Методика гидрологических расчётов. Методические рекомендации по определению расчетных гидрологических характеристик при наличии данных гидрометрических наблюдений
 Скачать 3.19 Mb.
|
|
Выбор расчетного внутригодового распределения стока. При составлении ТСН следует учитывать следующие особенности применения методов расчета внутригодового распределения стока при проектировании конкретных объектов: - метод компоновки целесообразно использовать на начальных стадиях проектирования в тех случаях, когда необходимо предъявить заведомо повышенные требования к выбору реки - источника водоснабжения уникального объекта экономики для обеспечения его гарантированного водообеспечения; - метод стока реального года применим в подавляющем большинстве случаев водохозяйственного и строительного проектирования; - метод средних распределений стока за характерные градации водности применим в тех случаях водохозяйственного и строительного проектирования, когда оказалось нецелесообразно использовать метод компоновки и невозможно осуществить условия для выбора расчетного внутригодового распределения стока методом реального года, а также при проведении воднобалансовых расчетов (как части водохозяйственных расчетов, гидроэкологических оценок и прогнозирования). Наряду с изложенным выше необходимо учитывать следующие специфические черты практического применения самих ТСН и помещаемых в них результатов расчета внутригодового распределения стока: - помещаемые в публикуемых ТСН материалы должны обеспечить практиков - гидрологов надежными данными в течение как минимум 10 –1 5 лет, так как их обновление и повторное издание являются достаточно дорогостоящими мероприятиями; - приводимые в публикуемых региональных ТСН данные о расчетных внутригодовых распределениях стока должны, с одной стороны, отражать специфические черты гидрологического режима стока типичных рек данного региона (с зональным, азональным и полизональным режимами), а, с другой стороны, - учитывать специфику запросов проектирования преобладающих водопотребителей и водопользователей данного региона; Учитывая отмеченные выше особенности применения рассматриваемых методов расчета и получаемых с их помощью расчетных внутригодовых распределений стока, представляется целесообразным рекомендовать в качестве основных и обязательных к совместному применению при разработке ТСН два метода расчета: метод компоновки и метод средних распределений стока за водохозяйственный год заданной градации 31 водности. Эти методы основаны на статистической обработке данных длительных многолетних рядов стока и дают достаточно надежные и устойчивые во времени относительные (в % от стока за ВГ) распределения стока, которые в сочетании с данными о квантилях годового (и сезонного) стока, полученным по удлиненным на момент проектирования конкретного объекта рядам, могут обеспечить решение большинства практических задач строительного проектирования и гидроэкологического планирования. Что касается метода реального года, то он может дополнительно применяться в качестве контрольного метода за рамками публикуемых в ТСН данных, то есть при разработке конкретного строительного или гидроэкологического проекта, составляемого с использованием информации о стоке за последние годы, полученной после публикации ТСН. При решении отдельных практических задач (особенно экологических – ОВОС и др.) в условиях заданного уровня влияния хозяйственной деятельности и региональных изменений климата в результаты расчетов годового стока и его внутригодового распределения рассмотренными выше методами, выполненными на основе генетически и статистически однородных рядов месячного, сезонного и годового стока воды, могут быть введены поправки, учитывающие соответственно изменения годового и месячного стока под влиянием хозяйственной деятельности ( Δ Q хоз ) и