Максимальний стік весняного водопілля в басейні річки Нямунас (Німан) і розрахунок його характеристик

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеський державний екологічний університет

УДК 556.16.06<<321>>

МАКСИМАЛЬНИЙ СТіК ВЕСняного водопілля в

БАСЕЙНі РічКИ НЯМУНАС (НЕМАН) і розрахунок

його ХАРАКТЕРИСТИК

11.00.07 - гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

Бабельчус Наталія Володимирівна

Одеса-2004



Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеському державному екологічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор географічних наук, професор Гопченко Євген Дмитрович Одеський державний екологічний університет, проректор з НМР, завідувач кафедри гідрології суші

Офіційні опоненти: доктор географічних наук, професор Іваненко Олександр Григорович, Одеський державний екологічний університет, завідувач кафедри гідроекології та водних досліджень Провідна установа: Київський національний університет імені Тараса Шевченка, географічний

Захист відбудеться “9” грудня 2004 р. о 13.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.090.01 в Одеському державному екологічному університеті за адресою: 65016, м. Одеса-16, вул. Львівська, 15, ОДЕКУ

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського державного екологічного університету за адресою: 65016, м. Одеса-16, вул. Львівська, 15, ОДЕКУ

Автореферат розісланий “ 8 “ листопада 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 41.090.01 А. В. Чугай



АНОТАЦІЇ

Бабельчус Н.В. Максимальний стік весняного водопілля в басейні річки Нямунас (Німан) і розрахунок його характеристик. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук. - Спеціальність 11.00.07. - гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія.-Одеський державний екологічний університет, Одеса, 2004.

Дисертація присвячена розробці методики розрахунку характеристик весняного стоку в басейні р.Нямунас. При побудуванні розрахункової схеми використана теоретична модель А.М. Бефані (у модифікації Є.Д. Гопченка). Цю модель можна віднести до типу формул сталої інтенсивності. На відміну від дещо формального підходу щодо використання в розрахункових схемах сталої інтенсивності редукційних кривих опадів, у запропонованій методиці вводиться поняття редукційних кривих середньої інтенсивності припливу води зі схилів до руслової мережі. Ординати цих кривих для типових гідрографів схилового стоку виражені в залежності від співвідношення між тривалостями припливу T₀ і руслового добігання t_p.

При реалізації розрахункової схеми використовувались методи математичної статистики, чисельного визначення деяких невідомих і фактично невимірюваних параметрів (коефіцієнтів русло-заплавного регулювання, розрахункової тривалості припливу води зі схилів до руслової мережі), а також географічне узагальнення (максимальних запасів води в снігу до початку весняного водопілля, тривалості припливу води зі схилів до руслової мережі, коефіцієнтів стоку за період весняного водопілля).

Ключові слова: весняне водопілля, снігозапаси, максимальний стік, розрахункові характеристики. весняний стік приплив басейн



Бабельчус Н.В. Максимальный сток весеннего половодья в бассейне реки Нямунас (Неман) и расчет его характеристик. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук. Специальность 11.00.07. - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия. - Одесский государственный экологический университет, Одесса, 2004.

Диссертация посвящена разработке методики расчета характеристик весеннего стока в бассейне р.Нямунас.

Водный режим рек бассейна характеризуется высоким весенним половодьем, относительно низкой летней меженью, периодическими летними и осенними паводками.

В среднем доля снегового питания составляет 45-55%, дождевого - 15-20% и 20-30% приходится на подземное питание.

Интенсивное таяние большого количества накопившегося за зиму снега, при небольших потерях на инфильтрацию, приводит к формированию катастрофически высоких половодий. Выдающееся высокое половодье на реке Нямунас наблюдалось в 1958 году. Запас воды в снеге оказался выше нормы в 2,0-2,5 раза.

Средняя высота подъема максимального весеннего уровня по отношению к предпаводочному колеблется от 1,3 до 3,6 м. Максимальная высота подъема может составлять до 9,7 м (у г.Друскининкай, 1958 г.).

На рассматриваемой территории имеется 56 гидрологических постов с периодом наблюдения более 15 лет и 74 метеорологических станций и постов (76% из них относятся к периодам наблюдений более 15 лет).

Гидрометеорологическая сеть размещена по территории равномерно, что позволяет достаточно надежно исследовать сток половодья в различных частях бассейна р.Нямунас.

В качестве теоретической базы для построения расчетной схемы использована теоретическая модель А.Н. Бефани (в модификации Е.Д. Гопченко). Эту модель можно отнести к типу формул предельной интенсивности. В отличие от несколько формального подхода к использованию в расчетных схемах предельной интенсивности редукционных кривых осадков, в принятой методике вводится понятие редукционных кривых средней интенсивности притока воды со склонов в русловую сеть. Ординаты этих кривых для типовых гидрографов склонового стока выражены в зависимости от соотношения между продолжительностью притока T₀ и временем руслового добегания t_p .

