Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Науки о Земле. Учебное пособие
.pdf
интерполяции между ближайшими изолиниями. По картам можно определить только норму стока, выраженную в модулях стока,
q. Зная q, расход Q (м3/с), находят по формуле
Q = q ⋅ F / 1000.
При определении нормы стока по данным рек-аналогов необходимо учитывать влияние местных факторов.
5.1.7. Обеспеченность годового стока
Под обеспеченностью Р, %, понимают вероятность превышения рассматриваемого значения гидрологической величины
среди совокупности возможных значений.
Если распределить ряд годовых расходов воды в убывающем или возрастающем порядке, получится статистический ряд,
графическим отображением которого, показывающим повторяемость или частоту его отдельных значений, является кривая распределения.
Для построения кривой распределения проводят следующие операции: выстраивают значения расходов воды за имеющийся период наблюдений в порядке убывания, определяют число случаев повторяющихся значений m, подсчитывают общее количество лет наблюдений N, рассчитывают повторяемость или
частоту n, %, отдельных значений в статистическом ряду по формуле
n = (m / N)⋅100,
строят гистограмму распределения статистического ряда, откладывая по вертикали расходы воды, по горизонтали - повторяемость n, % (рис. 5.1.); соединяя плавной линией точки на гистограмме, получают кривую распределения или кривую вероятностей. Суммируя последовательно значения повторяемости n, %,
получают значения обеспеченности годовых расходов воды.
На этом же графике для соответствующих значений расходов воды откладывают полученные значения обеспеченности.
Точки на графике соединяют и получают кривую обеспеченности
годовых расходов воды, которая является суммарной (интегральной) по отношению к кривой распределения.
141
С помощью полученной кривой можно определить годовой
сток любой заданной обеспеченности (вероятности превышения).
Q,м3/с
1700
1300
1
900
2 3
500
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Р,%
Рис. 5.1. Гистограмма распределения статистического ряда:
1 - гистограмма распределения; 2 - кривая распределения; 3 - кри-
вая обеспеченности
Точка кривой распределения, соответствующая среднему
арифметическому значению расхода воды, называется центром
распределения, проходящая через нее ордината - центральной.
Ордината, соответствующая 50 % обеспеченности, называется
медианой. Ордината, соответствующая наибольшей частоте или
вероятности, называется модой. Расстояние между модой и центром распределения d называют радиусом асимметрии. Для несимметричных кривых распределения радиус асимметрии служит
показателем асимметрии. Для расчетов используют безразмерную величину СS - коэффициент асимметрии, который характе-
ризует несимметричность положения значений в ряду относительно их среднего значения (рис. 5.2)
142
(
)
а) б) в)
Сs=0 Cs>0 Cs<0
Рис. 5.2. Вид кривых распределения: а - при Сs=0; б - при Сs>0;
в - при Сs<0.
При наличии большого ряда наблюдений (N>100 лет) коэффициент асимметрии вычисляют по методу моментов по формуле
n
∑
S
=
1i
3
3
V
.
−−−=
)2n)(1n(C/)1K(nC
При N<100 лет для определения CS и CV используют метод
наибольшего правдоподобия.
Эмпирическая кривая обеспеченности. Для построения эм-
пирической кривой обеспеченности необходимо вычислить эмпирическую ежегодную вероятность превышения значений любой из гидрологических характеристик, Р, %, выразив их через
модульные коэффициенты. Затем модульные коэффициенты К
располагают в порядке убывания и подсчитывают эмпирическую
обеспеченность Рm, %, по формуле
Р
=100m / (n + 1),
m
где m - порядковый номер значения гидрологической величины в
убывающем ряду;
n - общее число членов ряда.
Эмпирические кривые распределения ежегодных вероятностей превышения строят на специальных клетчатках вероятностей. Тип клетчатки зависит от принятой кривой и соотношения
Сs/Сv. Чаще всего используют клетчатки Хазена и Чегодаева.
143
Аналитическая кривая обеспеченности. Для сглаживания и
экстраполяции эмпирических кривых по всему диапазону обеспеченностей применяют аналитические кривые обеспеченности
трехпараметрического гамма-распределения при любом соотношении Сs/Сv. Ординаты аналитической кривой трехпараметрического гамма-распределения КР% находят по таблицам, составленным по соответствующим Сs/Сv и значениям Сv.
При отсутствии данных наблюдений Сv определяют интерполяцией между значениями, полученными для рек-аналогов по
данным наиболее продолжительных наблюдений, по карте изолиний, по зависимостям от местных факторов или по формуле
,,0 4
_
C B q F
= +
/ ( )
v
1000
0 1
,
где В - коэффициент, определяемый по данным рек-аналогов;
q - норма годового стока изучаемого водосбора, выраженная
через модуль стока, дм3/(с⋅км2);
F - площадь водосбора, км2.
