Основные трудности в современной практике инженерных расчетов для студентов IV курса СПБГУ

1.

Основные трудности в
современной практике
инженерных расчетов
для студентов IV курса СПБГУ
1

2.

Краткий обзор учебной и учебнометодической литературы по
гидрологическим расчетам
2

3.

Международное руководство по Расчеты паводочного стока. Методы
методам расчета основных
расчетов на основе мирового опыта.
гидрологических характеристик. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. – 304 с.
– Л.: Гидрометеоиздат, 1984. – 248 с.
На основе обобщения опыта стран
Восточной Европы изложены методы
расчетов основных гидрологических
характеристик при наличии,
недостаточности и отсутствии данных
гидрометрических наблюдений в пункте
проектирования.
Рассмотрены методы расчета годового
стока и его внутригодового распределения,
максимальных расходов и объемов стока
весеннего половодья и дождевых паводков,
минимальных расходов воды, а также стока
наносов и заиления водохранилищ.
серия ЮНЕСКО «Исследования и доклады по
гидрологии»
Руководство по гидрологической практике.
Том II. Управление водными ресурсами и
практика применения гидрологических
методов. (ВМО-№ 168). 2012 г.
Руководство подготовлено Комиссией ВМО по
гидрологии. В его подготовке приняли участие более
Изложены методы расчетов паводочного стока для
40 специалистов из разных стран мира, обладающих
строительного проектирования.
разнообразным и богатым опытом. Руководство
Рассмотрены вопросы определения расчетной
предоставляет практикующим гидрологам удобный
вероятности превышения максимальных расходов
доступ к современной и достоверной информации о
воды, а также типы кривых распределения.
гидрологических методах от простого измерения
Приводятся методы расчетов паводочного стока и
расхода воды до моделирования сложных
методы построения расчетных гидрографов.
гидрологических систем.
Дана характеристика методов, применяемых для
Первый том этого руководства «Гидрология: от
вычисления расчетных наивысших уровней воды рек и
измерений до гидрологической информации»
озер, определения характеристик паводочного стока
посвящен методам сбора, обработки и хранения
по меткам УВВ.
гидрологических данных.
3

4.

Учебники по гидрологическим расчетам
Статистические методы в
гидрологии,
Л,:Гидрометеоиздат,
1974, 424 с.
Горошков И,Ф,
Гидрологические расчеты,
Л,: Гидрометеоиздат,
1979, – 431 с,
4

5.

Сикан А.В.
Методы статистической обработки
гидрометеорологической
информации.
СПб.: изд. РГГМУ.2007.– 279 с.
Владимиров А.М.
Гидрологические расчёты.
Л.: Гидрометеоиздат,
1990. – 364с.
5
Евстигнеев В. М.
Речной сток и
гидрологические расчеты.
М.: Изд-во МГУ,
1990. — 304 с.

6.

Методические рекомендации по определению расчетных
гидрологических характеристик при наличии данных
гидрометрических наблюдений. – Нижний Новгород:
Вектор-ТиС. 2007. – 134 с.
6
Методические рекомендации по определению расчетных
гидрологических характеристик при недостаточности
данных гидрометрических наблюдений. – СПб, 2007. – 67 с.
(Ротапринт ГНЦ РФ ААНИИ)

7.

Методические рекомендации по определению расчетных
гидрологических характеристик при отсутствии данных
гидрометрических наблюдений. – СПб, изд. «НесторИстория», 2009. – 193 с.
Методические рекомендации по оценке однородности
гидрологических характеристик и определению их расчетных
значений по неоднородным данным. – СПб, изд. «НесторИстория», 2010. – 162 с.
7

8.

HydroStatCalc
8

9.

Одобрен для применения в
качестве нормативного документа
постановлением Госстроя России
№ 218 от 26 декабря 2003 г.
Взамен СНиП 2.01.14-83
9

10.

Основная задача гидрологических
расчетов – получить количественные
характеристики,
описывающие
гидрологические явления и процессы в
ближайшем и отдаленном будущем на
основе анализа состояния водных
объектов в прошлом и настоящем.
10

11.

