Лекция n11

1. Максимальный сток рек. Максимальный сток - это речной сток в периоды высоких паводков и половодий. Его изучение и расчеты имеют исключительно важное значение, поскольку объем максимального стока составляет от 50 до 90% (а иногда и более) суммарного годового стока рек, а максимальные расходы являются определяющими при проектировании наиболее ответственных и дорогостоящих водосбросных и водопропускных гидротехнических сооружений.

2. Особенности формирования максимального стока. По своему генезису (происхождению) максимальный сток рек подразделяют на весеннее половодье, дождевые паводки и сток смешанного происхождения, обусловленный как таянием снега, так и дождями.

Весеннее половодье типично для большинства рек России. Формирование максимального стока во время половодья - сложный и многофакторный процесс. Основные факторы, определяющие количество воды, поступающей на водосбор в этот период, - высота и плотность снежного покрова, площадь и характер его распределения.

Существенное влияние на сток весеннего половодья оказывает интенстивность снеготаяния, то есть количество талых вод, образующихся в единицу времени. Она зависит главным образом от солнечной радиации и ряда других факторов (температуры воздуха, скорости ветра, характеристик ландшафта и т. д.). Не вся вода, образовавшаяся в результате таяния снега, поступает в речную сеть. Часть ее (до 10%) теряется на испарение с поверхности талых вод и снега, а часть расходуется на просачивание (инфильтрацию) в почву.

Дождевые паводки обусловлены ливнями и продолжительными дождями. Они могут наблюдаться повсеместно, но наиболее часто - на Дальнем Востоке, в Карпатах, на Кавказе, в Крыму.

Важнейшие факторы, влияющие на формирование максимального дождевого стока, - интенсивность дождя, его продолжительность и площадь, охватываемая дождем, инфильтрация воды в почву, добегание дождевых вод до русловой сети бассейна.

Формирование дождевого стока происходит под действием также таких физико-географических факторов, как рельеф, почвенно-геологические условия, озерность, заболоченность, залесенность и др.

3. Расчетные максимальные расходы воды. Под максимальными расходами понимают наибольшие в каждом году значения мгновенных или среднесуточных расходов воды, наблюдаемых во время прохождения весеннего половодья или дождевых паводков на реках или временных водотоках.

Ежегодные вероятности превышения (обеспеченности) расчетных максимальных расходов воды (табл. 1)

Таблица 1

ЕЖЕГОДНАЯ ВЕРОЯТНОСТЬ ПРЕВЫШЕНИЯ (%)

РАСЧЕТНЫХ МАКСИМАЛЬНЫХ РАСХОДОВ

РАСЧЕТНЫЙ СЛУЧАЙ	кЛАСС ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО СООРУЖЕНИЯ
	I	II	III	IV
оСНОВНОЙ	0.1	1.0	3.0	5.0
ПОВЕРОЧНЫЙ	0.01	0.1	0.5	1.0

назначают с учетом класса сооружения, на которые подразделяются все постоянные и временные гидротехнические сооружения в зависимости от их народнохозяйственного значения и возможных последствий нарушения нормативного режима эксплуатации или разрушения.

Расчетные максимальные расходы годовых максимумов устанавливают раздельно для талых и дождевых вод и из двух полученных значений для проектных целей выбирают наибольшее, то есть то, которое приводит к наиболее неблагоприятным условиям работы сооружения. Если невозможно разделить максимальные годовые расходы воды на дождевые и талые, то допускается строить кривую обеспеченности максимального стока независимо от его происхождения.

4. Расчет максимальных расходов воды при наличии данных наблюдений. При наличии гидрометрических данных по максимальному стоку за достаточно длительный период наблюдений расчетные максимальные расходы талых (снеговых) и дождевых вод определяют с помощью аналитических кривых обеспеченности. При этом необходимо, чтобы исходные данные удовлетворяли требованиям репрезентативности, а относительная средняя квадратическая ошибка расчетного значения гидрологической характеристики не превышала 10%. Параметры аналитической кривой обеспеченности - среднее значение , коэффициент вариации С_v и коэффициет асимметрии С_{s ,} максимальных расходов - вычисляют в зависимости от принятого типа кривой распределения методами наибольшего правдоподобия и моментов. Допускается применять также графоаналитический метод.

Методом наибольшего правдоподобия по формулам:

;

(1)

)

(2)

Методом моментов по формулам:

;

(3)

(4)

где Q_N - экстремальный расход, установленный по историческим данным, м³/с;

N - продолжительность периода, в течение которого значение Q_N является наибольшим

( Nn); n - продолжительность периода наблюдений.