изменений регионального климата (ΔQ кл ). Применение кривых продолжительности суточных расходов воды Определение расчетного внутригодового распределения суточного речного стока воды внутри года или характерного его периода, независимо от хронологического хода стока, производится путем построения кривых продолжительности суточных расходов воды. Могут использоваться следующие виды кривых: а) средняя многолетняя годовая кривая продолжительности суточных расходов воды, дающая характеристику среднего многолетнего типового распределения суточных расходов воды; б) средняя многолетняя кривая продолжительности суточных расходов воды за тот или иной расчетный период года (навигационный, лесосплавной, вегетационный и т.д.). Выбор той или иной из указанных кривых определяется характером решаемой практической задачи. Указанные кривые продолжительности суточных расходов воды строятся следующим образом: а). Средняя многолетняя годовая кривая продолжительности суточных расходов воды определяется путем осреднения ординат ежегодных кривых среднесуточных расходов 32 воды 30, 90, 180, 270 и 355 суточной продолжительности (или соответствующих относительных продолжительностей стояния, равных 8, 25, 50, 75 и 97 % общей длительности года) и абсолютных (срочных) значений максимального и минимального расходов воды за конкретные годы наблюдений. Аналогичным образом строится средняя многолетняя кривая продолжительности стояния среднесуточных расходов воды за тот или иной расчетный внутригодовой период. Ее ординаты могут выражаться в долях от среднемноголетнего расхода воды за рассматриваемый период (вегетационный, навигационный и т. д.), а абсциссы - в долях от его длительности. б). Ежегодная кривая продолжительности суточных расходов воды строится на основе ранжированных в убывающем порядке суточных расходов воды конкретного года. Этим ранжированным значениям присваиваются порядковые номера с первого по 365-й или 366- ой. При этом в качестве расходов воды продолжительностью стояния 1 сутки и 365 (или 366) суток используются данные соответственно о максимальном и минимальном срочном (а не среднесуточном) расходе воды. По построенной кривой или непосредственно по данным о суточных расходах воды, соответствующих заданной проектной продолжительности их стояния, определяется искомое значение расхода воды. В изданиях Росгидромета [13, 14 ] опубликованы за прошлые годы значения суточных расходов воды продолжительностью стояния, равной 30, 90, 180, 270 и 355 суток, а также абсолютные (срочные) максимальный и минимальный расходы воды. Эти данные наряду с аналогичными данными за последующие годы наблюдений, используются для построения средней многолетней годовой кривой продолжительности суточных расходов воды или для построения кривой продолжительности для характерного по водности года, если это необходимо для решения конкретной практической задачи. Кривая продолжительности суточных расходов воды для расчетной части конкретного года (вегетационного, навигационного, лесосплавного периода и т. д.) строится аналогичным образом по данным о ранжированных в убывающем порядке среднесуточных расходах воды и их порядковых номерах. Эти порядковые номера могут быть заменены их относительными характеристиками, выраженными в долях или в % от общего числа в расчетном периоде. Выбор указанных расчетных внутригодовых периодов (вегетационный и т.