До побудування нової нормативної бази в галузі максимального стоку на річках України

Реферат на тему:

До побудування нової нормативної бази в галузі максимального стоку на річках України

На сьогодні в країнах колишнього союзу, в тому числі й в Україні, діє нормативний документ по розрахунках максимальних витрат води на річках, який було запропоновано ще в 1972 році, а потім дещо змінено в 1983 році. Фахівцями неодноразово на авторитетних конференціях і симпозіумах приверталася увага розробників на невідповідність у багатьох випадках розрахункових максимумів паводків і повеней матеріалам спостережень, особливо у випадках, коли місцеві особливості формування стоку суттєво відрізняються від фонових. Удосконалення діючої нормативної бази не можливо в принципі - через емпіричний підхід при її створенні. Досить звернутися до відомих базових структур БНіПу, щоб переконатися в цьому.

Так, для весняної повені (без наведення поправок) використовується формула p>

$$q_m=\frac{k_o{Y}_m}{(F+F_o{)}^{n_1}}$$, (1).

де qm — максимальний модуль повені, ko — коефіцієнт «дружності» повені, Ym — розрахунковий шар стоку, F — площа водозбору, Fo — додаткова площа, за допомогою якої ураховується зменшення інтенсивності редукції на малих водозборах.

Згідно з дослідженнями чисельник є максимальний модуль схилового стоку qтоді.

$$q_m=\frac{q_m^{\text{'}}}{(F+F_o{)}^{n_1}}$$. (2).

Коефіцієнт редукції максимального модуля qm/qдорівнює

$$q_m/{q_m^{\text{'}}=1/\left(F+F_o\right)}^{n_1}$$. (3).

Його верхньою фізичною границею повинно бути qm/q.0 при FАле якщо з цього боку розглянути (3), то легко переконатись, що при Fp>

$$q_m/{q_m^{\text{'}}=1/\left(F+F_o\right)}^{n_1}<1\text{.}0$$, (4).

за винятком, коли Fо=1.0.

З структури (1) не ясно, до котрого з параметрів (ko чи Ym) відносяться поправки на залісеність та заболоченість. При розрахунках дощових паводків в залежності від розмірів водозбірних площ використовується не одна, а дві формули (зауважимо, що їх «склеювання» не забезпечується:

а) при F>100−200 км2.

$$q_m=q_{\text{200}}{\left(\frac{\text{200}}{F}\right)}^{n_2}$$ — (5).

б) при F<100−200 км2.

$$q_m=A_1{H}_1$$, (6).

де $$A_1=\text{16}\text{.}\text{67 {}\stackrel{}{}()$$ — ординати кривих редукції середньої інтенсивності опадів у часі, Н1% - добовий максимум опадів, коефіцієнт стоку.

У теоретичному відношенні (5) взагалі ну відповідає фізичним вимогам до граничних значень qm, бо qm/qдорівнює одиниці не за умови Fа при F=200 км2. Вважаємо, що більш обгрунтованим було б (5) записати у загальному вигляді.

$$q_m=\frac{q_m^{\text{'}}}{F^{n_2}}\frac{F_o^{n_2}}{(F_o+1{)}^{n_1}}$$. (7).

Щодо функції $$\text{16}\text{.}\text{67 {}\stackrel{}{}()$$, то вона використовується помилково, бо як показано в замість неї в (6)повинна входити інша величина, а саме:

$$\stackrel{}{}()=\stackrel{~}{}(t_p/T_o)=\frac{n+1}{n}\frac{1}{T_o}\left[1-\frac{1}{n+1}{\left(\frac{t_p}{T_o}\right)}^n\right]$$, (8).

де (n+1)/n — коефіцієнт нерівномірності схилового припливу, То — тривалість схилового припливу, tp — час руслового добігання паводкових хвиль.

Таким чином, використана (майже безпідстевно) в СНіПі функція $$\stackrel{}{}()$$ тотожня осередненому в межах tp коефіцієнту повноти схилового припливу.

$$=\frac{\underset{o}{\overset{t_p}{}}{q}_t^{\text{'}}\text{dt}}{\underset{o}{\overset{T_o}{}}{q}_t^{\text{'}}\text{dt}}$$. (9).

Наведене вище дає змогу прийти до висновку про суттєві недоліки структурного плану в діючому БНіПі 2.01.14−83 і необхідність розробки більш досконалої нормативної бази, яка б відповідала світовим досягненням сучасної гідрології, а саме головне — достовірно описувала процеси трансформації схилового припливу в русловий стік.

