Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы гидрологии. Учебное пособие для СПО
.pdf
8. МИНИМАЛЬНЫЙ СТОК
Минимальный сток наблюдается в период, когда река переходит
на грунтовое питание, а поверхностный сток прекращается или имеет
наименьшее значение [2, 4, 12, 17]. В зоне избыточного увлажнения
минимальный сток обычно наблюдается зимой, в зоне недостаточного увлажнения – летом и зимой.
Основные факторы, влияющие на формирование минимального
стока, следующие:
Климат определяет зональность распределения по территории
минимального
стока: в северной части Российской Федерации, где
большое количество осадков и незначительное испарение, наблюдается довольно устойчивый минимальный сток. В южных районах с
минимальным количеством осадков и большим испарением сток ничтожно мал, а многие реки в межень пересыхают.
Гидрогеологические условия бассейна определяют условия за-
легания, распространения и мощность водоносных
слоев, питающих
реки в межень. Рыхлые лесные почвы хорошо задерживают поверхностный сток и способствуют образованию подземных вод под лесом,
увеличивающих минимальный сток. В зоне недостаточного увлажнения грунтовые воды залегают глубоко, поэтому здесь минимальный
сток зависит от глубины эрозионного вреза русла, числа водоносных
слоев, дренируемых рекой, и геологического состава пород
. Чем
больше водоносных слоев вскрывает долина и русло реки, и чем они
водообильнее, тем больше минимальные расходы.
Влияние озер и болот. Озера являются аккумуляторами поверх-
ностного стока в половодье. В межень озера отдают сток рекам через
грунтовый сток. В озерных районах Карелии минимальный сток составляет не менее 1,5÷2 л/с
этого района минимальный сток – не более 0,5 л/с км
км2, в то время как на безозерных реках
2
.
111
Площадь водосбора влияет на минимальный сток косвенно – че-
рез глубину эрозионного вреза: чем больше размеры бассейна, тем
глубже эрозионный врез, тем больше сток в межень.
8.1. Распределение минимального стока по территории
Исследованиями условий формирования стока по территории России занимались многие ученые: Н.Д. Антонов, А.М. Владимиров,
Б.Д. Зайков, А.М. Норватов, Б.В. Поляков, Л.Н. Попов, Г.Н. Петров,
В.А. Урываев, – предложившие карты изолиний минимального стока.
Наиболее обоснованы карты, составленные государственным
гидрологическим институтом в 1966 г. в «Указаниях по определению расчетных минимальных расходов воды рек при строительном проектировании». В соответствии с этими картами норма минимального
месячного (30-дневного) стока для летнего периода составляет на се-
2
вере европейской части России 8÷10 л/с км
2
15÷20 л/с км
2
(в районах Прикаспийской низменности и южного Заволжья).
км
, а по мере продвижения к югу уменьшается до 0÷0,5 л/с
Норма минимального зимнего стока изменяется от 2÷3 л/с км
вере европейской части России до 0÷0,10 л/с км
, на Северном Урале –
2
на Се-
2
– в юго-восточных
районах.
Пересыхание и промерзание рек. В тех случаях, когда поверх-
ностный сток отсутствует и прекращается грунтовое питание, река
пересыхает, то есть минимальный сток равен нулю. Это явление
присуще обычно малым рекам с небольшим эрозионным врезом
русла, расположенным в районах, где грунтовые воды залегают глубоко. Так, на
большинстве малых рек левобережья реки Волги южнее р. Самары сток прекращается вскоре после окончания весеннего
половодья (в конце мая – начале июня) и не возобновляется не только летом, но и зимой. В районах же, расположенных еще южнее
(к югу от впадения р. Большого Иргиза), даже на крупных водотоках
порядка 10000
км2 продолжительность пересыхания редко бывает
менее 200 дней.
112
Промерзание рек связано не только с истощением грунтового питания, но и с увеличением толщины льда, сужающего живое сечение
русла вплоть до прекращения стока. На севере европейской части
2
России малые реки (F < 100 км
) систематически промерзают в зим-
нее время, а в северных районах Восточной Сибири и Дальнего Вос-
2
тока промерзают крупные реки с F до 200000 км
.
8.2. Расчеты минимального стока
Расчеты выполняются в соответствии с требованиями перечисленных выше нормативных документов отдельно за зимний и летнеосенний сезоны водохозяйственного года [4, 9, 10, 17]. В основу расчетов берутся либо минимальные средние месячные расходы по этим
сезонам, либо средние расходы за 30 (некалендарных) дней с наименьшим стоком. Средние месячные расходы рекомендуется
использовать тогда, когда межень продолжительная и устойчивая (мало дождевых паводков и межень длится более двух месяцев).
