К основным гидрологическим характеристикам стока воды в реках, необходимым для проведения водохозяйственных расчетов водохранилища, относятся:
- максимальные расходы воды весеннего половодья и дождевых паводков заданной вероятности превышения (обеспеченности);
- объемы весеннего и ливневого стока заданной вероятности превышения;
- расходы и объемы стока воды в средний и маловодный год заданной вероятности превышения.
Указанные гидрологические характеристики для малых и средних рек РФ при отсутствии гидрометрических данных наблюдений определяются по формулам, приведенным в СП 33-101-2003 (далее СП), Территориальных строительных нормах по гидрологическим расчетам (далее ТСН) и в Пособии по определению расчетных гидрологических характеристик. Гидрометеоиздат. Л., 1984 (далее Пособие).
Параметры расчетных формул устанавливаются по данным рек-аналогов, картам ТСН и Пособия, а также материалам, опубликованным в изданиях Государственного водного кадастра «Ресурсы поверхностных вод» и Гидрологических ежегодниках.
Наряду с этими документами рекомендуется использовать надлежаще обоснованные региональные формулы, приведенные в ведомственных указаниях и инструкция, также результаты инженерно-гидрологических изысканий и гидрометрических наблюдений, выполненных при проектировании гидротехнических сооружений в соответствии с указаниями СП 11-103-97. Инженерно-гидрометеорологические изыскания. Госстрой России. М., 1998.
Максимальный расход весеннего половодья заданной обеспеченности Qp% для водосборов с площадями от элементарно малых (менее 1 км2) до 20000 км2 на Европейской и до 500000 км2 на Азиатской территории РФ определяют по редукционной формуле:
Qp% = Ko * hp% * μ * δ * δ1 * δ2 * F / (F + b)n, м3/с (1)
где Ко – параметр, характеризующий дружность половодья; определяется по данным рек-аналогов обратным расчетом по формуле (1):
hp% – слой весеннего стока р% обеспеченности, мм; определяется по формуле (2) в зависимости от среднего слоя стока ho, коэффициента вариации Cv и отношения Cs / Cv по рекам-аналогам, ТСН или картам Пособия (листы 6, 8, 9 прил.1);
μ – коэффициент, учитывающий неравенство статистических параметров слоя стока и максимального расхода; принимается по ТСН или табл. 9 Пособия;
δ – коэффициент влияния проточных озер, водохранилищ и прудов;
δ1 – коэффициент влияния залесенности водосбора;
δ2 – коэффициент влияния заболоченности;
F – площадь водосбора до расчетного створа водотока, км2;
n, b – параметры площадной редукции максимального расхода; принимаются по рекам-аналогам, ТСН или табл. 10 Пособия.
Коэффициент δ определяют в соответствии с указаниями СП. При относительной площади проточных озер (fоз) менее 2% принимаем δ = 1, при fоз более 2% принимают δ = 0,8. Влияние прудов и водохранилищ при обеспеченности р < 5 % в расчетах не учитывается.
Величина hр% вычисляется по формуле:
hр% = Kp% * ho, (2)
где Кр% - ордината кривой трехпараметрического гамма-распределения ежегодной вероятности превышения (кривой обеспеченности); принимается по прил.4 в зависимости от величин р%, Cv и Cs/Cv.
Коэффициент влияния залесенностиводосбора определяют по формуле:
δ1 = а / (fл + 1)n1, (3)
где а, n1– параметры редукции; принимаются по рекам-аналогам, ТСН или табл. 21 Пособия в зависимости от местоположения леса на водосборе, типа почв и грунтов;
fл – относительная площадь залесенности водосбора, %.
Коэффициент влияния заболоченности водосбора определяют по формуле:
δ2 = 1 – β * ℓg (0.1 * fb + 1), (4)
где β – параметр, учитывающий тип болот и почвогрунтов на водосборе; принимается по ТСН или табл. 22 Пособия;
fb – относительная площадь болот, заболоченных лесов и лугов, %.
При заболоченности водосбора менее 3% принимают δ2 = 1.
