Використання формул об’ємного типу для нормування розрахункових характеристик весняного водопілля в басейні р. Сіверський Донець

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеський державний екологічний університет

УДК 556.166”321”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

Використання формул об'ємного типу для нормування розрахункових характеристик весняного водопілля в басейні р. Сіверський донець

11.00.07 - гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія

Авгайтіс Сергій Володимирович

Одеса-2011

Дисертацією є рукопис водопілля гідрографія проектування

Робота виконана в Одеському державному екологічному університеті Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України

Науковий керівник:

доктор географічних наук, професор Гопченко Євген Дмитрович, Одеський державний екологічний університет, проректор з навчально-методичної роботи, завідувач кафедри гідрології суші

Офіційні опоненти:

доктор географічних наук, професор Ободовський Олександр Григорович Київський національний університет ім.Тараса Шевченка, заступник декана з наукової роботи географічного факультету

кандидат географічних наук Захарова Марина Володимирівна Одеський державний екологічний університет, доцент кафедри гідроекології та водних досліджень

Захист відбудеться «09» червня 2011 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.090.01 в Одеському державному екологічному університеті за адресою: 65016, м.Одеса, вул..Львівська, 15, ОДЕКУ.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Одеського державного екологічного університету за адресою: 65016, м.Одеса, вул.Львівська, 15, ОДЕКУ.Автореферат розісланий «06» травня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 41.090.01 А.В.Чугай

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Максимальний стік на річках є обмежуючим фактором при проектуванні, будівництві та експлуатації гідротехнічних споруд. Гідрологічні обґрунтування таких проектів полягають у визначенні розрахункових характеристик дощових паводків і весняних водопіль, до яких відносяться максимальні витрати води, шари і самі гідрографи стоку. При наявності водосховищ проточного типу великого значення набувають не лише ці параметри стоку в період високих вод, але й гідрографи стоку, які обумовлюють розміри регулюючих ємностей у верхніх б'єфах водойм руслового типу.

В Україні гідрологічні розрахунки здійснюються у відповідності до нормативного документу СНіП 2.01.14-83. Цей документ узагальнив матеріали спостережень до 1980 року. За минулий період часові ряди максимального стоку весняного водопілля подовжились більше, ніж на 30 років. З іншого боку, з'ясувалося, що неоптимальною залишається й науково-методична база, на якій побудовано СНіП 2.01.14-83. Тому актуальність дисертаційного дослідження знаходиться у площині вирішення двох проблемних завдань: обґрунтування одного з можливих варіантів методики для нормування розрахункових характеристик максимального стоку весняного водопілля, включаючи й проектування гідрографів стоку, а з іншого, на більш тривалих часових рядах уточнення вихідних даних різної ймовірності перевищення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися у відповідності до наукових напрямків діяльності кафедри гідрології суші Одеського державного екологічного університету (тема «Водні ресурси річок України», № ДР0103U00545, яка виконувалась в період 2002ч2007 рр., та тема «Розрахунки і прогнози характеристик максимального стоку рівнинних річок України», 2008ч2012 рр., № ДР0108U005166) та Постанови Кабінету Міністрів України № 90 від 03 липня 2006 року «Комплексна програма захисту сільських населених пунктів і сільськогосподарських угідь від шкідливої дії води на період до 2010 р. та прогноз до 2020 року».

Мета і завдання дослідження полягають в обґрунтуванні та реалізації на об'єктах річок басейну р.Сіверський Донець науково-методичної бази для розрахунку характеристик максимального стоку та проектування гідрографів весняного водопілля, включаючи:

- статистичну обробку та просторове узагальнення часових рядів максимальних витрат води і шарів стоку за період водопілля;

- визначення та узагальнення у межах досліджуваної території розрахункових характеристик схилового припливу (коефіцієнтів часової нерівномірності, тривалості припливу), коефіцієнтів русло-заплавного регулювання водопіль;

- визначення та здійснення нормування параметрів для проектування розрахункових гідрографів весняних водопіль.

Об'єкт дослідження - характеристики максимального стоку весняного водопілля в басейні р.Сіверський Донець. Предмет дослідження - розрахункові характеристики максимального стоку (витрати води і шари стоку) і гідрографи весняного водопілля річок басейну р.Сіверський Донець.

Методи дослідження - статистичний аналіз часових рядів максимальних витрат води і шарів стоку весняного водопілля, їх просторове узагальнення, виконання зворотніх розрахунків при визначенні окремих (невимірюваних) параметрів розрахункових схем максимальних витрат води і гідрографів весняного водопілля (коефіцієнтів часової нерівномірності схилового припливу, тривалості припливу води до руслової мережі, коефіцієнтів русло-заплавного регулювання максимального стоку водопіль).

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна дисертаційного дослідження полягає у наступному:

- автором на підставі аналізу сучасної нормативної бази запропоновано варіант формули максимального стоку об'ємного типу та реалізовано її на об'єктах річок басейну р.Сіверський Донець;

- удосконалено науково-методичну базу СНіП 2.01.14-83 для проектування розрахункових гідрографів стоку весняного водопілля в басейні р.Сіверський Донець (в частині розрахунку максимальних витрат води, визначення коефіцієнтів несиметричності гідрографів стоку, тривалості підйому водопіль та перехідних коефіцієнтів від миттєвих витрат води до їх середньодобових значень);

- визначенні потенційних максимальних модулів стоку весняного водопілля в басейні р.Сіверський Донець 1%-ої ймовірності перевищення.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновані методики для нормування розрахункових характеристик максимального стоку весняного водопілля і проектування їх гідрографів можуть бути безпосередньо використані у практичній діяльності проектних організацій Держводагенції України, а науково-методична база - як один із можливих варіантів при підготовці в країні нового нормативного документу замість поки-що діючого СНіП 2.01.14-83. Тим більш, що засновниками цього СНіПу його скасовано у більшості країн СНД, ще починаючи з 2003 року.

