Гидрологические расчеты. Расчет максимального стока дождевых паводков (Лекция 5)

1.

к.г.н., доц. Сикан Александр Владимирович
Российский государственный гидрометеорологический университет
Гидрологические расчеты
Часть II
лекция № 5
1

2.

Основные темы лекции:
1. Расчет максимального стока дождевых паводков.
Формула для расчета максимальных расходов
дождевых паводков средних рек при наличии
реки-аналога.
Формула для расчета максимальных расходов
дождевых паводков средних рек при отсутствии
реки-аналога.
Формула предельной интенсивности для расчета
максимальных расходов дождевых паводков
малых рек.
Расчет слоя дождевого стока малых рек.
2. Схема расчета максимальных расходов воды по СП
33-101-2003 при различном объеме гидрометрической
информации.
© А. В. Сикан РГГМУ
2

3.

1. Расчет максимальных расходов дождевых паводков
Основным фактором определяющим размеры паводков являются дожди,
которые делятся на 3 основные вида:
1. Ливни – относительно короткие и интенсивные дожди продолжительностью до 2-4
часов и средней интенсивностью 10-20 мм/час. Наиболее сильные ливни дают за 2-4
часа до 100-150 мм осадков и более. Ливни имеют относительно небольшую площадь
орошения, поэтому могут вызывать значительные паводки только на малых реках с
площадью водосборов до 100-200 км2 (реже до 1000 км2 ).
2. Ливневые дожди характеризуются продолжительностью от нескольких часов до
нескольких суток, средней интенсивностью 2-10 мм/час и могут орошать территории до
нескольких сотен квадратных километров. Наиболее значительные ливневые дожди
продолжаются до 3-5 суток и могут дать суммарный слой осадков до 200-300 мм и
более. Ливневые дожди могут вызывать катастрофические паводки на малых, средних
и больших реках.
3. Обложные дожди отличаются большой продолжительностью (3-5 суток и более) и
относительно малой интенсивностью (менее 2 мм/час). Обложные дожди могут
вызывать паводки на средних и крупных реках, но значительно уступающие паводкам
от ливневых дождей.
© А. В. Сикан РГГМУ
3

4.

1.1. Формула для расчета максимальных расходов дождевых паводков
средних рек при наличии реки-аналога (формула I типа)
q1%
A
(F )n
q1% F n
A
2
q1%
=
A
n 2
F
Aа
q1%,а Fаn
а 2 , а
Qp – максимальный паводочный расход воды
P %-ной обеспеченности (м3/с);
qp , qp,а – максимальный модуль дождевого стока
P %-ной обеспеченности (м3/с км2) расчетной
реки и реки-аналога;
F, Fа – площадь водосбора (км2) расчетной реки
и реки-аналога;
n – районный показатель редукции;
, а – коэффициент учитывающий снижение
максимального расхода под влиянием озер
расчетной реки и реки-аналога;
Расчетная формула
n
2 Fа
Q p q p ,а
F
а 2, а F
2, 2,а – коэффициенты учитывающие снижение
максимального расхода под влиянием болот
расчетной реки и реки-аналога.
При расчетах максимальных расходов дождевых паводков к категории средних относятся реки с
площадью водосбора более 200 км2 [СП 33-101-2003].
© А. В. Сикан РГГМУ
4

5.

Определение районного показателя редукции «n»
Для определения районного показателя
редукции строится редукционная
зависимость.
n
2 Fа
Q p q p ,а
F
а 2 , а F
q1%
Зависимость максимального модуля дождевого
стока обеспеченностью P = 1% от площади
водосбора для рек бассейна Нижней Волги.
© А. В. Сикан РГГМУ
A
Fn
(1)
(2)
lg(q1% ) f (lg F )
(3)
lg(q1% ) n lg( F ) lg A
(4)
5

6.

n
Определение коэффициентов и 2
2 Fа
Q p q p ,а
F
а 2 , а F
(1)
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, %.
1
1 C0 f оз*
(2)
Коэффициент 2 учитывающий снижение максимального расхода воды заболоченных
бассейнов определяется по формуле (3); fб – относительная заболоченность, %.
© А. В. Сикан РГГМУ
2 1 0,5 lg(0,1 f б 1)
(3)
6

7.