Объем стока половодья р% обеспеченности (м3) определяют по формуле:
Wр% = hр% * F * 103 (5)
(103 - переводной коэффициент размерности)
Максимальный мгновенный расход дождевого паводка р% обеспеченности для водосборов площадью свыше 200 км2 следует определять по редукционной формуле:
Qp% = q200 * (200 / F)n * δ * δ2 * δ3 * λp% * F, (6)
где q200 – максимальный модуль мгновенного расхода воды 1% обеспеченности, приведенный к площади водосбора 200 км2, м3/(с * км2); принимается по данным рек-аналогов, картам ТСН или Пособия (листы 12а и 12б прил.1);
λр% – переходной коэффициент от максимального расхода воды 1% обеспеченности к максимальным расходам другой обеспеченности; принимается по данным гидрологически изученных рек в исследуемом районе или по Пособию (лист 13 прил. 1 и табл. 8 прил. 2);
n – коэффициент редукции максимального модуля стока; принимается по данным рек-аналогов, ТСН или Пособию (лист 10 прил.1);
δ2 – коэффициент влияния заболоченности; вычисляется по формуле (4) при β = 0,5;
δ3 – коэффициент, учитывающий влияние высоты водосбора;
принимаем по ТСН или Пособию (п. 4.16);
Максимальный мгновенный расход дождевого паво д ка р% обеспеченности для естественных водосборов с площадью менее 200 км2 определяют по формулам предельной интенсивности стока согласно указаниям СП, ТСН или Пособия (п.п. 4.18 – 4.21).
Среднесуточный максимальный расход дождевого стока Qср% следует определять по формуле:
Qсp% = Qp% / Kτ, (7)
где Qp% – максимальный мгновенный расход р% обеспеченности, м3/с;
Кτ – коэффициент перехода от мгновенных к среднесуточным максимальным расходам; определяется по рекам-аналогам, а при их отсутствии - вычисляется по формуле:
Кτ = В / (F + 1)m1, (8)
где В, m1 – параметры, определяемые по ТСН или табл. 15 прил.2 Пособия.
Расчетные расходы дождевых паводков при проектировании ливневой канализации в населенных пунктах, производственных объектах при площади водосбора менее 200 км2 также рассчитываются по формуле предельной интенсивности стока в соответствии с требованиями СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения. М., 1986 (п.п. 2.11 – 2.19).
Объем ливневого стока р% обеспеченности для водосборов площадью более 50 км2 вычисляют по формуле:
Wлр% = hлр% * F * 103 (9)
где hлр% - расчетный слой ливневого стока р% обеспеченности, мм.
Величина hлр% определяется по рекам-аналогам, а при их отсутствии – по картам ТСН или Пособия:
hлр% = λр% * hл1%, (10)
где λр% - см. формулу (6);
hл1% - слой дождевого стока 1% обеспеченности; принимается по карте Пособия (лист 16 прил. 1).
Среднемноголетний расход и объем воды определяют по формуле:
Qo = Mo * F / 1000 ( 11)
где Мо – среднемноголетний годовой модуль стока определяется по реке-аналогу, ТСН или по карте (лист 1 прил.1 Пособия) по координатам центра тяжести бассейна.
Среднемноголетний объем стока за год равен:
Wo = 31.54 * 106 * Qo (12)
Среднемноголетний расход и объем воды в расчетный маловодный год 95% обеспеченности:
Q95% = К95% * Qo, (13)
где К95% – ордината кривых трехпараметрического гамма-распределения; принимается по приложению 4 в зависимости от величин коэффициента вариации Сv и соотношения Cs / Cv.
Коэффициент вариации среднемноголетнего годового стока определяют по ТСН или карте (лист 2 прил.1 Пособия).
Соотношение коэффициентов асимметрии и вариации определяют также по ТСН или карте (лист 4 прил. 1 Пособия).
Среднемноголетний объем стока в маловодный год 95% обеспеченности равен:
W95% = 31.54 * 106 * Q95%. (14)
Пример
Исходные данные для выбранных вариантов расчета принимаются по приложению 2.
Центр водосбора реки расположен в 150 км юго-западней г. Перми (лесная зона).