Расчет среднегодовых расходов воды
заданной обеспеченности
При решении многих гидрологических задач
необходимо знать не только норму годового стока, но и
среднегодовые расходы воды различной
обеспеченности (ежегодной вероятности превышения).
В частности такая необходимость возникает при
проектировании водозаборов, при водохозяйстенном
планировании, при проведении мероприятий по
защите и охране водных объектов и др.
11

12.

3,5
Эмпирическая
3,0
Модульный коэффициент
Пирсона III типа
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
0,01
0,1
0,5 1
3
5
10
20
30 40 50 60 70
80
90
95 97
99 99,5
99,9
99,99
Обеспеченность, P %
Если аналитическая кривая хорошо аппроксимирует эмпирические точки, то
ординаты аналитической кривой принимаются в качестве расчетных значений.
12

13.

Основные причины неоднородности и
нестационарности гидрологических рядов
1. Неоднородность
рядов,
вызванная
антропогенными воздействиями
локальными
2. Тренды в рядах гидрологических характеристик - как
следствие изменений климата
3. Генетическая неоднородность рядов
13

14.

Проверка ряда на однородность:
• Проверка однородности гидрологического ряда
дисперсии (критерий Фишера)
по
• Проверка однородности гидрологического ряда
среднему значению (критерий Стьюдента)
по
• Проверка однородности гидрологического ряда
критерию Диксона (генетическая неоднородность)
по
• Проверка однородности гидрологического ряда по
критерию
Смирнова-Граббса
(генетическая
неоднородность)
Проверка ряда на случайность
• Определение значимости коэффициента автокорреляции
14

15.

Примеры
неоднородных
гидрологических рядов
7
6
Расход воды, м3 /с
5
4
3
2
1
7
5
0
1930
Линия тренда
1980
2030
2080
t (Годы)
4
Сценарий I:
3
2
7
1
6
0
1935 1945 1955 1965 1975 1985 1995 2005 2015
5
t (годы)
Расход воды, м 3 /с
Расход воды, м 3 /с
6
Q2 Q1
Cv1 Cv2
4
3
2
1
0
1930
1980
2030
2080
t (Годы)
15
Сценарий II:
Q2 Q1
Cv1 Cv2

16.

Варианты решения :
1) Приведение ряда к однородным условиям
40
Расход воды, м 3/с
35
30
I
II
25
Период I – нарушенный сток
Период II – естественный сток
20
15
10
5
0
1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Q(*I ),i aQ( I ),i b
(1)
Годы
40
( II )
a
(I )
(2)
b Q aQ
( II )
(I )
Расход воды, м 3/с
35
30
25
20
15
10
5
0
1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Годы
16

17.

Вариант расчета с восстановлением естественного стока
Естественный сток (период №1)
Q1, Q2, Q3, …. Qk
Нарушенный сток (период №2)
Qk+1, Qk+2, Qk+3, …. Qn
Для периода №1 построение
зависимости Qi = f(Qi аналога)
Приведение стока за период №2 к
естественным условиям с
использованием зависимости
Qi = f(Qi аналога)
Формирование объединенного
ряда, приведенного к
естественным условиям
Расчет расхода заданной
обеспеченности для естественных
условий, QP%,ЕСТ
Построение связи нарушенных и
естественных расходов
за период №2
Qi ,НАР= f(Qi ,ЕСТ)
В зависимости от QP%,ЕСТ
по связи Qi НАР= f(Qi ЕСТ)
определение расчетного
расхода для нарушенных
условий QP%,НАР

18.

Генетическая неоднородность ряда
6,0
Модульный коэффициент
25
Расход воды, м3/с
20
15
10
5
0
Пирсона III типа
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
1956 1966 1976 1986 1996 2006
Эмпирическая
5,0
0,01
0,1
0,5 1
3 5
10
20 30 40 50 60 70 80
90 95 97
9999,5 99,9
99,99
Обеспеченность, P %
35
40,0
30
35,0
Эмпирическая
Пирсона III типа
30,0
Расход воды, м3/с
Расход воды, м3/с
25
20
15
10
25,0
20,0
15,0
10,0
5
5,0
0
0,0
1917
1933
1954
1964
1974
1984
1995
2005
0,01
0,1
18
0,5 1
3 5
10
20 30 40 50 60 70 80
90 95 97
Обеспеченность, P %
99 99,5 99,9
99,99

19.