Результати дослідження використані при підготовці кафедрою гідрології суші Одеського державного екологічного університету заключного звіту за темою «Водні ресурси річок України» (2002-2007 рр.) та увійшли до проміжного звіту (2009 р.) за кафедральною темою «Розрахунки і прогнози характеристик максимального стоку рівнинних річок України».

Особистий внесок здобувача. Основні результати, які відрізняються науковою новизною, належать особисто автору. Зокрема, у статтях «До проектування гідрографів паводків і водопіль рівнинних річок України» (2007 р.) та «Деякі проблеми і питання, пов'язані з проектуванням розрахункових гідрографів весняного водопілля» (2008 р.), дисертанту належить реалізація нових підходів до вирішення принципових положень проектування гідрографів стоку, порівняно з діючим СНіП 2.01.14-83. У статтях «Використання формул об'ємного типу для нормування характеристик весняного водопілля в басейні р.Сіверський Донець» (2008 р.) та «Нормирование характеристик максимального стока весеннего половодья в басейне р.Северский Донец на базе формул объемного типа» (2010 р.) запропопоновано два дещо різних варіанти формул об'ємного типу, які реалізовано на прикладі р.Сіверський Донець. А у статті «До розрахунку коефіцієнтів несиметричності гідрографів стоку» (2007 р.) автору належить обґрунтування розрахункових рівнянь для визначення параметрів гідрографів стоку весняного водопілля в басейні р.Сіверський Донець.

Апробація результатів дисертації. Оприлюднення результатів дисертації відбулося на 4-х науково-технічних конференціях:

- на другій міжнародній науково-технічній конференції «Навколишнє природне середовище-2007. Актуальні проблеми екології та гідрометеорології, інтеграція освіти і науки» (Одеса, 26-28.09.2007 р.);

- на міжнародній науково-практичній Інтернет-конференції «Наукові дослідження та їх практичне застосування. Сучасний стан та шляхи розвитку» (Одеса, 1-15 жовтня 2007 р.);

- на міжнародній науково-практичній Інтернет-конференції «Наукові дослідження та їх практичне застосування. Сучасний стан та шляхи розвитку» (Одеса, 15-25 грудня 2007 р.);

- на міжнародній науково-практичній Інтернет-конференції «Сучасні проблеми та шляхи їх вирішення в науці, транспорті, виробництві та освіті» (Одеса, 20-27.12.2010 р.).

Публікації. Результати досліджень за тематикою дисертаційної роботи опубліковані у 8-ми наукових працях, у тому числі 4 з них - в періодичних виданнях, що входять до переліку фахових видань ВАК України, та у 4-х тезах доповідей науково-технічних конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи складає 237 сторінок друкованого тексту, 5 таблиць, 32 рисунки і 21 додатку на 51 сторінці друкованого тексту.

Основний зміст роботи

У вступі наводяться відомості щодо актуальності дисертаційної роботи, її зв'язку з науковими програмами, темами, методами дослідження і науковою новизною, теоретичного і практичного значення та апробації результатів дисертації і публікацій автора.

У першому розділі надається коротка характеристика фізико-географічних і кліматичних умов району дослідження, як об'єкту для перевірки запропонованих автором розрахункових методів максимального стоку весняної повені.

Сіверський Донець і його найбільш крупні лівобережні притоки (річки Нежеголь, Вовча, Оскіл, Червона, Айдар, Деркул, Калитва) беруть початок на південно-західних і східних схилах Середньоруської височини. Менш значні праві притоки (річки Сухий Торець, Казенний Торець, Лугань, Кам'янка, Кундрюча) стікають з західних, північних і східних схилів Донецького кряжу. Для цього району характерні складність рельєфу, переважання ґрунтів чорноземного типу, сухість клімату, чередування широколистяних лісів з трав'яною степовою рослинністю.

Сіверський Донець і його притоки основне живлення отримують за рахунок весняного сніготанення. Тому при вивченні процесів формування весняного стоку особливої уваги заслуговує характеристика снігового покриву в кінці зими і в період сніготанення. Строки появи і сходу, а також висота снігового покриву у значній мірі залежать від погодних умов кожного року і тому можуть набагато відрізнятися від середніх багатолітніх. Уже з середини лютого в південних областях починається швидке руйнування стійкого снігового покриву і його танення. До початку сніготанення в шарі снігу накопичуються найбільші запаси води. На півночі території, де спостерігається найбільша висота снігового покриву, максимальні й запаси води в ньому. Середні з максимальних запасів досягають 80-90 мм, в окремі роки навіть 120 - 160 мм. В центральній частині району середні запаси води в шарі снігу знижуються до 40-50 мм з коливанням від 30 до 85 мм. У південних областях запаси води в шарі снігу зовсім невеликі - через нестійкість снігового покриву і невелику товщину величини шару снігу.

У внутрішньорічному розрізі своєю водністю виділяється весняне водопілля. Воно триває, як правило, від початку березня до середини травня. Незважаючи на порівняну короткочасність, упродовж водопілля проходить понад 2/3 річного стоку річок. Пік водопілля звичайно припадає на кінець березня - початок квітня. В окремі весни інтенсивність підйому сягає 1 м за добу.