Площадь водосбора F = 420 км2.
Залесенность fл= 74% (лес на водосборе расположен равномерно).
Заболоченность fб = 6% (болота разных типов).
Озерность fоз = 1%.
Класс сооружений – 111.
Расчетная обеспеченность маловодного года при регулировании стока воды – 95%.
Расчетная обеспеченность максимальных расходов воды принята равной:
- при нормальных условиях эксплуатации сооружений 111 класса – 2%;
- при чрезвычайных условиях эксплуатации – 0,5%.
1. Определим максимальный расход весеннего половодья 2 и 0,5% обеспеченности по формуле (1), предварительно установив её параметры:
а) параметр, характеризующий дружность половодья; принимаем по реке-аналогу Ко = 0,008;
б) средний слой весеннего стока принимаем по карте Пособия (лист 6 прил. 1) hо = 120 мм. Коэффициент вариации Cv = 0,25 (лист 8 прил.1 Пособие). Отношение Cs/Cv = 2 (лист 9 прил.1 Пособие). Величину ординаты кривой обеспеченности принимаем по прил. 4 при р = 2%, Cv = 0.25 и Cs/Cv = 2 К2% = 1,62, при р = 0,5% К0,5% = 1,78. По формуле (2) вычислим слой стока 2 и 0,5% обеспеченности:
h2% = Kp% * ho = 1.62 * 120 = 194 мм.
h0,5% = Kp% * ho = 1.78 * 120 = 214 мм.
в) коэффициент δ =1,0 (fоз менее 2%);
г) коэффициент залесенности определим по формуле (3) с параметрами а, n1, которые принимаем по табл. 21 Пособия: а =1,0; n1 = 0,22.
δ1 = а/ (fл + 1)n1 = 1/ (74 + 1)0.22 = 0,39;
д) коэффициент заболоченности определим по формуле (4), в которой параметр β принят по табл. 22 Пособия равным 0,7 (для болот разных типов):
δ2 = 1 – β * ℓg (0.1 * fb + 1) = 1 – 0.7 * ℓg (0.1 * 6 + 1) = 0.86.
е) коэффициент неравенства статистических параметров слоя стока и максимальных расходов принимаем по табл.9 Пособия μ = 0,99 при р = 2% и μ = 1,01 при р = 0,5%. При р = 1% μ = 1, при р = 5% μ = 0,97;
ж) параметры редукции принимаем по табл. 10 Пособия n = 0,17; b =1 км2;
з) максимальный расход весеннего половодья:
Q2% = Ko * hp% * μ * δ * δ1 * δ2 * F / (F + b)n =
= 0,008 * 194 * 0,99 * 1 * 0,39 * 0,86 * 420 / (420 + 1)0,17 =
= 77,6 м3/с.
Q0,5% = Ko * hp% * μ * δ * δ1 * δ2 * F / (F + b)n =
= 0,008 * 214 * 1,01* 1 * 0,39 * 0,86 * 420 / (420 + 1)0,17 = 87,3 м3/с.
и) Объем стока половодья р% обеспеченности (м3) вычислим по формуле (6):
W2% = h2% * F * 103 = 194 * 420 *103 = 81,5 * 106 м3.
W0,5% = h0,5% * F * 103 = 214 * 420 *103 = 89,9 * 106 м3.
3. Определим максимальный мгновенный расход дождевого паводка 2 и 0,5% обеспеченности по формуле (6), предварительно установив её параметры:
а) максимальный мгновенный модуль дождевого стока 1% обеспеченности принимаем по карте Пособия (лист 12а прил. 1) q200 = 0,2 м3/(с*км2);
б) переходной коэффициент к расходу 2 и 0,5% обеспеченности принят по Пособию (лист 13 прил. 1) и табл. 8 прил. 2 равным λ2% = 0,82 и λ0,5% = 1,2 (λ5% = 0,70, λ1% = 1,0);
в) коэффициент редукции максимального модуля стока принимаем по Пособию (лист 10 прил.1) равным n = 0,30;
г) коэффициент влияния проточных озер принимаем равным δ = 1 (проточных озер нет);
д) коэффициент заболоченности вычислим по формуле (4) при β = 0,5:
δ2 = 1 – β * ℓg (0.1 * fb + 1) = 1 – 0,5 * ℓg (0.1 * 6 + 1) = 0,90;
е) коэффициент, учитывающий влияние высоты водосбора принимаем равным δ3 = 1 (п. 4.16 Пособия);
ж) максимальный мгновенный расход дождевого паводка:
Q2% = q200 * (200 / F)n * δ * δ2 * δ3 * λp% * F =
= 0,20 * (200/420)0,3 * 1 * 0,9 * 1 * 0,82 * 420 = 49,6 м3/с.
