5. Гидрологические расчеты

Гидрологическими расчетами в курсовом проекте определяются расчетные и поверочные расходы воды в каналах проводящей сети с площадью водосбора более 5 км². По расчетным расходам воды определяются размеры поперечных сечений каналов при допустимой глубине их наполнения в зависимости от условий работы.

По поверочным расходам воды определяется устойчивость русел каналов против размыва и заиления.

Гидрологические расчеты, в зависимости от объекта проектирования, проводятся для весеннего половодья, летне-осенних паводков и меженного периода.

Обеспеченность расчетных и поверочных расходов указанных периодов принимается следующая:

а) водоприемники и каналы в лесах хозяйственного значения рассчитываются на пропуск летне-осенних паводков 25 %-ной обеспеченности; поверка таких каналов на устойчивость русел размыву производится на пропуск весеннего половодья 25 %-ной обеспеченности;

б) водоприемники и каналы в зеленых зонах городов, а также дренажные системы на окультуренных сенокосах рассчитываются на пропуск летне-осенних паводков 10 %-ной обеспеченности, а устойчивость русел на размыв проверяется на пропуск весеннего половодья 25 %-ной обеспеченности;

в) водоприемники и каналы в лесопарках рассчитываются на пропуск весеннего половодья 25 %-ной обеспеченности; на пропуск этих же водпроверяется и устойчивость русел на размыв. После выбора расчетных и поверочных расходов выполняются гидрологические расчеты вручную с использованием микрокалькуляторов, или по специально разработанной программе в вычислительном классе кафедры.

СНиП 2.01.14 - 83, расчет максимальных расходов весеннего половодья рекомендует производить по формуле:

Q_p% (пов.)= , (1)

где А — площадь водосбора, км² (по заданию);

К_о — коэффициент дружности весеннего половодья, в курсовом проектировании определяется по табл. 6. По ней же определяют А₁ и n₁.

Таблица 6 - Параметры А₁, n₁, K_o для равнинных рек Европейской части РФ

Природная зона	Параметр				Параметр Ко при категории рельефа
	n1		A1		I		II		III
Зона тундры и лесная зона		0,17		1		0,010		0,008		0,006
Лесостепная и степная зона		0,25		2		0,030		0,017		0,012

К I категории рельефа относятся реки, большая часть которых располагается в пределах холмистых и платообразных возвышенностей (Среднерусская и др.). Ко II категории рельефа относятся реки, в бассейнах которых холмистые возвышенности чередуются с понижениями между ними. К категории III рельефа относятся реки, большая часть которых располагается в пределах плоских низменностей (Мещерская, Белорусское Полесье, Приднепровская и др.), а также реки, имеющие широкие заболоченные поймы.

В качестве признака для определения категории рельефа допускается использование значения a:

a= ,

где I_p — уклон главного водотока, %_о (по заданию);

А — площадь водосбора, км² (по заданию).

При a>1 бассейн обносится к I категории рельефа, при a@1,0 — 0,5 — к категории II, а при a<0,5 — к категории III.

hp_% — слой стока расчетной обеспеченности;

m — коэффициент, учитывающий неравенство статистических параметров стока и максимального расхода воды половодья;

d₁ d₂ d₃ — коэффициенты, учитывающие снижение максимальных расходов воды в залесенных, заболоченных и зарегулированных прудами, водохранилищами, озерами, водосборах. Коэффициент d₁ находят по формуле:

d₁ = , (2)

где a₁ — параметр, принимаемый по табл. 7;

f_л — относительная залесенность, % (по заданию).

n₂ для всех почвогрунтов лесной зоны принимается равным 0,22

Таблица 7 - Значения параметра a₁ для лесной зоны

Расположение леса на водосборе	Значение параметра a1 при fЛ
	от 3 до 9	от 20 до 30 и более
Равномерное	1,00	1,00
В верхней части	0,85	0,75
В нижней части	1,20	1,30

Коэффициент d₂ находят по формуле:

d₂ =1 — b lg (1+0,1 f_d ), (3)

где b — коэффициент, принимаемый по табл.8;

f_d — относительная заболоченность водосбора, % (по заданию).

