Во́дный сток рек – основная составляющая речного стока , важнейшее звено круговорота воды в природе (глобального гидрологического цикла). Понятие «водный сток рек» характеризует одновременно как процесс стекания речных вод в пределах речного водосбора , так и количество стекающей воды. Водный сток рек называть жидким стоком не рекомендуется.
В гидрологии рек широко используют такие количественные характеристики водного стока как расход воды , объём стока, слой стока, модуль стока и коэффициент стока.
Объём стока воды – это объём воды, прошедшей через поперечное сечение речного потока за какой-либо интервал времени. Расход воды поэтому можно считать объёмом стока воды за 1 с. Объём стока воды рассчитывают, умножая расход воды, осреднённый за какой-либо интервал времени, на количество секунд в этом интервале. Выражают объём стока либо в м 3 , либо (для средних и больших рек) в км 3 . Если нужно вычислить среднемноголетний объём стока для большой реки, то среднемноголетний расход воды в м 3 /с умножают на 31,5610 6 (количество секунд в «среднем» году), а результат делят на 10 9 . В итоге получаем объём в км 3 за год.
Слой стока – это количество воды, стекающей с поверхности водосбора реки за какой-либо интервал времени, равное толщине слоя воды, условно равномерно распределённого по площади водосбора. Слой стока рассчитывают, деля объём стока на площадь водосбора, и выражают в мм за соответствующий интервал времени.
Модуль стока воды – это количество воды, стекающей с единицы площади водосбора в единицу времени. Модуль стока воды рассчитывают, деля расход воды (осреднённый за какой-либо интервал времени или мгновенный) на площадь водосбора, и выражают в л/(с×км 2).
Коэффициент стока – отношение величины стока воды (объёма или слоя) к количеству выпавших на площадь водосбора атмосферных осадков, обусловивших возникновение этого стока. Коэффициент стока – величина безразмерная. Поэтому величины атмосферных осадков и стока воды должны быть выражены в одинаковых единицах (либо в объёмных единицах, либо в слое).
Например, для некоторого многолетнего интервала времени в пределах длительного ряда наблюдений на замыкающем створе Верхнее Лебяжье в низовье Волги (площадь водосбора 1360 тыс. км 2) определён среднемноголетний расход воды 7980 м 3 /с. Приближённая величина среднего за этот же интервал времени слоя осадков составила 640 мм в год. При этих исходных данных остальные среднемноголетние характеристики водного стока Волги будут следующими: годовой объём стока 252 км 3 , слой стока 185 мм, модуль стока 5,87 л/(с×км 2), коэффициент стока 0,29.
В.Н. Михайлов, М.В. Михайлова
Речной сток и его характеристики
Водные ресурсы составляют национальное богатство нашей страны. По суммарному годовому стоку Россия занимает одно из ведущих мест в мире.
Для выполнения расчетов водопотребления, распределения водных ресурсов между различными отраслями народного хозяйства и при решении других практических задач в гидрологии используются следующие количественные характеристики стока.
Объем стока W, м 3 – это количество воды, протекающее через рассматриваемый створ водотока за какой либо период времени Т . Наибольший интерес представляет объем годового стока, для которого Т=31.56×10 6 с .
Слой стока y, мм – количество воды, стекающей с водосбора за какой либо промежуток времени, выраженное в виде слоя, равномерно распределенного по площади бассейна.
Расход воды Q, м /c – объем воды, протекающей через поперечное сечение потока (живое сечение ) за единицу времени. Средний расход воды за время Т определяется выражением
Модуль стока М, л/c/км – есть частное от деления расхода воды на площадь водосборного бассейна. Модуль стока показывает, какой объем воды стекает с единицы площади водосбора за единицу времени
(2.8)
Коэффициент стока – отношение слоя стока к слою осадков
Из этих характеристик в практике инженерных расчетов наиболее широко применяются расход воды Q и норма стока W о – средний за многолетие годовой объем стока. Измерения стока, выполняемые на реках длительное время (более 100 лет ), показывают, что его величина подвержена значительным колебаниям. При этом расход воды в реке изменяется как в течение календарного года – т.е. существует внутригодовое распределение стока, так и из года в год. Первый вид колебания стока обусловлен в основном питанием реки и будет рассмотрен ниже.
Режим стока определяется климатом и группой физико-географических факторов. К ним относятся рельеф, почвенно-грунтовый и растительный покров, наличие озер и болот на территории бассейна. В последнее время сток испытывает все большее влияние человеческой деятельности.