Минимальные 30-дневные расходы используются при короткой и
прерывистой межени. Расчетная обеспеченность нормируется в зависимости от целей водопотребления: при проектировании гидростанций р = 90 – 95 %, для целей орошения р = 80 – 85 %, для хозяйст-
венно-питьевого водоснабжения
р = 90 – 95 %.
Расчет минимального стока при наличии многолетних наблю-
дений. Ряд наблюдений считается достаточно надежным, если сред-
няя квадратичная ошибка среднего многолетнего значения
Q
minN
не
превышает ± 15 %, при невыполнении этого условия необходимо удлинение ряда. При наличии длительного ряда наблюдений определяются параметры кривой обеспеченности: средний многолетний минимальный расход
асимметрии С
.
s
, коэффициент вариации Cv и коэффициент
Q
min
Норма минимального расхода вычисляется как среднее арифмети-
ческое ряда:
113
N
Q
min
Q
i
1
=
min
N
N
.
(123)
Средняя квадратичная ошибка нормы определяется по формуле:
σ
QN
ν
n
.
100⋅=
(124)
C
Коэффициент вариации вычисляется по формуле:
C
n
K
1
=
ν
n
2
)1(
−
(125)
.
1
−
При наличии промерзания и пересыхания (нулевого стока) значение C
подбирают по отношению с C
определяется графоаналитическим способом. Параметр Сs
v
, исходя из наилучшего соответствия
v
теоретической кривой обеспеченности фактическим данным наблюдений. Эмпирическая обеспеченность минимальных расходов определяется по формуле:
m
.
100
=
p
+
n
⋅
4,0
(126)
3,0
−
Расчетные величины минимального стока определяются по выражению:
QKQ ⋅=
minmin Npp
.
(127)
Расчет минимального стока при наличии короткого периода
наблюдений. Если средняя квадратичная ошибка среднего арифме-
тического значения минимальных расходов, вычисленная по формуле
(114), составляет ±15 %, ряд удлиняется по данным реки-аналога. Ме-
тоды удлинения ряда: графический, метод корреляции, графоаналитический.
Бассейн-аналог выбирается по сходству климатических и гидрогеологических условий. Бассейн-аналог должен
быть сходным с изучаемой рекой по размерам водосбора, по степени озерности и залесенности бассейна, по рельефу. Все три метода удлинения ряда
114
и получения нормы минимального стока основаны на построении графика связи минимального стока за годы параллельных наблюдений по
короткорядному пункту и реке-аналогу. Расчеты выполняются так же,
как это показано в п. 5 и 7 для годового и максимального стока.
Для рек с меженным периодом длительностью менее двух месяцев
с рядом наблюдений менее
5 лет норму минимального стока можно
определить по формуле:
Q
ср
Q
ср
,
a
QQ ⋅=
minmin
aNN
(128)
где индекс а – показывает, что минимальный средний месячный расход относится к реке-аналогу;
индекс N – показывает, что минимальный средний месячный рас-
ход получен по многолетним наблюдениям;
индекс «ср» – показывает, что минимальный средний месячный
расход получен как средний арифметический по короткому ряду наблюдений.
Второй параметр – коэффициент вариации C
– в этом случае при-
v
нимают по бассейну-аналогу. Для малых рек при ряде менее 5 лет C
v
определяют по формуле:
Q
N
amin
ср
.
(129)
Коэффициент асимметрии С
онов по соотношению C
s
⋅=
CC
νν
a
Q
принимают для увлажненных рай-
s
= 2·Cv, для засушливых – Cs = (l÷ 1,5)Cv.
Определение расчетных минимальных расходов воды при отсутствии наблюдений. В связи с тем, что формирование минималь-
ного стока на малых бассейнах имеет свои особенности, три параметра кривой обеспеченности для малых и средних рек определяется поразному [10]. В нормативах приведено районирование территории
России по минимальному стоку малых рек за летне-
осенний и зимний
сезоны. По нижнему пределу площади водосбора вся территория России разделена на 14 районов. В частности для Нижнего Поволжья ма-
2
лыми водосборами являются реки с F < 1700 км
(для расчета стока за
115
летний сезон) и F < 1800 км2 (для расчета за зимний сезон). В настоящее время применяются три метода расчета минимального стока:
по карте изолиний минимального 30-дневного стока; по интерполяции между опорными пунктами с многолетними наблюдениями; по
эмпирическим формулам.