2) Усеченные кривые обеспеченности
При использовании этого метода исходный ряд ранжируется и затем делится на две части по
медиане.
В дальнейшем рассматривают только верхняя или нижняя часть кривой распределения.
20 000
Эмпирическая
18 000
Усеченное Г-распределение
16 000
Расходы воды, м3/с
14 000
12 000
10 000
8 000
6 000
4 000
2 000
0
0,01
0,1
0,5 1
3
5
10
20 30 40 50 60 70 80
Обеспеченность, P %
90
95 97
99 99,5
99,9
99,99

20.

3) Построение составных кривых обеспеченностей
200
160
140
1881 - 1947 гг.
Qср = 82,3; Cv = 0,22
120
100
80
60
40
20
0
0,01
0,1 0,5 1
3 5 10 20
50
80 90
Обеспеченность, P %
97 99 99,5
250
200
150
100
50
0
1880
1900
Эмпирическая
1920
1940
1960
1980
2000
T (годы)
Крицкого-Менкеля; Cs/Cv=2
200
1948 - 1977 гг.
Qср = 104; Cv = 0,22
150
400
100
350
50
300
Эмпирическая
Составная
0
0,01
0,1
0,5 1
3 5 10 20
50
80 90 9597 99 99,5
Обеспеченность, P %
99,99
400
Эмпирическая
Крицкого-Менкеля; Cs/Cv=2
350
300
1978 - 2007 гг.
Qср = 169, Cv = 0,27
250
Расход воды, м3/с
Расход воды, м 3/с
1978 - 2007 гг.
99,99
250
Расход воды, м 3/с
1948 - 1977 гг.
300
Расходы воды, м 3/с
Расход воды, м3/с
1882 - 1947 гг.
Эмпирическая
Крицкого-Менкеля; Cs/Cv=1,5
180
200
250
200
150
100
50
150
0
100
50
0
0,01
0,1 0,5 1
3 5 10 20
50
80 90 9597 99 99,5
Обеспеченность, P %
0,01
0,1
0,5 1
3 5 10 20 30 405060 70 80 90 95 97 99 99,5 99,9 99,99
Обеспеченность, P %
Составная кривая обеспеченностей
99,99
20

21.

4) Использование сглаженных эмпирических кривых
21

22.

Выдержки из СП 33-101-2003
4.1 Свод правил (СП) содержит основные методы и схемы расчета…
При применении других методов расчетов следует провести анализ,
включающий сравнительную оценку погрешностей расчетов с результатами
расчетов по методам, изложенным в настоящем СП.
4.3 Определение расчетных гидрологических характеристик должно
основываться на данных гидрометеорологических наблюдений, опубликованных в
официальных документах Росгидромета, и неопубликованных данных последних
лет наблюдений…
При отсутствии данных гидрометеорологических наблюдений в пункте
проектирования необходимо проводить гидрометеорологические изыскания.
4.2 Региональные особенности гидрологического режима и соответствующие
методы определения расчетных характеристик учитываются и регламентируются
территориальными строительными нормами (ТСН), имеющими статус
нормативного документа субъекта Российской Федерации.
22

23.

Расчет среднегодовых расходов воды заданной
обеспеченности при отсутствии данных
гидрометрических наблюдений
При отсутствии наблюдений за стоком в расчетном створе среднее
значение и коэффициент вариации определяются следующими методами:
1. Осреднение по ближайшим пунктам-аналогам.
2. Пространственная интерполяция.
3. Использование карт изолиний.
Расчетные значения Cs/Cv следует принимать как среднее из
значений, установленных по данным группы рек с наиболее
продолжительными рядами в гидрологически однородном районе.
23

24.

