Определение расчетных минимальных расходов при отсутствии или недостаточности гидрометрических наблюдений

 

 

Расчет минимальных расходов воды на неизученных реках или в случае, когда имеющийся фактический материал не пригоден для использования в расчетах по статистическим формулам, производится в основном двумя способами: по картам изолиний минимального стока и по эмпирическим зависимостям.

Карты изолиний используются при расчетах минимального 30-дневного стока средних рек, с площадью водосбора от 1000 – 2000 (критическая площадь) до 75 000 км². Реки с площадью водосбора, меньшей критической, относятся к малым рекам.

Они имеют величину модуля минимального стока, отличную от аналогичной характеристики средних рек. Способ определения минимального стока на малых реках излагается ниже. Критическая площадь показывает величину площади бас­сейна, начиная с которой на реках данного района практически не наблюдается изменение модуля минимального 30-дневного стока (М₃₀) с ростом площади бассейна (F). Она определяется путем построения зависимости M₃₀= f(F) на двуосной логарифмической клетчатке, на которой критической площади будет со ответствовать точка перегиба кривой при переходе ее в прямую, близкую к горизонтальной линии.

На территории России выделено 11 районов в зимний сезон и 14 районов в летне-осенний, в которых реки имеют близкие по размеру критические площади бассейнов. Их величина изменяется от 800 до 10 000 км². Поэтому для ее определения в данном районе может быть использована карта районов (рис. 4.3., 4.4.) для определения минимальных 30-дневных расходов воды на малых реках и таблица наибольших (критических) площадей бассейнов малых рек (табл. 4.3).

Таблица 4.3.

Наибольшие критические площади бассейнов (км² ) малых рек

 

Индекс района по карте	Летне-осенний сезон	Зимний сезон	Индекс района по карте	Летне-осенний сезон	Зимний сезон
А			Д
Б			Е
В			Ж
Г

 

Способ определения минимального 30-дневного стока по картам изолиний аналогичен методу вычисления годового стока. Карты изолиний минимального стока не применяются для озерных рек и рек, расположенных в карстовых районах.

Минимальный 30-дневный сток на малых реках, с площадью водосбора не менее 50 км², для увлажненных районов и 100 км² для районов недостаточного увлажнения, рассчитывается по эмпирической зависимости вида

(4.1)

 

где – минимальный 30-дневный расход воды, средний за многолетний период, для зимнего или летне-осеннего сезонов;

F – площадь бассейна реки в км²;

а, n, с — параметры, определяемые в зависимости от географического местоположения реки, устанавливаются по таблице и картам районов для определения минимального 30-дневного стока на малых реках (табл. 4.4).

 

 

 

1 – граница и индекс района для определения наибольшего значения (критической) площади бассейна малой реки; 2 – граница и номер района для определения минимальных 30 – дневных расходов воды на малых рек; 3 – номер района и индекс подрайона для определения минимальных 30 – дневных расходов воды на малых реках; 4 – расчетные створы

Рис. 4.3. Выкопировки из карт районов для определения минимальных 30 – дневных расходов воды на малых реках в летне-осенний сезон.

 

1 – граница и номер района для определения коэффициента изменчивости; 2 – граница и номер района для определения минимального среднего суточного расхода воды;

 

Рис. 4.4. Выкопировка из карты районов для определения минимального среднего суточного расхода воды и коэффициента изменчивости 30-дневного стока в летне-осенний сезон.

Таблица 4.4.

Значения параметров а, n, с

 

Номер района по карте	Зминий сезон	Летне – осенний сезон
а 10^3	n	с	а 10^3	n	с
	2,50	1,08		1,40	1,27
	1,60	1,05		0,94	1,24
	1,00	1,14		0,64	1,22
…
	0,012	1,30		0,0034	1,12	-500
	0,72	0,74	-300	0,15	1,05	-200
	0,24	0,90	-500	0,00013	1,93	-200
	1,10	0,85	-1000	0,053	1,06	-500
	0,87	0,84	-160	0,065	1,09

 

Для расчета минимальных 30-дневных расходов воды различной обеспеченности коэффициент изменчивости Сv определяется в зависимости от величины среднего многолетнего минимального 30-днсвного модуля стока за зимний или летне-осенний сезон для данного района. В качестве вспомогательного материала используется карта районов для определения коэффициентов изменчивости и таблица значений C_v (табл. 4.5.). Коэффициент асимметрии принимается по аналогии с окружающими изученными реками или назначается по соотношению C_S = 2C_v для увлажненных районов и C_s=1,0-1,5 C_v для районов недостаточного увлажнения.

Таблица 4.5.