Таблица 8 - Значение коэффициента b для различных типов болот

Типы болот	b
Низинные болота	0,8
Водосборы, с болотами разных типов	0,7
Верховые болота на водосборах, сложенные супесчаными и легкосуглинистыми почвами	0,5
Верховые болота на водосборах, сложенные среднесуглинистыми и глинистыми почвами	0,3

При заболоченности менее 3 % или при проточной озерности более 20 % коэффициент d₂ принимается равным единице.

При наличии в бассейне озер, расположенных вне главного русла и основных притоков (что наиболее распространено), значения коэффициента d₃ следующие:

f_{оз %} менее 2 более 2

d 1,0 0,8

При зарегулировании рек проточными озерами d₃ находят по формуле:

d₃ = , (4)

где C — коэффициент, принимаемый в зависимости от величины среднего многолетнего весеннего стока h₀ ;

A_оз — средневзвешенная озерность (%) определяется по формуле:

А_оз = , (5)

где S_i — площадь зеркала озера, км²;

A_i — площадь водосбора озера км²;

При h₀ ³ 100мм С=0,2, при h₀ от 50 до 99 мм С=0,2 — 0,3, при h₀ от 49 до 20 мм С = 0,3 — 0,4 и при h₀ <20 мм С=0,4.

Значения коэффициента m (формула 1) находят по табл. 9.

Таблица 9 - Значения коэффициента m для тундровой, лесной (первая

строчка) и лесостепной (вторая строчка) зоны Европейской части РФ

Вероятность превышения, %
1	5	10	25
1,00	0,96	0,93	0,90
1,00	0,93	0,89	0,80

Слой стока половодья h_p% (формула 1) расчетной обеспеченности устанавливается по формуле:

h_p% = Н_o K_p% , (6)

где Н₀ — средний многолетний слой стока половодья, мм;

K_p% — ордината кривой заданной обеспеченности, находится по табл. I0 в зависимости от коэффициента вариации С_V.

Таблица 10 - Ордината кривой трехпараметрического гаммараспределения

P, %	СV
	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,8	1,0	1,2
1	1,52	1,82	2,16	2,51	2,89	3,71	4,60	5,53
5	1,35	1,54	1,74	1,94	2,15	2,57	3,00	3,40
10	1,26	1,40	1,54	1,67	1,80	2,06	2,30	2,50
25	1,13	1,18	1,23	1,28	1,31	1,37	1,39	1,35

Значения коэффициента С_V снимаются с карты (приложение А).

Учитывая тот факт, что в курсовом проектировании площадь водосбора обычно лежит в пределах от 5 до 50 км², значение коэффициента вариации увеличивается в 1,25.

Средний многолетний слой стока половодья Н_o определяют по формуле:

Н_o = h_o × K_А · К_оз · К_Л · К_К , (7)

где h_o — средний многолетний слой стока половодья, определяемый по карте (приложение Б);

К_А — коэффициент, учитывающий влияние величины стока. При площади водосбора до 200 км² он определяется соотношением:

слой стока, мм . . . . . . . . .10 20 30 50 70 и более

К_А . . . . . . . . . .1,8 1,6 1,4 1,2 1,0

К_оз — коэффициент, учитывающий влияние озер на водосборе на величину слоя стока (табл. 11).

Таблица 11- Связь между озерностью и К_оз

Средневзвешенная озерность при расположении озер в бассейне		Коэффициент снижения слоя стока весеннего
в нижней части	в верхней части	половодья (Коз)
0 — 3,6	1 — 2,8	0,9 — 0,8
8,7 — 19,5	2,9 — 6,4	0,8 — 0,6
19,5	6,4	0,6

К_Л — коэффициент, учитывающий влияние лесистости на величину слоя стока весеннего половодья (табл.12)

Таблица 12 - Поправочный коэффициент на лесистость водосбора

fл /fл.р.	0,6	0,8	1,0	1,2	1,4	1,6	2,0
Для рек I группы (преобладание на водосборе хвойных)
Кл	1,2	1,1	1,0	0,9	0,8	0,7	0,6
Для рек II группы (преобладание на водосборе смешанных)
Кл	0,8	0,9	1,0	1,1	1,2	1,3	1,6

Примечание. f_л — лесистость данного водосбора (по заданию); f_л.р. — районное значение лесистости (определяется по приложению В).