Отношение Сs/Сv принимается по данным группы рек с
наиболее продолжительными наблюдениями в гидрологически
однородном районе, в котором протекает изучаемая река.
Правильность построения аналитической кривой устанавливают путем сопоставления с эмпирической кривой. Если эмпирическая кривая хорошо согласуется с аналитической, построенной на той же клетчатке, что и эмпирическая кривая, значит параметры аналитической кривой определены надежно. В противном случае необходимо изменить отношение Сs/Cv и вновь построить аналитическую кривую до совпадения с эмпирической.
Кривая обеспеченности позволяет определить расчетные
расходы воды любой обеспеченности по формуле
QР% = К
,
Q
Р%
144
где КР% - ордината аналитической кривой, Q - норма годового
стока, м3/с.
С помощью кривой обеспеченности можно решить и обратную задачу: вычислить обеспеченность расхода воды конкретного года.
Биноминальная кривая распределения. При соотношении
Сs/С
>2 возможно применять биноминальную кривую распреде-
v
ления. Ординаты биноминальной кривой находят по формуле
КР% = ФР%С
+ 1,
V
где ФР% - нормированное отклонение ординаты кривой обеспеченности от среднего значения.
Определение параметров биноминальной кривой графоаналитическим методом. Для длительного ряда наблюдений строят
эмпирическую кривую обеспеченности. С эмпирической кривой
снимают значения расходов воды пяти-, пятидесяти- и девяносто
пяти процентной обеспеченности (Q5%; Q
50%
; Q
). Затем опре-
95%
деляют коэффициент скошенности S, который наряду с радиусом
асимметрии d и коэффициентом асимметрии Сs характеризует
несимметричность ряда, по формуле
S = (Q5% - Q
50%
+ Q
)/(Q5% - Q
95%
95%
),
Зная S, находят Сs.
Среднее квадратичное отклонение находят по формуле
σ
= (Q5% - Q
) / (Ф5% - Ф
95%
)
95%
и затем определяют норму стока и коэффициент вариации по
формулам
σ−=
ФQQ и Q/С
%50%50
145
σ= .
V
5.2. Максимальный сток
Максимальные расходы талых и дождевых вод во время
половодий и паводков (весеннее половодье) - это весенние максимумы стока. На малых реках равнин максимум дождевых паводков превышает снеговые. Катастрофическими бывают максимумы, образующиеся от талых и дождевых вод, когда во время
таяния снегов выпадают сильные дожди.
Факторы весеннего половодья - снегозапасы и интенсивность снеготаяния. Процессы формирования весеннего половодья
представлены на рис. 5.3. В течение холодной и продолжительной зимы в речных бассейнах скапливается большое количество
снега. Весной с момента наступления положительных значений
температур начинается таяние снега, охватывающее постепенно
все большие территории. После насыщения снега водой происходит водоотдача, т.е. поступление на поверхность почвы избыточной гравитационной воды. Не все талые воды попадают в реку:
часть просачивается - инфильтруется, часть задерживается (аккумулируется в неровностях рельефа, небольшая часть (около 10 %)
испаряется. Эти воды представляют потери стока половодья.
Вода, образующаяся в начале снеготаяния, просачивается и
увлажняет нижние слои снежного покрова. До тех пор, пока снег
не насытится водой до максимальной влагоемкости, талые воды
удерживаются снегом и не достигают земли.
Инфильтрация талых вод зависит от механического состава
почвогрунтов, их обработки, влажности: чем рыхлее и суше почвы, тем больше просачивание. По первому водоупору, которым
обычно является мерзлый слой, просочившаяся вода перемещается вниз по склону, образуя так называемый почвенный сток. Когда мерзлый слой растает, вода просачивается к более глубоким
слоям почвы. Почвенный сток на песчаных и лесных подзолистых почвах составляет значительную долю весеннего стока,
гидрограф половодья при этом становится более плавным, максимальный расход снижается.
146
сток
I снеготаяние
Временная аккумуляция на
поверхности
бассейна
Временная аккумуляция в
почвогрунтах
II Временная
аккумуляция
воды в снеге
Поверхностный
склоновый сток
III Водоотдача из
снега
Инфильтрация
IV Безвозвратные потери поверхностного стока
Испарение
Аккумуляция
в бессточных
понижениях
рельефа
Почвенный и грунтовый
сток
Русловый
Q,м3/с Q
время
Гидрограф половодья
макс
Рис. 5.3. Процессы формирования весеннего половодья
Наибольший весенний сток наблюдается, если на поверхности земли в результате оттепелей образовалась ледяная корка.
