Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы гидрологии. Учебное пособие для СПО
.pdf
и максимальный расход воды может быть меньше, чем в годы с несколько меньшими снегозапасами.
Продолжительность снеготаяния тесно связана с интенсивностью
этого процесса. Она колеблется для равнинных рек территории Российской Федерации от 10 суток на юге до 40 суток на севере. Таяние
снега происходит задолго до начала стока. Водоотдача из снега и
сток
начинаются после насыщения снега водой до максимальной влагоемкости, которая зависит от структуры снега и колеблется от 15 до
50 %. Продолжительность снеготаяния резко уменьшается при выпадении в период весеннего половодья дождей.
Часть талой воды не поступает в реку и теряется на испарение с
поверхности бассейна, инфильтрацию в грунт и аккумуляцию
в понижениях на поверхности бассейна. За период снеготаяния величина
потерь на испарение небольшая – не более 10 % от запасов воды
в снеге. Потери на инфильтрацию в почвогрунты зависят от их структуры, степени промерзания почвы, наличия ледяной корки на поверхности почвы и увлажнения почвы в предшествовавший осенний период. Часть
просочившихся талых вод остается в почве, насыщая ее.
Другая часть достигает верхнего менее водопроницаемого слоя
(обычно промерзший слой почвы), стекает по его поверхности и образует так называемый внутрипочвенный сток. После оттаивания
почвы внутрипочвенный сток прекращается, вода просачивается
в нижние слои, достигая зеркала грунтовых вод. Эта вода пополняет
запасы грунтовых
вод и питает реку в межень. На песчаных и лесных
почвах внутрипочвенный сток составляет значительную часть весеннего стока, влияющую на форму гидрографа (максимальный расход
уменьшается, а продолжительность половодья увеличивается). При
наличии на почве ледяной корки потери на инфильтрацию существенно уменьшаются. Особенно большие потери на просачивание наблюдаются в степной
зоне при низком стоянии уровня грунтовых
вод.
Аккумуляция на поверхности бассейна зависит от размеров водо-
сбора [1, 2, 4]. Чем больше площадь водосбора, тем больше воды ак-
91
кумулируется в неровностях рельефа, тем больше сглаживается сток
половодья. Кроме того, выравнивание стока в период половодья объясняется различным временем добегания воды в русло с различных
частей водосбора. Поэтому с увеличением площади водосбора
уменьшается модуль максимального стока, увеличивается продолжительность половодья. Наиболее сильно задерживают поверхностный
сток озера на водосборе, уменьшая максимальный
расход, особенно
после предшествовавших засушливых лет, когда озера не наполнены.
В лесных бассейнах также снижается Весенний максимум в зависимости от степени залесенности бассейна. Регулирующая роль болот
сравнительно невелика и зависит от их размеров и местоположения
на водосборе.
Расчет максимальных расходов талых вод. Определение рас-
четных максимальных расходов воды имеет
исключительное значение при проектировании гидротехнических сооружений. Величина
расчетного максимального расхода определяет размеры водопропускных сооружений гидроузлов, отверстий железнодорожных мостов
и мостов на шоссейных дорогах, труб и т.д. Расчетный максимальный
расход в конечном счете определяет стоимость и класс гидротехнических сооружений. В случае заниженной величины расчетного максимального расхода возможно
разрушение сооружения, преувеличение
расчетного максимума излишне удорожает стоимость сооружения.
Расчетные вероятности превышения (обеспеченности) максимальных расходов воды определяются в зависимости от класса сооружения и регламентируются строительными нормами. В настоящее время
расчетные максимальные расходы определяют в соответствии с нормами, указанными в СП 58.13330.2012 «Гидротехнические сооружения. Основные положения». В соответствии
с этим документом все
гидротехнические сооружения делятся на четыре класса.
К I классу относятся наиболее крупные и ответственные гидротехнические сооружения, которые должны служить не менее ста лет,
эти сооружения рассчитываются на максимальные расходы очень
редкой повторяемости (р=0,01 %). К IV классу относятся менее от-
92
N
ветственные сооружения, рассчитываемые на максимальные расходы
большей обеспеченности (р=1 %).