д.) производится в многолетнем разрезе на основе ведомственных инструкций с учетом целей проектирования и особенностей изучаемого объекта. Вопрос о применение тех или иных кривых продолжительности суточных расходов воды при составлении ТСН конкретного региона решается их составителями в зависимости от региональных особенностей водного режима рек и запросов 33 преобладающих в регионе водопотребителей и водопользователей, а также от условий финансирования разработок ТСН. Этапы практического применения методов расчета внутригодового распределения стока Метод компоновки. Можно выделить следующие этапы в применении этого метода: 1. На основе анализа многолетней матрицы массива многолетних данных о среднемесячных расходов воды исследуемой реки в расчетном створе, особенностей её водного режима и специфики задач проектирования назначаются продолжительность и сроки начала и окончания ВГ, ЛП, НП, ЛС, НС, для них рассчитываются погодичные значения объемов стока. 2 Для рассчитанных рядов годового и сезонного стока производится анализ статистической однородности и расчет параметров кривой распределения вероятностей и расчетных квантилей. 3. По равнообеспеченным значениям стока ВГ и ЛП в расчетные годы заданной обеспеченности по разности рассчитываются значения стока за НП, а по равнообеспеченным значениям стока за ЛП и ЛС - за НС. 4. Изложенным в Своде правил и в ранее публиковавшихся работах В.Г.Андреянова и др. определяется расчетное относительное (в % от сезонного стока) и абсолютное (в км 2 ) внутрисезонное, а затем и внутригодовое распределение стока в расчетный год заданной вероятности превышения. Метод средних распределений стока за водохозяйственный год заданной градации водности. При практическом применении этого метода выполняются следующие этапы работ: 1. На основе анализа многолетней матрицы массива многолетних данных о среднемесячных расходах воды исследуемой реки в расчетном створе, особенностей её водного режима и специфики задач проектирования назначаются сроки начала и окончания ВГ и для него рассчитываются годичные значения объемов стока. 2. Для рассчитанного ряда стока за ВГ производится анализ статистической однородности и расчет параметров кривой распределения вероятностей и расчетных квантилей. 34 3. Создается новая расчетная матрица среднемесячных расходов воды исследуемой реки в расчетном створе, соответствующая ранжированным значениям стока за ВГ со значениями месячного стока, выраженными в объемных единицах (км 3 или 10 6 м 3 ). 4. Из созданной расчетной матрицы вырезаются её части, соответствующие группе лет (маловодных, многоводных и т. д.), по которым планируется помещать в ТСН данные о расчетном внутригодовом распределении стока. 5. В соответствии с рекомендациями Свода правил производится расчет относительных (в % от объема стока за ВГ) месячных значений стока, которые в дальнейшем используются для получения абсолютных величин месячного стока по известному значению объема стока за ВГ заданной вероятности превышения. 9 . Максимальный сток воды весеннего половодья и дождевых паводков Расчетные характеристики максимального стока воды рек весеннего половодья и дождевых паводков следует определять согласно общим указаниям, изложенным в первом разделе настоящих Рекомендаций. Для рек с продолжительностью стояния максимальных расходов воды весеннего половодья и дождевых паводков, равной суткам и более, расчет производится по среднесуточным значениям, менее суток - по срочным расходам воды. При прохождении максимального расхода воды между сроками наблюдений его значение определяется на основе установления соотношения между мгновенными и среднесуточными его значениями по данным измерений других лет с наибольшими расходами воды или по данным рек-аналогов. При невозможности разделения максимальных за год расходов воды на максимумы дождевых и талых вод допускается построение кривых распределения ежегодных вероятностей превышения максимальных расходов воды независимо от их происхождения. При неоднородности максимальных расходов воды используются составные кривые распределения (раздел 1). Допускается также применение усеченных распределений, которые разработаны для частного случая – разделение на две однородные совокупности по медианному значению. Сущность