НОРМИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МАКСИМАЛЬНОГО СТОКА ВЕСЕННЕГО ПОЛОВОДЬЯ РЕК ПРИАЗОВЬЯ : НОРМУВАННЯ ХАРАКТЕРИСТИК МАКСИМАЛЬНОГО СТОКУ ВЕСНЯНОГО ВОДОПІЛЛЯ РІЧОК ПРИАЗОВЯ

Краткое описание

ОДЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ХОАНГ ТХИ ЛАН АНЬ

УДК 556.166

НОРМИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МАКСИМАЛЬНОГО СТОКА ВЕСЕННЕГО ПОЛОВОДЬЯ РЕК ПРИАЗОВЬЯ

11.00.07 гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата
географических наук

Научный руководитель
Гопченко Евгений Дмитриевич
__________________________________________________________________
доктор географических наук, профессор

Одесса 2004

СОДЕРЖАНИЕ
Стр.

Введение

4

Раздел 1

Краткая физико-географическая характеристика территории Приазовья

8

1.1.Рельеф и геологическое строение..

8

1.2.Почвы

11

1.3.Растительность.

15

1.4.Подземные воды..

16

1.5.Климатические условия......

18

1.5.1.Температура воздуха

19

1.5.2.Атмосферные осадки

20

1.5.3.Влажность почвы..

21

1.6. Общая характеристика гидрографической сети..

22

1.7.Уровенный режим

25

1.8.Гидрологическая изученность

26

Раздел 2

Аналитический обзор современного состояния в области расчета максимального стока весеннего половодья рек Украиы

29

2.1.Редукционные формулы..

29

2.2.Объемные формулы.

37

2.3.Формулы предельной интенсивности

42

2.4.Формулы, основанные на модели русловых изохрон.

51

2.5.Обоснование базовой структуры для нормирования характеристик максимального стока весеннего половодья рек Приазовья

64

2.5.1.Элементарные водосборы

67

2.5.2.Русловые системы.

71

Раздел 3

Статистическая обработка временных рядов максимальных расходов воды и слоев стока весеннего половодья рек Приазовья.

79

3.1.Методы определения оценок параметров распределения

80

3.2. Краткие сведения об использованных в работе кривых распределения.

84

3.2.1. Биноминальное распределение непрерывной случайной величины.

84

3.2.2.Кривая распределения вероятностей С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля.

85

3.3.Статистическая обработка временных рядов максимальных расходов воды весеннего половодья рек Приазовья.......

86

3.4.Статистическая обработка временных рядов слоя стока весеннего половодья рек Приазовья

92

Раздел 4

Обоснование расчетных характеристик гидрографов склонового притока талых вод в русловую сеть

101

4.1.Определение коэффициентов неравномерности склонового стока

102

4.2. Расчетная продолжительность притока воды со склонов в русловую сеть.........

110

Раздел 5

Расчетная методика максимального стока весеннего половодья для рек Приазовья

124

5.1. Максимальный модуль склонового притока

125

5.2. Трансформация волн половодья под влиянием времени руслового добегания

128

5.3.Трансформация волн половодья под влиянием русло-пойменной емкости

136

5.4. Проверочные расчеты по разработанной методике.

146

Выводы..

152

Список использованных источников

156

Приложение.