При реализации расчетной схемы применялись методы математической статистики, численного определения ряда неизвестных и фактически неизмеряемых параметров (коэффициентов русло-пойменного регулирования, расчетной продолжительности притока воды со склонов в русловую сеть), а также географическое обобщение (максимальных запасов воды в снеге к началу весеннего половодья, продолжительности притока воды со склонов в русловую сеть, коэффициентов стока за период весеннего половодья).

Для исследуемой территории средние многолетние снегозапасы к началу половодья колеблются в пределах от 40 до 90 мм, причем на залесенных частях водосборов их накапливается в среднем на 20% больше, чем на открытых. В работе приводится карта нормы максимальных снегозапасов, относящихся к открытым участкам.

Так как в период половодья на рассматриваемой территории выпадает значительное количество жидких осадков (от 50 до 120 мм), автором предложена методика их вычисления для неизученных водосборов, начиная от даты S_m до конца половодья. Основу ее составляет зависимость среднего многолетнего слоя осадков от площади водосбора.

Установлены региональные зависимости продолжительности притока воды со склонов в русловую сеть T₀ от заболоченности и залесенности.

Эти природные факторы способствуют естественной зарегулированности стока половодья на склонах. По территории T_оз изменяются в зависимости от географического положения объектов и рельефа местности от 600 до 100 часов.

Расчетные коэффициенты стока весеннего половодья _1%, установленные обратным путем, в зависимости от географического положения объектов и рельефа местности изменяются в пределах от 0,27 до 0,95. Их пространственное обобщение выполнено в виде карты изолиний.

Проверочные расчеты показали, что среднее отклонение расчетных, значений максимальных модулей 1%-ной вероятности превышения от исходных величин составило ±11,4%, т. е. находится на уровне точности исходной информации по максимальному стоку (=12,3%).

Удовлетворительная сходимость расчетных и фактических модулей весеннего половодья дает основание рекомендовать методику для практического использования, вместо уже устаревшего нормативного документа СНиП 2.01.14-83 и региональных формул, применяемых в настоящее время на территории Литвы.

Преимуществом предлагаемой расчетной методики, на основе которой выполнено нормирование характеристик максимального стока весеннего половодья в бассейне р.Нямунас является то, что она обладает достаточно гибкой структурой и возможностью учета основных стокоформирующих факторов на различных этапах трансформации склонового и руслового стока. При этом обеспечивается не только возможность расчета максимального стока заданной вероятности ежегодного превышения во всем диапазоне водосборных площадей, но и пригодность ее в качестве научно-методической базы для построения прогнозных схем.

Ключевые слова: весенее половодье, снегозапасы, максимальный сток, расчетные характеристики.



Babelchius N.V. Maximal a drain of a spring high water in river basin Namunas (Neman) and calculation of his characteristics. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 11.00.07.- hydrology of land, water resources, hydrochemistry.- The Odessa State Environmental university, Odessa, 2004.

The dissertation is devoted to development of a design procedure of characteristics of a spring drain in pool r. Namunas. As theoretical base for construction of the settlement circuit the theoretical model is used A.N. Befani (in updating E.D. Gopchenko). This model can be attributed to type of formulas of limiting intensity. In difference from some formalistic approach to use insettlement circuits of limiting intensity reduction curve deposits, in the accepted technique the concept reduction curves of average intensity of inflow of water from a slope in channel a network is entered. Ordinates of these curves for typical hydrographers slope a drain are expressed depending on a parity between duration of inflow T₀ and time channel reach t_p.

At realization of the settlement circuit methods of mathematical statistics, numerical definition of some unknown and actually not measured parameters (factors channel - Inundated regulations, settlement duration of inflow of water from slopes in channel a network), and also geographical generalization (the maximal stocks of water in a snow to the beginning of a spring high water, duration of inflow of water from slopes in channel a network, factors of a drain for the period of a spring high water) were applied.

Key words: a spring flood, storage of water in snow pack, the maximal runoff, calculated characteristics.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Значна кількість відомих методів розрахунку максимального стоку через складну взаємодію факторів, які суттєво впливають на характеристики весняного водопілля, є не цілком обґрунтованими й оптимальними.

Нормативний документ СНіП 2.01.14-83, який рекомендується застосовувати при розрахунках, не можна визнати в достатній мірі надійним, тому що використані в ньому формули не повною мірою враховують основні фактори стокоутворення й особливості їхнього спільного впливу на максимальний стік водопілля.

Автором прийнята більш гнучка структура, що спирається на теоретичну модель А.М. Бефані (1958), модифіковану Є.Д. Гопченком (1975, 1981). Її можна віднести до типу формул сталої інтенсивності.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до основних напрямків наукової діяльності кафедри гідрології суші Одеського державного екологічного університету, а також в інтересах гідрометеорологічної служби Литви при реалізації теми: “Розробка методів розрахунку і прогнозу характеристик гідрологічного режиму річок Литви”.

Мета і задачі дослідження. Головною метою роботи є удосконалення розрахункової схеми максимального стоку весняного водопілля в басейні р.Нямунас, а також виявлення взаємозв'язків між весняним стоком, басейновими і гідрометеорологічними факторами.

Об'єкт дослідження - басейн річки Нямунас (Німан).

Предмет дослідження - обґрунтування характеристик весняного водопілля в басейні річки Нямунас.