Значения C_v в зависимости от величины модуля минимального 30- дневного стока за летний и зимний сезоны

Номер района по карте	М зим. мес л/сек с 1 км^2	С v зим. мес	М лет. мес л/сек с 1 км^2	С v лет. мес
	0,5-3	0,3-0,2	3-12	0,5-0,3
	0-1	0,4-0,3	4-7	0,6-0,3
		__	2-4	0,6-0,4
	1,5-6	0,3-0,2	3-12	0,4-0,3
	1-5	0,4-0,2	1-7	0,5-0,3
	0,5-3	0,4-0,2	6-7	0,6-0,3
	1-5	0,7-0,3	1-5	0,6-0,3

 

Минимальные расходы воды малых рек могут быть получены по зависимости минимального 30-дневного модуля стока обеспеченностью 97% от отметки тальвега русла реки в замыкающем створе, выраженной в абс. м. для районов с одинаковыми гидрогеологическими условиями питания реки.

Величина минимального среднего суточного стока устанавливается по его соотношению с минимальным 30-дневным модулем стока по зависимости

М_сут = аМ_мес - b, (4.2)

 

где М _сут — минимальный средний суточный модуль стока в л/сек с 1 км². М _мес — минимальный 30-дневный модуль стока; а, b — параметры, определяемые в зависимости от местоположения реки (табл. 4.6.).

Таблица 4.6.

Значения параметров а и b для определения минимального среднего суточного модуля стока

 

Номер района по карте	Зминий сезон	Летне – осенний сезон
а	b	а	b
	0,94	0,1	0,82	0,4
	0,86	0,1	0,74	0,1
	0,80	0,3	0,83
	0,70	0,4	0,72
	0,70	0,2	0,42
	0,75	0,1	0,47	0,1

 

Пример 4.3. Определить минимальные 30-дневные и средние суточные расходы воды 90%-ной обеспеченности в летне-осенний сезон р. Ура у ст. Ура-Губа (Кольский п-ов).

1. Устанавливаем, что площадь бассейна реки до замыкающего створа составляет 1020 км2.

2. Исходя из местоположения речного бассейна на карте (рис. 4.3), определяем индекс района и по табл. 4.6 устанавливаем величину площади бассейна, до которой река считается малой (критическую площадь). Величина критической площади для района А, в котором находится бассейн р. Ура, составляет 1400 км2. Следовательно, расчет необходимо производить по схеме, применяемой для определения минимального стока на малых реках.

3. По той же карте находим, что номер района для определения минимального стока малой реки. По табл. 4.4 определяем значения параметров расчетной формулы для района 1, которые равны а = 0,0014, n = 1,27, С=95. Подставив все расчетные параметры в формулу 4.1 получаем, что величина среднего многолетнего минимального 30-дневного расхода воды в летне-осенний сезон составляет 9,85 м3/сек, или 9,65 л/сек с 1 км2.

4. Для определения коэффициента изменчивости Cv по карте (рис. 4.4) устанавливаем, что бассейн р. Ура расположен в районе 1. По табл. 4.5 находим, что в районе 1 величине модуля 9,65 л/сек с 1 км2 соответствует значение коэффициента изменчивости Cv, равное 0,34 (величина Cv определена путем интерполяции с учетом того, что большему значению модуля соответствует меньшая величина Cv).

5. Величина коэффициента асимметрии Cs принимается в соответствии с рекомендацией для увлажненных районов равной 2 Cv

6. По установленным параметрам Q = 9,85 м3/сек, Cv = 0,34 и Cs =2 Cv определяем, что расчетное значение минимального 30-дневного расхода воды 90%-ной обеспеченности равно 5,3 мг/сек.

7. Для расчета минимального среднего суточного расхода воды по уравнению используется карта, показанная на рис. 4.4, по которой устанавливается, что р. Ура расположена в районе 1, для которого районные параметры а и b равны соответственно 0,82 и 0,4 (значения параметров определены по табл. 4.6). В качестве параметра Ммес подставляется величина М_90%,равная 5,2 л/сек с 1 км². В результате расчета получаем, что искомая величина минимального среднего суточного расхода воды (после перевода модуля в расход воды) 90%-ной обеспеченности составляет 3,94 м3/сек.

 

Пример 4.4. Определить минимальные 30-дневные и средние суточные расходы воды 75%-ной обеспеченности в летне-осенний сезон река на Кольском п-ове в зоне 3 (рис. 4.3). Устанавливаем, что площадь бассейна реки до замыкающего створа составляет 920 км².

 

Пример 4.5. Определить минимальные 30-дневные и средние суточные расходы воды 25%-ной обеспеченности в летне-осенний сезон река на Кольском п-ове в зоне 2 (рис. 4.3). Устанавливаем, что площадь бассейна реки до замыкающего створа составляет 1020 км2.

Максимальные расходы воды

 

Под максимальными расходами воды рек и малых водотоков понимаются наибольшие в году значения мгновенных или срочных расходов, наблюдаемые во время весеннего половодья или дождевых паводков.