161

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Среди характеристик гидрологического режима рек максимальному стоку принадлежит особая роль, такт как именно с ним связана безопасность эксплуатации гидротехнических сооружений, возводимых на реках (шоссейных и железнодорожных мостов, плотин, водохранилищ), затопление населенных пунктов, промышленных объектов, сельскохозяйственных угодий и др. В конце прошлого столетия катастрофически высокие паводки смешанного (снего-дождевого) происхождения наблюдались на реках Карпат, следствием чего явились огромные разрушения хозяйственных объектов и материальные ущербы.
В Украине проблеме расчета максимального стока всегда уделялось самое пристальное внимание. Крупные теоретические и прикладные исследования в сове время были проведены А.В. Огиевским (1945), В.И. Мокляком (1957), А.Н. Бефани (1958), П.Ф. Вишневским (1964), И.А. Железняком (1965) и др. Тем не менее, в настоящее время получили применение не эти формулы, а полуэмпирические (к числу которых относится и действующий в Украине нормативный документ СНиП 2.01.14-83), которые не соответствуют современному уровню развития гидрологической науки. С целью совершенствования нормативной базы в области максимального стока весеннего половодья рек Приазовья рекомендуется структура, опирающаяся на модель русловых изохрон.
Связь работы с научными программами, планами, темами. Тема диссертационной работы соответствует основным направлениям научной деятельности кафедры гидрологии суши Одесского государственного экологического университета по проблеме: Максимальний та річний стік річок України (1998-2002 рр.)”, №0203V000353.
Исследование выполнялось в соответствии с Указом Президента Украины от 15.03.02 г. Про заходи щодо забезпечення ефективного прогнозування повеней і паводків та ліквідації їх наслідків”; утвержденной Постановлением Кабинета Министров Украины 26.07.00 г. Комплексною програмою захисту від шкідливої дії вод сільських населених пунктів і сільськогосподарських угідь в Україні на 2001-2005 рр. та прогноз до 2010 р.”; Постановою Кабінету Міністрів України від 31.01.01 р. Про порядок використання земель у зонах їх можливого затоплення внаслідок повеней і паводків”.
Ученым советом университета тема диссертационной работы утверждена 29 ноября 2001 г., протокол №11.
Цель и задачи исследования. Основной целью диссертационной работы являлось обоснование более совершенной научно-методической базы для нормирования характеристик максимального стока весеннего половодья. В задачу входило построение расчетной схемы операторного типа и ее практическая реализация на гидрологических объектах Приазовья.
Предмет исследования составляют характеристики максимального стока весеннего половодья (их статистический анализ, пространственное обобщение и расчет).
Методы исследования. При выполнении исследований диссертантом использовались методы статистического анализа временных рядов максимальных расходов воды и слоев стока, их географическое обобщение. При установлении продолжительности склонового притока талых вод в русловую сеть был применен численный способ, опирающийся на метод простой одношаговой итерации. Широко представлены в работе различного рода графические построения.
Научная новизна полученных результатов. Она заключается в дальнейшем развитии теоретических идей А.Н. Бефани (1958, 1981), Н.Ф. Бефани (1977) и Е.Д. Гопченко (1999) относительно обоснования научно-методической базы для нормирования расчетных характеристик максимального стока рек. В результате лично автором:
- получен вариант операторной формулы максимального стока, ранее обоснованной Е.Д. Гопченко, исходя из несколько иных теоретических предпосылок;
- установлены максимальные модули склонового притока весеннего половодья на исследуемой территории;
- на основе стоковых материалов наблюдений определен коэффициент неравномерности склонового притока воды в русловую сеть, а путем использования коэффициентов превышения срочных расходов воды над их среднесуточными значениями осуществлена проверка его устойчивости;
- двумя способами (в рамках формулы А.Н. Бефани и объемного типа) в результате обратных расчетов удалось установить для территории Приазовья продолжительность притока талых вод в русловую сеть;
- установлены численные значения трансформационных коэффициентов максимального стока (распластывания и русло-пойменного регулирования).
Практическое значение полученных результатов. Прежде всего практическую ценность представляет предложенный автором вариант теоретического обоснования структуры формулы операторного типа, что является существенным развитием идей А.Н. Бефани и Е.Д. Гопченко в области максимального стока. В методическом плане автором обобщение редукционных коэффициентов выполнено в зависимости не от площади водосбора, а от так называемого гидроморфологического фактора, зависящего от сочетания длин и уклонов рек. Диссертантом также показано, что структура редукционной формулы, в том числе и используемой в нормативном документе, не является универсальной. Что же касается разработанной автором методики, то ее можно рекомендовать для практического использования при расчете максимального стока весеннего половодья в бассейнах рек Приазовья.
Личный вклад соискателя. Основные научные результаты, представленные в диссертационной работе, принадлежат лично автору. Большинство публикаций диссертанта написаны в соавторстве с научным руководителем и М.Е. Романчук, занимающейся близкой проблематикой. При этом научному руководителю принадлежат научные идеи, а соавторам их реализация на региональном или теоретическом уровне.
Апробация результатов диссертации. Результаты текущей работы над диссертацией ежегодно обсуждались на заседаниях кафедры гидрологии суши, а также на конференциях молодых ученых университета (март 2003, март 2004 гг.).
Публикации. Результаты исследований автора опубликованы в 5 статьях научных сборников, из них 4 входят в перечень, утвержденный ВАК Украины.
Автор считает своим приятным долгом выразить признательность научному руководителю доктору географических наук, профессору Гопченко Евгению Дмитриевичу, за постоянное внимание к диссертационной работе.

