГ (рис. 5).

Согласно рекомендуемому районированию, к типу 1 внутригодового распределения стока следует относить водотоки с преобладающими осенне-зимне-весенними паводками, охватывающими реки Ленкоранского района Закавказья и южного берега Крыма. Этот тип распространен на сравнительно небольшой территории СНГ.

К типу 2 относятся реки с преобладающим весенним половодьем, распространенным на большей территории бывшего СССР. К типам 3 и 4 отнесены реки предгорных районов Кавказа, Закавказья, Средней Азии, Карпат, Алтая, Саян, Восточной Сибири и северо-востока бывшего СССР с комбинированным режимом питания как от таяния сезонных снегов (апрель-июнь), так и от летних дождей.

Рис. 3. Характер внутригодового распределения