У другому розділі розглядається сучасний стан нормативно-методичної бази в галузі розрахунку максимальних витрат води весняного водопілля на річках України, побудованих на емпіричних і напівемпіричних формулах, а також методик, що опирались на ті чи інші модельні уявлення про формування паводків.

Перші були запропоновані Д.І.Кочеріним (1928), а потім знайшли свій подальший розвиток у працях Д.Л.Соколовського (1945). На підставі аналізу матеріалів спостережень за стоком і фізичної сутності явища редукції максимального весняного стоку ними була розроблена найбільш відома з редукційних формула такого вигляду:

, (1)

де - модуль максимального стоку, м3/с•км2; - максимальна інтенсивність водовіддачі при ; - узагальнений коефіцієнт, який враховує ступінь зарегулювання максимального стоку під впливом озер, боліт, лісів, водопроникних ґрунтів, карсту й інших акумуляторів стоку (причому як на схилах, так і в руслах річок); - показник степені редукції максимального стоку; - площа водозбору, км2.

Структурний вираз (1) отримав виключно широке розповсюдження, але особливо при розрахунках максимального стоку весняного водопілля. Сучасний базовий варіант редукційної формули СНіП 2.01.14-83 має вигляд

, (2)

де - максимальний модуль; - шар стоку весняної повені; - площа водозбору; - емпірична добавка до площі для врахування уповільнення редукції модуля в області невеликих водозборів.

Якщо мати на увазі, що чисельник в (2) є модуль схилового припливу , то загальний вигляд редукційних формул буде таким:

. (3)

Методи розрахунку максимального стоку, що опираються на геометричну схематизацію гідрографів схилового і руслового стоку, детально розглядаються в роботах Є.Д.Гопченка (1989, 2000), де в якості вихідної моделі ним прийняті одномодальні гідрографи схилового і руслового стоку, які описуються рівняннями:

а) схиловий стік

; (4)

б) русловий стік

. (5)

Інтегрування (4) і (5) по і , а потім і суміщення їх за умови, що

, (6)

де і - загальні шари стоку руслового і схилового надходження води до руслової мережі, дозволило отримати базове рівняння відносно :

. (7)

де - редукційний коефіцієнт, обумовлений русло-заплавним регулюванням.

Після деяких перетворень (7) приведено до вигляду

. (8)

Незважаючи на те, що реалізувати (8) на практиці досить складно (головним чином, через знаменник , який важко піддається нормуванню), саме ця структура є базовою у дисертаційному дослідженні.

У третьому розділі наводиться аналіз науково-методичної бази для проектування гідрографів весняного водопілля.

Вперше геометричну схематизацію гідрографів (у вигляді лінійного трикутника) запропонував Д.І.Кочерін (1928).

Г.О.Алєксєєв (1955) для опису схематизованих гідрографів використав рівняння показникового вигляду

, (9)

де - відносна абсциса гідрографа; - параметр, що залежить від коефіцієнта форми гідрографа і визначається за таблицями в залежності від коефіцієнта несиметричності гідрографів ; - шар стоку за повінь;- максимальний модуль стоку.

В основу методів проектування гідрографів весняної повені по ходу водовіддачі покладена модель руслових ізохрон. Хід водовіддачі визначається або за допомогою температурних коефіцієнтів, або зворотним шляхом по спостереженнях на гідрологічних постах з урахуванням русло-заплавного регулювання. В розрахунковій схемі А.В.Огієвського хід водовіддачі визначається по опорних, так званих, басейнах-індикаторах, для яких, внаслідок їх невеликих розмірів, величини добового стоку прирівняні до ходу водовіддачі.

В США широке розповсюдження при проектуванні паводків на малих і середніх водозборах (F<13000 км2) отримав метод одиничного гідрографа, запропонований Л.К.Шерманом.

При проектуванні гідрографів весняної повені за методикою СНіП 2.01.14-83 розрахункові гідрографи проектуються по витратах води реальних високих повеней з найбільш несприятливою формою, для яких основні елементи гідрографів та їх співвідношення повинні бути наближеними до розрахункових.

Для оцінки загрози і розмірів можливих екстремальних повеней та паводків в гідрологічній практиці найбільш широко використовуються методи екстраполяції за межі спостережень, які базуються на розподілі ймовірності максимальних витрат води по існуючих рядах спостережень за стоком. У роботі Л.С.Кучмента (2008) для цих цілей рекомендується використовувати фізико-математичні моделі сумісно з заданими можливими фізичними межами метеорологічного впливу на водозбір та змінами самого водозбору. Застосовуване при цьому динаміко-статистичне моделювання є дуже громіздким і до того ж вельми схематичним. Тому реалізувати з задовільною точністю задачі, пов'язані з розрахунком характеристик максимального стоку заданої ймовірності перевищення, можливо й більш простим шляхом, наприклад, на основі сучасних формул об'ємного типу. Ще більш складною у цьому випадку є проблема проектування розрахункових гідрографів.

Як було сказано вище, в якості базового при проектуванні гідрографів весняної повені для річок басейну р.Сіверський Донець використовується рівняння, що входить до нормативних документів СН 435-72 та СНіП 2.01.14-83, з яких останній є діючим на території України до цього часу:

, (10)

де - ординати розрахункових гідрографів, виражені в частках від максимальної середньодобової витрати води; - абсциси розрахункових гідрографів, виражені в частках від тривалості підйому повені ; а - параметр, який залежить від коефіцієнта форми гідрографа л.