Список литературы

ВЫВОДЫ

1. Анализ существующего положения в области расчета максимального стока весеннего половодья рек Приазовья показал, что были попытки использования для нормирования его характеристик почти всех известных структур: редукционных, объемных и предельной интенсивности. Наиболее широкое распространение получили формулы редукционного типа, на основе которых были построены в свое время нормативные документы СН 435-72 и СНиП 2.01.14-83. В работе показано (раздел 5), что при отсутствии данных наблюдений по стоку малых рек применительно к территории Приазовья нельзя признать достоверными не только региональные значения расчетных параметров, но и считать оптимальной саму структуру редукционных формул.
Что касается так называемой формулы предельной интенсивности (в редакции В.И. Мокляка), которая рекомендуется для использования наравне со СНиП 2.01.14-83, то, во-первых, ее следует отнести все же к редукционным, а, во-вторых, как несколько произвольно трактующую модель русловых изохрон.
Другие типы формул (объемные и основанные на теории русловых изохрон) в последние десятилетия практического применения не имеют, главным образом, по причине их громоздкости.
2. Автором для нормирования характеристик максимального стока весеннего половодья в бассейнах рек Приазовья в качестве базовой принята математическая модель А.Н. Бефани с некоторыми дополнениями в части учета эффектов русло-пойменного регулирования и получения конечных расчетных уравнений, которые могут быть отнесены к операторным (по терминологии Е.Д. Гопченко). Основу этих уравнений составляет модуль склонового притока и две трансформационные функции распластывания и русло-пойменного регулирования . При наличии на водосборах прудов и водохранилищ проточного типа в операторное уравнение вводится еще одна трансформационная функция водоемного регулирования .
3. Статистический анализ временных рядов максимальных расходов и слоев стока весеннего половодья указывает на их высокую изменчивость, соотношение между и принято на уровне 2,0. Средняя квадратическая погрешность квантиля максимального расхода 1%-ной обеспеченности составила 21,3%. В изменении слоя стока по территории отмечается широтная и высотная закономерность. Средний градиент увеличения слоя стока с высотой равен 55 мм / 100 м, а по широте около 70 мм / 1о с.ш. Обобщение слоя стока по территории выполнено в виде карты изолиний. В целом уменьшается по направлению с севера и северо-востока на юг и юго-восток (от 120-140 мм до 50 мм).
4. Характеристики гидрографов склонового притока (коэффициенты временной неравномерности и продолжительность склонового притока ) применительно к расчету половодий 1%-ной вероятности превышения установлены по данным сети гидрологических постов, находящихся на территории Приазовья.
4.1. Коэффициент неравномерности склонового стока получен путем экстраполяции на ось ординат зависимости коэффициента неравномерности руслового стока от площади водосборов и равен 11,5. Для контроля этого значения в работе использована обоснованная автором методика, использующая , и соотношение между срочными и среднесуточными максимумами стока.
4.2. Продолжительность склонового притока определялась двумя методами численным путем в рамках формулы А.Н. Бефани и в структуре объемной формулы, предложенной Е.Д. Гопченко. В обоих случаях получены практически совпадающие результаты при час.
5. При разработке расчетной методики максимального стока весеннего половодья:
5.1. Обоснованы модули склонового притока , которые обусловлены слоем стока , продолжительностью склонового притока и коэффициентом неравномерности склонового стока и варьируют от 4,57 м3/скм2 (р. Ольховая пгт Алексеево-Орловка) до 1,52 м3/скм2 (р. Молочная с. Терпение). Прослеживается четкая широтная закономерность в изменении при градиенте около 2 м3/скм2 на 1о с.ш.
5.2. Трансформационная функция при обладает очень высокой асимметричностью и снижением ее значений до 0,35-0,30 уже при 0,05-0,1. В диапазоне от 0,1 до 0,6 они снижаются с 0,30 до 0,17.
5.3. Русло-пойменное регулирование, выражаемое параметром , в диапазоне площадей рек 1500-2000 км2 оказывает несколько большее влияние на трансформацию максимального стока весеннего половодья на территории Приазовья, по сравнению с . Обобщение коэффициентов русло-пойменного регулирования выполнено в зависимости от гидроморфологического фактора , где - длина реки, а - ее уклон. Этот параметр, по мнению диссертанта, лучше учитывает регулирующую способность русловой сети, чем площадь водосбора .
6. Проверочные расчеты применительно к обеспеченности по совокупности 29 водосборов на территории Приазовья указывают на удовлетворительную сходимость расчетных модулей с исходными данными . Среднее отклонение составило 17,0%, при средней квадратической погрешности исходных данных . Это позволяет разработанную диссертантом методику рекомендовать для расчета максимального стока весеннего половодья рек Приазовья, вместо устаревших региональных формул и методики СНиП 2.01.14-83.
7. Для перехода от опорной 1%-ной вероятности превышения к другим обеспеченностям рекомендуется таблица коэффициента .