Методи дослідження - при аналізі гідрометеорологічної інформації застосовувалися методи математичної статистики, чисельного визначення деяких невимірюваних на гідрологічній мережі параметрів (коефіцієнтів руслозаплавного регулювання і нерівномірності схилового стоку в часі, розрахункової тривалості припливу води зі схилів до руслової мережі), а також географічне узагальнення (максимальних запасів води в снігу до початку весняного водопілля, тривалості припливу води зі схилів до руслової мережі, коефіцієнтів стоку за період весняного водопілля).

Наукова новизна одержаних результатів. Наукову новизну і предмет захисту складають отримані особисто автором наступні результати:

· уперше для басейну р.Нямунас автором розроблена більш надійна методика розрахунку максимальних витрат весняного водопілля невивчених річок, яка дозволяє враховувати основні фактори стокоутворення на його водозборі;

· обґрунтована карта, а на її базі і методика розрахунку максимальних величин запасу води в снігу до початку весняного водопілля;

· за даними гідрологічної мережі визначені, а потім і узагальнені по території у вигляді карти розподілу розрахункові величини тривалості схилового припливу;

· встановлені залежності між русло-заплавним регулюванням максимальних витрат весняного водопілля і розмірами водозборів;

· обґрунтовані у вигляді карти розрахункові величини коефіцієнтів стоку за період весняного водопілля;

· надана кількісна оцінка впливу заболоченості і залісеності водозборів на процеси формування схилового стоку;

· обґрунтовані регіональні параметри формули швидкостей руслового добігання.

Практичне значення одержаних результатів. Практична значущість дослідження полягає в розробці більш надійної, у порівнянні з діючим у Литві СНіПом 2.01.14-83 і наявними регіональними розробками (Д.В. Некрошене, 1985), методики розрахунку характеристик максимального стоку весняного водопілля в басейні р.Нямунас.

Особистий внесок здобувача. Запропонована методика розрахунку максимальних модулів стоку весняного водопілля й обґрунтування її розрахункових параметрів в басейні р.Нямунас належать особисто автору дисертації.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дослідження, що увійшли до дисертаційної роботи, доповідалися на міжнародній науковій конференції “Гідрометеорологія й охорона навколишнього середовища - 2002” (Одеса, вересень, 2002 р.), а в повному обсязі вона розглядалася й обговорювалася на розширеному науковому семінарі кафедри гідрології суші Одеського державного екологічного університету (ОДЕКУ) (травень, 2003 р.).

Публікації. По темі дисертації автором опубліковано шість наукових праць, з них чотири - у виданнях, рекомендованих ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Повний обсяг дисертаційної роботи складає 155 сторінок, в тому числі 25 рисунків, 11 таблиць, 13 додатків. За своєю структурою вона складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 83 найменувань.

Автор вважає своїм приємним обов'язком виразити вдячність своєму науковому керівникові завідувачу кафедри гідрології суші ОДЕКУ, д. г. н., професору Євгену Дмитровичу Гопченку за постійну увагу і допомогу в процесі роботи над дисертацією.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наводиться обґрунтування актуальності дисертаційного дослідження, формулюються його мета і задачі, розглядаються наукова новизна і практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі надається коротка фізико-географічна характеристика басейну р.Нямунас, а також аналіз впливу підстильної поверхні на формування весняного водопілля.

Довжина річки від витоку до гирла становить 937 км. Загальна площа водозбору р.Нямунас складає 98200 км². Річкова мережа в басейні розвинута добре і складає приблизно 0,35 км на 1 км².

Приблизно 30% усієї площі басейну займають озерно-льодовикові безвалунні відкладення, суглинки і пилуваті породи, іноді покриті зверху шаром малої потужності середньозернистих і грубозернистих пісків, рідше - гравієм і галечником. Склад і властивості материнських порід взаємозалежні з режимом річкового стоку.

Практично весь басейн Нямунаса знаходиться у зоні хвойно-листяних лісів, але поширені вони нерівномірно, що обумовлює асинхронність надходження поталих вод до річкової мережі і сприяє розтягуванню водопілля та зниженню його максимумів.

У теплий період року під дією атлантичних повітряних мас погода часто буває похмурою, дощовою і прохолодною. При континентальних вторгненнях повітряних мас, повторюваність яких над розглядаємою територією досить рідка, спостерігаються сильні морози узимку, заморозки - навесні і восени, а літо буває жарким і посушливим. Континентальність клімату помітно збільшується при просуванні від узбережжя Балтійського моря на схід.

Зима триває 3-4 місяці. За цей час опадів у твердому вигляді випадає 8-14% від річної суми. У суворі сніжні зими максимальна висота сніжного покриву може значно перевищувати зазначені середні величини, досягаючи 80-100 см у східній частині басейну і 40-60 см - у західній.

Водний режим річок басейну характеризується високим весняним водопіллям, відносно низькою літньою меженню, періодичними літніми й осінніми паводками.

У середньому частка снігового живлення складає 45-55%, дощового - 15-20% і 20-30% приходиться на підземне живлення.