Основным фактором формирования стока являются климатические условия. Размеры стока и его изменения в течение года и за многолетний период в основном определяются количеством осадков, испарением, влажностью воздуха и др. В областях избыточного увлажнения осадки имеют определяющее значение в формировании годового стока (р. Нева имеет коэффициент стока 0.70 ). В районах со значительным испарением зависимость стока от осадков выражается слабее (р. Дон – коэффициент стока 0.16 ).
Ежегодно речной сток проходит один и тот же цикл изменений. Между тем, даты наступления фаз колебаний и значения расходов воды изменяются в многолетнем ряду. Изменяется вместе с ними годовой объем стока. Эти колебания обусловлены значительным числом факторов и сток может рассматриваться как случайный процесс. Для определения характерных расходов воды – максимального, минимального и среднегодового используется аппарат математической статистики.
Влияние человеческой деятельности – антропогенное воздействие на природу приводит к нарушению естественных процессов формирования стока. Водохранилища вносят сильные изменения во внутригодовое распределение стока. Однако при этом уменьшается также средний годовой сток за счет испарения с поверхности воды. Наиболее ощутимо изменение годового стока после создания водохранилищ в засушливых районах. Еще больше потери стока в районах орошаемого земледелия. Сток снижается в результате коммунального и промышленного водоснабжения, а также за счет агротехнических и лесомелиоративных мероприятий.
В настоящее время особую тревогу вызывает не ограниченность водных ресурсов в целом по стране, а резкое ухудшение качества воды. Ответственность за это несут практически все водопользователи: промышленность, транспорт, сельское хозяйство и другие отрасли. Поэтому проблема обеспечения человека чистой водой и проблема сохранения фауны рек, озер и морей приобрели сейчас глобальный характер. Охрана водных ресурсов является одной из важнейших задач в охране окружающей среды.
Водные ресурсы - одно из самых главных богатств Земли. Но они очень ограничены. Ведь хотя ¾ поверхности планеты заняты водой, большая ее часть - это соленый Мировой океан. Человеку же нужна пресная вода.
Ее ресурсы также большей частью недоступны людям, так как сосредоточены в ледниках полярных и горных областей, в болотах, под землей. Лишь незначительная часть воды удобна для использования человеком. Это пресные озера и реки. И если в первых вода задерживается на десятки лет, то во вторых она обновляется примерно раз в две недели.
Речной сток: что означает это понятие?
Этот термин имеет два главных значения. Во-первых, под ним подразумевается весь объем воды, стекающий в море или океан в течение года. В этом состоит его различие с другим термином «расход реки», когда расчет ведется на сутки, часы или секунды.
Второе значение - количество воды, растворенных и взвешенных частиц, выносимого всеми реками, протекающими в данном регионе: материке, стране, районе.
Выделяется поверхностный и подземный речной сток. В первом случае имеются в виду воды, стекающие в реку по А подземный - это родники и ключи, бьющие под руслом. Они также пополняют запасы воды в реке, а иногда (во время летней межени или когда поверхность скована льдом) являются ее единственным источником питания. Вместе эти два вида составляют полный речной сток. Когда говорят о водных ресурсах, имеют в виду именно его.
Факторы, влияющие на речной сток
Этот вопрос достаточно уже изучен. Можно назвать два основных фактора: рельеф местности и ее климатические условия. Кроме них, выделяется еще несколько дополнительных, в том числе деятельность человека.
Главная причина формирования речного стока - это климат. Именно от соотношения температур воздуха и осадков зависит, какова испаряемость в данной местности. Образование рек возможно только при избыточном увлажнении. Если же испаряемость превышает количество выпавших осадков, поверхностного стока не будет.
От климата зависит питание рек, их водный и ледовый режим. обеспечивают пополнение запасов влаги. Низкие температуры снижают испарение, а при промерзании грунтов сокращается поступление воды из подземных источников.
Рельеф оказывает влияние на величину водосборного бассейна реки. От формы земной поверхности зависит, в какую сторону и с какой скоростью будет стекать влага. Если же в рельефе будут замкнутые впадины, образуются не реки, а озера. Наклон местности и водопроницаемость пород влияют на соотношение между стекающей в водоемы и просачивающейся под землю частями выпавших осадков.
Значение рек для человека
Нил, Инд с Гангом, Тигр и Евфрат, Хуанхэ и Янцзы, Тибр, Днепр… Эти реки стали колыбелью для разных цивилизаций. С момента зарождения человечества они служили для него не только источником воды, но и каналами проникновения в новые неизведанные земли.
Благодаря речному стоку возможно орошаемое земледелие, которое кормит почти половину населения Земли. Большой расход воды означает и богатый гидроэнергетический потенциал. Ресурсы рек используются в промышленном производстве. Особенно водоемкими являются производство синтетических волокон и изготовление целлюлозы и бумаги.