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Ресурсы поверхностных вод СССР.- Т.6.- Вып.3.- Л.: Гидрометеоиздат, 1967.- 488 с.
2. Соколовский Д.Л. Речной сток.- Л.: Гидрометеоиздат, 1968.- 538 с.
3. Гопченко Е.Д., Гушля А.В. Гидрология с основами мелиорации.- Л.: Гидрометеоиздат, 1989.- 303 с.
4. Воскресенский К.П. Гидрологические расчеты при проектировании сооружений на малых реках, ручьях и временных водотоках.- Л.: Гидрометеоиздат, 1956.- 467 с.
5. Соколов А.А. О влиянии леса на максимальный сток весеннего полово­дья // Тр. ГГИ, 1962.- Вып.99.- С.79-140.
6. Гопченко Е.Д. О редукционных формулах максимального стока // Тр. УкрНИГМИ, 1980.- Вып.175.- С.85-93.
7. Гопченко Е.Д., Деркач Т.В. Продолжительность притока воды со склонов в русловую сеть в период весеннего половодья на территории левобережья Днепра.- 11 с. Деп. В УкрНИИНТИ 20.09.90., №1614 - Ук.90.
8. Гопченко Е.Д., Симонова Т.А. О расчете максимальных расходов воды весеннего половодья в бассейне р.Оки // Водные ресурсы, 1981.- №6.- С.54-61.
9. Гопченко Е.Д. Обоснование параметров редукционной формулы для расчета максимального стока рек // Водные ресурсы, 1976.- №4.- С.34-41.
10. Романчук М.Е. О структуре формул максимального стока // Метеорологія, кліматологія та гідрологія, 2002.- Вып.46.- С.293-302.
11. Огиевский А.В. Гидрология суши.- М.: Сельхозиздат, 1952.- 515 с.
12. Мокляк В.І. Максимальні витрати від талих вод на річках УРСР.- Київ.: Видав. АН УРСР, 1957.- 163 с.
13. Гопченко Е.Д., Сербов Н.Г. Метод расчета максимального стока весеннего половодья рек Западно-Сибирской равнины // Метеорология, климатология и гидрология, 1990.- №5.- С.79-85.
14. Андреевская Г.М. О роли гидрографических коэффициентов в формировании максимального стока // Метеорология, климатология и гидрология, 1998.- Вып.35.- С.248-259.
15. Бефани Н.Ф. Прогнозирование дождевых паводков на основе территориально общих закономерностей.- Л.: Гидрометеоиздат, 1977.- 181 с.
16. Пособие по определению расчетных гидрологических характеритиск.- Л.: Гидрометеоиздат, 1984.- 447 с.
17. Вишневский П.Ф. Зливи та зливовий стік.- Київ.: Видав. Наукова думка”, 1964.- 291 с.
18. Огиевский А.В. Основные закономерности в процессах стока на речных бассейнах // Тр. НИУ ГУ ГМС, 1945.- сер. IV.- Вып.13.- 192 с.
19. Алексеев Г.А. Анализ и расчет максимального стока // Тр. НИУ ГУ ГМС, 1946.- сер. IV.- Вып.29.- С.33-91.
20. Бефани А.Н. Основы теории ливневого стока // Тр. ОГМИ, 1958.- Ч.2.- Вып.14.- 302 с.
21. Гушля А.В. Влияние формы бассейна на величину максимальных расходов дождевых паводков // Метеорология, климатология и гидрология, 1972.- Вып.8.- С.155-158.
22. Гопченко Е.Д. Некоторые проблемные вопросы расчета максимального паводочного стока // ДАН СССР, 1988.- Т.302.- №4.- С.955-957.