Расчет максимальных расходов талых вод при наличии длительного ряда наблюдений. В этом случае максимальные расходы
определяют по теоретической кривой обеспеченности, построенной
по параметрам, вычисленным по данным наблюдений. При этом
предварительно проводится тщательный анализ исходных данных,
особенно в отношении так называемых
исторических максимумов
редкой повторяемости, а также правильности экстраполяции кривых
Q = f(H), от которой зависит величина наибольшего годового расхода
[4, 17].
Вычисляются параметры теоретической кривой обеспеченности:
1. Норма (средний многолетний) максимального расхода:
N
Q
max
Q
2. Коэффициент вариации:
C
ν
где
max
=
1
=
N
N
K
1
n
i
.
2
)1(
−
,
1
−
(82)
(83)
Q
max
K
i
max
.
N
=
Q
(84)
3. Коэффициент асимметрии по соотношению: для равнинных рек
Cs = 2,0
÷
2,5
C
ν
, для горных рек Cs = 4·
C
ν
. Величина Cs окончательно
устанавливается путем сопоставления теоретической кривой
обеспеченности с данными наблюдений. При этом эмпирическая
обеспеченность стока отдельных лет вычисляется по формуле:
p
100
⋅
.
+=n
1
m
(85)
Величину расчетного максимального расхода определяют обыч-
QKQ
ным порядком:
⋅=
p maxmax
. Теоретическую кривую обеспечен-
Np
93
ности строят с использованием таблиц Фостера-Рыбкина или по таблице Крицкого и Менкеля, соответствующей трехпараметрическому
гамма-распределению (см. главу 4).
Значение расчетной обеспеченности принимают по табл. 4 в зави-
симости от класса сооружения.
Таблица 4
Значение расчетной обеспеченности
Класс сооружения I II III IV
Расчетная
Поверочный расчетный
случай
обеспеченность,
Основной расчетный
р %
случай
0,01 0,1 0,3 1,0
0,1 1,0 0,5 5,0
Расчет параметров теоретической кривой обеспеченности при наличии многолетних наблюдений выполняется также графоаналитическим методом Г.А. Алексеева [9, 7]. Построение эмпирической кривой обеспеченности и вычисление параметров теоретической кривой
выполняется в том же порядке и по тем же формулам (64÷66), как это
делается при расчете колебаний годового стока графоаналитическим
методом. В эти формулы
Q
max50
и Q
, снятые с эмпирической кривой обеспеченности. Неза-
max95
вместо М5, М50, М95 подставляются Q
max5
висимо от того, каким способом определяется расчетный максималь-
,
ный расход Q
, в него вводится гарантийная поправка QΔ для соору-
p
жений I класса. Это делается в целях сохранности сооружения при
прохождении очень редких катастрофических половодий. Гарантийная поправка вычисляется по формуле:
E
a
⋅
n
3
/с;
p
Q ⋅
=Δ
где
QΔ – гарантийная поправка, м
Q – расчетный максимальный расход, м
p
Q
,
p
3
/с;
(86)
а – коэффициент изученности реки: а=1,5 для рек, находящихся в
слабоизученных районах; а=0,7 – для рек, расположенных в хорошо
94
изученных районах; Eр – относительная средняя квадратическая
ошибка расчетного максимального расхода воды, определяемая по
графику (рис. 31);
п – число лет наблюдений.
Рис. 31. Номограмма для определения
95
E
р
Гарантийная поправка QΔ при а = 1 не должна превышать 20 % от
величины расчетного максимума. Величину гарантийной поправки
прибавляют к расчетному максимальному расходу:
где
′
′
Q
– исправленный расчетный максимальный расход.
p
QQQ
Δ+=
pp
,
(87)
Расчет максимальных расходов талых вод при коротком ряде
наблюдений. Пунктом с коротким рядом наблюдений называется та-
кой, по которому гарантийная поправка превышает 20 %, а эмпирические точки стока в зоне малых обеспеченностей значительно отклоняются от теоретической кривой обеспеченности [2, 4, 12, 17]. В этом
случае необходимо приведение рядов наблюдений к
многолетнему
периоду. Существуют четыре метода приведения рядов к многолетним значениям:
1. Графический способ применяется в том случае, когда связь
между максимальным стоком короткорядного пункта и аналога достаточно тесная. Максимальные расходы за недостающие годы определяют по графику связи Q
= f(Qx).
y
2. Метод корреляции. Удлинение рядов выполняется по уравне-
нию регрессии. При этом коэффициент корреляции связи Q
= f(Qx)
y
не должен быть менее 0,7. Расчет параметров теоретической кривой
обеспеченности по удлиненному ряду выполняется так же, как и при
наличии длительного ряда наблюдений.