Характеристики форми гідрографа л, а також координати безрозмірних гідрографів (у та х) визначаються за спеціальною таблицею в залежності від коефіцієнта несиметричності

, (11)

де - шар стоку за період підйому повені на річці-аналозі; - загальний шар стоку за весь період повені на річці-аналозі.

У четвертому розділі надаються загальні відомості про методи визначення статистичних параметрів гідрологічних рядів, про криві розподілу випадкових величин, які застосовуються при гідрологічних розрахунках та методах оцінки точності розрахунку величин різної забезпеченості.

Аналізуючи закономірності формування максимального стоку весняного водопілля в басейні р.Сіверський Донець, були використані криві розподілу, які описуються статистичними параметрами - середнім значенням витрат води і шарів стоку , коефіцієнтами варіації і асиметрії та співвідношенням . Застосовані найбільш поширені в гідрології методи для встановлення статистичних параметрів кривих розподілу - моментів і найбільшої правдоподібності. Коефіцієнти варіації часових рядів шарів стоку, обчислені за методами моментів і найбільшої правдоподібності, коливаються в межах від 0,53-0,54 (р.Бахмут - Артемівськ, р.Уди -Безлюдівка) до 0,94-0,97 (р.Жеребець - с.Торське, р.Сухий Торець - Черкаське), при середньому значенні, встановленому як за методом моментів, так і найбільшої правдоподібності - 0,74. Середнє співвідношення в методі найбільшої правдоподібності становить 2,54. Тому у подальших розрахунках було прийнято нормоване співвідношення .

Шари стоку 1%-ої ймовірності перевищення, обчислені з використанням кривих трипараметричного гама-розподілу С.Н.Крицького і М.Ф.Менкеля та біноміального розподілу ІІІ типу Пірсона, змінюються від 65 (р.Сухий Торець-смт.Черкаське) до 169 мм (р.Айдар-смт.Білолуцьк).

Впливу залісеності, висотного положення водозборів та заболоченості на максимальні шари стоку -ої забезпеченості не виявлено, що дало можливість побудувати відповідну карту максимальних шарів стоку безпосередньо по вихідних рядах, згідно якої відмічається зменшення шарів стоку з півночі та північного заходу у напрямку на південь і південний схід від 160 до 80 мм. У порівнянні з картою шарів стоку , яка наведена в Ресурсах поверхневих вод СРСР, запропонована у дисертаційній роботі детальніше відображає особливості розподілу розрахункових шарів стоку і відбиває загальний характер повеневого стоку в басейні р.Сіверський Донець.

Статистична обробка часових рядів максимальних витрат води весняного водопілля виконана аналогічно обчисленням шарів стоку, тобто методами моментів і найбільшої правдоподібності.

Коефіцієнти варіації змінюються від 0,72 (р.Деркул-смт.Біловодськ) до 1,71 (р.Бахмутка-м.Сіверськ). Коливання співвідношення відбувається в межах від 2,90 (р.Сіверський Донець - с.Єремівка) до 1,10 (р.Сухий Торець-смт.Черкаське). Осереднене по всіх об'єктах співвідношення дорівнює 2,5 і практично не залежить від методу його розрахунку. Для часових рядів максимальних витрат води весняного водопілля на водозборах р.Сіверський Донець, таким чином, приймається .

Для об'єктивної оцінки точності обчислення максимальних витрат води опорної ймовірності перевищення необхідно визначити їх середню квадратичну похибку. У дисертаційній роботі середньоквадратичні похибки 1%-вого квантилю вихідних рядів максимальних витрат води для гама-розподілу при використанні методу моментів визначаються за формулою

 . (12)

В разі використання методу найбільшої правдоподібності

, (13)

де - параметри розподілу; - нормована ордината кривої розподілу ймовірностю перевищення Р%; - похідна, яка приблизно обчислюється за таблицями ординат при трипараметричному гама-розподілі.

Середньоквадратичні похибки 1%-ого квантилю для річок басейну р.Сіверський Донець коливаються в межах від 10,5% (р.Сіверський Донець-м.Лисичанськ) до 25,3% (р.Казенний Торець-смт.Райське), середня по басейну величина складає 16,9%, для гама-розподілу - від 10,6% (р.Сіверський Донець - м.Лисичанськ) до 27,1% (р.Бахмут - м.Сіверськ), а середня по басейну складає 16,4%.

У дисертаційній роботі за опорну прийнята забезпеченість Р=1%. Для переходу від опорної до інших забезпеченостей Р% рекомендується використовувати перехідні коефіцієнти , причому

. (14)

Таким чином, на підставі визначених витрат води можна, використовуючи (14), перейти до величин , оскільки

. (15)

У п'ятому розділі обґрунтовується базова розрахункова методика для нормування максимальних витрат води весняного водопілля в басейні р.Сіверський Донець, яка спирається на рівняння (8). Розрахункове рівняння, на основі якого запропоновано здійснювати нормування характеристик максимального стоку весняного водопілля в басейні р.Сіверський Донець, має вигляд

, (16)

де - розрахунковий модуль стоку забезпеченістю ; - максимальний модуль схилового припливу (м3/с•км2) опорної 1%-ої забезпеченості

, (17)

- коефіцієнт часової нерівномірності схилового припливу; - тривалість схилового припливу, год; - розрахунковий шар стоку 1%-ої ймовірності перевищення, мм; - коефіцієнт трансформації форми руслових гідрографів; - коефіцієнт русло-заплавної трансформації максимального модуля стока ; - тривалість водопілля; - коефіцієнт зарегульованості руслового стоку озерами і водосховищами проточного типу; - коефіцієнт забезпеченості.