23. Бефани А.Н., Бефани Н.Ф., Гопченко Е.Д. Региональные модели формирования паводочного стока на территории СССР.- Обнинск, 1981.- Вып.2.- 60 с.
24. Огиевский А.В. Бассейны-индикаторы.- Л.: Гидрометеоиздат, 1947.- 284 с.
25. Гопченко Е.Д. О редукции максимальных модулей дождевого стока по площади // Метеорология и гидрология, 1975.- №2.- С.66-71.
26. Гопченко Е.Д., Романчук М.Е. Математическая модель для расчета характеристик экстремально высоких паводков и половодий на территории Придунайских озер // Метеорологія, кліматологія та гідрологія, 2001.- Вып.42.- С.39-50.
27. Железняк И.А. Определение максимального расхода половодья по типовым характеристикам гидрометеорологических условий и водосбора // Тр. УкрНИГМИ, 1985.- Вып.201.- С.15-27.
28. Гопченко Е.Д., Хоанг Тхи Лан Ань, Романчук М.Е. Операторная структура формулы максимального стока с малых водосборов // Метеорологія, кліматологія та гідрологія, 2002.- Вып.46.- С.412-419.
29. Гопченко Е.Д., Романчук М.Е., Хоанг Тхи Лан Ань. Операторная структура формулы максимального стока в рамках модели А.Н. Бефани // Метеорологія, кліматологія та гідрологія, 2003.- Вып.47.- С.209-219.
30. Рождественский А.В., Чеботарев А.И. Статистические методы в гидрологии.- Л.: Гидрометеоиздат, 1974.- 423 с.
31. Алексеев Г.А. Графоаналитические способы определения и приведения к длительному периоду наблюдений кривых распределения // Тр. ГГИ, 1960.- Вып.73.- С.90-140.
32. Крицкий С.Н., Менкель М.Ф. О принципах выбора параметров водохозяйственных установок // В кн. Проблемы регулирования речного стока”, 1948.- Вып.2.- С.5-43.
33. Блохинов Е.Г. Новые приемы для оценки параметров случайных колебаний речного стока по данным многолетних наблюдений // Тр. ГГИ, 1968.- Вып.143.- С.134-185.
34. Блохинов Е.Г. О распределении оценок квантилей, вычисленных различными методами (применительно к расчетам речного стока) // Тр. ГГИ, 1969.- Вып.162.- С.18-36.
35. Блохинов Е.Г. Об особенностях распределения выборочных оценок параметров речного стока // Тр. ГГИ, 1966.- Вып.134.- С.115-150.
36. Крицкий С.Н., Менкель М.Ф. О приемах исследования случайных колебаний речного стока // Тр. НИУ ГУ ГМС, 1946.- сер.4.- Вып.29.- С.3-32.
37. Алексеев Г.А. Методы оценки случайных погрешностей гидрометеорологической информации.- Л.: Гидрометеоиздат, 1975.- 95 с.
38. Крицкий С.Н., Менкель М.Ф. Гидрологические основы управления речным стоком.- М.: Изд-во Наука”, 1981.- 254 с.
39. Андреевская Г., Гопченко Е., Овчарук В. О форме графиков притока воды со склонов в русловую сеть // Метеорология, климатология и гидрология, 1996.- Вып.33.- С.106-111.
40. Азаркович Е.М. О соотношении между срочными и среднесуточными расходами воды дождевых паводков в бассейне верхней Волги // В кн. Сборник работ по гидрологии”, 1967.- №7.- С.28-41.