Речной транспорт - не самый быстрый, но зато дешевый. Он лучше всего подходит для перевозки массовых грузов: леса, руды, нефтепродуктов и др.
Много воды забирается на коммунально-бытовые нужды. Наконец, реки имеют большое рекреационное значение. Это места отдыха, восстановления здоровья, источник вдохновения.
Самые полноводные реки мира
Самый большой объем речного стока - у Амазонки. Он составляет почти 7000 км 3 в год. И это неудивительно, ведь Амазонка полноводна весь год из-за того, что ее левые и правые притоки разливаются в разное время. К тому же, она собирает воды с территории размером почти с целый материк Австралия (более 7000 км 2)!
На втором месте африканская река Конго со стоком в 1445 км 3 . Расположенная в экваториальном поясе с каждодневными ливнями, она никогда не мелеет.
Следующие по ресурсам полного речного стока: Янцзы - самая длинная в Азии (1080 км 3), Ориноко (Южная Америка, 914 км 3), Миссисипи (Северная Америка, 599 км 3). Все три сильно разливаются во время дождей и представляют немалую угрозу для населения.
На 6 и 8 местах в этом списке великие сибирские реки - Енисей и Лена (624 и 536 км 3 соответственно), а между ними - южноамериканская Парана (551 км 3). Замыкают десятку еще одна южноамериканская река Токантинс (513 км 3) и африканская Замбези (504 км 3).
Водные ресурсы стран мира
Вода - источник жизни. Поэтому очень важно обладать ее запасами. Но они распределены по планете крайне неравномерно.
Обеспеченность стран ресурсами речного стока такова. В первой десятке наиболее богатых водой стран находятся Бразилия (8 233 км 3), Россия (4,5 тыс. км 3), США (более 3 тыс. км 3), Канада, Индонезия, Китай, Колумбия, Перу, Индия, Конго.
Слабо обеспечены территории, расположенные в тропическом сухом климате: Северная и Южная Африка, страны Аравийского полуострова, Австралия. Мало рек во внутриконтинентальных районах Евразии, поэтому среди малообеспеченных стран Монголия, Казахстан, среднеазиатские государства.
Если учитывается численность населения, пользующегося этой водой, показатели несколько меняются.
| Наибольшая | Наименьшая | ||
| Страны | Обеспеченность | Страны | Обеспеченность |
| Французская Гвиана | 609 тыс. | Кувейт | Менее 7 |
| Исландия | 540 тыс. | Объединенные Арабские Эмираты | 33,5 |
| Гайана | 316 тыс. | Катар | 45,3 |
| Суринам | 237 тыс. | Багамы | 59,2 |
| Конго | 230 тыс. | Оман | 91,6 |
| Папуа Новая Гвинея | 122 тыс. | Саудовская Аравия | 95,2 |
| Канада | 87 тыс. | Ливия | 95,3 |
| Россия | 32 тыс. | Алжир | 109,1 |
Густонаселенные страны Европы при полноводных реках оказываются уже не столь богаты пресной водой: Германия - 1326, Франция - 3106, Италия - 3052 м 3 на душу населения при среднем значении для всего мира - 25 тыс. м 3 .
Трансграничный сток и проблемы, связанные с ним
Многие реки пересекают территорию нескольких стран. В связи с этим возникают трудности в совместном использовании водных ресурсов. Особенно остра эта проблема в районах В них почти вся вода забирается на поля. А соседу ниже по течению может ничего и не достаться.
Например, принадлежащая в своем верхнем течении Таджикистану и Афганистану, а в среднем и нижнем - Узбекистану и Туркменистану, в последние десятилетия не доносит свои воды до Аральского моря. Только при добрососедских отношениях между соседними государствами ее ресурсы можно использовать с выгодой для всех.
Египет 100% речной воды получает из-за границы, и сокращение стока Нила из-за забора воды выше по течению может крайне отрицательно сказаться на состоянии сельского хозяйства страны.
К тому же, вместе с водой через границы стран «путешествуют» и различные загрязнители: мусор, стоки заводов, удобрения и пестициды, смытые с полей. Эти проблемы актуальны для стран, лежащих в бассейне Дуная.
Реки России
Наша страна богата крупными реками. Особенно много их в Сибири и на Дальнем Востоке: Обь, Енисей, Лена, Амур, Индигирка, Колыма и др. И речной сток самый большой именно в восточной части страны. К сожалению, пока используется лишь незначительная их доля. Часть идет для бытовых нужд, для работы промышленных предприятий.
