книги из ГПНТБ / Поляков А.В. Водоотвод и дренаж на аэродромах

140

целой выпадение осадков для каждой местности носит весьма не­ постоянный и спорадический характер.

Атмосферные осадки выпадают в виде отдельных дождей или снегопадов.

В общем виде процесс образования дождей выглядит следую­

щим образом.

Летом теплый приземный слой воздуха перемещается как бо­ лее легкий в верхние, холодные слои. Попадающий при этом в

атмосферу водяной пар конденсируется, и образует облака. Кон­

денсация водяного пара, кроме охлаждения, может происходить

щие облака, достигнут раамеров, при которых их не смогут под­

держивать во взвешенном состоянии восходящие воздушные течения,

они, преодолевая сопротивление воздуха, выпадают на землю в виде дождя. Выпадение дождя начинается при диаметре капель око­ ло 0,1 мм. В процессе выпадения мелкие капли могут сливаться

друг с другом. При слиянии образуются более крупные капли,до­ ходящие до б - 7 мм в диаметре. Скорость падения дождевых ка­

пель зависит от их размера и может достигать 5 - 8 м /сек. До­

ждевые осадки обычно делятся на три типа : обложные, ливневые

иморосящие.

Об л о ж н ы е осадси выпадают иэ сплошного облачного покрова, образуемого слоисто-дождевыми и высокослоистыми обла­ ками. Капли имеют среднюю величину. Эти дождиимеют бблыпую

продолжительность (от нескольких часов до нескольких дней) и

захватывают значительные территории.

Л и в н е в ы е осадки выпадают из кучево-дождевых обла­ ков и дают много воды в короткое время при резких колебаниях их хода. Ливни могут следовать один за другим и сопровождаться грозой или градом. Капли ливней имеют крупную величину.

М о р о с я щ и е осадки выпадают из плотных и низко­ слоистых облаков в виде очень мелких капель - мороси. Капель­

ки моросящих дождей падают крайне медленно и принимают участие

даже в самых слабых движениях воздуха.

Снеговые осадки выпадают в результате охлаждения водяных паров в воздухе до состояния, при котором образуется снег.

Количество выпадающих атмосферных осадков измеряется слоем

осадков в виде водяного столба. Слой воды отсчитывается на го­

ризонтальной водонепроницаемой поверхности при отсутствии сто­ ка и испарения. Высоту слоя воды выражают в миллиметрах.

Вслучае дождевых осадков отношение слоя выпавших осадков

кпродолжительности их выпадения называют интенсивностью дож­

В процессе выпадения дождей их интенсивность непрерывно

изменяется. Поэтому можно говорить о средней интенсивности

всего дождя, средней интенсивности за какой-либо промежуток времени и о мгновенной (текущей) интенсивности в какой-то мо­ мент времени. Средние интенсивности связаны обратной зависи­ мостью с продолжительностью выпадения осадков. Чем больше взят период продолжительности какого-либо дождя, тем меньше будет

средняя интенсивность выпадения его за этот период.

Для измерения атмосферных осадков на метеорологических станциях пользуются осадкомерами (дождемерами) и. дождемерами-са­ мописцами (плювиографами). Осадкомерами можно измерять жидкие и твердые осадки, а дождемерами-самописцами - только жидкие.

Осадкомер представляет собой цилиндрический сосуд с площадью

в верхней части 200 см2 . Собираемые таким сосудом осадки изме­ ряют один или несколько раз в.оутки, сливая их в мензурку. С

помощью осадкоиера (дождемера) можно измерить лишь суммы осад­

ков за сутки, за несколько часов или за один дождь, но харак­ тер выпадения каждого дождя при этом остается неизвестным. По­ этому еще с конца прошлого века стали применять дождемеры-саыо-

писцы. Дождемеры-самописцы дают (записывают на ленту) кривую количества выпадающих осадков в зависимости от времени h-f(t\

Результаты фиксирования дождей самопишущими дождемерами явля­ ются несравненно более ценными, чем результаты измерения дож­ дей дождемерами-несамописцами. Данные самописцев позволяют су­

дить не только о суммарном слое осадков, но и об интенсивно­

сти выпадения этих осадков за любой интервал времени. Дождеме­ ры-самописцы устроены следующим образом. Имеется сосуд с прием­

ным отверстием площадью 500 см2 . Иэ сосуда жидкие осадки сли­

ваются в измерительный цилиндр, в котором имеется поплавок.