Расчет по картам изолиний минимального стока. Средний
многолетний расход (норма) минимального стока определяется по
картам изолиний модулей
не-осеннего стока (л/с·км
минимального 30-дневного зимнего и лет-
2
), составленной Государственным гидроло-
гическим институтом [10, 17]. Величину нормы модуля снимают с
карты для центра тяжести водосбора или вычисляют как средневзвешенную величину (по найденному модулю вычисляют норму минимального 30-дневного расхода). Точность определения нормы минимального стока ± 10 % для районов с достаточным увлажнением и до
± 20 % – для засушливых районов. Карты ГГИ применяются для
2
средних рек (с площадями водосборов от 800 до 7500 км
Второй параметр – коэффициент вариации минимального стока C
можно также определить по расчетным картам C
минимального лет-
v
).
v
него и зимнего стока, опубликованным для отдельных районов. Таблицы, по которым определяются C
минимального летнего и зимнего
v
30-дневного стока в зависимости от величины минимального стока,
полученной по карте нормы модуля, и от географического района.
Третий параметр – коэффициент асимметрии минимального лет-
него и зимнего 30-дневного стока определяется по соотношениям:
C
smin
=2C
– для районов увлажненных и C
vmin
= (1÷1,5) C
smin
vmin
– для
засушливых районов.
Расчет минимального стока различной обеспеченности по найден-
ным трем параметрам выполняется обычным порядком.
Для определения нормы минимального стока малых рек в полученные по карте значения стока вводятся поправки, значения которых
приводятся в приложениях к картам.
Определение минимального стока по интерполяции между
опорными пунктами. Этот метод применяется
116
в том случае, если
вблизи неизученной реки имеются пункты с многолетними наблюдениями, отвечающие требованиям, предъявляемым к реке-аналогу
[10]. Норма минимального стока определяется по интерполяции между значениями нормы по пунктам-аналогам и относится к центру тяжести неизученной реки. Коэффициент вариации C
определяется
vmin
по таблице в зависимости от полученного модуля или по карте (если
она имеется). Коэффициент асимметрии C
ношению с C
или по аналогу.
vmin
определяется по соот-
smin
Определение минимального стока по эмпирическим формулам. Для малых рек средний многолетний 30-дневный минимальный
летне-осенний и зимний сток определяют по эмпирической формуле
ГГИ (автор А.М. Владимиров):
n
,
cFaQ )(
N
min
+⋅=
(130)
где a, n, с – параметры, определяемые в зависимости от географических районов по специальным таблицам. Вся территория России по
значению этих параметров разделена на 145 районов. Формула является дополнением к карте изолиний среднего многолетнего минимального стока.
Параметры C
vmin
и C
определяются так же, как и при расчете
smin
минимального стока, рассмотренными ранее методами в случае отсутствия наблюдений.
Минимальный средний суточный модуль определяется по формуле:
′
30
bmam −⋅=
,
где т' – минимальный средний суточный модуль, л/с км
– средний многолетний 30-дневный минимальный модуль сто-
m
30
2
;
(131)
ка, определенный по карте изолиний или на основании формулы
(130);
a, b – параметры, принимаемые по таблице, в зависимости от района (отдельно для летне-осеннего и зимнего периодов).
117
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Роль гидрологии поверхностных вод суши в решении водохозяйственных проблем, несмотря на развитие технических возможностей
человека, с каждым годом и каждым достижением общества не
уменьшается, но все более возрастает. К тому же с изменением климата, который связан с антропогенной деятельностью человека, необходимо учитывать невозможность точного и своевременного прогнозирования опасных погодных явлений, таких как осадки и связанные
с ними паводки.
Поэтому в рациональном использовании водных ресурсов Российской Федерации заинтересованы пользователи всех отраслей хозяйства, а это потребует развития и совершенствования методов гидрологических расчетов, теоретических, практических исследований
и совершенствования прогнозов.
Значение гидрологических исследований проявляется в связи с
оптимизацией
мелиоративного использование земель для обеспечения продовольственной независимости Российской Федерации. Для
этого потребуется решать такие вопросы, как: оценка запасов воды
для рационального последующего распределения по потребителям,
установление расчетных величин характеристик, расчет потерь воды
на испарение, фильтрацию, льдообразование из речных бассейнов,
прогнозы элементов гидрологического режима, составление водных
кадастров, оценка эрозионной деятельности
водных объектов с учётом влияния хозяйственной деятельности человека, учитывая при
этом становящиеся актуальными ремонты, реконструкции и восстановления ранее возведенных гидротехнических сооружений и развитие направлений на освоение новых территорий.