Эти реки обладают огромным энергетическим потенциалом. Поэтому самые крупные гидроэлектростанции построены на сибирских реках. И незаменимы они как транспортные пути и для сплава леса.
Европейская часть России также богата реками. Крупнейшая из них - Волга, ее сток - 243 км 3 . Но здесь сосредоточено 80% населения и экономического потенциала страны. Поэтому нехватка водных ресурсов чувствительна, особенно в южной части. Сток Волги и некоторых ее притоков зарегулирован водохранилищами, на ней построен каскад ГЭС. Река со своими притоками является главной частью Единой глубоководной системы России.
В условиях нарастающего во всем мире водного кризиса Россия находится в выгодных условиях. Главное - не допускать загрязнения наших рек. Ведь, по мнению экономистов, чистая вода может стать более ценным товаром, чем нефть и другие полезные ископаемые.
Сток, образуемый атмосферными осадками, выпадающими на поверхность земли, избыток к-рых не успевает испариться и стекает в реки. Режимом речных стоков определяется режим реки в целом - колебания уровней воды, движение наносов (твердый сток), формирование речных русел. Учение о речном стоке - основной раздел гидрологии вод суши.
Территория, с к-рой вода стекает в реку, наз. ее водосбором (бассейном); граница, разделяющая водосборы рек, наз. водоразделом. Существует поверхностный сток, поступающий в реки по оврагам, ручьям, рекам, и подземный сток, образуемый водой, просачивающейся в горные породы, покрывающие земную поверхность. Поверхностный сток разделяется на снеговой - сток талых вод и дождевой. В свою очередь, в стоке талых вод различают равнинно-снеговое питание - весной в р-нах с устойчивой зимой при освобождении от снегового покрова, горно-снеговое питание, -происходящее весной и летом в высоко расположенных частях водосбора, и там же - ледниковое питание. Поверхностный сток характеризуется резкими колебаниями по временам года. Подземный сток отличается устойчивостью.
В зависимости от видов питания в годовом стоковом цикле чередуются периоды высокого и низкого стока - половодье, значительное повышение водности реки, повторяющееся из года в год в определ. время; межень - период низкого стока, когда реки получают преим. грунтовое (подземное) питание; паводки - нерегулярные, обычно кратковременные, иногда очень резкие повышения стока, вызываемые гл. обр. ливнями. Рекам б. ч. терр. СССР свойственно отчетливо выраженное весеннее половодье, сток к-рого близок к 50% годового. На Дальнем Востоке сток весеннего половодья понижается до 30- 40% годового, а в сев. и центральном Казахстане и в предгорьях Ср. Азии - повышается до 90-95%. Грунтовой (подземный) сток, к-рым поддерживаются в реках устойчивые низкие расходы воды, значителен (до 30% годового) в областях с влажным и относительно мягким климатом - на западе Европ. части СССР. В зоне вечной мерзлоты и в засушливых областях Ю.-В. грунтовой сток мал, и реки периодически промерзают и пересыхают. Сезонная неравномерность Р. с. существенно сглаживается проточными озерами (напр., естественно зарегулированные реки - Нева, Ангара и др.).
Речной сток - одна из статей водного баланса суши. Уравнение водного баланса водосбора за нек-рый отрезок времени записывается в виде: сток-осадки - испарение - приращение запасов влаги. Осадки атмосферные включают все виды поступления воды на водосбор: дождь, снег, конденсация на поверхности суши и водоемов, а также в порах грунта. Испарение происходит с поверхности почвы водосбора, со всех водоемов - озер, прудов, рек и т. д., а также путем транспирации (дыхания) растений.
Запасы влаги в водосборе содержатся в виде поверхностной воды (водоемы), снега, льда и подземных вод. Приращение запасов за рассматриваемый отрезок времени может быть положительным и отрицательным. В последнем случае расходуемые запасы влаги увеличивают сток. Пример интенсивного расходования запасов воды - образование весенних половодий за счет таяния накопленного за зиму снега. Колебания запасов влаги в водосборе существенно перераспределяют сток на протяжении годового цикла. При рассмотрении многолетних периодов этими колебаниями можно пренебречь, и уравнение водного баланса приобретает простой вид: сток-осадки - испарение.