Як на думку авторів, побудувати розрахункову схему для визначення максимальних витрат води під час паводків чи повіней досить надійно можна, виходячи із рівняння руслових ізохрон.

$$Q_t=q_t^{\text{'}}{f}_1{}_1+q_{t-1}^{\text{'}}{f}_2{}_2+\text{.}\text{.}\text{.}+q_2^{\text{'}}{f}_{t-1}{}_{t-1}+q_t^{\text{'}}{f}_t{}_t$$, (10).

де fi — міжізохронні площі, — коефіцієнти русло-заплавного регулювання в межах міжізохронних ділянок.

Максимальна витрата води буде дорівнювати:

а) за tp<To.

$$Q_m={\left(\underset{t_p}{}{q}_t^{\text{'}}{f}_i{}_i\right)}_m=k_1{\mathit{}}_{t_p}V$$, (11).

де $$Y_{t_p}$$ — шар стоку, найбільший у межах tp, тобто.

$$Y_{t_p}={\left(\underset{t_p}{}{q}_t^{\text{'}}\right)}_m$$, (12).

k1 — гідрографічний коефіцієнт, який співпадає з раніше запропонованим А.М.Бефані >

$$k_1=\frac{\underset{o}{\overset{t_p}{}}{q}_t^{\text{'}}{B}_t\text{dt}}{B_{\text{cp}}\underset{o}{\overset{t_p}{}}{q}_t^{\text{'}}\text{dt}}$$ — (13).

б) за tp/p>

$$Q_m={\left(\underset{T_o}{}{q}_t^{\text{'}}{f}_i{}_i\right)}_m=k_2{\mathit{}}_{m}V$$, (14).

де V — швидкість руху паводкових хвиль в руслах, k2 — гідрографічний коефіцієнт.

$$k_2=\underset{o}{\overset{T_o}{}}{q}_t^{\text{'}}{B}_t\text{dt}/\left(B_{\text{cp}}\underset{o}{\overset{T_o}{}}{q}_t^{\text{'}}\text{dt}\right)$$. (15).

Вирази (11) і (14) можна узагальнити у вигляді

$$q_m=\frac{Y_m}{t_p}{\mathit{}}_{г}{}_F$$. (16).

Рівняння (16) вперше було отримано А.М.Бефані який реалізував модель руслових ізохрон, виходячи з передумов що: 1) коефіцієнт щільності руслової мережі залишається незмінним в межах річкових водозборів- 2) русло-заплавне регулювання відбувається однаково на різних ділянках річкової мережі. Але, як відомо, це не зовсім так — на малих водозборах і розгалужених річкових системах процеси регулювання паводків мають свої особливості. Вони полягають в тім, що при зростанні водозбірних площ відбувається закономірне і поступове збільшення відношення ширини річки до її середньої глибини.

До недоліків методичного плану при використанні (16) слід віднести й те, що при tpмаємо невизначеність у вигляді 0/0. Крім того, у структурному відношенні рівняння (16) не відображає основних факторів трансформації паводків. Тому автори пропонують відозмінити базове рівняння (16), надавши йому операторний вигляд. З цією метою в (16) підставляються алгебраїчні значення, а kг Тоді:

$$q_m=q_m^{\text{'}}(t_p/T_o){}_{F}r$$, (17).

де $$(t_p/T_o)$$ — трансформаційна функція, яка обумовлена, головним чином, русловим добігання паводків:

а) за tp<To.

$$(t_p/T_o)=1-\frac{m+1}{(n+1)(m+n+1)}{\left(\frac{t_p}{T_o}\right)}^n$$, (18).

m — показник степені в рівнянні кривої ізохрон;

б) за tp/p>

$$(t_p/T_o)=\frac{n}{n+1}\frac{T_o}{t_p}\left[\frac{m+1}{m}-\frac{n+1}{m(m+n+1)}{\left(\frac{T_o}{t_p}\right)}^m\right]$$, (19).

r — коефіцієнт зарегулювання паводків ставками, озерами, водосховищами.

Спроби реалізувати схему руслових ізохрон відносно максимальних витрат води робились і раніше. З них найбільш відомі авторські пропозиції П. Ф. Вишневського В.І.Мокляка, а Й. А. Железняка Зокрема, П. Ф. Вишневський і В.І.Мокляк, використавши за вихідне рівняння (10), представили його у вигляді:

$$q_m=a_m{}_1$$, (20).