усечения кривой распределения состоит в том, что рассматривается только верхняя часть кривой распределения максимальных расходов воды. Для усеченного распределения расчетное выражение для оценки среднего 0 x по методу приближенно наибольшего правдоподобия имеет следующий вид: 35 ( ) v C x x n ϕ 2 / 0 = , (40) где 2 / 2 / 1 2 / n x x n i n ∑ = (41) - среднее арифметическое верхней половины ранжированного ряда, а ( ) 1 0 0 2 1 − + = x x p x x C me me v γ ϕ (42) функция ( ) v C ϕ табулирована ( табл.4); φ=1/C 2 v Таблица 4 Значения функции ( ) v C ϕ для вычисления среднего x 0 усеченного гамма-распределения С v 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 0,925 0,863 0,809 0,764 0,722 0,688 0,654 0,631 0,609 0,591 0,575 0,561 0,550 0,540 0,532 0,526 0,520 0,516 0,512 0,509 0,919 0,856 0,805 0,760 0,719 0,685 0,652 0,629 0,607 0,589 0,574 0,560 0,549 0,539 0,531 0,525 0,520 0,516 0,512 - 0,913 0,852 0,800 0,756 0,715 0,681 0,649 0,627 0,605 0,588 0,572 0,559 0,548 0,538 0,530 0,525 0,519 0,155 0,511 - 0,906 0,847 0,795 0,751 0,712 0,678 0,647 0,624 0,604 0,586 0,571 0,558 0,547 0,538 0,530 0,524 0,519 0,515 0,511 - 0,900 0,841 0,791 0,747 0,708 0,674 0,645 0,622 0,602 0,585 0,569 0,557 0,546 0,537 0,529 0,524 0,518 0,514 0,511 - 0,894 0,836 0,787 0,743 0,705 0,671 0,643 0,620 0,600 0,583 0,568 0,556 0,545 0,536 0,528 0,523 0,518 0,514 0,511 - 0,887 0,831 0,782 0,739 0,702 0,668 0,640 0,618 0,598 0,581 0,567 0,554 0,544 0,535 0,528 0,522 0,518 0,513 0,510 - 0,882 0,825 0,777 0,735 0,698 0,664 0,638 0,616 0,596 0,580 0,565 0,553 0,543 0,534 0,527 0,522 0,517 0,513 0,510 - 0,875 0,820 0,773 0,730 0,695 0,661 0,636 0,613 0,595 0,578 0,564 0,552 0,542 0,534 0,526 0,521 0,517 0,513 0,510 - 0,869 0,814 0,769 0,726 0,691 0,657 0,633 0,611 0,593 0,577 0,562 0,551 0,541 0,533 0,526 0,521 0,516 0,512 0,509 - 36 Оценка максимального правдоподобия коэффициента изменчивости v C определяется через статистику 2 λ с помощью табулированной зависимости (Приложение Б, таблица 5), где 2 / lg 2 / 1 2 / 2 2 / n x x n n i n ∑ = λ (43) 2 / 2 n λ - статистика, вычисляемая по верхней половине ранжированного ряда (аналогично полному распределению). Порядок расчетов при использовании усеченного гамма-распределения следующий: - ранжируем исходный ряд по убыванию; - по выражению (41) находим среднее значение верхней части ранжированного ряда x n/2; - по выражению (43) находим статистику λ 2(n/2) ; - по полученному значению λ 2(n/2) (43) с использованием Приложения Б, таблица 5 находим значение коэффициента v C ; - далее по выражению (40) находится оценка 0 x ; - отношение C s /C v определяется по группе рек с наиболее продолжительными наблюдениями в гидрологическом однородном районе. Расчетные максимальные расходы воды зарегулированных рек определяются исходя из расчетного максимального расхода воды рек в естественном состоянии с учетом изменения его в результате хозяйственной деятельности в бассейне реки и трансформации проектируемыми или действующими водохранилищами. На реках с каскадным расположением гидроузлов расчетные максимальные расходы воды следует определять с учетом влияния вышележащих гидроузлов на приток к нижерасположенным и боковой приточности между гидроузлами. Режим пропуска высоких вод через гидроузлы, образующие каскад, должен учитывать влияние вышележащих гидроузлов на приток воды к нижерасположенным. При этом возможны следующие случаи: а) водопропускные сооружения верхнего гидроузла не обеспечивают транзитного пропуска (при НПУ) расходов воды, соответствующих расчетной вероятности превышения для нижнего гидроузла. В этом случае следует учитывать срезку максимального расчетного расхода воды вышерасположенным водохранилищем: приток к рассматриваемому нижнему гидроузлу определяется как сумма сбросных расходов воды между рассматриваемым и