3. Графоаналитический метод Г.А. Алексеева. Строится график
связи Q
= f(Qx) равнообеспеченных максимальных расходов воды по
y
пункту с коротким рядом и по аналогу. По максимальным расходам
аналога 5 %, 50 % и 95 % обеспеченности с построенного графика
снимаются расходы по короткому ряду этой же обеспеченности 5 %,
50 % и 95 % (таким образом, три опорные точки по короткорядному
пункту являются приведенными к многолетнему периоду). Дальнейший расчет параметров теоретической кривой
обеспеченности (нор-
мы, C
и Cs) выполняется так же, как это было рассмотрено в главе V
v
для расчетов колебаний годового стока.
96
σ
σ
σ
σ
σ
σ
4. Приведение к многолетнему периоду по формулам. Средний
многолетний максимальный расход воды можно приближенно получить по формуле:
y
yy
nN
σ
N
x
N
,
)(
QQrQQ −+=
xx
nN
(88)
где Q
и Q
y
максимальные расходы соответственно расчетному ство-
x –
ру (у) и аналогу (х);
индекс п – характеристика относится к короткому ряду;
индекс N – характеристика относится к многолетнему периоду;
y
x
– средние квадратичные отклонения максимальных расхо-
и
дов, соответственно в расчетном створе и по реке-аналогу;
r – коэффициент корреляции.
Величина
определяется по формуле:
y
N
σ
=
y
N
yn
2
r
σ
−−
11
σ
xn
2
x
.
2
N
Коэффициент вариации для максимальных расходов расчетного
(89)
створа вычисляется по формуле:
C
ν
Коэффициент асимметрии C
y
N
=
=2·
S
Q
y
C
N
.
N
.
ν
(90)
y
Расчет максимальных расходов талых вод равнинных рек при
отсутствии наблюдений. Для расчета максимальных расходов талых
вод предложен ряд эмпирических и полуэмпирических формул, которые делятся на две группы: редукционные, учитывающие редукцию
(уменьшение) модулей максимального стока с увеличением площади
водосбора, и объемные формулы, выражающие максимальный расход
как функцию объема половодья,
его продолжительности и геометрической формы. Авторами наиболее известных редукционных формул
являются: Д.И. Кочерин (1928 г.), Д.Л. Соколовский (1937 г.),
97
δ
δ
δ
К.П. Воскресенский, А.А. Соколов, Г.А. Алексеев (1955 г.). Авторами
объемных формул являются: А.В. Огиевский (1938 г.), В.И. Мокляк
(1965 г.), М.Ф. Срибный (1959 г.) и другие. Кроме этих формул, имеется много региональных формул. В 1960÷1965 гг. коллектив Государственного гидрологического института под руководством
А.А. Соколова выполнил исследование
существующих методов расчета, на основании которого с учетом накопленных данных наблюдений были составлены нормы по расчету весеннего максимального
стока. Эти нормы применяют для расчета максимальных расходов та-
2
лых вод для рек с площадью водосбора F < 20000 км
2
части Российской Федерации и с F < 50000 км
– в азиатской части.
в европейской
Для больших площадей водосборов при отсутствии наблюдений максимальные расходы талых вод определяют по меткам высоких вод на
основе специальных изысканий.