де аm — максимальна середня інтенсивність припливу води за 10 хв. (по П.Ф.Вишневському) або за 1 год. (по В.І.Мокляку), редукційний коефіцієнт, який у розрахунковому варіанті залежить від співвідношення між tp i To, а в загалі.

$${}_1=\frac{a_1}{a_m}\frac{f_{t_p}}{F}+\frac{a_2}{a_m}\frac{f_{t_p-1}}{F}+\text{.}\text{.}\text{.}+\frac{a_{t_p}}{a_m}\frac{f_1}{F}$$, (21).

де а1, а2 … — ординати графіків схилового припливу.

Відзначимо, що така інтерпретація моделі руслових ізохрон є дещо вільною трактовкою основних її положень в залежності від співвідношення між tp i To. Незалежно від розрахункового кроку в часі (тобто 10 хв., 1 годин чи щось інше) рішення моделі ізохрон повинно збігатися з виразами (11) або (14).

По іншому до моделі руслових ізохрон підійшов Й. А. Железняк. Він замість двох функцій fi та які до того ж з великими труднощами піддаються визначенню, запровадив один — їх добуток під назвою «функція впливу» Pi.

Результатом розгляду цього варіанту моделі ізохрон стало рівняння

$$q_m=k_{\text{мгм}}{Y}_m$$, (22).

де $$k_{\text{мгм}}$$ — метеоролого-гідравліко-морфометричний параметр

$$k_{\text{мгм}}=\frac{\underset{t_p}{}{q}_t^{\text{'}}{P}_t}{\underset{T_o}{}{q}_t^{\text{'}}}$$. (23).

У такому записі (23) відповідає коефіцієнту повноти схилового припливу помноженому на Рср, тобто.

$$k_{\text{мгм}}=P_{\text{cp}}$$. (24).

Приблизно 1>

$$P_{\text{cp}}=\frac{1}{t_p}{}_F$$. (25).

Тоді, з урахуванням (24) і (25), формула (22) запишеться у вигляді.

.

$$q_m=\frac{Y_m}{t_p}{}_F$$. (26)

.

Порівняння (16) і (26) свідчить про те, що формула Й. А. Железняка відповідає лише одному випадку, коли tp<To і крім того вона відноситься тільки до малих водозборів, які можна моделювати у вигляді прямокутника з одним водотоком посередині.

Запропонована авторами для нормування характеристик максимального стоку формула (17) перевірена на даних по паводках і повенях декількох регіонів України. Результати в цілому задовільні. Позитивними сторонами (17) є те, що:

1.Формула годиться в рівній мірі як для паводків, так і для повеней.

2.Вона охоплює весь діапазон водозбірних площ — від окремих схилів до разгалужених річкових систем, причому у випадку розрахунків схилового стоку.

$$(t_p/T_o)=1\text{.}0$$ — $${}_F=1\text{.}0$$ ,.

а максимальний модуль.

$$q_m^{\text{'}}=\frac{n+1}{n}\frac{1}{T_o}{Y}_m$$. (27).

3. Є можливість оцінити вклад в загальну редукцію qm/qокремих її складових — /To) та /p>

4. Через параметри q /To) представляється можливим враховувати вплив на характеристики максимального стоку залісеності, закарстованості, заболоченості та інш.

Автори вважають, що настав той час і можливість, коли є всі підстави для розробки в Україні нового нормативного документу замість БНіПу 2.01.14−83. Це тим більш важливо, що прийняті й урядові рішення по здійсненню протипаводкових заходів захисту населення.

Список літератури

1.Бефани А. Н. Основы теории ливневого стока // Труды ОГМИ, 1958. -Вып.14.-Ч.2. 302 с. 2. Вишневський П. Ф. Зливи та зливовий стік. — Київ, «Наукова думка», 1964. — 291 с. 3. Гопченко Е. Д. Некоторые проблемные вопросы расчета максимального паводочного стока. — ДАН СССР, 1988. — Т.302.-№ 4.-С.955−957. 4. Гопченко Є.Д., Гушля О. В. Гідрологія суші з основами меліорації. — Київ, 1994. — 195 с. 5. Железняк И. А. К расчету характеристик паводочного стока на основе функции влияния // Труды УкрНИГМИ, 1984. — Вып.200. — с.12−25. 6. Овчарук В. А. Исследование структуры формулы максимального стока весеннего половодья И. А. Железняка // Метеорология, климатология и гидрология, 2000. — Вып.40. -С.137−142. 7. Пособие по определению расчетных гидрологических характеристик. — Л.: Гидрометеоиздат, 1984. — 447 с. 8. Ресурсы поверхностных вод СССР. Западная Украина и Молдавия. — Т.6. -Вып.1. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. — 884 с.