Q0,5% = q200 * (200 / F)n * δ * δ2 * δ3 * λp% * F =
= 0,20 * (200/420)0,3 * 1 * 0,9 * 1 * 1,2 * 420 = 72,6 м3/с.
з) среднесуточный максимальный расход дождевого паводка 2 и 0,5% обеспеченности определим по формуле (7), в которой параметр Кτ вычислим по формуле (8):
Кτ = В / (F + 1)m1 = 4,4 / (420 +1)0,2 = 1,31
Параметры В, m1 определены по табл. 15 прил. 2 Пособия (лист 11 прил. 1 для района 7): В = 4,4; m1 = 0,2.
Qс2% = Q2% / Kτ = 49,6 / 1,31 = 37,9 м3/с.
Qс0,5% = Q0,5% / Kτ = 72,6 / 1,31 = 55,4 м3/с.
и) Объем ливневого стока р% обеспеченности вычислим по формуле (9):
Wлр% = hлр% * F * 103
где hлр% - расчетный слой ливневого стока р% обеспеченности, мм.
Величина hлр% определяется по рекам-аналогам, а при их отсутствии – по картам ТСН или Пособия:
hлр% = λр% * hл1%,
где λр% - см. формулу (6);
hл1% - слой дождевого стока 1% обеспеченности; принимаем по карте Пособия (лист 16 прил. 1) равным 60 мм.
Тогда:
hл2% = λ2% * hл1%, = 0,82 * 60 = 49,2 мм
Wл2% = hл2% * F * 103 = 49,2 * 420 * 103 = 20,7 * 106 м3.
hл0,5% = λ0,5% * hл1%, = 1,2 * 60 = 72,0 мм
Wл0,5% = hл0,5% * F * 103 = 72,0 * 420 * 103 = 30,2 * 106 м3.
4. Определим среднемноголетний расход и объем воды:
Qo = Mo * F / 1000 = 6,0 * 420 / 1000 = 2,52 м3/с,
где Мо – среднемноголетний годовой модуль стока определяется по карте (лист 1 прил.1 Пособия) для центра тяжести бассейна. Мо=6,0 л/(с*км2).
Среднемноголетний объем стока за год равен:
Wo = 31,54 * 106 * Qo = 31,54 * 106 * 2,52 = 79,5 * 106 м3/год.
5. Определим среднемноголетний расход и объем воды в расчетный маловодный год 95% обеспеченности:
Q95% = К95% * Qo,
где К95% - ордината кривых трехпараметрического гамма-распределения; принимается по прил. 4 в зависимости от величин коэффициента вариации Сv и соотношения Cs / Cv.
Коэффициент вариации среднемноголетнего годового стока определим по карте (лист 2 прил.1 Пособия). Cv = 0.25.
Соотношение коэффициентов асимметрии и вариации определим по карте (лист 4 прил. 1 Пособия). Cs / Cv = 2.
При Cv =0.25 и Cs / Cv = 2; K95% = 0.63.
Q95% = 0.63 * 2.52 = 1.59 м3/с.
Среднемноголетний объем стока в маловодный год 95% обеспеченности составят:
W95% = 31.54 * 106 * Q95% = 31.54 * 106 * 1.59 = 50.1 * 106 м3/год.
Задача 6 (ВиВ)
1. Построить гидрографы, интегральные кривые стока и
водоотдачи из водохранилища.
2. Установить необходимость устройства водохранилища и вид
регулирования речного стока.