Середнє перевищення підйому максимального весняного рівня води, у порівнянні з передпаводковим, коливається від 1,3, до 3,6 м. Максимальна висота підйому може досягати 9,7 м (у м. Друскінінкай, 1958).

Бурхливе танення великої кількості снігу, що накопичився за зиму, при невеликих утратах на інфільтрацію, призводить до формування катастрофічно високого водопілля. Виключно високе водопілля на річці Нямунас спостерігалося в 1958 році. Запас води в снігу був вищим за норму в 2,0-2,5 рази.

На розглянутій території використані дані по 56 гідрологічних постах з періодами спостереження більш 15 років і 74 метеорологічних станціях і постах (76% з них мають періоди спостережень більш 15 років).

Гідрометеорологічна мережа розміщена по території більш-менш рівномірно, що дозволяє досить надійно досліджувати стік водопілля в різних частинах басейну р.Нямунас.

Другий розділ містить аналіз сучасного стану в галузі розрахунку максимального стоку весняного водопілля.

Розглянуті дві групи методів. Першу складають формули А.В. Огієвського (1938), Д.Л. Соколовського (1937), В.І. Мокляка (1949), СНіП 2.01.14-83 і регіональні розробки (1985), які спираються на модель одномодальних гідрографів.

До другої відносяться методи, які ґрунтуються на спрощеній гідромеханічній теорії формування максимального стоку. До них можна причислити формули А.М. Бефані (1958, 1981), А.В. Огієвського (1945), Й.А. Желєзняка (1965), В.І. Мокляка (1955).

Найбільше поширення одержали формули першої групи , але головним чином - редукційного типу.

Основним недоліком цього типу формул є неможливість урахування на різних етапах формування водопілля всього комплексу природних факторів.

Перш, ніж обґрунтувати розрахункову методику, автором був виконаний аналіз уже добре відомих структур, серед них найбільш перспективними можна вважати формули А.М. Бефані, Й.А. Желєзняка і В.І. Мокляка.

Однією з досить добре розроблених є математична модель А.М. Бефані (1981). Обґрунтована ним розрахункова формула може бути представлена рівнянням:

, (1)

де q_m - максимальний модуль весняного стоку;

Y_m - максимальний шар стоку;

t_p - час руслового добігання;

- коефіцієнт повноти схилового припливу;

K_Г - гідрографічний коефіцієнт;

K_F - коефіцієнт русло-заплавного регулювання.

Рівняння Й.А. Желєзняка записується у вигляді:

, (2)

де Q_m - максимальна витрата води весняного водопілля;

К_м.г.м. - метеоролого-гідравліко-морфометричний параметр;

Y_m - максимальний шар стоку;

F - площа водозбору.

Зіставлення (1) і (2) показує, що К_м.г.м. у формулі Й.А. Желєзняка повинний бути чисельно рівним відношенню:

, (3)

Таким чином, К_м.г.м. є, по-суті, збірний параметр, який ураховує не “метеоролого-гідравліко-морфометричні” особливості формування стоку, а ступінь повноти схилового припливу (через ), форму водозбору (через К_г) і русло-заплавне регулювання (через К_F ). Крім того, як видно з (3), К_м.г.м. є розмірною величиною , зворотною часу руслового добігання. Таким чином, (2) є фактично одним з варіантів формули сталої інтенсивності.

За дослідженнями автора, формула Й.А. Желєзняка може бути застосована тільки за умови малої змінюваності по території тривалості припливу T₀. В іншому випадку необхідне нормування К_м.г.м. саме по T₀, що і було реалізовано в дисертаційній роботі.

Формула В.І. Мокляка, як і наведені вище, заснована на моделі руслових ізохрон. Вона має вигляд^

, (4)

де a_m - максимальна годинна інтенсивність водовіддачі (мм/година);

₁ - коефіцієнт редукції модуля максимальної витрати.

Судячи з формули (4), вона відноситься до типу сталої інтенсивності, структура якої пов'язана зі спрощеною і дещо модифікованою моделлю руслових ізохрон. Якщо ж мати на увазі методичну базу для визначення редукційного коефіцієнту ₁, то (4) варто віднести до редукційних формул. Від відомих редукційних формул, у яких використовується площа водозбору, тут урахування закономірностей зменшення модуля максимального стоку з ростом F здійснюється через час руслового добігання t_p , а точніше - через співвідношення t_p/T₀.

Оскільки структура (4) не має строгого теоретичного обґрунтування, її можна віднести до напівемпіричних.

Параметр a_m, що входить у (4), В.І. Мокляком рекомендується приймати по таблицях, приведених у Довідниках по ресурсах поверхневих вод колишнього СРСР, т. 6, вип.1.

Що стосується , то у випадках, коли t_p/T₀>1.0, він обчислюється за формулою

. (5)

Якщо відношення t_p/T₀<1.0, але t_p>1 доби, ₁ визначається за формулою

. (6)

І, нарешті, коли час добігання t_p<1 доби, коефіцієнт редукції варто обчислювати за формулою

. (7)

Маючи на увазі, що в басейні р.Нямунас T₀ повсюдно більше 100 годин, то 0,24/T₀0 . Отже, верхнє граничне значення буде дорівнювати 1/0,92=1,09. Можливо, це пов'язано з тим, що в розрахунковій схемі В.І. Мокляка замість максимального миттєвого значення a_m використовується середнє годинне значення інтенсивності водовіддачі a_m, (для a_m і a_m очевидним є співвідношення: a_m >a_m ).