К_К — поправка на карст. Эта поправка вводится при площадях водосбора более 500 км² и равна 0,8 — 1,0 при закарстованности 0 — 50 % и 0,8 - 0,6 при закарстованности 50 — 100 %.

Максимальные мгновенные расходы воды летне-осенних паводков рассчитываются по формуле:

Q_p%(расч.) = q_1% j H_1%d l_p% A, (8)

где q_1% — максимальный мгновенный модуль стока ежегодной вероятности превышения Р=1 %, выраженный в долях от произведения jH ;

j — сборный коэффициент стока;

H_1% — максимальный суточный слой осадков 1 % - обеспеченности, определяемый по карте (приложение Г);

d — коэффициент, учитывающий снижение максимального стока рек, зарегулированных проточными озерами (определяется как d₃ (если площадь зеркала озер по заданию не указана, то он равен 1)).

l — переходный коэффициент от вероятности превышения Р=1 % к максимальным расходам воды другой расчетной вероятности превышения (приложение 6), предварительно определив район (приложение Д);

А – площадь водосбора, км² (по заданию).

Максимальные мгновенные расходы воды определяют в следующей последовательности: находят Н₁, затем j.

Для нахождения q_1% (приложение Ж) необходимо предварительно знать гидроморфометрическую характеристику русла (Ф_р), продолжительность склонового добегания (t ) и район кривых редукции осадков (приложение З).

j = , (9)

где С₂ — эмпирический коэффициент, принимаемый для лесной и тундровой зон равным 1,2; для остальных зон — 1,3;

j_о — сборный коэффициент стока для водосбора площадью равной 10 км² со средним уклоном водосбора i_B равным 50 %_о, принимается по табл. 13.

Таблица 13 - Значения параметров j_о и n₅

Природная зона	Тип почвы	Параметры jо , n5 при мехсоставе
		глинистом и тяжелосуглинистом		среднесуглинистом и суглинистом		супесчаном, песчаном, меловом
		jo	n5	jo	n5	jo	n5
Лесотундра, лесная	Глеево-подзолистые, глеево-болотные оглеенные	0,42	0,50	0,28	0,65	0,23	0,80
	Тундрово-глеевые, глеево-болотные, подзолистые, серые лесные	0,56	0,50	0,38	0,65	0,30	0,80
Лесостепная	Подзолистые, серые лесные, черноземы мощные	0,66	0,60	0,54	0,70	0,27	0,90

i_B — средний уклон водосбора, %_о (по заданию);

n₆ — для лесотундры и лесной зоны принимается равным 0,07, для остальных природных зон — 0,11.

Гидроморфометрическую характеристику русла водотока определяют по формуле:

Ф_р = , (10)

где L — длина водотока, км (по заданию);

Н_р — гидравлический параметр русла, который в зависимости от состояния русла принимается равным 11 (чистые русла) или 9 (извилистые, частично заросшие).

i_p — уклон русла водотока, %_о (по заданию).

Значения t в курсовом проекте можно определить, исходя из средних экспериментально установленных величин: в тундровой и лесной зонах при заболоченности f_б < 20 % t = 60 мин., при f_б 20 ¸ 40 t = 100 мин., при f_б > 40 % t = 150 мин.

Расчетные меженные модули стока при отсутствии фактических данных принимаются в размере от 0,01 до 0,05 л/сек × га. Нижний предел модуля относится к водосборам более южных районов и со слабым грунтовым питанием, верхний предел относится к более северным районам и водосборам со значительным грунтовым питанием (ключевым, грунтово-напорным).

В связи с увеличением степени канализованности осушаемой площади рекомендуется в модули весеннего половодья и дождевого паводка вводить следующие поправки:

Канализуемая площадь,

% всей площади водосбора . . . . . 25 25 — 50 50

Поправки к модулю стока, % . . . 5 — 10 10 — 15 20