1.2. Формула для расчета максимальных расходов дождевых паводков
средних рек при отсутствии реки-аналога (формула II типа)
1
q1%
2
A
(F )n
q200
3
A
A q200 200
200 n
4
n
q1%
200
q200
F
n
Расчетная формула
n
200
Q p q200
2 3 p F
F
Qp
q200
– максимальный паводочный расход воды P %-ной обеспеченности (м3/с);
– максимальный модуль дождевого стока P %-ной обеспеченности, приведенный к площади водосбора
200 км2 (м3/с км2);
F
– площадь водосбора (км2) расчетной реки ;
n
– районный показатель редукции;
, 2
– коэффициенты учитывающие снижение максимального расхода под влиянием озер и болот;
3
– коэффициент учитывающий изменение параметра q200 с увеличением средней высоты водосбора
в полугорных и горных районах;
p
– переходные коэффициенты от максимальных расходов воды обеспеченностью P = 1% к значениям
другой обеспеченности P% < 25%.
© А. В. Сикан РГГМУ
(5)
7

8.

Определение районного показателя
редукции «n» и коэффициентов , 2 , 3
n
200
Q p q200
2 3 p F
F
(1)
Для определения показателя редукции «n», так же как и для формулы I типа,
строится районная редукционная зависимость.
Коэффициенты , 2 , так же как и для формулы I типа, определяются по
формулам в зависимости от относительной озерности и заболоченности
водосбора;
Коэффициент 3, учитывающий изменение параметра q200 в полугорных и
горных районах, рассчитывается по региональным формулам в зависимости
от средней высоты водосбора.
© А. В. Сикан РГГМУ
8

9.

Определение параметров q200 и p
n
200
Q p q200
2 3 p F
F
(1)
q200 – максимальный модуль дождевого стока P %-ной
обеспеченности, приведенный к площади водосбора 200
км2, определяется методом пространственной
интерполяции с использованием данных рек-аналогов.
Значение параметра q200 на реках-аналогах определяется
q200
q
F
1%
2 3 200
n
(2)
обратным путем из формулы (1) при Р = 1% :
p – переходные коэффициенты от максимальных расходов
воды обеспеченностью P = 1% к значениям другой
обеспеченности, определяются по рекам-аналогам. Расчет
выполняется для каждой обеспеченности с использованием
формулы (3). Для расчета по формуле (1) принимаются
средние районные значения p .
Пример: переходные коэффициенты p
для рек бассейна Верхней Волги
© А. В. Сикан РГГМУ
0,1
1,4
Обеспеченность, P%
1
2
3
5
10
1 0,82 0,77 0,7 0,6
p
Qp
Q1%
(3)
25
0,4
9

10.

1.3. Формула предельной интенсивности для расчета максимальных
расходов дождевых паводков малых рек (формула III типа)
Qp
q*1%
Исходная формула
Расчетная формула
qmax a
Q p q1*% H 1% p F
– максимальный паводочный расход воды P %-ной обеспеченности (м3/с);
– максимальный модуль дождевого стока 1 %-ной обеспеченности, выраженный в долях
от произведения H1% (м3/с км2);
– сборный коэффициент стока;
H1%
– максимальный суточный слой осадков 1 %-ной обеспеченности, мм;
– коэффициент учитывающий снижение максимального расхода под влиянием озер;
p
– переходные коэффициенты от максимальных расходов воды обеспеченностью P = 1%
к значениям другой обеспеченности P% < 25%.
F
– площадь водосбора (км2) расчетной реки ;
© А. В. Сикан РГГМУ
10

11.

© А. В. Сикан РГГМУ
Исходные данные при расчете по формуле
предельной интенсивности
Природная зона
Тип и механический состав почв
Основные гидрографические характеристики
реки и ее водосбора
Морфологическое описание русла и поймы
Тип редукции осадков (номер района)
Максимальный суточный слой осадков, H1%
11

12.

Порядок расчета по формуле предельной интенсивности
– сборный коэффициент стока.
Параметры c2 , n2 , n3 , 0 – устанавливаются
по таблицам в зависимости от природной
зоны, типа и механического состава почв.
Iв – средний уклон водосбора, ‰
Фр – гидроморфологическая
характеристика русла.
Параметры m и mp – зависят от
морфометрии русла и поймы.
L – длина реки, км
F – площадь водосбора, км2.
I – средневзвешенный уклон реки, ‰.
H1% – максимальный суточный слой осадков
1 %-ной обеспеченности.
q*1% – максимальный модуль дождевого
стока 1 %-ной обеспеченности,
выраженный в долях от произведения H1%.
ск – продолжительность склонового
добегания, определяется в зависимости от
природной зоны и заболоченности бассейна.
ТР – тип редукции осадков (№ района),
определяется по карте.
© А. В. Сикан РГГМУ
Исходные
данные
1
С 2 0
F 1 n3
Iв
50
n2
2
Фр
1000 L
mр I рm F 0, 25 ( H1% )0, 25
3
q1*% f (Ф р , ск , ТР )
4
Q p q1*% H 1% p F
12

13.

