Гидрологические расчеты. Расчет характеристик стока. Расчет максимальных расходов весеннего половодья (Лекция 4)

1.

к.г.н., доц. Сикан Александр Владимирович
Российский государственный гидрометеорологический университет
Гидрологические расчеты
Часть II
лекция № 4
1

2.

Основные темы лекции:
1. Расчет характеристик максимального стока при
отсутствии данных гидрометрических наблюдений.
Факторы формирования максимального стока.
Методы расчета характеристик
максимального стока.
Основные типы формул для расчета
максимального стока.
2. Расчет максимальных расходов весеннего
половодья.
© А. В. Сикан РГГМУ
2

3.

1. Расчет характеристик максимального стока при отсутствии
данных гидрометрических наблюдений
1.1. Факторы формирования максимального стока
Весь комплекс физико-географических факторов, влияющих на режим
и характеристики речного стока, можно разделить на два типа:
климатические и факторы подстилающей поверхности.
В отдельную группу выделяют антропогенные факторы,
приобретающие в настоящее время все большее значение в
результате хозяйственной деятельности на водосборах и в руслах рек.
© А. В. Сикан РГГМУ
3

4.

Факторы, влияющие на формирование весеннего половодья
Метеорологические
факторы
Снегозапасы на
водосборе
Интенсивность и
продолжительность
снеготаяния
Предшествующее
снеготаянию увлажнение
почво-грунтов и степень
их промерзания
© А. В. Сикан РГГМУ
Испарение в период
подъема половодья
Факторы подстилающей
поверхности
Рельеф
Размеры и конфигурация
водосбора
Озерность, заболоченность
и залесенность водосбора
Почво-грунты бассейна реки
Антропогенные факторы
4

5.

Факторы, влияющие на формирование дождевых паводков
Метеорологические
факторы
Факторы подстилающей
поверхности
Суммарный слой осадков
Рельеф
Продолжительность
садков
Размеры и конфигурация
водосбора
Средняя и максимальная
интенсивность осадков;
Интенсивность ядра
осадков
Озерность, заболоченность
и залесенность водосбора
Почво-грунты бассейна реки
Площадь распространения
осадков
© А. В. Сикан РГГМУ
Предшествующее
увлажнение водосбора
Антропогенные факторы
Испарение
5

6.

1.2. Методы расчета характеристик максимального стока
При отсутствии гидрометрических наблюдений в пункте
проектирования параметры распределения и расчетные значения
характеристик максимального стока определяются с помощью
следующих основных методов:
построения региональных зависимостей стоковых характеристик
от основных физико-географических факторов;
гидрологической аналогии;
пространственной интерполяции;
осреднения в однородном районе;
математического моделирования.
© А. В. Сикан РГГМУ
6

7.

1.3. Основные типы формул для расчета максимального стока
1. Редукционные формулы
Формулы этого типа отражают убывание (редукцию) модуля
максимального стока с возрастанием площади водосбора.
2.
Формулы предельной интенсивности стока
При выводе этих формул предполагается, что максимальный модуль
стока можно рассматривать, как предельную интенсивность
эффективных осадков (или снеготаяния) за время добегания.
3. Объемные формулы
В этих формулах максимальный расход зависит от слоя (объема)
половодья (или паводка) и формы гидрографа.
© А. В. Сикан РГГМУ
7

8.

1.3.1. Редукционные формулы
Формулы этого типа отражают убывание (редукцию) модуля максимального
стока с возрастанием площади водосбора. В наиболее простом случае
редукционная формула имеет вид:
qmax
A
( F 1) n
(1)
qmax – максимальный модуль стока половодья или паводка;
F – площадь водосбора;
n – районный показатель редукции;
A – элементарный модуль стока.
Различные модификации этой формулы были предложены многими
известными российскими гидрологами: Д.И. Кочериным, Д.Л. Соколовским,
К.П. Воскресенским и др.
© А. В. Сикан РГГМУ
8

9.

q1%
A
( F 1) n
lg q1% n lg( F 1) b
(1)
(2)
lg(q1%)
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0
1
2
3
4
5
lg(F+1)
Зависимость максимального модуля дождевого стока от площади
водосбора для рек Северо-Запада России
© А. В. Сикан РГГМУ
A q1% ( F 1) n
(3)
9

10.

Карта параметра A1% для рек района БАМа, м3/(с км2)
© А. В. Сикан РГГМУ
qP%
A
k
n p%
( F 1)
10

11.

