Речной сток и гидрологические расчеты (стр. 3 )

ВВЕДЕНИЕ.

Задачи гидрологических расчетов и их роль в развитии хозяйства страны. Связь гидрологических расчетов с другими науками. История развития гидрологических расчетов: первые работы зарубежных ученых 17-19вв.; работы русских ученых конца 19 – начала 20вв.; первый учебник гидрологии в России; советский период развития гидрологических расчетов; Всесоюзные гидрологические съезды и их роль в развитии методов расчета речного стока; постсоветский период развития гидрологических расчетов. Основные характеристики стока рек. Три случая определения гидрологических характеристик.

МЕТОДЫ АНАЛИЗА ХАРАКТЕРИСТИК РЕЧНОГО СТОКА.

Генетический анализ гидрологических данных: географо-гидрологический метод и его частные случаи – методы гидрологической аналогии, географической интерполяции и гидролого-гидрогеологический. Вероятностно-статистический анализ: метод моментов, метод наибольшего правдоподобия, метод кванителей, корреляционный и регрессионный анализ, факторный анализ, метод главных компонент, метод дискриминантного анализа. Методы анализа вычислительной математики: системы алгебраических уравнений, дифференцирование и интегрирование функций, уравнения с частными производными, метод Монте-Карло. Математическое моделирование гидрологических явлений и процессов, классы и типы моделей. Системный анализ.

СПОСОБЫ ОБОБЩЕНИЯ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК.

Карты изолиний стока: принципы построения, надежность определения стока. Гидрологическое районирование территории: понятие, границы применения, принципы районирования и подходы к районированию, способы определения границ районов, однородность районов. Графическая обработка гидрологических данных: прямолинейные, степенные и показательные графические зависимости.

ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЧНОГО СТОКА.

Важность понимания механизма и степени влияния физико-географических факторов на режим и величину речного стока. Уравнение водного баланса речного бассейна. Классификация факторов формирования речного стока. Климатические и метеорологические факторы речного стока: атмосферные осадки, испарение, температура воздуха. Влияние на сток факторов речного бассейна и его подстилающей поверхности: географическое положение, размеры, форма речного бассейна, рельеф, растительность, почвы и горные породы, многолетняя мерзлота, озерность, болотистость, ледники и наледи в пределах бассейна. Влияние хозяйственной деятельности на речной сток: создание водохранилищ и прудов, перераспределение стока между речными бассейнами стока, орошение сельскохозяйственных полей, осушение болот и заболоченных территорий, агролесотехнические мероприятия на водосборах рек, водопотребление на промышленные и коммунально-бытовые нужды, урбанизация, добыча полезных ископаемых.

СТАТИСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ РЕЧНОГО СТОКА.

НАДЕЖНОСТЬ ИСХОДНОЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.

Норма стока и принципы ее вычисления. Изменчивость речного стока, ее относительное (коэффициент вариации) и абсолютное (среднеквадратическое отклонение) выражение, связь с метеорологическими факторами. Изменчивость внутригодового распределения стока, максимального стока весеннего половодья и дождевых паводков, минимального зимнего и летнего стока. Коэффициент асимметрии. Степень надежности гидрологической исходной информации. Причины возникновения погрешностей в режимной гидрологической информации.

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И РАСЧЕТЫ НОРМЫ ГОДОВОГО СТОКА.

Годовой сток рек как основная гидрологическая характеристика. Условия формирования годового стока: осадки, испарение, температура воздуха. Влияние озер, болот, ледников, наледей, площади бассейна, высоты водосбора, леса и его вырубки, создания водохранилищ, орошения, промышленно-коммунального водопотребления, осушения болот и заболоченных земель, агролесомелиоративных мероприятий на формирование годового стока рек. Понятие о репрезентативности ряда гидрологических данных. Элементы циклических колебаний стока. Синхронность, асинхронность, синфазность, асинфазность колебаний стока. Расчеты нормы годового стока при наличии, недостаточности и отсутствии данных наблюдений. Распределение годового стока по территории России.

ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ И РАСЧЕТ

ВНУТРИГОДОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СТОКА РЕК.

Практическая значимость знаний о внутригодовом распределении стока. Роль климата в распределении стока в течение года. Факторы подстилающей поверхности, корректирующие внутригодовое распределение стока: озера, болота, пойма реки, ледники, многолетняя мерзлота, наледи, лес, карст, размеры речного бассейна, форма водосбора. Влияние создания водохранилищ и прудов, орошения, агролесотехнических мероприятий и осушения на внутригодовое распределение стока рек. Расчет внутригодового распределения стока при наличии, недостаточности и отсутствии данных наблюдений. Расчет суточного распределения стока. Кривые продолжительности суточных расходов. Коэффициент естественной зарегулированности стока. Коэффициент внутригодовой неравномерности стока.

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА МАКСИМАЛЬНОГО

СТОКА РЕК ЗА ПЕРИОД ВЕСЕННЕГО ПОЛОВОДЬЯ.

Понятие «катастрофический паводок (половодье)». Практическое и научное значение достоверной оценки статистических параметров половодий. Причины катастрофических наводнений. Генетические группы максимальных расходов воды. Расчетная обеспеченность максимальных расходов воды в зависимости от класса капитальности гидротехнического сооружения. Качество исходной информации о максимальных расходах воды. Условия формирования стока половодий: снегозапасы в бассейне реки и запасы воды в снежном покрове, потери на испарение со снега, интенсивность и продолжительность снеготаяния, потери талых вод. Факторы подстилающей поверхности: рельеф, экспозиция склона, размеры, конфигурация, расчлененность бассейна, озера и болота, почвы и грунты. Антропогенные факторы формирования максимального стока половодий. Генетическая теория формирования максимального стока. Редукция максимального стока. Расчеты максимального весеннего стока при наличии, недостаточности и отсутствии данных наблюдений. Математические и физико-математические модели процессов формирования стока талых вод.

МАКСИМАЛЬНЫЙ СТОК РЕК ЗА ПЕРИОД ДОЖДЕВЫХ ПАВОДКОВ.

Районы распространения высоких дождевых максимумов. Сложности в исследовании и обобщении характеристик дождевого стока. Виды дождей и их составные части. Особенности формирования дождевых паводков: интенсивность и продолжительность дождя, интенсивность инфильтрации, скорость и время добегания дождевых вод. Роль факторов подстилающей поверхности и видов хозяйственной деятельности в формировании дождевого стока. Расчеты максимальных расходов воды дождевых паводков при наличии, недостаточности и отсутствии данных наблюдений. Моделирование стока дождевых паводков.

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И РАСЧЕТЫ МИНИМАЛЬНОГО ЛЕТНЕГО
И ЗИМНЕГО СТОКА РЕК.

Понятие меженного периода и меженного стока. Практическая значимость знаний о минимальном стоке рек. Основные расчетные характеристики минимального и меженного стока рек. Продолжительность зимнего и летнего или летнее-осеннего меженного периода на реках территории России. Типы межени и меженных периодов рек России. Факторы формирования минимального стока: осадки, температура, испарение, связь вод зоны аэрации, грунтовых вод, карстовых и артезианских вод с рекой, геологические и гидрогеологические условия в бассейне, озера, болота, лес, расчленение и высота местности, пойма реки, глубина эрозионного вреза русла реки, площади поверхностного и подземного водосборов, уклон и ориентирование водосбора, орошение сельскохозяйственных земель, промышленное и бытовое потребление воды рек, осушение, использование подземных вод, создание водохранилищ, урбанизация. Расчеты минимального меженного стока при разном объеме исходной гидрологической информации.

4. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1.

РАСЧЕТЫ ГОДОВОГО СТОКА РЕК ЗАДАННОЙ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ
ПРИ НЕДОСТАТОЧНОСТИ И ОТСУТСТВИИ ДАННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ.

