Методика гидрологических расчётов. Методические рекомендации по определению расчетных гидрологических характеристик при наличии данных гидрометрических наблюдений
 Скачать 3.19 Mb.
|
|
10 . Расчетные гидрографы стока воды рек весеннего половодья и дождевых паводков Расчетные гидрографы стока воды весеннего половодья и дождевых паводков необходимо рассчитывать при проектировании водохранилищ, отводе вод от сооружений 39 в период их строительства, расчете затопления пойм и лиманов, пропуске высоких вод через дорожные и другие искусственные сооружения. Форма расчетных гидрографов принимается по моделям наблюденных высоких весенних половодий или дождевых паводков с наиболее неблагоприятной их формой, для которых основные элементы гидрографов и их соотношения должны быть близки к расчетным. Для расчета отверстий дорожных и других искусственных сооружений допускается принимать схематизацию гидрографов стока воды рек весеннего половодья и дождевых паводков по геометрическим формам. Гидрографы речного стока следует рассчитывать по равнообеспеченным значениям максимального расхода воды, объема стока воды основной волны и объема всего весеннего половодья (дождевого паводка) расчетной вероятности превышения. Расчетные гидрографы стока воды рек определяются: а) для весеннего половодья – по среднесуточным расходам воды; гидрографы внутрисуточного хода стока воды рассчитываются, если значение максимального мгновенного расхода воды в 1,5 раза больше соответствующего ему среднесуточного расхода воды; б) для дождевых паводков – по мгновенным расходам воды. Выбор метода построения расчетного гидрографа и натурной модели зависит от задач, для решения которых он используется: а) при проектировании гидротехнических объектов с относительно небольшой регулирующей емкостью водохранилища используется модель одновершинного гидрографа с наибольшим максимальным расходом воды; б) при больших регулирующих емкостях, сопоставимых с полным объемом половодий (паводков), используется модель с наибольшим объемом половодья (паводка) и наибольшей сосредоточенностью стока в центральной части гидрографа; в) для рек с многовершинными гидрографами следует выбирать такую модель из числа многоводных лет, в которой наибольшая волна после короткого промежутка следует за меньшей волной; г) при каскаде водохранилищ строится расчетный гидрограф притока к верхнему гидроузлу и гидрографы боковой приточности между гидроузлами. При этом выбирается модель, общая для всего каскада; д) для развитых систем инженерной защиты, включающих наряду с водохранилищами обвалование, регулирование русла реки и другие мероприятия, строятся расчетные 40 гидрографы во входном створе на основной реке и гидрографы боковой приточности на всем протяжении инженерной защиты по общей для всей системы модели. При построении расчетных гидрографов необходимо всесторонне проанализировать формирование и режим половодий и паводков, их происхождение, вероятность повторного прохождения паводков. Основные элементы расчетного гидрографа стока воды рек: максимальный расход воды, объем весеннего половодья (дождевого паводка), объем основной волны расчетной вероятности превышения, а также боковая приточность определяются по данным гидрометрических наблюдений. Общая продолжительность весеннего половодья для больших и средних рек, включая дождевые паводки на спаде половодья, принимается одинаковой для всех лет и створов, как на основной реке, так и на притоках при условии включения в ее пределы продолжительности всех половодий. Назначение периода общей продолжительности весеннего половодья допускается принимать переменным для разных лет, но одинаковым по длине реки. Продолжительность основной волны, включающей максимальную ординату, следует принимать постоянной в подвижных границах для всех лет исходя из условия наибольшего объема стока (притока) за принятый период. Расчет гидрографов весеннего половодья (дождевого паводка) выполняется следующими методами: а) переходом от гидрографа-модели к расчетному гидрографу путем умножения ординат гидрографа-модели на коэффициенты, определяемые по формулам: k 1 = Q p / Q m, (45) K 2 = (V p – Q p 86400) / (V m – Q m 86400), (46) k 3 = (V ′ p – V p ) / (V ′ m – V m ), (47) где Q m , Q p – соответственно для гидрографа-модели и расчетного гидрографа максимальный среднесуточный расход воды весеннего половодья или мгновенный для дождевого паводка, м 3 /с; V m и V p - соответственно для гидрографа-модели и расчетного гидрографа объем основной волны, м 3 ; V ′ m и V ′ p – соответственно для гидрографа- модели и расчетного гидрографа полный объем весеннего половодья (дождевого паводка), м 3 ; 41 б) переходом от гидрографа модели к расчетному гидрографу с применением коэффициента k 1 , определяемого по формуле (45), и коэффициента k t , определяемого по формуле k t = (q m / h m ) (h p / q p ), (48) где q m , q p – соответственно для гидрографа-модели и расчетного гидрографа модуль