Коефіцієнти нерівномірності припливу води зі схилів до руслової мережі визначалися за методикою Є.Д.Гопченка (1975, 1976) через елементи руслових гідрографів, зокрема, через коефіцієнт часової нерівномірності руслового стоку , який дорівнює

, (18)

де - максимальна витрата води; - площа водозборів.

Обчислені коефіцієнти для річок басейну р.Сіверський Донець, узагальнені у вигляді регіональної залежності

, (19)

дозволяють досить просто і надійно встановити , як значення . Для річок басейну р.Сіверський Донець можна прийняти , звідки .

Як вже відзначалось, матеріалів спостережень за тривалістю схилового припливу під час дощових паводків і весняних водопіль майже не існує. Є.Д.Гопченком та М.Г.Сербовим (1990) запропонована методика визначення оберненим шляхом. Базовим є рівняння (8), яке можна представити в редакції

, (20)

де - тривалість руслового добігання; - коефіцієнт русло- заплавного регулювання.

Визначення здійснювалося поетапно. На першому етапі приймається рівним одиниці. При цьому усі величини будуть завищеними, окрім верхнього граничного випадку, коли =1,0 (при F=0). Щоб знайти середнє районне значення , досить результати першого наближення надати у вигляді залежності , яка описується рівнянням виду

. (21)

Таким чином, по завершенню першого етапу наближення була визначена середня районна тривалість схилового припливу , яка становить 189 год.

Далі при відомому розраховуються коефіцієнти русло-заплавного регулювання

, (22)

які у подальшому підлягають узагальненню в залежності від розмірів водозборів. Потім, розрахувавши величину для кожного з водозборів на 2-ому (тобто кінцевому) етапі наближення, визначаються для кожного з водозборів величини . Змінюються від 97 (р.Сіверський Донець - м.Лисичанськ) до 302 год (р.Казенний Торець - смт.Райське).

Щодо узагальнення по території, то відбувалося воно з урахуванням географічного положення і середньої висоти водозборів, залісеності та заболоченості, що розглядаються як природні чинники водопіль та паводків на річках. Оскільки з'ясувалося, що місцеві фактори суттєво не порушують тривалості надходження води до руслової мережі під час весняного водопілля (при Р=1%), то це дало можливість осереднити по регіону на рівні 189 год.

Модуль схилового припливу визначається за виразом

, (23)

де - коефіцієнт нерівномірності схилового припливу у часі, який для річок басейну р.Сіверський Донець дорівнює 7,5; - тривалість схилового припливу, яка становить у середньому 189 год; - шар весняного водопілля 1%-ої ймовірності перевищення, представлений картою, мм. Величина для річок басейну р.Сіверський Донець змінюються в межах від 0,69 м3/с•км2 (р.Бахмут-м.Артемівськ) до 1,88 м3/с•км2 (р.Айдар-смт.Білолуцьк). При незміних і в межах басейну визначається фактично шаром стоку . Тому, як і , модуль схилового припливу залежить від широтного розташування водозборів. Карта розподілу по території, як і передбачалося, повторює розподіл .

Розрахунок коефіцієнтів трансформації форми руслових гідрографів можна здійснити за виразом

. (24)

Коефіцієнт русло-заплавного регулювання максимальних модулів стоку є співвідношенням

 , (25)

де - тривалість схилового припливу; - тривалість водопілля.

Визначались коефіцієнти оберненим шляхом з (16), а їх узагальнення виконано в залежності від F та описується рівнянням

. (26)

Згідно запропонованої методики були виконані перевірочні розрахунки для забезпеченості . Результати перевірочних розрахунків свідчать про те, що похибки у визначенні максимальних модулів стоку коливаються в межах від 1,3% (р.Лугань-с.Долинівське) до 28,7% (р.Сухий Торець-смт.Черкаське), а середнє відхилення складає 11,9% при =16,4% . Тому запропоновану методику визначення максимальних модулів стоку можна рекомендувати для практичного використання.

У шостому розділі наводяться обґрунтування і реалізація методичної бази щодо проектування гідрографів весняного водопілля в басейні р.Сіверський Донець. В якості розрахункової була прийнята модель (10), запропонована Г.О.Алексєєвим (1955) та реалізована у нормативному документі СНіП 2.01.14-83, що є діючим на території України до цього часу.

Базова характеристика розрахункової схеми - максимальна витрата води заданої забезпеченості визначається за рівнянням

, (27)

де -розрахунковий модуль стоку забезпеченістю ; - максимальний модуль схилового припливу опорної 1%-ої забезпеченості, визначається за рівнянням (23).

Маючи (визначається за розробленою в дисертації картою), = 189 год та , розраховуються максимальні модулі схилового припливу за рівнянням (17)

.

Коефіцієнт трансформації форми гідрографа визначається в залежності від площі водозбору за рівнянням (24)

.

Коефіцієнт русло-заплавної трансформації максимальних модулів стоку визначається за рівнянням (26)

.

Для переходу до середньодобової витрати води достатньо скористатись співвідношенням

, (28)

де - перехідний коефіцієнт від миттєвої максимальної витрати води до середньодобової

 ; (29)

- показник степені у рівнянні редукційного гідрографа (5); - тривалість водопілля, причому

. (30)

Коефіцієнт форми гідрографа визначається по таблиці 19, додатку 2 у СНіП 2.01.14-83 в залежності від розрахованого коефіцієнта несиметричності руслових гідрографів . Коефіцієнт обчислюється за обґрунтованим у роботі рівнянням в залежності від розмірів водозборів.