ЗАДАНИЕ 1: Выбрать бассейн реки с площадью водосбора не менее 2000км² и не более 50000км² в пределах Тюменской области и выписать из изданий ОГХ для этого бассейна ряд наблюдений среднегодовых расходов.

ЗАДАНИЕ 2: Определить статистические параметры кривой обеспеченности среднегодовых расходов выбранной реки методами моментов, наибольшего правдоподобия, графо-аналитическим.

ЗАДАНИЕ 3: Определить годовой сток реки обеспеченностью 1%, 50% и 95%.

ЗАДАНИЕ 4: Вычислить среднегодовой сток той же реки по карте изолиний модуля и слоя стока и оценить точность расчета.

ТЕОРИЯ: При наличии или недостаточности данных наблюдений основные статистические параметры речного стока определяют тремя методами: методом моментов, методом наибольшего правдоподобия, графоаналитическим методом.

МЕТОД МОМЕНТОВ.

Для определения параметров кривой распределения Qо, Cv и Сs методом моментов используются следующие формулы:

1) среднее многолетнее значение расхода воды

Qо = ΣQi /n, где

Qi – погодичные значения расхода воды, м³/с;

n – количество лет наблюдений; при рядах наблюдений менее 30 лет вместо n принимают (n – 1).

2) коэффициент вариации

Cv = ((Σ(Кi -1)²) /n)½, где

Кi – модульный коэффициент, вычисляемый по формуле

Кi = Qi / Qо.

3) коэффициент асимметрии

Cs = Σ( Кi – 1)³/ (n · Сv³).

По значениям Cv и Cs рассчитывается соотношение Cs/Cv и ошибки вычисления Qо, Cv и Cs:

1) ошибка Qо

σ = (Cv /n½) ·100%;

2) ошибка Cv должна быть не более 10-15%

Έ = ((1+Cv²) / 2n)½ · 100%,

3) ошибка Cs

έ = ((6/n)½ (1+6Cv²+5Cv ( ½ / Cs) ·100%.

МЕТОД НАИБОЛЬШЕГО ПРАВДОПОДОБИЯ.

Сущность метода состоит в том, что наиболее вероятным считается такое значение неизвестного параметра, при котором функция правдоподобия достигает наибольшего возможного значения. При этом большее влияние имеют члены ряда, которым соответствует большее значение функции. Этот способ основан на использовании статистик λ1, λ2, λ3. Статистики λ2 и λ3 связаны друг с другом и их соотношение меняется от изменения Сv и соотношения Сs/Сv. Статистики вычисляются по формулам:

1) статистика λ1 есть среднее арифметическое ряда наблюдений

λ1 = ΣQi / n ;

2)статистика λ2

λ2 = Σ ІgКi /(n – 1);

3) статистика λ3

λ3 = Σ Кi· ІgКi /(n – 1).

Определение коэффициента изменчивости Сv и соотношения Сs/Сv производится по номограммам (см. в учебном пособии . Практическая гидрология. Л.: Гидрометеоиздат, 1976, стр. 137) в соответствии с вычисленными статистиками λ2 и λ3. На номограммах находим точку пересечения значений статистик λ2 и λ3. По ближайшей к ней вертикальной кривой определяется значение Сv, а по горизонтальной кривой соотношение Сs/Сv, от которого переходим к значению Сs. Ошибка Сv определяется по формуле:

Έ = ( 3 / (2n(3+ Cv²)))½ · 100%.

ГРАФО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД.

Этим методом статистические параметры аналитической кривой обеспеченности вычисляются по трем характерным ординатам сглаженной эмпирической кривой обеспеченности. Такими ординатами служат величины Q5%,Q50% и Q95% обеспеченности.