максимального среднесуточного расхода воды, м 3 /(с км 2 ); h m , h p - соответственно для гидрографа-модели и расчетного гидрографа слой стока весеннего половодья (дождевого паводка), мм. Переход от гидрографа-модели к расчетному возможен только при соблюдении условий: гидрографу по методу, указанному в пункте б), γ p = γ m ; k s,p = k s,m ; где γ m, γ p,– соответственно для гидрографа-модели и расчетного гидрографа коэффициент полноты γ, определяемый по формуле γ = qt / 0,0116h; (49) k s,m , k s,p - соответственно для гидрографа-модели и расчетного гидрографа коэффициент несимметричности, определяемый по формуле: K s = h n / h, (50) q – модуль максимального среднего суточного расхода воды; h – слой стока воды весеннего половодья (дождевого паводка), мм; t – продолжительность весеннего половодья (дождевого стока), сут.; h n – слой стока за период подъема весеннего половодья (дождевого паводка), мм. Координаты расчетного гидрографа определяются в зависимости от коэффициентов k 1 и k t по формулам: Q i = Q i,m k 1 , (51) t i = t i,m k t , (52) 42 где Q i,m , Q i - соответственно для гидрографа-модели и расчетного гидрографа расходы воды в i-тую единицу расчетного времени; t i,m и t i - соответственно для гидрографа- модели и расчетного гидрографа ордината времени. За начало отсчета времени t i,m принимается начало подъема весеннего половодья (дождевого паводка). Определение гидрографов внутрисуточного хода стока следует производить также как это изложено при расчете гидрографа стока весеннего половодья (дождевого паводка) в данном разделе. В данном случае обозначения в формулах (48– 50) принимаются следующие: q m , q p – соответственно для гидрографа-модели и расчетного гидрографа модуль максимального мгновенного расхода воды, м 3 /(с км 2 ); h m , h p - соответственно для гидрографа-модели и расчетного гидрографа максимальный суточный слой стока весеннего половодья, мм; h n – слой стока за период подъема максимальной суточной волны весеннего половодья, мм; t – продолжительность максимальной суточной волны весеннего половодья, сутки и менее. 11 .Минимальный сток воды рек Определение расчетных минимальных расходов воды при наличии данных гидрометеорологических наблюдений производится по эмпирическим кривым обеспеченности аппроксимируемые распределением Пирсона III типа или трехпараметрическим распределением С.Н.Крицкого и М.Ф.Менкеля . При неоднородности ряда наблюдений применяют усеченные или составные кривые распределения ежегодных вероятностей превышения. При значительных расхождениях аналитической кривой и фактических данных в нижней части – резкое отклонение одной–двух последних точек, обусловленное физическими причинами, применяют эмпирические кривые обеспеченности. Такие кривые имеют достаточно плавный вид в основной части и резкий изгиб в нижней. Обычно он приходится на зону обеспеченности в 90–97 %. При наличии нулевых расходов воды в ряду наблюдений расчеты производятся с использованием составных кривых распределения, а в случае несоответствия полученной аналитической кривой наблюденным значениям – по эмпирической кривой вероятности превышения. Для расчетов используют минимальные среднесуточные, среднемесячные или 30– суточные (не календарные) расходы воды, наблюдавшиеся в зимний и (или) летне– осенний сезоны. 43 Среднемесячные минимальные расходы используются, если они не превышают 30– суточные более чем на 10 %, иначе применяются расходы воды средние за 30 непрерывных суток с наименьшим стоком в рассматриваемом сезоне. При частых паводках и коротких межпаводочных периодах 30–суточный период допускается сокращать до 24 суток, чтобы максимально избежать включения паводковых вод в период минимального стока. Минимальный суточный расход воды обычно совпадает с 30–суточным (среднемесячным) периодом минимального стока. Однако на реках с частыми паводками их сроки могут значительно различаться. Минимальный среднемесячный (календарный) расход воды рекомендуется использовать в расчетах, когда рассматривается сток за зимний сезон для рек, находящихся восточнее границы: Ладожское озеро – верховья рек Днепра и Оки – среднее течение Дона – устье Волги; или сток за летне–осенний сезон для рек, расположенных южнее границы Санкт Петербург – Пермь – Магнитогорск – Тюмень – Новосибирск – Барнаул, исключая реки Северного Кавказа. Для остальных районов в расчетах следует использовать минимальные 30–суточные расходы воды. 12 . Наивысшие уровни воды рек и озер Расчетные наивысшие уровни воды рек в створе поста определяются по аналитической кривой распределения вероятностей превышения ежегодных наивысших мгновенных (при наличии самописцев или максимальных реек) или срочных уровней воды за период многолетних наблюдений. При неоднородности наивысших уровней воды допускается использование эмпирических кривых вероятностей превышения. Для рек, наивысшие уровни которых наблюдаются в разные фазы водного и ледового режимов, производится выборка и обработка однородных рядов уровней, соответствующих снеговому половодью, дождевым паводкам и паводкам ледниковых вод при свободном состоянии русла, а также максимальных уровней при зажорах и заторах, осеннем и весеннем ледоходах. Вероятность превышения наивысших годовых уровней независимо от генезиса их формирования следует определять , учитывая усеченность кривых обеспеченности максимальных зажорных и заторных уровней воды. Данные гидрометрических наблюдений по рассматриваемому посту считаются достаточными для определения расчетных наивысших уровней по эмпирическим кривым вероятностей превышения, если они соответствуют требованиям, изложенным в разделе Общие указания. 