По найденным параметрам , С_v и С_s строят аналитическую кривую обеспеченности максимальных расходов (трехпараметрического гамма- распределения или биноминальную) и сопоставляют ее с данными фактических наблюдений по формуле

(5)

Расчетный максимальный расход воды заданной обеспеченности (м³/с) :

(6)

где К_р - ордината кривой обеспеченности максимальных расходов. Значение расчетной обеспеченности принимают в зависимости от класса сооружения по таблице 1.

Для сооружения I класса к расчетному максимальному расходу вероятности 0.01% прибавляют гарантийную поправку

(7)

где  - коэффициент, характеризующий гидрологическую изученность рек; принимается равным 1.0 для гидрологически изученных и 1.5 для слабоизученных рек; Е_{р %} - величина, характеризующая случайную среднюю квадратическую ошибку расчетного расхода ежегодной вероятности превышения Р=0.01% определяется по таблице2;  - число лет наблюдений с учетом приведения к многолетнему периоду.

рИС.1. пОСТРОЕНИЕ КРИВЫХ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ СМЕШАННЫХ РАСХОДОВ:

а и б - талых и дождевых вод;

в - талых и дождевых расходов.

Таблица 2

Сv	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1.0	1.1	1.2	1.3
Ер %	0.25	0.45	0.64	0.80	0.97	1.12	1.26	1.40	1.56	1.71	1.89	2.06	2.22

С учетом гарантийной поправки расчетный максимальный расход вероятности превышения 0.01% (м³/с);

(8)

Гарантийная поправка не должна превышать 20% расчетного максимального расхода Q_0/01%.

5. Расчет максимальных расходов талых вод при отсутствии данных гидрометрических наблюдений_. В случаях отсутствия данных непосредственных наблюдений максимальные расходы талых вод определяют по эмпирическим зависимостям.

Расчетный максимальный расход воды весеннего половодья (м³/с) ежегодной вероятностью превышения (обеспеченностью) Р% при отсутствия наблюдений определяют по формуле

(9)

где К₀ - параметр, характеризующий дружность весеннего половодья; h_p - расчетный слой суммарного весеннего стока (без срезки грунтового питания) той же обеспеченности Р%, что и расчетный максимальный расход, мм;  - коэффициент, учитывающий неравенство статистических параметров слоя стока и максимальных расходов воды; - коэффициент, учитывающий влияние проточных озер, прудов и водохранилищ; неравенство статистических параметров слоя стока и максимальных расходов воды; ₁, ₂, ₃ - коэффициенты, учитывающие соответственно снижение максимального расхода воды в залесенных и заболоченных бассейнах, а также под влиянием агротехнических мероприятий (на реках с F >200 км²); F - площадь водосбора до рассматриваемого створа, км²; F₁ -дополнительная площадь водосбора, учитывающая снижение редукции при малых значениях F, км^2; n₁ - показатель степени редукции (уменьшения).

Значения вышеуказанных параметров определяются следуюшим образом:

K₀= f (прир.зоны, категории рельефа). K₀=0.008 (лесная зона); K₀=0.017 (лесостеп. и степная зона).

n₁= f (природные зоны ), n₁=0.17 (лесная зона); n₁=0.25 (лесостеп. зона ); n₁=0.35 (степная зона).

=1/( 1+C*fоз ); с= f (h) (10)

С=0.2 при h>100 мм

С=0.2 0.3 при 50< h<99мм

С=0.3 0.4 при 20< h<40 мм

С=0.4 при h<20 мм

₁= ₁/( 1+ f_л ) ⁿ₂ (11)

₁= 1 при равномерном распред. леса на водосборе

n₂= f ( природ. зоны, мех. состав почв ).

n₂=0.22 лесная зона

n₂=0.16-лесостепная зона

₂=1- β lg ( 0.1 f_б+1), (12)

β =0.7 при различных болотах на водосборе

μ = f( природ.зона, F, Р%)

При F>200 км² μ =1.10 при Р=0.1%; μ =1.05 при Р=0.5%

μ =1.0 при Р=1.0%; μ =0.96 при Р=3.0%

F₁=1 км² (лесная зона); F₁=2км² (лсостеп. зона) F₁=10км² (степная.зона)

Расчетный слой суммарного весеннего стока (мм)

(13)

где К_р - ордината аналитической кривой обеспеченности; h_max - среднемноголетний слой половодья, мм.

Среднемноголетний слой стока половодья h_max находят по данным наблюдений на реках - аналогах или же по карте изолиний этого параметра с учетом поправок на влияние местных факторов.

Коэффициент вариации среднемноголетнего стока слоя половодья С_v устанавливают также по рекам аналогам или по карте изолиний этого параметра..

Расчетное отношение С_sС_v для слоя стока весеннего половодья принимают как среднее значение этого отношения по данным рек аналогов или же устанавливают по соответствующей карте.