Доля атмосферных осадков, превращающихся в речной сток, наз. коэфф. стока. На территории СССР этот коэфф. колеблется от величин, близких к 1,- на Крайнем Севере и в высоких горах, до величин, близких к 0,- в пустынях и засушливых степях. Величина среднего многолетнего стока, поступающего в реки с 1 км2 водосбора, характеризуется высотой слоя стока, обычно выражаемой в мм!год, и нормой стока (средним многолетним модулем стока) - числом литров воды, поступающих в секунду с 1 км2 водосбора. Водоносность различных частей территории СССР характеризуется модулями стока, близкими к 100 л/сек-км2 в высокогорных областях, к 0 - в среднеазиатских пустынях. В центральной части Европ. терр. СССР, в р-не Москвы норма стока равна приблизительно 6 л)сек - км2.
Речной сток непрерывно колеблется. В колебаниях его по сезонам года наблюдается отчетливо выраженный из года в год повторяющийся цикл, напр. для большей части территории СССР характерно весеннее половодье и сравнительно низкий сток в остальное время года, прерываемый дождевыми паводками. В многолетних колебаниях стока определ. периодичности не установлено.
График, изображающий колебания расхода воды в реке на протяжении нек-рого промежутка времени (года, весеннего половодья и т. п.), наз. гидрографом.
Расчеты Речного стока, выполняемые в связи с проектированием гидротехнич. сооружений, опираются на данные о стоке рек, зарегистрированные гидрометрич. наблюдениями. Закономерности, прослеживающиеся в колебаниях стока за прошлый период, служат основой для предвычисления стока на будущее. Состав расчетных характеристик стока и порядок анализа зависят от водохозяйственной задачи. Важнейшие характеристики - средний многолетний расход воды, определяющий общую водоносность водотока, изменчивость годовых объемов стока, сезонное распределение стока, величины миним. и макс, расходов воды. При отсутствии или недостатке наблюдений за стоком рассматриваемой реки используются методы географич. интерполяции гидрологич. характеристик, а также эмпирические зависимости. Результаты таких косвенных расчетов не отличаются высокой достоверностью и точностью.
Режим речного стока с течением времени изменяется под влиянием деятельности человека, преобразующей ландшафт водосбора. Наиболее отчетливо воздействие на сток непосредственно водохозяйственных мероприятий, осуществляемых при посредстве гидротехнич. сооружений. Изменения, вносимые в режим стока, заключаются в перераспределении его между годами и сезонами в результате работы регулирующих водохранилищ, в изъятии из рек воды для водоснабжения, обводнения и орошения, в переброске части стоков в др. бассейны, в потере воды путем испарения с водной поверхности водохранилищ. На режим речного стока влияют также агро- и лесотехнич. мероприятия, проводимые в водосборах,- распашка целины, поперечная пахота, снегозадержание, вырубка лесов, лесонасаждение и др.
Лит.: Крицкий С. Н., Менкель М. Ф., Гидрологические основы речной гидротехники. М.-Л., 1950; Соколовский Д. Л., Речной сток, 2 изд., Л., 1959.
28.07.2015
Колебания речного стока и критерии его оценки.
Речным стоком называют перемещение воды в процессе ее кругооборота в природе, когда она стекает по речному руслу. Речной сток определяется количеством воды, протекающим по речному руслу за определенный промежуток времени.
На режим стока оказывают влияние многочисленные факторы: климатические - осадки, испарение, влажность и температура воздуха; топографические - рельеф местности, форма и размеры речных бассейнов и почвенно-геологические, включая растительный покров.
Для любых бассейнов, чем больше осадков и меньше испарение, тем больше сток реки.
Установлено, что с возрастанием площади водосбора продолжительность весеннего половодья также увеличивается, гидрограф же имеет более вытянутую и «спокойную» форму. В легко проницаемых грунтах больше фильтрация и меньше сток.
При выполнении различных гидрологических расчетов, связанных с проектированием гидротехнических сооружений, мелиоративных систем, систем водоснабжения, мероприятий по борьбе с наводнениями, дорог и т. д., определяют следующие основные характеристики речного стока.
1. Расход воды
- это объем воды, протекающий через рассматриваемый створ в единицу времени. Средний расход воды Qcp рассчитывают как среднее арифметическое из расходов за данный промежуток времени Т:
2. Объем стока V
- это объем воды, который протекает через заданный створ за рассматриваемый промежуток времени T
3. Модуль стока M
- это расход воды, приходящийся на 1 км2 площади водосбора F (или стекающей с единицы площади водосбора):
В отличие от расхода воды модуль стока не связан с конкретным створом реки и характеризует сток в целом с бассейна. Средний многолетний модуль стока M0 не зависит от водности отдельных лет, а определяется только географическим положением бассейна реки. Это позволило районировать нашу страну в гидрологическом отношении и построить карту изолиний среднемноголетних модулей стока. Эти карты приводятся в соответствующей нормативной литературе. Зная площадь водосбора какой-либо реки и определив для нее по карте изолиний величину M0, можно установить средний многолетний расход воды Q0 этой реки по формуле
Для близко расположенных створов реки модули стока можно принять постоянными, то есть
Отсюда по известному расходу воды в одном створе Q1 и известным площадям водосборов в этих створах F1 и F2, расход воды в другом створе Q2 может быть установлен по соотношению
4. Слой стока h
- это высота слоя воды, которая бы получилась при равномерном распределении по всей площади бассейна F объема стока V за определенный промежуток времени:
Для среднего многолетнего слоя стока h0 весеннего половодья составлены карты изолиний.