44 При определении вероятности превышения высшего исторического уровня, установленного по данным опроса жителей или архивным источникам, принимается число лет, в течение которых он не был превышен. Определение расчетных наивысших уровней воды озер следует производить по кривым распределения вероятностей превышения уровней теми же приемами, что и для рек. В засушливой зоне, учитывая наличие длительных циклических колебаний уровня воды озер необходимо выполнять специальные исследования с использованием данных по морфометрии озерной котловины, а также архивных и других материалов. Расчетные уровни вверх или вниз по течению реки в случае свободного состояния русла переносятся по одному из трех способов: а) по кривым расходов воды Q=f(H) для бесприточных и малоприточных участков; б) по кривым связи соответственных уровней воды; в) по продольному профилю водной поверхности с учетом ее уклона при высоком уровне воды. При этом учитывается протяженность речного участка, его приточность, морфометрия и уклон водной поверхности. Перенос с помощью кривых Q=f(H) осуществляется на бесприточных и малоприточных участках рек значительной протяженности, если для опорного створа имеется надежная кривая расходов воды и данные многолетних наблюдений за стоком, позволяющие определить максимальный расход воды расчетной вероятности превышения. Тогда на участке проектирования открывается один или несколько временных гидрологических постов и производится параллельные с опорным постом наблюдения за уровнями. Учитывая, что соответственным уровням на участке отвечает один и тот же расход воды, строятся в единой системе отметок кривые Q=f(H) для каждого из створов, которые экстраполируются до расчетного максимума расхода. По этим кривым определяется соответствующие ему значения наивысших уровней в створах временных постов и по ним строится продольный профиль водной поверхности. Способ переноса расчетного наивысшего уровня воды по связи соответственных уровней требует соблюдения тех же условий, что и в рассмотренном выше способе. Отличие его заключается в том, что экстраполируются не кривые Q=f(H), а непосредственно кривые связи уровней. Характер этих кривых зависит от гидравлических и морфометрических особенностей реки в створах постов и между ними. Поэтому данный способ может быть применен, если параллельными наблюдениями освещено не менее 80% многолетней амплитуды колебания уровня воды в опорном створе и 45 направление кривой связи в верхней части выявилось достаточно отчетливо. Кривые связи строятся по ежегодным значениям максимальных уровней воды, характерным переломным точкам графиков колебания уровня или ежедневным значениям уровней с учетом времени добегания воды между постами. Связь уровней считается удовлетворительной, если коэффициент корреляции r ≥ 0,8. Перенос уровней воды по продольному профилю водной поверхности производится в пределах небольших по длине речных участков (1-3 км) с учетом зависимости уклона от уровня. Если перенос осуществляется на участке нижнего бьефа гидроузла с неустановившимся режимом, то должны быть выбраны интервалы времени, в пределах которых режим потока может считаться близким к установившемуся [11] В устьевых и приустьевых участках рек в отдельные фазы их режима следует учитывать возможность подпора воды со стороны водоприемника. Наивысшие уровни в пределах зон подпора переносятся по кривой подпора, построенной с помощью уравнения неравномерного водного потока где ∆Z - падение уровня на участке (м),V, R и С - соответственно средняя для участка скорость течения воды (м/с), гидравлический радиус (м) и коэффициент Шези (м 0,5 /c), ∆L - длина участка (м), α- коэффициент, равный 1,05, g - ускорение свободного падения (м/с 2 ), V н и Vк средняя в поперечном сечении скорость течения воды в начале и конце участка (м/с). Уравнение (53) решается методом последовательного приближения или другими численными методами для коротких морфометрически однородных участков реки. При переносе уровней вниз по течению второй член уравнения пишется со знаком плюс, а вверх - минус. Если наивысшие уровни приходятся на период с ледовыми явлениями, то их перенос осуществляется по графикам связи уровней или кривым Q=f(H) и расходам воды, вычисленным по формуле где Q p% - расход