Расчетный максимальный расход талых вод определяется
по формуле:
Fhk
⋅⋅
0
F
p
n
)1(
+
δδ
⋅⋅
,
21
FMQ
=⋅=
pp
(91)
где
обеспеченности, м
бассейнах (при F→0 и
Q – расчетный мгновенный максимальный расход заданной
p
3
/с;
M – модуль максимального расчетного расхода м
p
– коэффициент дружности половодья на элементарных (малых)
k
0
=1);
⋅
21
F – площадь водосбора до замыкающего створа, км
– расчетный слой стока половодья той же обеспеченности, р%,
h
p
3
/с;
2
;
что и расчетный максимальный расход, мм;
п – показатель степени, характеризующий редукцию (уменьшение) коэффициента дружности половодья в зависимости от площади
водосбора;
– коэффициент, учитывающий снижение максимального стока
1
за счет регулирования озерами;
98
δ
– коэффициент, учитывающий снижение максимального расхо-
2
да в залесенных и заболоченных бассейнах.
Величину коэффициента дружности весеннего половодья
и па-
k
0
раметра п определяют по разработанным районным схемам (таблице
5), в зависимости от категории рельефа.
К первой категории рельефа относятся реки, располагающиеся в
холмистых и платообразных районах; ко второй – районы, где холмистые возвышенности чередуются с понижениями; к третьей – плоские
низменности, а также реки с широкими заболоченными поймами.
Расчетный слой
стандартным параметрам: среднему многолетнему слою h
циенту вариации
голетний слой половодья определяют по карте изолиний h
площадью водосбора более 100 км
2
1000 км
– в азиатской части. Для малых площадей в полученную
стока весеннего половодья hр находят по трем
, коэффи-
N
и коэффициенту асимметрии
C
h
ν
2
– в европейской части и более
. Средний мно-
C
sh
для рек с
N
норму весеннего слоя стока вводятся поправки, которые меняются от
1,1 – при благоприятных условиях стока (большие уклоны, глинистые
почвы) до 0,9 – при неблагоприятных условиях (плоский рельеф, песчаные почвы).
Таблица 5
Значение дружности половодья к
при категории рельефа
k
Природная зона (район) n
Зона тундры и лесная зона
Европейская территория России
0,17 0,010 0,008 0,006
Восточная Сибирь
Западная Сибирь 0,25 0,015 0,013 0,010
Лесостепная и степная зоны
Европейская территория России 0,25 0,020 0,015 0,012
0
I II III
0
Северный Кавказ 0,025 0,030 0,025 0,015
Западная Сибирь 0,25 0,030 0,020 0,015
99
δ
δ
δ
δ
δ
Значение коэффициента вариации слоя весеннего стока
также
C
h
ν
получают по карте изолиний.
Коэффициент асимметрии
. Расчетный слой весеннего половодья определяется обыч-
CC
⋅= 2
hsh
ν
ным путем
Коэффициент
hKh ⋅= .
Npp
учитывающий регулирующее влияние озер, оп-
1
,
принимают по соотношению
C
sh
ределяется по формуле:
δ
1
1
,
fC ⋅+=1
оз
(92)
где С – коэффициент, зависящий от среднего слоя половодья (при
h ≥ 100 мм С = 0,2, при h < 100 мм С = 0,4);
fоз – озерность водосбора в долях от площади водосбора.
Параметр
, учитывающий снижение максимума за счет влияния
2
леса и болот, определяется по формуле:
,
)1,005,01(81,01
где
2 бл
– степень залесенности бассейна, %;
f
л
– степень заболоченности бассейна, %.
f
б
ffg ⋅⋅⋅+−=
(93)
При величине озерности более 20 % влияние залесенности и заболоченности не учитывается (
= 1). Значения
2
вводятся в формулу
2
(93), если площадь леса составляет более 5 % и площадь болот – бо-
лее 3 % от площади водосбора.
Величину расчетного максимального расхода, полученного по
формуле (93), можно уточнить, пользуясь методом аналогии. Для этого по одному или нескольким пунктам-аналогам с многолетними наблюдениями по стоку половодья определяют коэффициент дружности:
n
)1(
+
FM
%1
=
K
0
h
.
δδ
⋅⋅
21%1
(94)
В качестве аналога принимают бассейн, расположенный в одной
природной зоне, имеющий многолетние наблюдения и размеры водосбора, не отличающиеся от площади водосбора неизученной реки бо-
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]