При поступлении воды поплавок поднимается, а вместе с ним под­

вращается со скоростью один оборот за сутки. Измерительный ци­

линдр, а также и лента, надеваемая на барабан, рассчитаны по вертикали на количество осадков, соответствующее высоте слоя

в 10 мм. Для измерения слоя осадков более 10 мы измерительный

цилиндр имеет сифон, включающийся каждый раз при полном напол­ нении цилиндра.В течение 15-20 сек. сифон сливает находящуюся в

цилиндре воду, перо опускается до своего нулевого положения и продолжает запись. Масштабы записи на ленте: I мм по вертикали равен 0,1 мм слоя выпавших осадков и 2 ,6 мы по горизонтали со­

ответствуют продолжительности дождя 10 мин (рис.бб). В соот­

ветствии с записями дождей, с достаточной точностью можно по­

лучить количество выпавших осадков и с гораздо меньшей точ­ ностью определить отдельные периода выпадения осадков. Поэто­ му и интенсивность выпадения осадков за небольшие периоды на­ ходится с невысокой точностью. Например, для 5 минутного перио­ да ошибка в интенсивности может достигать 20$, для периодов, меньших 5 мин, возможна еще большая ошибка. Поэтому при рас­

шифровках дождей и при последующих подсчетах интенсивностей

по ходу выпадения осадков за минимальный интервал принимают

5 мин.

Сведения об атмосферных осадках для какого-либо пункта (за год, месяц, сутки и т .д .) можно найти в климатологических

справочниках. Материалы расшифровки дождей имеются в специаль­

ных изданиях (например,^Ливни на территории СССР,” Гидроыетео-

издат, 1940).

Наибольшее количество осадков эа период выпадения одного дождя наблюдалось: для европейской части Союза - 234, 3 мм

143

(Батуми), для азиатской - 181,5 мм (Владивосток). Продолжи­

тельность дождей достигала 3 - 4 суток. Максимальная интенсив­

ность отдельных участков дождей для Европейской территории

продолжительность, интенсивность и повторяемость дождя явля­

ются его основными характеристиками. Наиболее важной характе­

ристикой является интенсивность дождя, являющаяся производной от слоя осадков и времени их выпадения. От интенсивности дож­ дя зависит и интенсивность стока.

По интенсивности все дождевые осадки принято делить на дожди и ливни. Границы между дождями и ливнями устанавливают­

ся нормами.В СССР наибольшее распространение получили нормы, предложенные Э.Ю.Бергом. По Бергу, к ливням относятся дожде­

вые осадки, интенсивность которых при соответствующей продол­ жительности равна или превышает значения, указанные в табл .12.

Осадки, не удовлетворяющие нормам табл .12, относятся к дождям. Необходимо сказать, что деление на дожди и ливни но-

например Фигуровского, Ширкиной, Туркетти, Хойзера и т .д .

При рассмотрении всего комплекса дождей в данной местно­ сти возникает необходимость характеризовать дождь с точки зре­ ния вероятности его выпадения среди других дождей. Ввиду край­ него разнообразия хода выпадения дождей их можно характеризо­ вать по вероятности повторения: общего количества выпавших осадков, интенсивности за тот или иной период продолжитель­ ности и, наконец, общей продолжительности дождей. При расче­ тах водоотводных систем принято характеризовать вероятность

повторения дождей по интенсивности за тот или иной период

продолжительности. Это значит, что если, например, за перио­

ды продолжительности 5, 10, 15 и т .д . минут все имеющиеся дан­ ные об интенсивностях расположить в убывающем порядке, то пе­

риод повторяемости дождей с той или иной интенсивностью (т .о .

период повторяемости дождя с расчетной интенсивностью) очевид­

но будет

145

где Р - период повторяемости довдя с расчетной интенсив­ ностью в годах;

Л/ - количество лет наблюдений за дождями в данной мест­

ности;

К- порядковый номер довдя в убывающем по интенсивно­

сти ряду, начиная сверху.