1.3.2. Формулы предельной интенсивности
h
Q1 = f1 h1
6
Q2 = f1 h2 + f2 h1
4
Q3 = f1 h3 + f2 h2 + f3 h1
Q4 = f1 h4 + f2 h3 + f3 h2
2
Q5 = f1 h5 + f2 h4 + f3 h3
0
1
© А. В. Сикан РГГМУ
2
3
4
5
T
Q6 =
f2 h5 + f3 h4
Q7 =
f3 h5
a
h2 h3 h4 h2 h3 h4
3
Qmax ( f1a f 2 a f 3 a ) a F
(3)
qmax a
(1)
(2)
Т. о. максимальный модуль стока – есть
предельная интенсивность осадков за время
добегания
11

12.

Для учета потерь в формулу предельной интенсивности вводится коэффициент стока –
qmax a
(1)
Предельную интенсивность осадков определяют по кривой редукции осадков в зависимости
от времени добегания на водосборе.
Формулу предельной интенсивности
применяют для расчета максимальных
расходов малых водотоков,
где время добегания меньше
продолжительности дождя.
Недостатки формулы:
1. Линейность модели – положение
изохрон и время добегания
принимаются постоянными;
Пример зависимости максимальной средней интенсивности
осадков от интервала осреднения; (кривая редукции осадков).
2. Используется объемный
коэффициент стока.
Исследованиями по адаптации формулы предельной интенсивности для инженерных расчетов занимались многие
известные российские гидрологи: Н.Е. Долгов, М.М. Протодьяконов, Д.Л. Соколовский, Г.А. Алексеев, Н.Н. Чегодаев,
Е.Б. Болдаков и др.
© А. В. Сикан РГГМУ
12

13.

1.3.3. Объемные формулы
В основе вывода объемных формул лежит схематизация гидрографа
половодья или паводка в виде той или иной геометрической фигуры.
Рассмотрим наиболее простой случай, когда гидрограф схематизируется
в виде треугольника.
В этом случае объем стока за
паводок представляет собой
площадь треугольника:
1
W Qmax (t п t с )
2
(1)
F – площадь водосбора;
(2)
Qmax
2W
tп tс
(3)
Qmax 1
kFh
tп tс
В объемных формулах максимальный расход зависит
от слоя паводка (половодья) и формы гидрографа.
© А. В. Сикан РГГМУ
h – слой половодья;
k – коэффициент размерности;
– коэффициент формы гидрографа
(для треугольника = 2).
13

14.

Объемная формула Д.Л. Соколовского
Qp%
tп
k (h p % h0 ) p % F
tп
f 1 Qгр
– продолжительность подъема паводка в часах;
k – коэффициент размерности; k = 0,28 если tп в часах;
hp%
h0
– слой осадков за время расчетной продолжительности паводка;
– слой начальных потерь осадков;
p% – коэффициент стока;
F – площадь водосбора;
f
Qгр
© А. В. Сикан РГГМУ
– коэффициент формы гидрографа (0,48-1,20);
– расход грунтового питания;
– коэффициент учитывающий снижение максимального расхода под
влиянием озер;
1 – коэффициенты учитывающие снижение максимального расхода под
влиянием болот и лесов.
14

15.

1.2. Расчет максимальных расходов весеннего половодья
Формула СП 33-101-2003
Базовая формула
Расчетная формула
q1%
k0
h1% ( F 1) n
k0 h p p F
Qp
F c
n
1 2
qp
– максимальный модуль стока весеннего половодья P %-ной обеспеченности, м3/с км2;
Qp
– максимальный расход весеннего половодья P %-ной обеспеченности, м3/с;
k0
– коэффициент, характеризующий дружность весеннего половодья;
hp
– слой половодья P %-ной обеспеченности (без срезки базисного стока), мм;
F
– площадь водосбора, км2;
n
– районный коэффициент редукции;
c
– коэффициент, учитывающий снижение интенсивности редукции модуля максимального
стока с уменьшением площади водосбора, км2;
p
, ,
– коэффициент, учитывающий неравенство статистических параметров рядов максимальных
расходов воды и слоев половодья.
– коэффициенты учитывающие снижение максимального расхода под влиянием озер, лесов и болот.
© А. В. Сикан РГГМУ
15

16.

Определение районного показателя
редукции «n» и параметра «c»
Qp
Пример районной редукционной
зависимости.
k0 hp p F
F c
n
1 2
q1%
k0
h1% ( F 1) n
q
lg 1% f lg F 1
h1%
q
lg 1% n lg( F 1) lg k 0
h1%
(1)
(2)
(3)
(4)
Приближенная оценка параметра «c».
© А. В. Сикан РГГМУ
16

17.

