Максимальные расходы дождевых паводков

где q₂₀₀ - максимальный модуль 1% обеспеченности, приведенный к площади 200км2, м³/(с км²). Определяется по рекам-аналогам или по картограммам.

λр% - переходный коэффициент от 1% обеспеченности к расчетной. Изменяется в пределах от 1.4…1.5 для Р = =0,1%,

δ3 - параметр, учитывающий высоту местности.

Все эмпирические коэффициенты в этой формуле находятся согласно указаниям СП 33...

Наиболее сложной задачей является расчет дождевого или ливневого стока с малых площадей (менее 200 км2).

Известно, что малые водотоки отличаются большим многообразием факторов, влияющих на сток, учет которых крайне затруднен в связи с отсутствием необходимой информации по водосборам.

Разработано достаточно большое количество эмпирических и полуэмпирических формул. Однако, в действующих нормативных документах (СП 33-101-2003 и 2.04.03 – 85) приведены формулы предельной интенсивности стока. Считается, что они являются наиболее теоретически обоснованными и базируются на доступной информации по осадкам и характеристикам водосбора, с которого определяется максимальный сток.

В их основу положена классическая схему формирования дождевого стока с малого водосбора в виде хронологического графика (рис. 11):

Из него видно, явление поверхностного стока состоит из четырех фаз.

Рис. 11. Схема формирования речного стока

1-ая фаза называется фазой полного бассейнового задержания. Осадки задерживаются растительностью, неровностями и понижениями рельефа (до 5…20 мм). Стока нет. Происходит процесс впитывания воды в почву.

2-ая фаза наблюдается от начала первых струек ручейков по склонам водосбора, стока по лощинам, ложбинам вплоть до замыкающего створа на водотоке. Заканчивается поглощение осадков почвой и начинается их инфильтрация. К концу фазы в стоке задействован весь водосбор от самой дальней его точки. Сток возрастает до максимальных величин.

3-ая фаза – фаза полного стока. В стоке участвует весь водосбор. Интенсивность осадков превышает интенсивность их инфильтрации. При неизменной интенсивности осадков наблюдается предельная интенсивность стока, т.е. предельный максимальный сток. Это наиболее интересная для практики расчета максимального стока фаза.

4- ая фаза – фаза прекращения осадков и уменьшения стока до нуля.

Формулы предельной интенсивности стока основаны на следующих реальных допущениях:

- наличием 3-ей фазы,

- на начало максимального стока в год расчетной обеспеченности почва перед выпадением расчетных осадков увлажнена до полевой влагоемкости, т.е. осадки не расходуются на поглощение, а идут в основном на инфильтрацию в нижние горизонты почвы. Это допущение идет в «запас» расчетов.

- расчетная продолжительность дождя равна времени добегания воды по склону и руслу от дальней точки водосбора до замыкающего створа,

- имеет место степенная редукция интенсивности выпадения осадков за время. а также в зависимости от размера водосбора.

Для естественных водотоков расчетный расход воды в замыкающем створе определяется по формуле, приведенной в СП, в зависимости от максимального модуля1% обеспеченности и гидроморфолгической характеристики русла Фр, продолжительности склонового добегания (от 5 до 200 мин) и т.н. редукционного района, суточного слоя осадков 1% обеспеченности (принимается по данным ближайшей метеостанции или по картограмме, изменяется в среднем от 70 до120 мм/сут),коэффициента паводочного стока (изменяется от 0,3 до 0,6 в зависимости от типа почв, их мехсостава, уклона водосбора, а при наличии аналога – по реке-аналогу с учетом различий в площади, уклонах и осадков).

В СП 33… приведены все необходимые для расчета формулы, таблицы и картограммы, по которым легко определить промежуточные параметры и расчетный сток.

Расчетные расходы дождевых вод для ливневой канализации * определяются согласно СНиП 2.04.03- 85 также по формуле предельной интенсивности стока. По существу это видоизмененная формула из СП, учитывающая особенности формирования стока в населенных пунктах, т.е. с урбанизированных территорий.

5. Оценка объемов стока за год, половодье и паводок *.

Оценка этих РГХ необходима при проектировании объектов гидроэнергетики и водоснабжения, мелиорации с/х и лесных земель, разработки мероприятий по борьбе с затоплением и подтоплением (регулирование стока водохранилищами).

При наличии данных наблюдений используются ведомости ежедневных расходов воды за все годы наблюдений, которые опубликованы в гидрологических Ежегодниках.

Оценивается достаточность, точность и однородность этих данных. Определяются объемы стока за год, половодье и паводок. Полученные многолетние ряды наблюдений «обрабатываются», строятся эмпирические КО, подбирается тип аналитической КО и вычисляются величины ее параметров. Наконец, по ним определяем объемы и слои стока за год, половодье и паводок.

При недостаточности или отсутствии наблюдений эти РГХ следует определять в полном соответствии с указаниями по применению 2-ого или 3-его способов определения РГХ.

6. Внутригодовое распределение стока воды *

Для решения большинства практических задач недостаточно определить объемы (слои) стока за год, половодье или паводок. Необходимо знать распределение стока внутри года, и прежде всего, в наиболее критические (или лимитирующие) его периоды.

