5.4 Дождевые максимумы.

Дожди, по предложению Д. Л. Соколовского, можно разделить на три группы:

1) ливни – короткие и интенсивные дожди продолжительностью не более двух-трех часов и средней интенсивностью α10– 20 мм/час;

2) ливневые дожди продолжительностью от нескольких часов до нескольких суток со средней интенсивностью α2–10 мм/час;

3) обложные дожди продолжительностью от двух-трех суток и более со средней интенсивностью α1–2 мм/час.

Ливни характерны для засушливых районов, в частности для лесостепной и степной зон европейской территории России. Как правило, они охватывают небольшие площади порядка десятков, реже сотен квадратных километров. Поэтому они могут вызвать значительные паводки лишь на малых водотоках с бассейном до 100 – 200 км², реже 1000 км².

Многочисленные формулы по расчету дождевых максимумов разрабатывались в двух направлениях:

1) для определения размеров городских водостоков;

2) для расчета отверстий мостов.

Кратко остановимся на каждом из этих направлений.

Водостоки рассчитывают на пропуск дождевых и снеговых вод. Наибольшие расчетные расходы с водосборов населенных пунктов образуются при выпадении дождей. Однако не весь объем выпавших осадков попадает в водостоки. Часть его расходуется на инфильтрацию в грунт, испарение и смачивание растительного покрова. Это учитывается при определении расчетного расхода дождевых вод по формуле

, (5.20)

где q – расчетная интенсивность дождя, л/сек на 1 га;

σ – коэффициент стока;

F – площадь бассейна, га;

η – коэффициент неравномерности выпадения дождя, зависящий от площади стока и продолжительности дождя.

Средние значения η составляют 0,8 – 0,9. При площади в 200 га и менее коэффициент η может быть принят равным единице. Значения коэффициента σ колеблются в больших пределах: от 0,9 для бетонных и асфальтовых покрытий и до 0,10 – 0,20 – для садов и парков.

Наибольшую сложность при вычислениях представляет собой величина q. На основании длительных наблюдений за ливнями впервые в Советском Союзе эта величина наиболее полно была изучена П. Ф. Горбачевым. Он исходил из того положения, что интенсивность дождя q изменяется в обратной зависимости от его продолжительности t:

, (5.21)

При этом для величины А им была установлена такая зависимость:

, (5.22)

где 166,7 – переводной коэффициент;

α – климатический коэффициент, колеблющийся в европейской части России от 0,025 – на севере до 0,053 – на юге;

Н – среднегодовое количество осадков в мм высоты слоя;

Р – период однократного переполнения водостоков в годах с колебаниями от 1 до 25 лет. Дальнейшее усовершенствование величины расчетной интенсивности дождя q было выполнено рядом авторов и научно-исследовательскими коллективами. Наибольшее признание получила формула Ленинградского научно-исследовательского института коммунального хозяйства, принятая в нормах и технических условиях проектирования канализации населенных мест (СНиП П-Г, 6-62):

, (5.23)

В этой формуле n – показатель степени; определяется по картам в зависимости от места расположения объекта и колеблется от 0,55 до 0,75. Величина q₂₀ – интенсивность дождя в литрах в секунду на 1 га при продолжительности 20 мин и повторяемости один раз в год. Определяемые по карте территории России значения этой величины достигают минимума на севере (50–60) и увеличиваются к югу и западу (80–100). На Черноморском побережье Кавказа q₂₀ достигает максимальных величин (100–200). Коэффициентом С учитываются климатические особенности районов. В северных и центральных районах европейской части России величина С равна 0,85, к югу и в Сибири она увеличивается до единицы, а в Крыму и в Средней Азии – до 1,20–1,50.

Как видно из формулы (5.21), величина q зависит от продолжительности дождя t. При ее расчетах принято положение о предельных интенсивностях дождей, при которых продолжительность дождя t_расч равна времени добегания потока от удаленной точки площади водосбора до расчетного сечения водостока.