5. Модульный коэффициент стока К
- это отношение любой из выше приведенных характеристик стока к ее среднеарифметическому значению:
Эти коэффициенты могут быть установлены для любых гидрологических характеристик (расходов, уровней, осадков, испарения и т.д.) и для любых периодов стока.
6. Коэффициент стока η
- это отношение слоя стока к слою выпавших на водосборную площадь осадков х:
Этот коэффициент может быть выражен также через отношение объема стока к объему осадков за один и тот же промежуток времени.
7. Норма стока
- наиболее вероятная средняя многолетняя величина стока, выраженная любой из вышеприведенных характеристик стока за многолетний период. Для установления нормы стока ряд наблюдений должен быть не менее 40...60 лет.
Норма годового стока Q0 определяется по формуле
Так как на большинстве водомерных постов число лет наблюдений обычно менее 40, то необходимо проверить, достаточно ли этого числа лет для получения достоверных значений нормы стока Q0. Для этого вычисляют среднеквадратическую ошибку нормы стока по зависимости
Продолжительность периода наблюдений достаточна, если величина среднеквадратической ошибки σQ не превышает 5 %.
На изменение годового стока преимущественное влияние оказывают климатические факторы: осадки, испарение, температура воздуха и т. д. Все они взаимосвязаны и, в свою очередь, зависят от ряда причин, которые имеют случайный характер. Поэтому гидрологические параметры, характеризующие сток, определяются совокупностью случайных величин. При проектировании мероприятий по лесосплаву необходимо знать значения этих параметров с необходимой вероятностью их превышения. Например, при гидравлическом расчете лесосплавных плотин необходимо установить максимальный расход весеннего паводка, который может быть превышен пять раз за сто лет. Эту задачу решают, используя методы математической статистики и теории вероятности. Для характеристики величин гидрологических параметров - расходов, уровней и т. д. используют понятия: частота
(повторяемость) и обеспеченность (продолжительность).
Частота показывает, во скольких случаях за рассматриваемый период времени величина гидрологического параметра находилась в определенном интервале. Например, если среднегодовой расход воды в заданном створе реки изменялся за ряд лет наблюдений от 150 до 350 м3/с, то можно установить, сколько раз значения этой величины находились в интервалах 150...200, 200...250, 250...300 м3/с и т. д.
Обеспеченность
показывает, во скольких случаях величина гидрологического элемента имела значения, равные и большие определенной величины. В широком понимании обеспеченность - это вероятность превышения данной величины. Обеспеченность какого-либо гидрологического элемента равна сумме частот вышерасположенных интервалов.
Частота и обеспеченность могут выражаться числом случаев, но в гидрологических расчетах их чаще всего определяют в процентах от общего числа членов гидрологического ряда. Например, в гидрологическом ряду двадцать значений среднегодовых расходов воды, шесть из них имели величину, равную или большую 200 м3/с, это значит, что этот расход обеспечен на 30 %. Графически изменения частоты и обеспеченности изображаются кривыми частоты (рис. 8а) и обеспеченности (рис. 8б).
В гидрологических расчетах чаще используют кривую обеспеченности. Из этой кривой видно, что чем больше величина гидрологического параметра, тем меньше процент обеспеченности, и наоборот. Поэтому принято считать, что годы, для которых обеспеченность стока, то есть среднегодовой расход воды Qг, меньше 50 % являются многоводными, а годы с обеспеченностью Qг больше 50 % - маловодными. Год с обеспеченностью стока 50 % считают годом средней водности.
Обеспеченность водности года иногда характеризуют ее средней повторяемостью. Для многоводных лет повторяемость показывает, как часто встречаются в среднем годы данной или большей водности, для маловодных - данной или меньшей водности. Например, среднегодовой расход многоводного года 10%-ной обеспеченности имеет среднюю повторяемость 10 раз в 100 лет или 1 раз в 10 лет; средняя повторяемость маловодного года 90%-ной обеспеченности также имеет повторяемость 10 раз в 100 лет, так как в 10 % случаев среднегодовые расходы будут иметь меньшие значения.