Значения периода повторяемости довдей регламентируются

в гидротехнических расчетах нормами. Для водоотводных систем

на аэродромах значение Р рекомендуется в настоящее время от

0,2 до 0,5 года. Необходимо твердо запомнить, что под терми­ ном "период повторяемости дождя'1 следует понимать период, вы­

раженный в годах, в течение которого дождь с расчетной интен-

Понятие "период повторяемости довдя" не следует смешивать,

как это часто делается, с другими понятиями как период пере­

полнения сети, период затопления территории и т .д . Все эти понятия совершенно различны и отражают различные физические явления.

Из всех характеристик довдей наименее изученным является

ход дождей по изменению их интенсивности. Вопросу изучения изменения интенсивности по ходу выпадения довдей должного вни­

мания до последнего времени не уделялось. Выполненные исследо­

вания по этому вопросу показали, что интенсивность дождей силь­ но меняется в процессе их выпадения, причем для каждого довдя эти изменения носят 'своеобразный характер. На основе изучения довдей северо-западной части территории СССР, УССР и ЦЧО

З.П.Богомазова и З.П.Петрова сделали попытку типизировать все дожди по положению в них максимальной текущей интенсивности.

Они установили шесть типов довдей (р и с.б 7 ): I - максимум в на­ чале дождя; П - максимум.в первой трети довдя; Ш- максимум в

средней части дождя; 1У - максимум в последней трети; У - мак­ симума н е т ,т .е . примерно равномерный ход довдя; У1а - дождь с

двумя максимумами, вначале и в середине; У1б - дождь также с

двумя максимумами, но расположенными вначале и в конце. К ана­

логичным схемам довдей пришел и М.В.Молоков, исследуя довдн г.Ленинграда. Наиболее распространенными оказались первые три

типа, а 1У, У и У1 встречаются реже. Связать тип хода выпаде­

Рис.67. Типы хода выпадения дождей

Сложность и изменчивость явления образования дождей за­ трудняют изучение хода их выпадения. На основе имеющихся иссле­ дований пока можно сделать лишь следующие общие выводы:

1) чаще всего максимальная интенсивность оказывается в первой трети дождя, реке - в первой его половине;

2) дожди с равномерной интенсивностью или с максимальной интенсивностью в конце выпадают значительно реке.

По вопросу распространения дождей различной интенсивности

на различные по величине площади к настоящему времени имеются также лишь предварительные сведения. Установлено, что дожди

с большой интенсивностью обычно выпадают на сравнительно не­ большие площади, а дожди с малой интенсивностью захватывают более обширные территории. Кроме того, известно, что интенсив­

ность выпадения дождей неодинакова для различных точек орошае-

пых площадей. Максимум интенсивности дождей имеет место под центром тучи. От центра к границам ороиаемой территории интен­

сивность убывает.

Так как размеры водосборных площадей на аэродромах неве­ лики и исчисляются гектарами, то рассмотрение вопроса о рас­

пространении дождей по площади в нашем случае интереса не пред­

ставляет. Для аэродромных водосборов можно вполне принимать интенсивность дождей постоянной для всей площади.

Изменение интенсивности следует иметь в виду только с

учетом времени и вероятности выпадения дождей в любом из пунктов.

Выше отмечалось, что наиболее важной характеристикой дож­

дей для расчета водоотводных систем является интенсивность. Совершенно ясно, что одно и то же количество осадков, выпадая .

за различный интервал времени ( т .е . с различной интенсивностью), будет создавать различный сток, а следовательно, и различные

расходы в системах. Поэтому при гидравлическом расчете систем

на дождевой сток приходится определять р а с ч е т н ы е

расчета. С определения расчетных интенсивностей начинается

и сам расчет.

Для определения расчетных интенсивностей весьма важно

энать имеющиеся закономерности выпадения дождей.

Рассматривая весь комплекс дождей в какой-либо местности, можно установить общие закономерности их выпадения. К числу таких закономерностей относятся следующие:

1 . Интенсивности дождей при одних и тех же периодах про­ должительности и повторяемости неодинаковы для различных гео­

графических пунктов.