Запропонована методика для нормування характеристик максимального стоку весняного водопілля в басейні р.Нямунас спирається на теоретичну модель А.М. Бефані (1958, 1981), згодом модифіковану Є.Д. Гопченком (1981). У розрахунковому варіанті її слід віднести до формул сталої інтенсивності.

Базове рівняння має вигляд:



, (8)

де трансформаційний параметр, обумовлений часом руслового добігання, який приймає різну структуру в залежності від співвідношення t_p/T₀.

Так,

а) при t_p/T₀<1.0

; (9)

б) при t_p/T₀ 1,0

; (10)

в) при t_p/T₀=0

. (11)

Щодо весняного водопілля, то замість шарів стоку Y_m можна використовувати максимальні снігозапаси до початку весняного водопілля S_m у сумі з кількістю опадів від дати S_m до кінця водопілля X,

, (12)

де d_m - величина максимального надходження води на водозбір у період формування весняного водопілля;

S_m - максимальні снігозапаси до початку весняного водопілля;

X - кількість опадів від дати S_m до кінця водопілля.

У такому випадку розрахункове рівняння для нормування характеристик максимального стоку в басейні р.Нямунас можна записати у вигляді

, (13)

де - об'ємний коефіцієнт весняного стоку.

Перевагою структури (13), у порівнянні з (8), є те, що її в перспективі можна використовувати при побудові прогнозних методик.

Третій розділ присвячено статистичному аналізу часових рядів максимальних витрат води і шарів стоку весняного водопілля, а також максимальних снігозапасів у басейні р.Нямунас.

Відповідно до рекомендацій нормативного документу СНіП 2.01.14-83, статистична обробка виконувалася двома методами - моментів та найбільшої вірогідності.

Значення коефіцієнтів варіації для максимальних витрат води, обчислених за допомогою методу моментів, коливаються від 0,26 (р.Шустіс - п.Йонайчай) до 1,34 (р.Сервеч - п.Кривичі). За методом найбільшої вірогідності варіювання коливається в трохи меншому діапазоні - від 0,26 (р.Шустіс - п.Йонайчай) до 1,02 (р.Сервеч - п.Кривичі).

Співвідношення C_s/C_v встановлене за методом найбільшої вірогідності, осереднене і прийняте для максимальних витрат води на рівні 3,0, тобто C_s=3,0C_v .

Визначивши параметри , C_v, C_s/C_v =3,0 і, спираючись на криву трипараметричного гама-розподілу, були обчислені витрати води різної ймовірності перевищення: Q_1%, Q_5%, Q_10%, Q_25%.

Для переходу від опорної 1%-ї забезпеченості до інших запропонована таблиця перехідного коефіцієнта _p .

Точність визначення витрат води 1%-ї ймовірності перевищення по наявних рядах, яка характеризується середньою квадратичною погрішністю _Q1%, оцінюється величиною 12,3%.

Значення коефіцієнтів варіації для шарів стоку весняного водопілля, обчислених за допомогою методу моментів, коливаються від 0,21 (р.Німан - п.Лампеджай) до 0,77 (р.Шяшупе - п.Капсукас). За методом найбільшої вірогідності коефіцієнти варіації коливаються від 0,20 (р.Німан - п.Лампеджай) до 0,75 (р.Сервеч - п.Кривичі).

Встановлене за методом найбільшої вірогідності співвідношення C_s/C_v осереднене по всіх рядах і прийнято для шарів стоку весняного водопілля рівним 1,5 . Обчислені шари стоку весняного водопілля 1%-ї ймовірності перевищення змінюються в межах від 253 (р.Юра - п.Таураге) до 87 мм (р.Свіслоч - п.Долина).

Точність визначення шарів стоку весняного водопілля 1%-ї ймовірності перевищення _Y1% оцінюється величиною 6,6 %. Такий рівень _Y1% повною мірою відповідає вимогам СНіП 2.01.14-83.

У цьому ж розділі розглянуті статистичні характеристики максимальних снігозапасів до початку весняного водопілля (включаючи і запас води в крижаній кірці).

При формуванні часових рядів за сніжним покривом використані дані польових ділянок. Значення середніх максимальних снігозапасів води коливаються від 38 (п.Капсукас) до 88 мм (п.Медіна). Коефіцієнти варіації змінюються від 0,34 (п.Копиль) до 0,66 (п.Совєтськ).

Співвідношення C_s/C_v, встановлене за допомогою методу найбільшої вірогідності, осереднене по всіх рядах і прийняте для максимальних снігозапасів на рівні 1,5.

Коефіцієнт варіації максимальних снігозапасів для всього басейну становить 0,52, а коефіцієнт асиметрії, нормований по його співвідношенню з коефіцієнтом варіації, у середньому дорівнює для всього басейну 1,5. Величина у межах досліджуваної території становить 59 мм.