Годы определенной водности имеют соответствующее наименование. В табл. 1 для них приведены обеспеченность и повторяемость.
Связь между повторяемостью у и обеспеченностью р может быть записана в таком виде:
для многоводных лет
для маловодных лет
Все гидротехнические сооружения для регулирования русла или стока рек рассчитываются по водности года определенной обеспеченности, гарантирующей надежность и безаварийность работы сооружений.
Расчетный процент обеспеченности гидрологических показателей регламентируется «Инструкцией по проектированию лесосплавных предприятий».
Кривые обеспеченности и способы их расчета.
В практике гидрологических расчетов применяются два способа построения кривых обеспеченности: эмпирический и теоретический.
Обоснованный расчет эмпирической кривой обеспеченности
можно выполнить только при числе наблюдений за стоком реки более 30...40 лет.
При расчете обеспеченности членов гидрологического ряда для годового, сезонного и минимального стоков можно использовать формулу Н.Н. Чегодаева:
Для определения обеспеченности максимальных расходов воды применяют зависимость С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля:
Порядок построения эмпирической кривой обеспеченности:
1) все члены гидрологического ряда записываются в убывающем по абсолютной величине порядке;
2) каждому члену ряда присваивается порядковый номер, начиная с единицы;
3) определяется обеспеченность каждого члена убывающего ряда по формулам (23) или (24).
По результатам расчета строят кривую обеспеченности, подобную той, которая представлена на рис. 8б.
Ho эмпирические кривые обеспеченности обладают рядом недостатков. Даже при достаточно длительном периоде наблюдений нельзя гарантировать, что этот интервал охватывает все возможные максимальные и минимальные значения стока реки. Расчетные значения обеспеченности стока 1...2 % не надежны, так как достаточно обоснованные результаты можно получить только при числе наблюдений за 50...80 лет. В связи с этим, при ограниченном периоде наблюдений за гидрологическим режимом реки, когда число лет менее тридцати, или при полном их отсутствии, строят теоретические кривые обеспеченности.
Исследования показали, что распределение случайных гидрологических величин наиболее хорошо подчиняется уравнению кривой Пирсона III типа, интегральное выражение которой является кривой обеспеченности. Пирсоном получены таблицы для построения этой кривой. Кривая обеспеченности может быть построена с достаточной для практики точностью по трем параметрам: среднеарифметическому значению членов ряда, коэффициентам вариации и асимметрии.
Среднеарифметическое значение членов ряда вычисляется по формуле (19).
Если число лет наблюдений менее десяти или наблюдения вообще не проводились, то среднегодовой расход воды Qгcp принимают равным среднему многолетнему Q0, то есть Qгcp = Q0. Величина Q0 может быть установлена при помощи модульного коэффициента K0 или модуля стока M0, определенного по картам изолиний, так как Q0 = M0*F.
Коэффициент вариации
Cv характеризует изменчивость стока или степень колебания его относительно среднего значения в данном ряду, он численно равен отношению среднеквадратической ошибки к среднеарифметическому значению членов ряда. На величину коэффициента Cv оказывают существенное влияние климатические условия, тип питания реки и гидрографические особенности ее бассейна.
При наличии данных наблюдений не менее чем за десять лет коэффициент вариации годового стока вычисляют по формуле
Величина Cv меняется в широких пределах: от 0,05 до 1,50; для лесосплавных рек Cv = 0,15...0,40.
При коротком периоде наблюдений за стоком реки или при их полном отсутствии коэффициент вариации
можно установить по формуле Д.Л. Соколовского:
В гидрологических расчетах для бассейнов с F > 1000 км2 также используют карту изолиний коэффициента Cv, если суммарная площадь озер не более 3 % площади водосбора.
В нормативном документе СНиП 2.01.14-83 для определения коэффициента вариации неизученных рек рекомендуется обобщенная формула К.П. Воскресенского:
Коэффициент асимметрии Cs
характеризует несимметричность ряда рассматриваемой случайной величины относительно ее среднего значения. Чем меньшая часть членов ряда превышает величину нормы стока, тем больше величина коэффициента асимметрии.
Коэффициент асимметрии может быть рассчитан по формуле
Однако эта зависимость дает удовлетворительные результаты только при числе лет наблюдений n > 100.
Коэффициент асимметрии неизученных рек устанавливается по соотношению Cs/Cv для рек-аналогов, а при отсутствии достаточно хороших аналогов принимаются средние отношения Cs/Cv по рекам данного района.