На полулогарифмической клетчатке вероятности строят зависимость Q = f(Р). Для построения сглаженной эмпирической кривой обеспеченности необходимо ряд наблюдений выстроить в убывающей последовательности и каждому ранжированному значению расхода воды Qуб. присвоить значение обеспеченности Р, вычисленное по формуле:

Р = ( m / n+1) · 100%, где

m – порядковый номер члена ряда;

n – число членов ряда.

По горизонтальной оси откладываются значения обеспеченности, по вертикальной – соответствующие им Qуб. Точки пересечения обозначаются кружочками диаметром 1,5-2мм и закрепляются тушью. По точкам карандашом проводят сглаженную эмпирическую кривую обеспеченности. С этой кривой снимают три характерные ординаты Q5%,Q50% и Q95% обеспеченности, благодаря которым вычисляют значение коэффициента скошенности S кривой обеспеченности по следующей формуле:

S = (Q5% + Q95% - 2 Q50%) / (Q5% - Q95%).

Коэффициент скошенности является функцией коэффициента асимметрии. Поэтому по вычисленному значению S определяют величину Сs (см. приложение 3 в учебном пособии . Практическая гидрология. Л.: Гидрометеоиздат, 1976, стр. 431). По этому же приложению в зависимости от полученного значения Сs определяют разность нормированных отклонений (Ф5% - Ф95%) и нормированное отклонение Ф50%. Далее рассчитывают среднее квадратическое отклонение σ, средний многолетний сток Qо´и коэффициент вариации Сv по следующим формулам:

σ = (Q5% - Q95%) / (Ф5% - Ф95%),

Qо´ = Q50% - σ · Ф50%,

Сv = σ / Q´.

Аналитическая кривая обеспеченности считается в достаточной мере соответствующей эмпирическому распределению, если выполняется следующее неравенство:

ІQо - Qо´І < 0,02·Qо.

Средняя квадратическая ошибка Qо´ вычисляется по формуле:

σQо´ = (Сv / n½) · 100%.

Ошибка коэффициента вариации

Έ = ((1+ Сv²) / 2n)½ ·100%.

РАСЧЕТ РАСХОДОВ ЗАДАННОЙ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ.

Расход заданной обеспеченности вычисляется по формуле:

Qр = Кр·Qо, где

Кр – модульный коэффициент заданной обеспеченности р%, рассчитываемый по формуле

Кр = Фр·Cv + 1, где

Фр – нормированные отклонения заданной обеспеченности от среднего значения ординат биномиальной кривой распределения, определяется по приложению 3 учебного пособия . Практическая гидрология. Л.: Гидрометеоиздат, 1976, стр. 431.

Рекомендуемые для дальнейших гидрологических расчетов и проектных работ статистические параметры по бассейну реки и ее обеспеченные расходы получают путем вычисления среднего арифметического из полученных тремя вышеизложенными методами Qо, Cv, Cs, Q5%,Q50% и Q95% обеспеченности.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗНАЧЕНИЙ СРЕДНЕГОДОВОГО СТОКА РЕК ПО

КАРТАМ.

При отсутствии данных наблюдений о стоке одним из способов его определения являются карты изолиний модулей и слоя стока (см. учебное пособие . Практическая гидрология. Л.: Гидрометеоиздат, 1976, стр. 169-170). Значение модуля или слоя стока определяется для центра водосбора реки. Если центр водосбора лежит на изолинии, то среднее значение стока данного водосбора принимается по значению этой изолинии. Если водосбор лежит между двумя изолиниями, то значение стока для его центра определяется методом линейной интерполяции. Если водосбор пересекают несколько изолиний, то значение модуля стока (или слоя стока) для центра водосбора определяют методом средневзвешенного по формуле:

Мср = (М1f1 + М2f2 +…Мnfn) / (f1 + f2 +…fn), где

М1,М2… - средние значения стока между соседними изолиниями, пересекающими водосбор;

f1,f2… - площади водосбора между изолиниями в пределах водосбора (в км² или в делениях палетки).