вышерасположенным гидроузлами. При этом 37 гидрографы половодного или паводочного притока к верхнему гидроузлу и боковой приточности между гидроузлами должны соответствовать расчетной вероятности превышения для нижнего гидроузла. Распределение максимальных расходов воды и объема половодья или паводка производятся по моделям реальных высоких половодий (паводков); следует рассматривать два варианта: - вероятность превышения притока к верхнему гидроузлу такая же, как и расчетная для рассматриваемого нижнего гидроузла, а приток с частного водосбора дополняет расчетный естественный сток в створе верхнего гидроузла таким образом, чтобы в нижнем створе иметь высокий сток расчетной вероятности превышения, соответствующий классу рассматриваемого в этом створе гидроузла; - вероятность превышения высокого стока боковой приточности между гидроузлами такая же, как и расчетная для нижнего гидроузла, а приток к вышерасположенному гидроузлу дополняет боковую расчетную приточность таким образом, чтобы в нижнем створе иметь высокий сток расчетной вероятности превышения, соответствующий классу рассматриваемого в этом створе гидроузла; б) водопропускные сооружения верхнего гидроузла способны пропускать при НПУ расходы воды, превосходящие максимальный расход вероятности превышения, соответствующей классу проектируемого нижнего гидроузла. В этом случае, в качестве расчетного расхода воды в нижнем бьефе вышерасположенного гидроузла, принимается расход воды, соответствующий полной пропускной способности всех водопропускных сооружений гидроузла при НПУ. Для получения расчетного притока к нижнему гидроузлу указанный расход воды в нижнем бьефе верхнего гидроузла суммируется с максимальными расходами половодья (паводка) с частного водосбора между гидроузлами, соответствующего расчетной вероятности превышения для рассматриваемого нижнего гидроузла. К значениям расчетных максимальных расходов воды Q p% вероятностью превышения 0.01% следует прибавлять гарантийную поправку ∆Q p% , определяемую по формуле: ∆Q 0.01% = αE 0.01% Q 0.01% / N , (44) где α - коэффициент, характеризующий гидрологическую изученность рек, принимается равным 1,0 для гидрологически изученных рек, когда выполняются условия п.4.1, во всех остальных случаях –1,5; N – число лет наблюдений с учетом приведения к 38 многолетнему периоду; E p% - величина, характеризующая случайную среднюю квадратическую ошибку расчетного расхода воды ежегодной вероятности превышения P = 0.01%, определяемая по Таблице 5. Таблица 5 Значения Е Р % в формуле (44) Значенияи Коэффициенты вариации С v Сs/Cv 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Трехпараметрическое гамма-распределение Метод наибольшего правдоподобия 2 0.25 0.45 0.60 0.75 0.88 0.96 1.05 1.14 1.22 1.30 1.38 1.46 1.54 1.60 1.67 3 0.30 0.50 0.75 1.00 1.18 .1.30 1.43 1.55 1.68 1.78 1.90 2.00 2.10 2.24 2.33 4 0.40 0.70 1.00 1.30 1.48 1.60 1.74 1.88 2.00 2.15 2.27 2.40 2.58 2.65 2.77 Метод моментов 2 0.25 0.45 0.60 0.75 0.88 0.96 1.05 1.14 1.22 1.30 1.38 1.46 1.54 1.60 1.67 3 0.30 0.57 0.84 1.10 1.34 1.55 1.74 1.93 2.12 2.28 2.42 2.56 2.68 2.80 2.92 4 0.40 0.77 1.12 1.43 1.73 2.00 2.22 2.42 2.60 2.77 2.94 3.10 3.26 3.41 3.57 Биномиальное распределение Метод моментов 2 0.25 0.45 0.60 0.75 0.88 0.96 1.05 1.14 1.22 1.30 1.38 1.46 1.54 1.60 1.67 3 0.28 0.52 0.75 0.97 1.19 .1.35 1.59 1.63 1.96 2.14 2.31 2.49 2.66 2.84 3.01 4 0.30 0.61 0.91 1.20 1.49 1.66 2.04 2.30 2.56 2.82 3.09 3.35 3.62 3.89 4.15 Принимаемый расчетный расход с учетом гарантийной поправки не должен быть меньше, чем наибольший наблюденный расход. Гидротехнические сооружения, разрушение которых может привести к катастрофическим последствиям со значительным ущербом, необходимо проверять на пропуск максимального расхода воды вероятностью превышения P = 0.01% с учетом гарантийной поправки. |