Если невозможно установить отношение Cs/Cv по группе рек-аналогов, то значения коэффициента Cs для неизученных рек принимаются по нормативным соображениям: для бассейнов рек с коэффициентом озерности более 40 %
для зон избыточного и переменного увлажнения - арктической, тундровой, лесной, лесостепной, степной
Для построения теоретической кривой обеспеченности по приведенным выше трем ее параметрам - Q0, Cv и Cs - пользуются методом, предложенным Фостером - Рыбкиным.
Из выше приведенного соотношения для модульного коэффициента (17) следует, что средняя многолетняя величина стока заданной обеспеченности - Qp%, Мр%, Vp%, hp% - может быть рассчитана по формуле
Модульный коэффициент стока года заданной обеспеченности определяется по зависимости
Определив ряд любых характеристик стока за многолетний период различной обеспеченности, можно по этим данным построить и кривую обеспеченности. При этом все расчеты целесообразно вести в табличной форме (табл. 3 и 4).
Способы расчета модульных коэффициентов.
Для решения многих водохозяйственных задач необходимо знать распределение стока по сезонам или месяцам года. Внутригодовое распределение стока выражают в виде модульных коэффициентов месячного стока, представляющих отношения среднемесячных расходов Qм.ср к среднегодовому Qг.ср:
Внутригодовое распределение стока различно для лет разной водности, поэтому в практических расчетах определяют модульные коэффициенты месячного стока для трех характерных лет: многоводного года 10%-ной обеспеченности, среднего по водности - 50%-ной обеспеченности и маловодного - 90%-ной обеспеченности.
Модульные коэффициенты месячного стока можно установить по фактическим знаниям среднемесячных расходов воды при наличии данных наблюдений не менее чем за 30 лет, по реке-аналогу или по типовым таблицам распределения месячного стока, которые составлены для разных бассейнов рек.
Среднемесячные расходы воды определяют, исходя из формулы
(33): Qм.cp = KмQг.ср
Максимальные расходы воды. При проектировании плотин, мостов, запаней, мероприятий по укреплению берегов необходимо знать максимальные расходы воды. В зависимости от типа питания реки за расчетный максимальный расход может быть принят максимальный расход воды весеннего половодья или осеннего паводка. Расчетная обеспеченность этих расходов определяется классом капитальности гидросооружений и регламентируется соответствующими нормативными документами. Например, лесосплавные плотины Ill класса капитальности рассчитываются на пропуск максимального расхода воды 2%-ной обеспеченности, а IV класса - 5%-ной обеспеченности, берегоукрепительные сооружения не должны разрушаться при скоростях течения, соответствующих максимальному расходу воды 10%-ной обеспеченности.
Способ определения величины Qmax зависит от степени изученности реки и от различия между максимальными расходами весеннего половодья и паводка.
Если имеются данные наблюдений за период более 30...40 лет, то строят эмпирическую кривую обеспеченности Qmax, а при меньшем периоде - теоретическую кривую. В расчетах принимают: для весеннего половодья Cs = 2Сv, а для дождевых паводков Cs = (3...4)CV.
Поскольку наблюдения за режимом рек ведутся на водомерных постах, то обычно кривую обеспеченности строят для этих створов, а максимальные расходы воды в створах расположения сооружений рассчитывают по соотношению
Для равнинных рек максимальный расход воды весеннего половодья заданной обеспеченности р% вычисляют по формуле
Значения параметров n и K0 определяются в зависимости от природной зоны и категории рельефа по табл. 5.
I категория - реки, расположенные в пределах холмистых и платообразных возвышенностей - Среднерусская, Струго-Красненская, Судомская возвышенности, Среднесибирское плоскогорье и др.;
II категория - реки, в бассейнах которых холмистые возвышенности чередуются с понижениями между ними;
III категория - реки, большая часть бассейнов которых располагается в пределах плоских низменностей - Молого-Шекснинская, Мещерская, Белорусское полесье, Приднестровская, Васюганская и др.
Значение коэффициента μ устанавливается в зависимости от природной зоны и процента обеспеченности по табл. 6.
Параметр hp% вычисляют по зависимости
Коэффициент δ1 рассчитывают (при h0 > 100 мм) по формуле
Коэффициент δ2 определяют по соотношению
Расчет максимальных расходов воды весеннего половодья ведется в табличной форме (табл. 7).
Уровни высоких вод (УВВ) расчетной обеспеченности устанавливаются по кривым расходов воды для соответствующих значений Qmaxp% и расчетных створов.
При приближенных расчетах максимальный расход воды дождевого паводка может быть установлен по зависимости
В ответственных расчетах определение максимальных расходов воды следует проводить в соответствии с указаниями нормативных документов.