воды в опорном створе, установленный по летней кривой Q=f(H), k Q коэффициент, учитывающий изменения гидравлических характеристик водного потока в Q ′ p% =Q p% /k Q , ( 54 ) g V V R C L V Z Н К 2 ) ( 2 2 2 2 − + ∆ = ∆ α ( 53 ) 46 результате ледовых явлений (ледохода, ледостава, скопления льда). Если участок проектирования по условиям ледового режима более или менее однороден, то зимний коэффициент k Q характеризующий то или иное явление может быть принят одинаковым для всех створов. При неоднородном ледовом режиме учитывается различие значений k Q от створа к створу и вопрос определения значения этого коэффициента должен решаться путем специальных полевых исследований и расчета. Перенос наивысших уровней воды озер от опорного водомерного поста к другим постам производится по графикам связи уровней воды или непосредственно по абсолютным взаимно увязанным отметкам с учетом волнения и ветрового нагона. Продолжительность стояния высоких уровней устанавливается по хронологическим графикам уровней воды в период половодий и паводков, наиболее неблагоприятных по условиям затопления и подтопления застраиваемой территории. Вероятностные значения продолжительности стояния (Т р% ) определяются по кривой обеспеченности ежегодной длительности превышения той или иной отметки начала затопления территории (например, отметки выхода воды на пойму). С учетом полученного значения Т р% строится расчетный график хода уровней по модели одного из наблюдавшихся продолжительных половодий или паводков. Пересчет ординат и абсцисс графика производится с помощью переходных коэффициентов K H = (H P% - H Н.З ) / (H M - H Н.З ) и K Т = Т р% /Т м где Нр% и Тр% - максимальный расчетный уровень воды и расчетная продолжительность, Н М и Т М - максимальный уровень воды и продолжительность для модельного графика колебания уровня воды, Н Н.З - отметка начала затопления 47 ПРИЛОЖЕНИЯ А Примеры расчета 1. Определение расчетных максимальных уровней воды р. Лены у г. Ленска с учетом высших исторических уровней Основанием для пересчета расчетного 1%-ного максимального уровня воды на р.Лене у г.Ленска явилась корректировка генерального плана г. Ленска, пострадавшего от катастрофического затопления в мае 2001 г. В генеральном плане города, разработанном в 1991 году, расчетная отметка паводка 1%-ной обеспеченности, которая была положена в основу мероприятий по защите города от затопления, составила 170,07 м БС. Катастрофический уровень 2001 г. превысил эту отметку на 2,5 м. В результате возникла необходимость в пересчете 1%-ного уровня воды с учетом последних данных с 1991 г., включая экстремум 2001 г., и другую возможную информацию. Помимо восстановленных многолетних рядов наблюдений за максимальными уровнями воды в расчетах был использован также высший исторический уровень (ВИУ) в 1878 г., равный 1819 см. над нулем графика поста. Отметка ВИУ опубликована в «Каталоге отметок наивысших уровней воды рек и озер СССР», изданном в 1970 г., который является официальным изданием Росгидромета. В связи с тем, что максимальный уровень 2001 г. превышал ВИУ, его обеспеченность определялась как для первого члена ранжированного ряда при условии, что этот уровень не был превышен с 1878 г., т.е. по формуле 1/(N+1), где N =124 года (1878-2001 гг.). Полученное значение обеспеченности (в процентах) равно 0.8%. Обеспеченность высшего исторического уровня 1878 г. определялась по формуле 2/(N+1), т.к. он был ниже уровня 2001 г., но достоверно был выше всех остальных уровней с 1878 по 2001 г. за исключением уровня 2001 г., т.е. вторым по величине за этот период. Полученная эмпирическая обеспеченность ВИУ составила 1.6%. Обеспеченности всех остальных ранжированных по убыванию максимальных уровней воды, входящих в ряд наблюдений определялись по формуле m/(n+1), где m=2, 3, … n и n – число членов ряда наблюдений ( n=72 года для максимальных в году уровней воды). В связи с тем, что максимальный уровень 2001 г. входит в ряд наблюдений ему присвоен 1-ый ранг (но обеспеченность определена не с учетом 72 лет наблюдений, а с учетом 124 лет, т.е. периода за который он не был достоверно превышен), следующему по величине в ряду наблюдений максимальному уровню воды 1998 г. присвоен 2-ой ранг (m=2) и т.д. На основании вычисленных эмпирических обеспеченностей, были построены эмпирические распределения максимальных в году уровней воды . В связи с тем, что эмпирические распределения уровней воды не являются генетически однородными и при 48 определении расчетных 1%-ный уровней применяется интерполяция, а не экстраполяция, распределения максимальных уровней были получены графически сглаживанием эмпирических точек. Пример сглаженной эмпирической кривой для наивысших в году уровней воды приведен на рис.1. Со сглаженной кривой была снята отметка расчетного уровня 1%-ной обеспеченности, которая оказалась равной 1940 см над нулем графика поста или 171,87 м БС, что на 1,8м. выше принятого ранее при проектировании. |