Параметры «n» и «c» редукционной формулы для расчета максимальных
расходов весеннего половодья (по СНиП 2.01.14-83*)
Природная зона
n
c
0,17
1
0,25
2
0,35
10
Тундра и лесная
Европейская территория России, Западная и
Восточная Сибирь
Лесостепная
Европейская территория России и Западная
Сибирь
Степная и засушливых степей
Европейская территория России и Западная
Сибирь
* - СНиП 2.01.14-83 отменен.
© А. В. Сикан РГГМУ
17

18.

Определение коэффициента k0 и
расчетного слоя половодья hp
Qp
k0 hp p F
F c
n
1 2
(1)
Коэффициент k0, характеризующий дружность весеннего половодья;
рассчитывают как среднее из значений, определенных по данным нескольких
рек-аналогов обратным путем из формулы (1) при P = 1 %:
Q1% ( F c ) n
k0
h1% F 1 2
(2)
Расчетный слой суммарного весеннего стока ежегодной вероятности
превышения Р %; определяют в зависимости от коэффициента вариации Cv и
отношения Cs/Cv, a также среднего многолетнего слоя половодья h0:
hp f (h0 , Cv , Cs Cv )
(3)
Значения h0 и Cv определяют методом пространственной интерполяции по
ближайшим рекам-аналогам. Отношение Cs/Cv принимается среднее по району
изысканий.
© А. В. Сикан РГГМУ
18

19.

Qp
Определение коэффициента p%
k0 hp p F
F c
n
1 2
(1)
Районный коэффициент p%, учитывающий неравенство статистических
параметров рядов максимальных расходов воды и слоев половодья,
рассчитывают как среднее из значений, определенных по данным нескольких
рек-аналогов для каждой опорной обеспеченности по формуле:
p
q p h1%
(2)
h p q1%
Коэффициенты p% (по СНиП 2.01.14-83*)
Природная зона
Обеспеченность, P%
0,1
Тундра и лесная зона 1,02
1
3
5
10
25
50
75
95
1
0,97 0,96 0,93 0,90 0,86 0,82 0,82
1,04
1
0,96 0,93 0,89 0,80 0,72 0,64 0,58
Степная
1,04
Зона засушливых
1,02
степей и полупустынь
1
0,97 0,96 0,93 0,88 0,79 0,64 0,42
(0,80 (0,70 (0,50
0,98 0,97 0,96 0,92
)
)
)
Лесостепная
* - СНиП 2.01.14-83 отменен.
© А. В. Сикан РГГМУ
1
19

20.

Определение коэффициентов , 1, 2
При наличии в бассейне озер, расположенных вне главного русла и
основных притоков величину коэффициента следует принимать: при
относительной озерности менее 2% = 1; при относительной
озерности более 2% = 0,8. При наличии проточных озер коэффициент
рассчитывается по формуле (2). Для лесной и лесостепной зон:
C0 = 0,2; для степной C0 = 0,4; fоз*– средневзешенная озерность, %.
Qp
k0 hp p F
F c
1 2
(1)
1
1 C0 f оз*
(2)
1
'
( f л 1) n
(3)
Коэффициент 1, учитывающий снижение максимальных расходов воды
в залесенных бассейнах, определяется по формуле (3), где
fл – относительная залесенность, %; и n’ – параметры, зависящие от
n
природной зоны, механического состава почво-грунтов и залесенности
бассейна.
Коэффициент 2 учитывающий снижение максимального расхода воды
заболоченных бассейнов определяется по формуле (4), где параметр
зависит от типа болот; fб – относительная заболоченность, %.
© А. В. Сикан РГГМУ
2 1 lg(0,1 f б 1)
(4)
20

21.

Вопросы для самопроверки
1. Какие факторы влияют на формирование половодий и паводков?
2. Какие методы используются при расчете максимальных расходов воды?
3. Перечислите основные типы формул, которые используются для расчета
максимальных расходов весеннего половодья и дождевых паводков.
4. Как в России производится расчет максимальных расходов весеннего половодья
при отсутствии данных гидрометрических наблюдений?
5. Как определяется коэффициент редукции при расчете максимальных расходов
весеннего половодья?
6. Как определяется коэффициент, характеризующий дружность весеннего
половодья ?
© А. В. Сикан РГГМУ
21

22.

© А. В. Сикан РГГМУ
Конец лекции №4
Рекомендуемые материалы для изучения:
1. Владимиров А.М. Гидрологические расчёты: п.1, п.10, п.11.
2. СП 33-101-2003. «Определение основных расчетных гидрологических
характеристик»: п.7.28-7.36.
3. Методические рекомендации по определению расчетных
гидрологических характеристик при отсутствии данных
гидрометрических наблюдений: п.8.1.
22