41. Гопченко Е.Д., Коба С.И. О соотношении между срочными и среднесуточными расходами дождевых паводков рек верхней Колымы // Метеорология, климатология и гидрология, 1984.- Вып.20.- С.14-18.
42. Иванов К.И. О соотношении между срочными и среднесуточными максимальными расходами дождевых паводков реки Прут // В кн. Вопросы водного хазяйства Молдавии”, 1964.- Вып.1.- С.69-75.
43. Иваненко А.Г. Соотношение срочных и среднесуточных расходов воды // Метеорология, климатология и гидрология, 1970.- Вып.6.- С.30-34.
44. Гопченко Е.Д., Бурлуцкая М.Э. Усовершенствование расчетной схемы максимального стока весеннего половодья рек Донского района // Метеорология, климатология и гидрология, 1998.- Вып.35.- С.260-268.
45. Сквайрс Дж. Практическая физика (пер. с англ.).- М, 1971.- 245 с.
46. Киндюк Б.В. Гидрографическая сеть и ливневой сток рек Украинских Карпат.- Одесса.: Изд-во ТЭС”, 2003.- 219 с.
47. Гопченко Е.Д., Гнездилов Ю.А. Графоаналитический метод определения параметров гидрографов склонового стока (по материалам полевого обследования ГВВ) // Тр. УкрНИГМИ, 1974.- Вып.127.- С.114-121.
48. Хоанг Тхи Лан Ань. Расчетная продолжительность притока талых вод со склонов в русловую сеть на территории Приазовья // Материалы конференции молодых ученых, 2004
49. Романчук М.Е., Хоанг Тхи Лан Ань. Расчетный слой стока весеннего половодья в бассейнах рек Приазовья // Метеорологія, кліматологія та гідрологія, 2004.- Вып.48.- С.448-455.
50. Андреевская Г.М. О роли гидрографических коэффициентов в формировании максимального стока // Метеорология, климатология и гидрология, 1998.- Вып.35.- С.248-259.
51. Романчук М.Е., Хоанг Тхи Лан Ань. Об особенностях трансформации максимальных расходов воды паводков и половодий под влиянием времени руслового добегания // Метеорологія, кліматологія та гідрологія, 2001.- Вып.44.- С.163-169.
52. Алексеев Г.А. Паводочный сток рек СССР.- М.: Гидрометеоиздат, 1956.- 107 с.
53. Лалыкин Н.В. О расчете скоростей руслового добегания // Тр. ОГМИ, 1958.- Вып.15.- С.73-89.
54. Иваненко А.Г. Исследование скоростей руслового добегания паводков на реках Закарпатской области // Тр. ОГМИ, 1961.- Вып.24.- С.52-59.
55. Гопченко Е.Д. О расчете скоростей руслового добегания на горных реках северо-востока СССР // Метеорология, климатология и гидрология, 1969.- Вып.5.- С.213-217.
56. Нежиховский Р.А. Русловая сеть бассейна и процесс формирования стока воды.- Л.: Гидрометеоиздат, 1971.- 473 с.
57. Максимальний та річний стік річок України (1998-2002 рр.). Заключний звіт.- ОК №0203V000353.
58. Железняк И.А. Теоретические основы и алгоритмы расчета на ЭВМ гидрографа половодья заданной вероятности превышения // Тр. УкрНИГМИ, 1978.- Вып.168.- С.3-17.