Тогда просачивание практически отсутствует (пока корка не растает), потери стока незначительны.
Весенний сток увеличивается также, если осенью прошли
дожди и почва хорошо увлажнена. В этом случае потери на промачивание почвы снижаются.
Максимальный весенний модуль стока при прочих рав-
ных условиях увеличивается с уменьшением площади водосбора.
147
Схема формирования и факторы дождевого стока. Об-
щая схема формирования дождевого (ливневого) стока предложена Н.Е. Долговым (рис. 5.4.).
Q
t
1
t1 t2 t3 t4
t
дождя
В первой фазе выпадения
дождя осадки (15-20 мм)
идут на смачивание поверхности земли, растений, на заполнение неровностей рельефа. Эта начальная фаза (τ1) называется бессточной, или фазой полного бассейнового
задержания.
Рис. 5.4. Схема формирования
ливневого паводка
Затем появляются первые мельчайшие струйки воды на
склонах, которые, сливаясь, превращаются в ручьи. Часть осадков просачивается в почву и стекает по направлению уклона по
первому водоупору, образуя почвенный сток. Некоторая часть
осадков фильтруется в глубокие слои, формируя грунтовый сток.
Разными путями вода достигает реки и движется по реке к
замыкающему створу. Фаза подъема стока τ2 заканчивается в
момент подхода первых струй к замыкающему створу на реке.
Фаза полного стока τ3 характеризуется стеканием воды со
всей площади орошения дождем и заканчивается в момент его
прекращения.
Фаза спада τ4 продолжается от момента прекращения дождя до момента окончания дождевого паводка.
На рис. 5.5. представлена схема процессов формирования
дождевого стока.
148
паводка
Выпадение дождя
Смачивание
листьев, поверхности
Временная
аккумуляция
и просачивание в почву
Склоновый
ручейковый
сток
Русловый
сток
Испарение
Фильтрация в
глубокие слои
грунта
Почвенный сток
Грунтовый
Q, м3/с
Q
Гидрограф
макс
Рис.5.5. Процессы формирования дождевого стока
К факторам дождевого стока относят: интенсивность дождя, продолжительность дождя, инфильтрацию влаги в почву,
фактор добегания.
Интенсивность и продолжительность дождя. Интенсивность ливней и ливневых дождей в ходе их выпадения очень изменчива. В начале дождя интенсивность сравнительно небольшая, наибольшая интенсивность наблюдается в центре дождя.
С увеличением продолжительности дождей уменьшается
их интенсивность.
Среднюю интенсивность осадков (метод Алексеева Г.А.)
i
для каждого интервала времени τ обеспеченностью Р% опре-
Р,%
деляют делением ординаты ψР(τ) на продолжительность отрезка
времени τ.
_
ψ τ τ
p i P P
H H i H( ) / / ( ) / ,
= =
,
i P
τ
,
P
149
где ψР(τ) = Н
- наибольший расчетный слой суточных осад-
τ,р/Нр
ков мм;
Н
- обеспеченность наибольшего слоя осадков для каждого
τ,р
интервала времени.
Cлой осадка за дождь по площади неравномерен: он убывает от центра дождя к периферии. Для перехода от слоя осадков в
точке необходимо знать отношение среднего слоя осадков НF на
площади орошения дождем F к слою осадков в точке или центре
дождя НО. Это отношение приближенно определяется по формуле
/HIt)/(H)/(y == Htt
PPi,PPi,P
К = НF/НО = 1 / (1 + bFn),
где n = 0,8; b = 0,001 - для ливней; n = 0,6; b = 0,02 - для дождей
продолжительностью более суток.
Инфильтрация воды в почву. Интенсивность стока зависит
от соотношения интенсивности осадков и интенсивности просачивания в почву. В теплую сухую погоду летом и осенью перед
выпадением дождей влажность почвы невысокая. Поэтому при
дождях инфильтрация воды в почву превышает инфильтрацию
при снеготаянии, достигая 80 % слоя осадков, что соответствует
коэффициенту стока 0,2-0,3. В то же время коэффициенты стока
половодья 0,3-0,5 и более.
Наибольшая инфильтрация наблюдается в первой и второй
фазах паводка, когда почва еще не насыщена до состояния полной влагоемкости. Далее процесс замедляется, а интенсивность
фильтрации зависит только от физических свойств грунта.
Фактор добегания дождевых вод по склонам водосбора и
руслу реки имеет большое значение, так как продолжительность
дождей по сравнению со снеготаянием значительно короче (и еще уменьшается при вычитании первой фазы дождя средней продолжительностью 30 мин, когда сток отсутствует).
Общая продолжительность движения воды от места выпадения дождя до расчетного створа на реке называется продол-
жительностью бассейнового добегания. Она складывается из
150
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]