Деление года на такие периоды производится в зависимости от типа режима реки и преобладающего вида использования стока воды. Период года и сезон, в котором естественный сток может лимитировать (ограничивать) водопотребление или навигацию принимается за лимитирующий период и лимитирующий сезон. Принято считать, что в лимитирующий период входят два смежных сезона, один из которых является наиболее неблагоприятным в отношении использования стока, принимаемый за лимитирующий сезон (рис.12). Для рек с весенним половодьем за лимитирующий период принимается два маловодных сезона: лето-осень и зима. Для энергетики и в целях водоснабжения за лимитирующий сезон принимается зима, а для водопотребления на орошения с/х земель – лето-осень. Для борьбы с наводнением и подтоплением лимитирующий период – многоводная часть года (например, весна и лето-осень), а за лимитирующий сезон принимается обычно весна и только для муссонного климата Дальнего Востока – лето-осень.

Рис. 12. Лимитирующие сезоны и периоды стока

Примечание. * - материалы дисциплины, предназначенные для студентов, изучающих специальности «Водоснабжение и водоотведение» и Защита окружающей среды».

После выделения лимитирующих периодов и сезонов внутри года производятся расчеты стока одним из трех способов, указанных выше.

При наличии данных наблюдений используется методы: водного баланса, реального года и компановки.

Метод реального года. В многолетнем ряду наблюдений выделяются годы различной водности: от очень маловодного (95% обеспеченности) до очень многоводного (5%). В зависимости от характера водопользования выбираются конкретные годы определенной водности., которые принимаются за расчетные. При этом необходимо выполнить условие: обеспеченность стока за расчетный год, лимитирующий период и сезон должны быть близки между собой и соответствовать заданной по условиям проектирования расчетной обеспеченности. Продолжительность наблюдений должна быть не менее 20 лет.

Метод компановки. В настоящее время используется наиболее широко в практике инженерных гидрологических расчетов. По этому методу внутригодовое распределение стока определяется исходя из условия равенства обеспеченностей стока за год, лимитирующий период и лимитирующий сезон. Величина стока за не лимитирующий период находится по разности между стоком за год и стоком за лимитирующий период. Аналогично, по разности находится сток за не лимитирующий сезон.

После выборки данных по периодам и сезонам составляются статистические ряды. Дальнейший ход расчетов производится согласно указаниям по применению 1-ого способа. Месячные величины стока внутри сезонов определяются для характерных по водности сезонов, которые будут наиболее близкими к расчетным.

При недостаточности или отсутствии данных по стоку его внутригодовое распределение определяется 2-ым или 3-им способами, также как и для других РГХ.

При незначительном изменении водопотреблен6ия допускается замена календарного распределения стока по сезонам и месяцам кривой продолжительностью суточных расходов воды за год (рис. 13).

Рис. 13. Кривая продолжительности суточных расходов воды

за год.

7. Минимальный сток *

Минимальным стоком называется сток, который проходит в реках в летне-осеннюю и зимнюю межень, когда река переходит на грунтовое питание, а поверхностный сток прекращается.

В тундровой и лесной зонах минимальный сток обычно наблюдается зимой, в южных районах – летом, в западных и центральных – как летом, так и зимой.

Грунтовое питание, определяющее минимальный сток полностью зависит от почвенно-геологических и гидрогеологических условий водосбора. При глубоком залегании грунтовых вод и слабой степени дренирования территории (в том числе глубины вреза водотока) минимальный сток бывает очень небольшим. В этих условиях он часто прекращается. Река пересыхает и ли промерзает.

Минимальный сток увеличивается в залесенных водосборах, при большой заболоченности и озерности, при неглубоком залегании грунтовых вод, а также в артезианских бассейнах при разгрузке грунтово-напорных вод.

Объем минимального стока, необходимый для расчетов водохранилищ или оросительных систем определяется методами внутригодового распределения стока.

Основной расчетной характеристикой минимального стока является среднемесячный расход воды за календарный месяц или за 30 дней расчетной обеспеченности, который наблюдается в летне-осенний или зимний период.

Для хозяйственно-питьевого водоснабжения расчетная обеспеченность принимается равной 95%, для орошения – 85%, для оценки предельно-допустимых сбросов сточных вод в реки – 90-95% обеспеченности.

При наличии данных наблюдений расчетный минимальный расход находится 1-ым способом. При этом статистические ряды формируются по выборкам из таблиц ежедневных расходов воды, опубликованных в Гидрологических ежегодниках.

При недостаточности или отсутствии данных используются данные по рекам-аналогам, картограммы минимального стока, эмпирические региональные формулы.

Например, «Пособием по определению РГХ» (приложение к СП) для определения минимального среднемесячного расхода воды в малых реках с площадью водосбора от 20 до 2000…3000 км2 рекомендована эмпирическая формула ГГИ:

Q_80% = 0,001 а (А + Ао), м3/с

где а, Ао, п - параметры, определяемые в зависимости от географического района РФ,

А - площадь водосбора реки, км2.

Для пересчета минимального расхода 80% обеспеченности на расчетную обеспеченность вводится переходной коэффициент, который изменяется в среднем в пределах 0,65…0,8 (при Р = 95 %).