На малых водотоках со значительным внутрисуточным изменением уровней и расходов, особенно в период дождевых паводков, пик паводка может пройти между установленными сроками наблюдений. Поэтому срочные максимальные расходы бывают меньше мгновенных. В свою очередь средний суточный максимум меньше срочного. Эта разница бывает значительной на очень малых водотоках и уменьшается с возрастанием площади водосбора реки. Расчеты следует производить для мгновенных максимальных расходов воды.

По генетическому признаку, или происхождению, максимальные расходы воды подразделяются на:

а) образующиеся в основном от таяния снегов на равнинах,

б) от таяния снегов в горах и ледников,

в) от дождей,

г) от совместного действия снеготаяния и дождей – смешанные максимумы.

 

К максимумам смешанного происхождения относятся максимальные расходы воды, в образовании которых невозможно установить превалирующую роль талых или дождевых вод.

При анализе и расчетах максимальных расходов воды с применением методов математической статистики максимумы различного генетического происхождения рассматриваются раздельно.

Практическая важность вопроса определяется тем, что многие элементы половодья или паводков необходимо учитывать при строительстве гидротехнических сооружений. Особенно важно знать максимальные расходы воды весеннего половодья и дождевых паводков, от величины которых зависят размеры наиболее массовых сооружений – мостовых переходов через реки и малые водотоки, большое количество которых ежегодно строится на автомобильных и железных дорогах, а также размеры водосбросных и водопропускных отверстий других сооружений.

От правильного определения максимальных расходов воды и работы водосбросных отверстий зависит бесперебойность работы сооружения или дороги, безопасность пли судьба всего сооружения и прилегающих к реке объектов, а также, и стоимость сооружения. Завышенные максимальные расходы воды повысят общую стоимость сооружения, что снизит его экономическую эффективность. Занижение максимальных расходов приведет к разрушению сооружения, затоплению прилегающей к реке местности, материальному убытку и человеческим жертвам.

Расчетные ежегодные вероятности превышения, или обеспе­ченности, максимальных расходов воды определяются в зависимости от класса капитальности сооружения и нормируются общими техническими указаниями, рекомендуемыми или обязательными для проектных организаций.

Все гидротехнические сооружения по своей капитальности делятся на несколько классов. Сооружения высоких классов капитальности должны служить несколько сот лет. Чтобы они работали бесперебойно, их водосбросные отверстия нужно рассчитывать на пропуск максимальных расходов воды очень редкой повторяемости. Временные гидротехнические сооружения рассчитываются на максимальные расходы воды более частой повторяемости.

Строительными нормами и правилами [СНиП II–И 7–65] установлены следующие расчетные ежегодные вероятности превышения, или обеспеченности, максимальных расходов воды в зависимости от класса капитальности сооружения:

 

Класс сооружения ……..I II III IV

Р °/о……………………0,01 0,1 0,5 1

 

Временные гидротехнические сооружения V класса рассчитываются на пропуск максимальных расходов 10%-ной обеспеченности.

Постоянные водопропускные сооружения на автомобильных дорогах рассчитываются на максимальные расходы воды следующих обеспеченностей:

 

Категория дороги……………………….I – II III – IV

Бровка насыпи……………………………1,0 2,0

Отверстия мостов, труб…………………1,0 2,0

Ответвленные водоотводы………….....…2,0 4,0

Обвалование населенных пунктов,

вход в шахты, тоннели и пр.……………. 0,1 0,1

 

При этом если наблюденный максимальный расход имеет обеспеченность меньше 1%, то он принимается в качестве расчетного.

Технические условия проектирования железных дорог предусматривают расчеты отверстий мостов и труб на пропуск следующих расходов:

а) наибольшего обеспеченностью 0,33% для больших и средних мостов и 0,2% для малых мостов и труб;

б) расчетного обеспеченностью, указанной ниже:

 

Категория железной дороги…………………… I II III

Класс сооружения по степени капитальности I I и II II

Обеспеченность расхода, %............................1 (для труб 2) 1 (для труб2) 2

 

В зависимости от степени достаточности (длительности) ряда наблюдений и надежности исходных данных применяются следую­щие методы расчета максимальных расходов воды:

а) при наличии длительного ряда гидрометрических наблюдений строится эмпирическая кривая обеспеченности, и верхняя часть экстраполируется за пределы наблюдений до заданных обеспеченностей с помощью теоретической кривой обеспеченности;

б) при наличии короткого ряда наблюдений, недостаточного для построения кривых обеспеченности, но достаточного для приведения его к длительному ряду, имеющийся короткий ряд приводится к длительному ряду и по последнему строятся кри­вые обеспеченности;

в) при наличии короткого ряда наблюдений, недостаточного для приведения его к длительному периоду, а также при отсутствии наблюдений по расчетному створу расчет производится косвенными методами – по методу аналогии или по формулам с обеспеченными параметрами.