Відомо, що величина S_m ураховує не всі види надходження вологи на водозбір. Досить суттєвими є опади , що випадають на поверхню водозбору в ході самого водопілля. Середня величина їх для усього водозбору складає близько 70 мм, а це досить вагомий внесок (54% від вологи, що надходить на водозбір у період весняного водопілля) у формування водопілля.

Встановлено, що коефіцієнт варіації максимальних снігозапасів залежить від середнього багаторічного значення . З ростом він убуває, причому:

. (14)

Для практичних цілей середні багаторічні значення узагальнені у вигляді карти ізоліній. На більшій частині території величина снігозапасів змінюється з північного заходу на південний схід - від 90 до 40 мм. Суттєвий вплив на максимальні снігозапаси має наявність на водозборі гряд, височин і низин. Слід відзначити, що карта відноситься до відкритих, тобто незалісених водозборів. В результаті аналізу матеріалів спостережень на польових і залісених парних водозборах (48 пунктів) отримана залежність між снігозапасами в лісі й у полі, яка описується рівнянням

, (15)

де - величина снігозапасів у лісі;

- величина снігозапасів у полі.

При розрахунках середніх снігозапасів по басейнах вони визначаються як середньозважені значення , тобто

, (16)

де f_л - відносна залісеність у частках від одиниці.

Підрахунок щорічних шарів опадів X для кожного водозбору здійснювався від дати S_m до кінця водопілля по добових величинах тих метеостанцій, які ближче розташовані до центрів тяжіння водозборів. Після обчислення середніх багаторічних значень побудована залежність , причому

, мм. (17)

З іншого боку, існує залежність між тривалістю водопілля і розмірами водозборів. В результаті отримане розрахункове рівняння для X :

, мм. (18)

Кількість вологи, що надходить на водозбір у період весняного водопілля забезпеченістю Р%, дорівнює

, мм (19)

де d_P% - величина надходження води на водозбір у період формування весняного водопілля розрахункової ймовірності перевищення P%;

K_P% - модульний коефіцієнт, який встановлюється по таблицях трипараметричного гама-розподілу по C_v, визначених за допомогою (14) при C_s/C_v=1,5.

Кількість вологи, що надходить на водозбір у період весняного водопілля забезпеченістю P%, дорівнює

У четвертому розділі приводиться обґрунтування розрахункових характеристик графіків припливу води зі схилів до руслової мережі, які на жаль, поки-що не вимірюються на мережі гідрологічних станцій.

Показник ступеня в рівнянні кривої схилового припливу , який входить до розрахункової формули при визначенні ординат трансформаційної функції і гідрографічних коефіцієнтів K_Г, встановлювався через коефіцієнти форми руслових гідрографів

(m₁+1)/m₁.

Останній, згідно Є.Д. Гопченку (1985), дорівнює

, (20)

де 86,4 - коефіцієнт розмірності при максимальній витраті Q_m - у м³/с, тривалості весняного водопілля Т_П - у добах, шарах стоку за водопілля Y_m - у мм і площах водозборів F - у км².

Автором параметр (m₁+1)/m₁ визначався по Q_m, Y_m і Т_П, осереднених за весь період спостережень по кожному посту, за методикою, запропонованою Є.Д. Гопченком. Узагальнення коефіцієнтів нерівномірності руслового стоку в період весняного водопілля (m₁+1)/m₁ виконане в залежності від площ водозборів. Здійснивши лінійну екстраполяцію на вісь ординат, отриманий коефіцієнт нерівномірності схилового припливу



(n+1)/n=[(m₁+1)/m₁]_F0 =6,0

що відповідає показнику ступеня n, рівному 0,20.

Тривалість припливу води зі схилів до руслової мережі в період весняного водопілля T₀ встановлювалася чисельним шляхом з використанням програми, складеної на кафедрі гідрології суші ОДЕКУ.

Суттєвий вплив на тривалість припливу в басейні р.Нямунас мають такі фактори схилового стоку, як залісеність і заболоченість водозборів.

У загальному випадку

, (21)

де Т_оз - значення тривалості припливу води зі схилів до руслової мережі в період весняного водопілля (без урахування залісеності і заболоченості водозборів);

К_л - поправочний коефіцієнт до Т₀ на залісених водозборах;

К_б - поправочний коефіцієнт до Т₀ на заболочених водозборах.

Для залісених водозборів обґрунтоване рівняння:

, (22)

де f_л - залісеність, %.

Коефіцієнт K_б на заболочених водозборах можна представити рівнянням:

, (23)



де f_б - заболоченість, %.

Величина Т_оз була картована. Вона змінюється з північного заходу на південний схід у межах від 620 до 140 годин. На такий контраст величин тривалості Т_оз впливає наявність у межах водозборів гряд, височин і низовин. Зокрема, у верхів'ї річки Нямунас (Білоруська гряда) Т_оз змінюється в межах від 200 до 400 годин, у середній течії (Гродненська моренна височина і Балтійська гряда) - у межах від 400 до 600 годин, а у пониззі (Вилькишкська гряда і Приморська низовина) - від 200 до 600 годин.