Система нормативных документов СНиП 2.01.14-83
24

25.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.
Лист 5. Районирование рек СССР для расчета максимальных
расходов весеннего половодья
Лист 6. Среднемноголетний слой стока половодья рек СССР
Лист. 7. Физико-географическое районирование СССР
Лист 8. Коэффициент вариации среднемноголетнего слоя стока
половодья рек СССР
Лист 9. Районирование значений соотношения Cs/Cv для весеннего
половодья рек СССР
Лист 10. Районирование величин показателей степени редукции n и п'
максимального модуля дождевого стока рек СССР
Лист 11. Районирование СССР по типовым редукционным
уравнениям максимального дождевого стока
Лист 12. Параметр q200 вероятностью превышения 1 %, приведенный
к средней высоте водосбора, равной 2000 м
Лист 13. Районирование параметров λP% и λ’ P% на территории СССР
Лист 14. Районирование территории СССР по типовым кривым
редукции осадков
Красным цветом выделены приложения,
Которые можно использовать
Лист 15. Суточный слой осадков на территории СССР вероятностью
превышения 1 % за теплый период
Лист 16. Слой дождевого стока рек СССР вероятностью превышения
1%
Лист 23. Распространение и характеристика заторных явлений на
реках СССР
Лист 24-28. Номограммы для вычисления параметров
трехпараметрического гамма-распределения методом приближенного
наибольшего правдоподобия.
25

26.

Схема расчета максимальных расходов по СП 33-101-2003
Весеннее
половодье
Средние и
малые реки
Редукционная
формула
Восстановление
по ряду аналога
Дождевые
паводки
Средняя
река
Редукционная
формула
типы 1 и 2
Малая
река
Формула
предельной
интенсивности
Расчет по ряду
статистических
параметров
Вход в таблицу
координат
аналитической
кривой
обеспеченностей
Определение расхода расчетной
обеспеченности
26

27.

Нормативная база для инженерно-гидрометеорологических
изысканий :
• Водный кодекс Российской Федерации, Федеральный закон № 74-ФЗ от
03.06.06 г.;
• Федеральный закон «Об охране окружающей природной среды» № 7-ФЗ
от 10.01.02 г.;
• СНиП 11-02-96 «Инженерные изыскания для строительства»;
• СНиП 23-01-99*, «Строительная климатология»;
• СНиП 2,01,07-85*, «Нагрузки и воздействия»;
• СНиП 2.03.11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии»;
• СП 11-103-97 «Инженерно-гидрометеорологические изыскания
для
строительства»;
• СП
33-101-2003 «Определение основных расчетных гидрологических
характеристик»;
• РСН
76-90 «Инженерные изыскания для строительства, Технические
требования к производству гидрометеорологических работ» , Дата
актуализации: 17.06.11 г.
27

28.

Список распределений из Руководства по гидрологической практике ВМО (WMO № 168, 1994)
№
Сокращенное
название
Наименование распределений
Ссылка на литературный
источник
1
Нормальное распределение
N
Гаусс
2
Логарифмически нормальное распределение
LN
Хазен, 1914 г.
3
Распределение Пирсона 3-го типа
P3
Фостер, 1924 г.
4
Распределение экстремальных величин 1-го типа
EV1
Гумбель, 1941 г.
5
Распределение экстремальных величин 2-го типа
EV2
Гумбель, 1941 г.
6
Распределение экстремальных величин 3-го типа
EV3
Дженкинсон, 1969 г.
7
Трехпараметрическое гамма-распределение
8
Гамма-распределение
9
Логарифмическое распределение Пирсона 3-го
типа
LP3
10
Обобщенное распределение экстремальных
величин
GEV
11
Распределение Вейбулла
12
Распределение Уэйкби
13
Распределение Баутона
14
Двухкомпонентное распределение экстремальных
величин
15
Лог-логистическое распределение
16
Обобщенное логистическое распределение
Крицкий, Менкель, 1946 г.
G
Моран, 1957 г.
Совет США по водным
ресурсам, 1967, 1981 гг.
Дженкинсон, 1955 г.
Ву и Гудбридж, 1976 г.
WAK
Хаутон, 1978 г.
Баутон, 1980 г.
28
TCEV
Росси и др., 1984 г.
LLG
Ахмад, и др., 1988 г.
GLG
Ахмад, и др., 1988 г.