Розрахункова тривалість підйому весняного водопілля визначається за схемою СНіП 2.01.14-83, тобто

, (31)

де - коефіцієнт форми гідрографа.

За описаною методикою були запроектовані гідрографи 1%-ої забезпеченості для всіх гідрологічних постів басейну р.Сіверський Донець.

Методичні підходи щодо проектування розрахункових гідрографів весняного водопілля в басейні р.Сіверський Донець рекомендуються для практичного використання, як варіанти удосконалення діючого в Україні СНіП 2.01.14-83.

Висновки

На підставі аналізу сучасного стану діючих в Україні нормативних рекомендацій СНіП 2.01.14-83 та регіональних розробок у дисертації запропоновано більш досконалі (з науково-методичної точки зору) підходи щодо розрахунку характеристик максимального стоку, включаючи й ті, що стосуються проектування гідрографів стоку.

На основі виконаного дослідження можна зробити такі висновки:

1. Для нормування розрахункових характеристик максимального стоку весняного водопілля в басейні р.Сіверський Донець запропонована об'ємна формула, яка ґрунтується на використанні типізованої моделі гідрографів стоку водопіль рідкісної ймовірності перевищення, причому у двох варіантах. У базовій структурі головним параметром є максимальний модуль схилового припливу, який представляє собою верхні граничні значення максимумів весняного водопілля в басейні р.Сіверський Донець.

2. Для проектування розрахункових гідрографів водопіль різної ймовірності перевищення використана методика, яка ввійшла до нормативного документу СНіП 2.01.14-83 та удосконалена автором дисертації. Зокрема:

2.1. Замість підбору аналогів при встановленні коефіцієнтів несиметричності руслових гідрографів водопілля, що є досить складною і навіть у значній мірі суб'єктивною процедурою, автором обґрунтовано і реалізовано на прикладі річок басейну р.Сіверський Донець методичну базу для визначення в залежності від розмірів водозборів.

2.2. Обґрунтовано рівняння для розрахунку коефіцієнтів переходу від миттєвих значень максимальних витрат води до їх середньодобових значень.

3. Шляхом статистичного аналізу вихідних даних (часових рядів максимальних витрат води і шарів стоку за періоди весняних водопіль) уточнені базові розрахункові величини водопіль - максимальні витрати води і шари стоку 1%-ої ймовірності перевищення, а розрахункові шари стоку закартовано. Впливу місцевих факторів на (залісеності, заболоченості, закарстованості і висотного положення водозборів) не виявлено.

4. Розрахункові характеристики схилових гідрографів (коефіцієнти часової нерівномірності і тривалість схилового припливу) через відсутність спостережень за схиловим стоком визначалися зворотнім шляхом, виходячи з одного із варіантів об'ємної формули. Встановлено, що і коефіцієнт часової нерівномірності надходження води зі схилів до руслової мережі в період водопілля, і його тривалість можуть бути районовані: перший на рівні 7,5, а другий становить 189 год.

5. Наявність таких даних надала можливість визначити потенційні максимальні модулі весняного водопілля в басейні р.Сіверський Донець 1%-ої ймовірності перевищення. Змінюються вони від 0,69 до 1,88 м3/с•км2, в залежності від географічного положення водозборів.

6. Розпластування хвиль водопіль обумовлене трансформацією форми гідрографів схилового припливу та ефектами русло-заплавного регулювання. У роботі надаються обґрунтування відповідних розрахункових рівнянь, що їх описують.

7. Перевірочні розрахунки свідчать про задовільну збіжність розрахункових витрат води 1%-ої ймовірності перевищення з вихідними даними - середнє відхилення становить 11,9% при середній квадратичній похибці =16,4%. Таким чином, запропоновану методику для розрахунку максимальних витрат води весняного водопілля різної ймовірності перевищення можна рекомендувати до практичного використання в межах басейну р.Сіверський Донець.

8. Для проектування розрахункових гідрографів використана методика діючого в Україні нормативного документу СНіП 2.01.14-83. Враховуючи, що слабкими і не досить об'єктивними сторонами цих рекомендацій є визначення таких базових характеристик, як витрата води, а також коефіцієнти несиметричності розрахункових гідрографів і перехідні коефіцієнти від миттєвих максимальних витрат води до середньодобових їх значень, то у роботі саме цим питанням була приділена особлива увага, зокрема:

8.1. Для визначення максимальних витрат води різної ймовірності перевищення запропонована і реалізована більш теоретично обґрунтована база, порівняно з тією, що використана в діючому нормативному документі СНіП 2.01.14-83.

8.2. Перехідні коефіцієнти від миттєвих значень максимальних витрат води до середньодобових запропоновано розраховувати в залежності від характеристик руслових гідрографів (часової нерівномірності і тривалості стоку водопілля).

8.3. Коефіцієнти несиметричності гідрографів весняного водопілля пропонується розраховувати за регіональним рівнянням в залежності від розмірів водозборів, на відміну від СНіП 2.01.14-83, у якому пропонується визначати , використовуючи досить суб'єктивні підходи з підбором річкових аналогів.

9. Запроектовані по 32 гідрологічних постах гідрографи 1%-ої ймовірності перевищення у своїй більшості, як за шаром стоку, так і за максимальними витратами води повною мірою узгоджуються з найбільш значними водопіллями, які спостерігалися на річках басейну р.Сіверський Донець.

10. Обґрунтована науково-методична база рекомендується для нормування характеристик максимального стоку і проектування розрахункових гідрографів весняного водопілля, а її реалізований варіант на прикладі річок басейну р.Сіверський Донець - для практичного використання.