У п'ятому розділі проведене обґрунтування регіональних параметрів формули швидкостей, гідрографічних коефіцієнтів, коефіцієнтів русло-заплавного водообміну, ординат редукційних кривих середньої інтенсивності припливу води зі схилів до руслової мережі і коефіцієнтів весняного стоку.

Регіональна формула швидкостей руслового добігання для басейну р.Нямунас, в основу якої покладена відома в гідравліці формула Шезі, записується у вигляді:

, км/год, (24)

де F - площа водозбору, км²;

I_вз - середньозважений ухил річки, ⁰/₀₀.

Гідрографічні коефіцієнти К_Г являють собою поправочні множники для переходу від прямокутної форми водозборів до реальної.

При t_p/T₀<1.0 вони у значній мірі визначаються динамікою припливу води зі схилів до руслової мережі й у меншій - формою водозборів. Навпаки, коли t_p>T₀, провідну роль відіграє форма річкової мережі, а другорядну - динаміка припливу води зі схилів до русел річок.

У басейні р.Нямунас повсюдно t_p<T₀, у зв'язку з чим допоміжна таблиця для визначення гідрографічного коефіцієнту К_Г складена для діапазону t_p/T₀1,0.

Русло-заплавне регулювання суттєво впливає на величину максимальних модулів стоку весняного водопілля в басейні р. Нямунас, величина якого змінюється від 1,0 при F 0 до 0,20 - при F =100000 км².

Природно, важливе місце в роботі було приділене розрахунку одного з основних параметрів запропонованої схеми-коефіцієнту трансформації .

Оскільки він, як видно з (9-11), залежить не тільки від співвідношення t_p/T₀, але безпосередньо й від T₀, то його нормування досить утруднене. Щоб одержати наочне представлення про поводження функції при різних співвідношеннях між t_p i T₀, здійснене її нормування по T₀. Для досліджуваної території n=-0,2, отже, рівняння (9-11) приймуть розрахунковий вигляд:

а) при t_p/T₀=0

; (25)

б) при 0<t_p/T₀<1.0

; (26)

в) при t_p/T₀1.0

(27)

Ординати редукційних кривих змінюються в дуже широких межах - від 0,0128 (р.Іслоч-п.Боровиковщина, F = 624 км²) до 0,0034 (р.Нярис - п.Буйвиджяй, F=11100 км²).

Коефіцієнти стоку весняного водопілля у рамках запропонованої методики для забезпеченості P=1% одержано зворотним шляхом з формули (13).

Отримані для 56 річкових водозборів у басейні р.Нямунас значення _1% змінюються від 0,27 (р.Німан - м.Каунас) до 0,95 (р.Юра - п.Таураге) і обумовлені деякою мірою географічним положенням водозборів.

Для величин коефіцієнтів стоку було проведено аналіз з точки зору можливого впливу на них залісеності і заболоченості водозборів. Вираженої залежності _1% від цих ландшафтних факторів не виявлено. Також не просліджується зв'язку між коефіцієнтами стоку і розмірами водозборів.

Тому розраховані величини коефіцієнтів стоку були картовані. У цілому _1% зменшуються в напрямку з північного заходу на південний схід від 0,80 до 0,30. Широтна закономірність порушується головним чином рельєфом. У верхів'ї річки Нямунас (Білоруська гряда) вони варіюють від 0,6 до 0,3, у середній течії (Гродненська моренна височина і Балтійська гряда) - від 0,3 до 0,7, а в пониззі (Вилькишкськая гряда і Приморська низовина) - від 0,5 до 0,8.

Для урахування впливу озерності на максимальний стік пропонується користуватися формулою СНіП 2.01.14-83:

, (28)

де - коефіцієнт, який приймає значення від 0,2 до 0,4 у залежності від середнього шару стоку за водопілля;

f_оз - середньозважена озерність водозбору, %.

З урахуванням коефіцієнтів забезпеченості _р і озерного регулювання розрахункове рівняння щодо модулю стоку весняного водопілля в басейні річки Нямунас має вигляд:

, м³/скм² . (29)



Перевірочні розрахунки (по 56 об'єктах) показали, що середнє відхилення розрахункових значень максимальних модулів 1%-ї ймовірності перевищення по (29) від вихідних величин склало ±11,4%, тобто знаходиться на рівні точності вихідної інформації з максимального стоку (_q1%=12,3%).

Задовільна збіжність розрахункових і вихідних модулів весняного водопілля дає підставу рекомендувати методику для практичного використання замість вже застарілого нормативного документу СНіП 2.01.14-83 і регіональних формул.



ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі вперше для басейну р.Нямунас розроблена більш надійна методика розрахунку максимальних витрат весняного водопілля невивчених річок, яка дозволяє урахувати основні фактори стокоутворення на його водозборі.

На підставі виконаного дослідження можна зробити наступні висновки:

1. У дисертації наведене вирішення на регіональному рівні задачі, що полягає в удосконаленні розрахунків максимального стоку веснянного водопілля річок басейну Німана.