118
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Виноградов, Ю.Б. Современные проблемы гидрологии: учеб. по-
собие для студ. высш. учеб. заведений / Ю. Б. Виноградов,
Т. А. Виноградова. – М.: Издательский центр «Акедемия»,
2008. – 320 с.
2. Гидрология: учебник для вузов / А.Д. Добровольский и др. –
М.: Высшая Школа, 2007. – 463 с.
3. Парахневич, В.Т. Гидравлика, гидрология, гидрометрия водото-
ков: учебное
пособие / В.Т. Парахневич. – М.:
НИЦ ИНФРА-М; Нов. знание, 2015. – 368 с.
4. Смирнов, Г.Н. Гидрология и гидротехнические сооружения:
учебник для вузов по спец. «Водоснабжение и канализация» /
Г.Н. Смирнов и др. – М.: Высш. Шк., 1988. – 472 с.
5. ГОСТ 19179-73. Гидрология суши. Термины и определения. – М.:
Гос. комитет стандартов СМ СССР, 1973. – 34 с.
6. Гидрологические прогнозы / Ю.М. Георгиевский, С.В. Шаноч-
кин. – СПб: Изд. РГГМУ, 2007. – 436 с.
7. Клавен, А.Б. Экспериментальные исследования и гидравлическое
моделирование речных потоков и руслового процесса / А.Б. Клавен, З.Д. Копалиани. – СПб: Нестор-История,
2011. – 504 c.
8. Магрицкий, Д.В. Речной сток и гидрологические расчеты: прак-
тические работы
с выполнением при помощи компьютерных про-
грамм / Д.В. Магрицкий. – М.: Изд-во Триумф,
2014. – 184 с.
9. Рождественский, А.В. Методические рекомендации по определе-
нию расчетных гидрологических характеристик при наличии
данных гидрометрических наблюдений / А.В. Рождественский
и др. – Л.: Гидрометеоиздат, 2007. – 124 с.
10. Рождественский, А.В. Методические рекомендации по определе-
нию расчетных
гидрологических характеристик при недостаточ-
119
ности данных гидрометрических наблюдений /
А.В. Рождественский и др. – Л.: Гидрометеоиздат, 2007. – 69 с.
11. Михайлов, В.Н. Общая гидрология: учебник для вузов / В.Н. Ми-
хайлов, А.Д. Добровольский. – М.: Высшая школа, 1991. – 368 с
.
12. Орлов, В.Г. Основы инженерной гидрологии: учебное пособие /
В.Г. Орл
ов, А.В. Сикан. – Спб: изд. РГГМУ
2003. – 187 с.
13. Рождественский, А.В. Пособие по определению расчетных гид-
рологических характеристик / А.В. Рождественский и др
. –
Л.: Гидрометеоиздат, 198. – 448 с.
14. Ройзман, А.С. Пособие по проектированию автомобильных
дорог / А.С. Ройзман. – М.: Транспорт, 1968. – 240 с
.
15. Сикан, А.В. Методы статистической обработки гидрометеороло-
гической информации: учебник, 2-е издание /
А.В. Сикан. – СПб: изд. РГГМУ, 2007. – 279 с.
16. Эдельштейн, К.К. Гидрология материков: учеб. пособие для студ.
вузов / К.К. Эдельштейн. – М.: Академия, 2005. –
,
304 с.
17. СП 33-101-2003. Определение основных расчетных гидрологиче-
ских характеристик. – М.: Госстрой России
ФГУП ЦПП, 2004. – 73 с.
18. Computational Intelligence and Technological Developments in Water
Applications Heidelberg: Abrahart, R.J. Practical Hydroinformatics.
R.J. Abrahart, L.M. See, D.P. Solomatine (Eds.) Springer, 2008.
19. Brutsaert, W. Hydrology: An Introduction Cambridge University
Press, 2005.
20. Eslamian, S. (Ed.) Handbook of Engineering Hydrology:
Fundamentals and Applications CRC Press, 2014.
21. Meylan, P. Predictive Hydrology: A Frequency Analysis
Approach Boca Raton
(FL): CRC Press, 2013.
22. Naghettini, M. Fundamentals of Statistical Hydrology
,
New York: Springer, 2016.
23. Singh, V.P. Introduction to Tsallis Entropy Theory in
Water Engineering Boca Raton: CRC Press, 2015.
120
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]