Максимальный модуль дождевого стока 1 %-ной обеспеченности (q*1%),
выраженный в долях от произведения H1%. (фрагмент таблицы из СНиП 2.01.14-83* )
Номера районов
кривых редукции
осадков
7, 8, 10, 29
5, 6, 14, 26, 33, 5в
Продолжительность
склонового
добегания,
мин
Максимальный модуль стока q*
1%
0
1
10
0,53
0,51
30
0,35
60
300
0,41 0,31 … 0,031 0,019 0,013
0,01
0,0083
0,33
0,26 0,21 …
0,03 0,018 0,013
0,01
0,0083
0,19
0,18
0,16 0,14 … 0,028 0,018 0,013
0,01
0,0083
100
0,12
0,12
0,11 0,10 … 0,026 0,017 0,012 0,0097 0,0081
150
0,088 0,086 0,08 0,075 … 0,023 0,016 0,012 0,0094 0,0079
200
0,07 0,068 0,065 0,06 … 0,021 0,015 0,011
…
…
…
* – Эту таблицу можно использовать при инженерных расчетах.
© А. В. Сикан РГГМУ
10
…
…
…
100
…
150
Р
…
200
, равных
250
…
5
при Ф
…
0,0091 0,0076
…
…
Q p q1*% H 1% p F
13

14.

1.4. Расчет слоя дождевого стока малых рек
Формула рекомендуется для расчета слоя дождевых паводков расчетной обеспеченности
(hp) для рек с площадью водосбора менее 50 км2 :
h p ( б 150 ) H1% p
(1)
( =150) – относительная интенсивность осадков при б = 150 минут.
– сборный коэффициент стока;
H1%
– максимальный суточный слой осадков 1 %-ной обеспеченности, мм;
p – переходные коэффициенты от слоя дождевого паводка обеспеченностью
P = 1% к значениям другой обеспеченности P% < 25%.
Параметры и H1% определяются так же как в формуле предельной интенсивности.
Параметр ( =150) для водосборов с площадью более 1 км2 принимается равным 1.
Переходные коэффициенты p определяются по рекам-аналогам. Расчет выполняется
для каждой обеспеченности с использованием формулы (2). Для расчета по формуле (1)
принимаются средние районные значения p .
p H p H1%
(2)
14

15.

2. Схема расчета максимальных расходов воды по СП 33-101-2003
При отсутствии
данных
весеннее
половодье
средние и
малые реки
редукционная
формула
© А. В. Сикан РГГМУ
При наличии
короткого ряда
менее
6 лет
дождевые
паводки
средняя
река
малая
река
редукционная
формула
типа I или II
формула
предельной
интенсивности
При наличии
длинного ряда
6 и более
лет
восстановление
по ряду аналога
метод
отношений
расчет по ряду
параметров
распределения
вход в таблицу
координат аналитической кривой
обеспеченностей
Определение расхода расчетной обеспеченности
15

16.

Вопросы для самопроверки
1. Перечислите основные виды дождей. Какие виды дождей формируют
максимумы на малых, средних и больших реках ?
2. Какие типы формул используются при расчете максимальных расходов
дождевых паводков ?
3. Как производится расчет максимальных расходов дождевых паводков средних
рек ?
4. Как производится расчет максимальных расходов дождевых паводков малых
рек ?
5. Как производится расчет слоя стока дождевых паводков малых рек ?
6. Как производится расчет максимальных расходов воды при различном объеме
гидрометрической информации ?
© А. В. Сикан РГГМУ
16

17.

© А. В. Сикан РГГМУ
Конец лекции №5
Рекомендуемые материалы для изучения:
1. Владимиров А.М. Гидрологические расчёты: п. 12.
2. СП 33-101-2003. «Определение основных расчетных гидрологических
характеристик»: п.7.37-7.49.
3. Методические рекомендации по определению расчетных
гидрологических характеристик при отсутствии данных
гидрометрических наблюдений: п.8.2.
17