В местностях с более обильными осадками, с жарким летом

и гористым рельефом интенсивности болы е, чем в других усло­

виях.

2 . Интенсивности уменьшаются с увеличением продолжитель­

ности. Это положение справедливо как для отдельных дождей, взятых в целом, так и для частей дождей с одним и тем же пе­ риодом повторяемости, но с различной продолжительностью, взя­ тых из различных дождей в данной местности.

3. Интенсивности, отвечающие одной и той же продолжи­ тельности, но различной повторяемости, имеют в любой местности

различную величину. Чем выше интенсивность, тем меньше ее ве­ роятность (больше период повторяемости) и наоборот.

Таким образом, расчетные интенсивности дождей, необходи­ мые для расчета систем, должны находиться в зависимости от

географического расположения пункта, продолжительности и перио­ да повторяемости дождей. Определение расчетных интенсивностей

без учета хотя бы одного из этих факторов лишено смысла. Полу­

чение формул для определения расчетных интенсивностей дождей изложено в следующем параграфе.

В случае расчета водоотводных систем на сток талых вод,

подобно определению расчетных интенсивностей дождей, опреде­ ляется интенсивность снеготаяния. Интенсивность снеготаяния на­

ходится делением слоя снеговой воды на продолжительность снего­

таяния. Слой снеговой воды подсчитывается умножением толщины снегового покрова, зафиксированного в конце зимы, на плотность

снега. Плотность слежавшегося к весне снега принимается рав- ,

ной 0,25 - 0 ,3 .

§ 19. ФОРМУЛЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ ИНТЕНСИВНОСТЕЙ

ДОЖДЕЙ

Для расчета стока дождевых вод в данной местности необ­ ходимо знать зависимость интенсивности дождей от их продолжи­ тельности и периода повторяемости:

ъ- продолжительность дождя;

Р- период повторяемости дождя.

Получение формул, выражающих указанную зависимость, про­

изводится в настоящее время на основе обработки метеорологи­

ческих наблюдений за дождевыми осадками (в основном на основе обработки записей дождей дождемеров-самописцев). Имеющиеся попытки вывода формул интенсивности дождей теоретическим путем

на основе анализа физических условий выпадения атмосферных

14-9

осадков пока не дали положительных результатов. Подобные по­

пытки были сделаны П.Ф.Горбачевым, А.Ф.Дебюк и другими. Пред­ ложенные теоретические схемы количественных закономерностей выпадения дождей оказались весьма грубыми и неприемлемыми. Так,

например,П.ф.Горбачев в 1915-1922 гг пытался теоретически обо­ сновать зависимость i = f(V"F) . Однако последующие обработки

записей дождей самопишущих дождемеров показали, что зависи­

мость интенсивности от продолжительности как в одном дожде, так и во всей совокупности дождей любой местности в большин­ стве случаев не подчиняется предложенному Горбачевым закону.

сивностей дождей затруднительна. Приходится использовать чисто статистические приемы, т .е . выводить для определения расчетных

интенсивностей дождей эмпирические формулы, по данным метеоро­

логических наблюдений.

Таким образом, метеорологическую основу гидравлического расчета водоотводных систем приходится базировать в настоящее время лишь на обработках уже выпавших дождей в прошлом. Следо­

вательно, вывод формул для определения расчетных интенсивностей является, по существу, вопросом прогноза выпадения осадков на

будущее. Подсчет интенсивностей по этим формулам, как и любой

метеорологический прогноз, пока не может претендовать на высо­ кую точность. В связи с этим особая точность при выводе пара­ метров расчетных формул при существующем уровне развития ме­

теорологии не является оправданной. Точность параметров формул

и расчетных интенсивностей, получаемых по этим формулам, долж­ ны соответствовать точности исходных данных о дождях.

В будущем, после накопления и обобщения достаточного

фактического материала о дождях, должное место в определении

расчетных интенсивностей должны занять и генетические способы. Наиболее правильным и обоснованным в настоящее время сле­ дует считать вывод эмпирических формул для определения расчет­

ных интенсивностей дождей для каждого пункта отдельно на ос­ новании анализа записей дождей местных метеорологических стан­ ций. Анализ заключается в расшифровке и специальной обработке