2. В процесі аналізу сучасного стану в області розрахунку характеристик максимального стоку весняного водопілля в басейні р.Нямунас встановлено, що в основному на практиці використовуються формули редукційного типу. До їхнього числа відноситься і нормативний документ СНіП 2.01.14-83, який дотепер застосовується в Литві.

Недоліком цього типу формул є неможливість урахування на різних етапах формування водопілля всього комплексу природних факторів.

Автором уперше для описуваної території використана базова математична модель, запропонована А.М. Бефані і модифікована Є.Д. Гопченком.

3. Розглянутий об'єкт у гідрологічному відношенні вивчений досить добре. Наявні ряди спостережень за максимальним стоком водопілля характеризуються тривалістю спостережень від 15 до 175 років. Якість цих матеріалів задовільна. Для побудови розрахункової методики максимального стоку весняного водопілля в басейні р.Нямунас використані матеріали по 56 гідрологічних постах і 74 метеорологічних станціях і постах стаціонарної гідрометеорологічної мережі Литви і Білорусі.

4. На більшій частині території середні багаторічні шари снігозапасів до початку водопілля коливаються в межах від 40 до 90 мм, причому на залісених частинах водозборів їх накопичується в середньому на 20% більше, ніж на відкритих. У роботі надається карта норм максимальних снігозапасів, віднесених до відкритих ділянок.

5. Оскільки в період водопілля на розглядуваній території випадає значна кількість рідких опадів (від 50 до 120 мм), автором запропонована методика їхнього обчислення для невивчених водозборів, починаючи від дати S_m до кінця водопілля. Основу її складає залежність середнього багаторічного шару опадів від площі водозборів.

6. Встановлено регіональні залежності тривалості припливу води зі схилів до руслової мережі T₀ від заболоченості і залісеності. Ці природні фактори сприяють посиленню зарегульованості стоку водопілля на схилах. По території T_оз змінюються в залежності від географічного положення об'єктів і рельєфу місцевості від 600 до 100 годин.

7. На підставі аналізу морфометричних характеристик русел річок, а також матеріалів вимірів швидкостей течії в окремих гідростворах обґрунтовані регіональні параметри формули швидкостей руслового добігання.

8. Значний вплив на величину максимальних модулів стоку водопілля має русло-заплавне регулювання, величина якого визначається розмірами водозборів, змінюючись від 1,0 при F0 до 0,20 при F =100000 км².

9. Розрахункові коефіцієнти стоку весняного водопілля _1% визначені зворотним шляхом і в залежності від географічного положення об'єктів і рельєфу місцевості змінюються в межах від 0,27 до 0,95. Їхнє просторове узагальнення виконане у вигляді карти ізоліній. В басейні р.Нямунас середні багаторічні коефіцієнти стоку практично збігаються з _1% . Очевидно, у зоні достатнього зволоження мінливість утрат весняного стоку від року до року піддається незначним коливанням (принаймні, при P<50% ).

10. Перевірочні розрахунки по 56 об'єктах показали, що середнє відхилення розрахункових значень максимальних модулів 1%-ї ймовірності перевищення від вихідних величин склало ±11,4%, що знаходиться на рівні точності вихідної інформації з максимального стоку (=12,3%). Задовільна збіжність розрахункових і вихідних модулів весняного водопілля q_1% дає підставу рекомендувати методику для практичного використання замість вже застарілого нормативного документу СНіП 2.01.14-83 і регіональних формул.

11. У подальшому при дослідженнях проблеми максимального стоку водопілля в басейні р.Нямунас необхідно вивчити мінливість коефіцієнтів стоку для всього діапазону забезпеченостей, що необхідно при розробці територіальних довгострокових прогнозів характеристик весняного водопілля.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА, ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бабельчус Н.В. Расчетные характеристики снегозапасов к началу весеннего половодья в басейне р.Нямунас (Неман) // Метеорология, климатология и гидрология.- 1999 - Вып.- 39.- С.209-213.

2. Бабельчус Н.В. Расчетные характеристики графиков склонового притока талых вод в бассейне реки Нямунас (Неман) // Метеорологія, кліматологія та гідрологія.- 2000 - Вип.41.- С.57-62.

3. Бабельчус Н.В. Обоснование коэффициентов стока за период весеннего половодья в бассейне реки Нямунас // Метеорологія, кліматологія та гідрологія.- 2000 - Вип.41.- С.72-76.

4. Бабельчус Н.В. О применимости редукционных формул максимального стока весеннего половодья в бассейне реки Нямунас (Неман) // Метеорологія, кліматологія та гідрологія.-2002. - Вип.46.-С. 364-368.

5. Бабельчус Н.В. Расчетные характеристики снегозапасов весеннего половодья в басейне р.Нямунас (Неман) // Вісник аграрної науки південного регіону. Вип.1 - Одеса: Укр. Ак. аграрних наук, 2000 - С.125-128.

6. Бабельчус Н.В.Методика расчета максимального стока весеннего половодья в бассейне реки Нямунас (Неман) // Тез. допов. Міжнар. конф. "Гідрометеорологія і охорона навколишнього середовища - 2002".-0деса, 2002-С.198-199.

Размещено на Allbest.ru