Список опублікованих наукових праць за темою дисертації

Наукові статті:

1. Гопченко Є.Д. До проектування гідрографів паводків і водопіль рівнинних річок України / Є.Д.Гопченко, С.В.Авгайтіс. - Вісник ОДЕКУ. - 2007. - Вип.4. - С.266-273.

2. Гопченко Є.Д. Деякі проблемні питання, пов'язані з проектуванням розрахункових гідрографів весняного водопілля / Є.Д.Гопченко, С.В.Авгайтіс. - Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - 2008. -Вип.50. -Частина ІІ. -С.59-61.

3. Гопченко Є.Д. Використання формул об'ємного типу для нормування характеристик весняного водопілля в басейні р.Сіверський Донець/ Є.Д.Гопченко, С.В.Авгайтіс. - Вісник ОДЕКУ. - 2008. -Вип.6. -С.133-138.

4. Гопченко Е.Д. Нормирование характеристик максимального стока весеннего половодья в бассейне р.Северский Донец / Гопченко Е.Д., Бурлуцкая М.Э., Романчук М.Е., Авгайтис С.В. - Український гідрометеорологічний журнал. - 2010. -№7. - С.154-160.

5. Тези і матеріали конференцій:

6. Гопченко Є.Д. Деякі проблемні питання , пов'язані з проектуванням розрахункових гідрографів стоку / Є.Д.Гопченко, С.В.Авгайтіс // Друга міжнародна науково-технічна конференція «Навколишнє природне середовище - 2007: актуальні проблеми екології та гідрометеорології: інтеграція освіти і науки ». 26-28.09.2007 р.: тези доп. - Одеса, 2007. - С.81.

7. Гопченко Є.Д. До розрахунку коефіцієнтів несиметричності гідрографів стоку / Є.Д.Гопченко, С.В.Авгайтіс // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции. «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании`2007», 1-15.10.2007 г.: Том 16. Раздел гидрология и геотектоника: тезисы докл.- Одесса, 2007. - С.47-52.

8. Гопченко Є.Д. До проектування гідрографів паводків і водопіль рівнинних річок України / Є.Д.Гопченко, С.В.Авгайтіс // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании`2007», 15-25.10.2007 г.: Том 19. Раздел гидрология и геотектоника: тезисы докл.- Одесса, 2007. -С.50-59.

9. Гопченко Е.Д. Нормирование характеристик максимального стока весеннего половодья в бассейне р.Северский Донец на базе формул объемного типа / Гопченко Е.Д., Бурлуцкая М.Э., Романчук М.Е., Авгайтис С.В. // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании`2010», 20-27.12.2010 г.: Том 33. Раздел гидрология и геотектоника: тезисы докл. -Одесса, 2010. - С.83-88.

Анотації

Авгайтіс С.В. Використання формул об'ємного типу для нормування розрахункових характеристик весняного водопілля в басейні р.Сіверський Донець. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук. -Спеціальність 11.00.07 - гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія. - Одеський державний екологічний університет, Одеса, 2011.

Серед формул, які використовуються у розрахунковій практиці для визначення максимальних витрат води водопілля невивчених річок, найбільше поширення знайшли формули редукційного типу. Зокрема, один з їх варіантів ввійшов до діючого в Україні нормативного документу СНіП 2.01.14-83. Багатолітній досвід використання структури цих формул показав, що вони мають суттєві недоліки, перш за все, теоретичного характеру, особливо з точки зору врахування впливу на максимальний стік факторів схилової трансформації. Для вирішення задачі розрахунку максимальних витрат води і проектування гідрографів водопіль річок басейну Сіверський Донець з метою збереження єдиної науково-методичної бази автором використано структуру об'ємного типу, причому у двох різних редакційних варіантах.

Для проектування гідрографів водопіль різної ймовірності перевищення використано розрахункову модель, що запропонована у нормативному документі СНіП 2.01.14-83. При цьому здійснюється уточнення науково-методичної бази стосовно визначення коефіцієнтів несиметричності руслових гідрографів, які у нормативному документі пропонується встановлювати на основі використання даних річок-анологів, що є досить суб'єктивною процедурою. Суттєві уточнення здійснені і відносно обґрунтування перехідних коефіцієнтів від миттєвих витрат води до середньодобових.

Ключові слова: максимальний стік весняного водопілля, об'ємні формули, проектування руслових гідрографів.

Авгайтис С.В. Использование формул объемного типа для нормирования расчетных характеристик весеннего половодья р.Северский Донец. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук. - Специальность 11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия. - Одесский государственный экологический университет, Одесса, 2011.

В настоящее время в Украине при расчете характеристик максимального стока весеннего половодья используется структура редукционного типа, вошедшая в нормативный документ СНиП 2.01.14-83. Учитывая то обстоятельство, что с момента введения в расчетную практику нормативного документа СНиП 2.01.14-83 прошло более 30 лет, в диссертации представлена разработка нового нормативного варианта с использованием более современных теоретических решений. Причем, в качестве обязательного условия реализована операторная структура вида «склоновый приток - русловой сток», а не простая эмпирическая увязка характеристик максимального стока только с размерами речных водосборов.