Достоинством формул (5.19) и (5.21) является сочетание правильного учета метеорологических факторов, определяющих характер и интенсивность дождей, с факторами подстилающей поверхности, определяющими величину инфильтрации, скорости и времени добегания как по склонам бассейна, так и по естественному и искусственному руслам. Недостатком этих формул следует считать зависимость их от большого числа параметров, каждый из которых вычисляется с определенной степенью точности.

Для расчета отверстий мостов разработан ряд формул по определению дождевых максимумов, остановимся на более простых из них.

Рис. 5.7 Карта изолиний параметра С в формуле НКПС 1928г.

Для европейской части

Обработка Г. Д. Дубелиром данных по ливневому стоку дала возможность Народному комиссариату путей сообщения в 1928 г. принять «Правила определения наибольшего расчетного притока ливневых вод к отверстиям малых сооружений» (HKJIC– 1928 г.) Согласно этим правилам "максимальный дождевой расход

, (5.24)

где С – географический параметр, определяемый по картам изолиний (рис. 5.7), он колеблется от 6 – на севере до 24 – на юге;

α – коэффициент, зависящий от длины и уклона реки;

α = f(l,i) и вычисляется по табл. 5.8.

Таблица 5.8

Значения коэффициента а

Длина бассейна, км	Уклон
	0,001	0,002	0,003	0,005	0,008	0,010	0,015	0,020	0,050	0,100
При С < 12
0	0,20	0,25	0,30	0,50	0,80	1,00	1,10	1,15	1,20	1,25
2	0,15	0,188	0,225	0,375	0,60	0,75	0,825	0,863	,090	0,938
5	0,066	0,083	0,108	0,185	0,296	0,37	0,407	0,426	0,444	0,463
10	0,033	0,041	0,054	0,093	0,152	0,190	0,216	0,225	0,240	0,250
20	0,017	0,021	0,027	0,046	0,076	0,095	0,108	0,113	0,120	0,125
При С >12
0	0,20	0,250	0,30	0,50	0,80	1,00	1,10	1,15	1,20	1,25
2	0,15	0,188	0,255	0,375	0,60	0,75	0,825	0,863	0,90	0,938
5	0,074	0,093	0,111	0,185	0,296	0,37	0,407	0,426	0,444	0,463
10	0,042	0,053	0,063	0,105	0,168	0,210	0,231	0,242	0,252	0,263
20	0,021	0,028	0,034	0,061	0,100	0,125	0,138	0,144	0,150	0,156

В формулу (5.24) вводятся поправочные коэффициенты, исходя из следующих соображений: допускается снижение расхода на 50% при легкопроницаемых породах и на 20% при покрытии большей части площади бассейна лесом; увеличивается расход не более чем на 30%, при непроницаемых породах. Максимальный расход по этой формуле имеет обеспеченность порядка 2–3%. Эта формула пригодна для подсчета максимальных расходов при площадях водосборов F<4C и не более 60 км². Для больших площадей водосборов дождевой максимум приближенно можно определить по упрощенной формуле Д. Л. Соколовского:

Как видно из табл. 5.9, точность подсчета по этой формуле невелика. По ней можно получить только порядок цифр для предварительных соображений. Проверкой величины В могут быть наблюденные величины дождевых максимумов. Тогда

.

, (5.25)

Величина параметра В определяется по табл. 5.9.

Таблица 5.9

Величина параметра В

Зона	Водосборная площадь	Величина В при обеспеченности
		50%	10%	2-3%	1%
Лесная и лесостепная зоны европейской части СССР		2-3	4-6	7-10	8-12
Степная зона	500-1000	2-3	4-6	7-10	8-12
	прочие	0,5-1,0	1-2	2-3	3-4
Предгорные районы Урала	-	3-5	6-8	10-14	12-18
Западный Донбасс и Крым	500-1000	5-8	10-20	15-25	30-40
	прочие	0,5-1,0	1-2	2-3	3-4
Ливневые районы (Дальний Восток, Черноморское побережье Кавказа и горные реки Карпат)		8-12	15-20	25-30	40-50