В качестве объекта исследования рассматривается бассейн реки Северский Донец. Наиболее крупные левобережные его притоки берут начало на юго-восточных и восточных склонах Среднерусской возвышенности, менее значительные левые притоки стекают с западных, северных и восточных склонов Донецкого кряжа. По характеру почв бассейн Северского Донца разделяется на три существенно различные части: верхнюю (северную) - лесостепную; среднюю правобережную кряжевую (Донбасс) и среднюю левобережную (задонецкую). По растительному покрову выделяют две зоны - лесостепную и степную. Температурный режим в пределах бассейна реки неустойчивый. Разность между средними многолетними температурами в северных и южных регионах территории достигает 50С и больше. Основное питание реки и ее притоков связано с весенним снеготаянием. Причем, снежный покров распределяется по территории крайне неравномерно. Наибольшая высота снежного покрова и продолжительность снеготаяния отмечаются в северной части бассейна. Средние из максимальных запасов снега достигают здесь 80-90 мм, постепенно уменьшаясь в южном направлении до 40-50 мм (с колебаниями от 30 до 85 мм). Что касается южных регионов, то здесь снегозапасы вообще невелики из-за неустойчивости снежного покрова. Водный режим рек характеризуется хорошо выраженным весенним половодьем и летне-осенней меженью, которая часто нарушается дождевыми паводками. В многоводные годы на долю весеннего половодья приходится до 70-80% годовой суммы, в средние - до 60-70%, а в маловодные - до 50-60%.

При обосновании параметров расчетной схемы использованы данные по максимальному стоку весеннего половодья 32 гидрологических постов. Они охватывают водосборные площади от 189 (р. Лопань - Казачья Лопань) до 73200 км2 (р. Северский Донец - Кружиловка), а периоды наблюдений изменяются от 31 (р. Бахмут - Артемовск) до 75 лет (р. Северский Донец - Лисичанск).

Для нормирования расчетных характеристик максимального стока весеннего половодья в бассейне р. Северский Донец использована структура объемного типа (причем, в двух вариантах), которая опирается на типизированную модель гидрографов стока половодий редкой вероятности превышения. В базовой структуре в качестве основной характеристики используется модуль склонового притока , который является потенциальным предельным региональным значением максимального стока весеннего половодья.

Статистическая обработка временных рядов слоев стока и максимальных расходов весеннего половодья выполнена с использованием методов моментов и наибольшего правдоподобия. Установлено, что слои стока опорной обеспеченности (при Р=1%) изменяются в довольно широком диапазоне (от 62 до 169 мм), но характеризуются хорошо выраженной зависимостью от широтного положения водосборов, значимых влияний местных факторов на (залесенности, заболоченности, закарстованости и высотного положения) не выявлено, что позволило расчетные слои стока картировать.

Расчетные характеристики склоновых гидрографов (коэффициенты временной неравномерности и продолжительность склонового притока ) из-за отсутствия наблюдений за склоновым притоком определялись обратным путем, используя один из вариантов объемной формулы. Установлено, что и коэффициенты временной неравномерности притока воды со склонов, и его продолжительность можно районировать - первый на уровне 7,5, а второй составляет 189 часов. Наличие этих данных позволило определить потенциальные максимальные модули стока весеннего половодья в бассейне р.Северский Донец 1%-й вероятности превышения и картировать их. По территории изменяються от 0,69 (р.Бахмут - м.Артемовск) до 1,88 (р.Айдар - смт.Белолуцк).

Для проектирования расчетных гидрографов весеннего половодья различной вероятности превышения в диссертации используется методика нормативного документа СНиП 2.01.14-83. Обоснована и реализована она с учетом разработанных автором научно-методических подходов в отношении коэффициентов несимметричности русловых гидрографов kS и коэффициентов перехода от мгновенных максимальных расходов воды к их среднесуточным значениям kѓС .

Проверочные расчеты свидетельствуют об удовлетворительной сходимости расчетных расходов воды 1%-й вероятности превышения с исходными данными - среднее отклонение составляет ±11,9% (при средней квадратической ошибке ). Рекомендуемая методика для нормирования характеристик максимального стока и проектирования расчетных гидрографов весеннего половодья в бассейне р. Северский Донец доведена до практического применения. Ее точность в пределах этого объекта находиться на уровне точности исходной информации по максимальному стоку рек.

Ключевые слова: максимальный сток весеннего половодья, объемная формула, проектирование русловых гидрографов .

Avgaytis S.V. Use of formulas of volumetric type for normalization of rated characteristics spring a high water in pool of river Seversny Donets. - Manuscript.

Thesis for the degree of Candidate of Geographical Sciences. - Speciality 11.00.07 - Land Hydrology, Water Resources, Hydrochemistry. - Odessa State Environmental University, Odessa, 2011.

Among the formulas that are used in computational practice to determine the maximum water flow floods unexplored rivers most common type found a formula of reduction. In particular, one of the options entered into force in Ukraine normative document BN&R 2.01.14-83. Many years of experience in using the structure of these formulas shows that they have significant drawbacks, primarily of a theoretical nature, especially from the point of view of the impact on the maximum stock of factors of the slopes of transformation. To solve the problem of calculating the maximum water discharge and the design flood hydrographs Donets Pool, in order to maintain a unified scientific and methodological basis, the author used the structure of volumetric type, and in two different versions of the editorial. For the design flood hydrographs with different probabilities of exceeding use the design model proposed in the regulatory document BN&R 2.01.14-83. In this case, by clarifying the scientific and methodological framework concerning the definition of the coefficients of asymmetry of channel hydrographs that are in the regulatory document proposes to establish on the basis of river-analogues, which is a rather subjective procedure. Substantial refinements implemented and on the rationale for the transition coefficients from the instantaneous flow of water to an average daily.

Key words: maximum drain of spring high water, volume formula, design of channel hydrographs.

Размещено на Allbest.ru