«Государственное учреждение ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ Методические рекомендации по определению расчетных гидрологических характеристик при наличии данных гидрометрических наблюдений Санкт-Петербург 2005 ...»

Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды

Государственное учреждение

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

Методические рекомендации

по определению расчетных гидрологических характеристик при

наличии данных гидрометрических наблюдений

Санкт-Петербург

2005 Оглавление стр.

Предисловие…………………………………………………………………………………....5 Введение…………………………………………………………………………………………6 1. Общие указания………………………………………………………………………………………………7 2.Оценка параметров и квантилей распределения по однородным данным……………….12 3.Оценка параметров и квантилей распределения по неоднородным данным……………. 4.Случайные погрешности выборочных параметров ……………………………………… 5.Учет случайных погрешностей исходных данных при оценке параметров распределения…………………………………………………………………………………. 6.Учет выдающихся значений гидрологических характеристик при оценке параметров распределения…………………………………………………………………… 7. Оценка боковой приточности………………………………………………………….…… 8. Годовой сток воды и его внутригодовое распределение ………………………………… 9. Максимальный сток воды весеннего половодья и дождевых паводков……………….. 10. Расчетные гидрографы стока воды рек весеннего половодья и дождевых паводков………………………………………………………………………………………... 11. Минимальный сток воды рек……………………………………………………………… 12. Наивысшие уровни воды рек и озер……………………………………………………… 13. Приложения А………………………………………………………………………………. 14.Приложения Б…………………………………………………………………………….… Литература…………………………………………………………………………………….. Предисловие Настоящие Рекомендации по определению расчетных гидрологических характеристик при наличии данных гидрометрических наблюдений в пункте проектирования надлежит использовать при подготовке Территориальных строительных норм субъектов Российской федерации, а также при расчете гидрологических характеристик для строительного проектирования. Рекомендации составлены в лаборатории расчетов стока Государственного гидрологического института профессором А.В. Рождественским с участием : кандидата технических наук [Г.А. Плиткина] (раздел 9), доктора технических наук М.В. Болгова и кандидата технических наук С.М. Тумановской (раздел 10), кандидата технических наук С.М. Тумановской (раздел 11), профессора А. М.

Владимирова (раздел 12), доктора технических наук В.А. Бузина (раздел 13).

Кроме настоящих Методических рекомендаций в ГГИ подготовлены следующие рекомендации:

«Методические рекомендации по созданию региональной базы данных по основным гидрологическим характеристикам»;

«Методические рекомендации по оценке однородности эмпирических распределений и стационарности многолетних рядов гидрологических характеристик»;

«Методические рекомендации по определению расчетных гидрологических характеристик при наличии данных наблюдений в пункте проектирования». Эти документы предполагается опубликовать в ближайшие 2-3 года.

В настоящее время в ГГИ ведутся работы по подготовке «Методических рекомендаций по определению расчетных гидрологических характеристик при отсутствии данных наблюдений в пункте проектирования», которые предусматривается подготовить к публикации в 2007г.

В данных Методических рекомендациях приводятся ссылки на ранее опубликованные издания. По мере издания отмеченных Методических рекомендаций следует их использовать при проведении инженерных гидрологических расчетов.

Введение В настоящих Рекомендациях по определению расчетных гидрологических характеристик при наличии данных гидрометрических наблюдений в пункте проектирования более подробно раскрывается смысл многих методических положений, изложенных в Своде правил по определению расчетных гидрологических характеристик [28], приводятся алгоритмы расчета, даются пояснения по использованию вычислительных программ и более полно представлены примеры расчета различных гидрологических характеристик Кроме того в Рекомендациях более полно представлены многочисленные таблицы, которые значительно облегчают производство инженерных гидрологических расчетов. Вместе с тем многие положения, изложенные в Своде правил [28], которые не имеют прямого отношения к подготовке Территориальных строительных норм, приводятся курсивом в настоящих методических Рекомендациях. Территориальные строительные нормы по определению расчетных гидрологических характеристик должны для содержать обобщение исходной гидрологической информации в виде удобном гидрологического обоснования проектирования новых, расширения, реконструкции, ликвидации и технического перевооружения действующих предприятий, зданий и сооружений для всех видов строительства и инженерной защиты территорий. В настоящих Рекомендациях рассматривается обработка исходной гидрометрической информации в пунктах гидрометрических наблюдений достаточной продолжительности.

Вместе с тем данные методические рекомендации должны использоваться и при обработке гидрологических рядов после процедуры их приведения к многолетнему периоду. Поэтому представляется целесообразным сначала произвести приведение гидрологических рядов к многолетнему периоду в соответствии с методическими Рекомендациями по приведению рядов гидрологических характеристик и их параметров к многолетнему периоду и только после этого приступить к статистической обработке всех рядов, включая ряды, приведенные к многолетнему периоду.

Настоящие Рекомендации могут быть использованы не только при подготовке Территориальных строительных норм, а и при гидрологических расчетах для проектирования, строительства и эксплуатации различных водохозяйственных и гидротехнических сооружений на водных объектах России и обеспечивающие их безопасность.

При подготовке Территориальных строительных норм (ТСН) для субъектов Российской Федерации, а также при гидрологических расчетах для строительного проектирования следует руководствоваться Сводом правил (СП) по определению расчетных гидрологических характеристик [28]. Свод правил содержит основные методы и схемы расчета средних годовых, максимальных расходов воды и объемов стока весеннего половодья и дождевых паводков, гидрографов стока, внутригодового распределения стока, отметок наивысших уровней воды рек и озер и минимальных расходов воды. Допускается использование методов, изложенных в настоящих Рекомендациях при статистической обработке других гидрологических характеристик, таких как сезонный сток, продолжительность гидрологических явлений (продолжительность весенних половодий и дождевых паводков), метеорологических факторов речного стока (дождевые осадки, снежный покров, температура воздуха) и многих других гидрологических характеристик и других факторов речного стока.

Применение других методов расчета, не включенных в Свод правил [28] и в настоящие Методические рекомендации по определению основных расчетных гидрологических характеристик, требует всестороннего обоснования. При этом необходимо представить сравнительную оценку погрешностей расчетов по предлагаемым методам с результатами расчетов по методам, изложенным в настоящих Рекомендациях и Своде правил.

Определение расчетных гидрологических характеристик должно основываться на данных гидрометеорологических наблюдений, опубликованных в официальных документах Росгидромета, включая последние годы наблюдений (неопубликованные данные) к моменту подготовки ТСН, или к моменту производства гидрологических расчетов для проектирования, строительства и эксплуатации различных водохозяйственных и гидротехнических сооружений на водных объектах страны, а также на данных наблюдений, содержащихся в архивах Госгидрометфонда, изыскательских, проектных и других организаций, включая материалы опроса местных жителей. Кроме того, следует использовать достоверные данные наблюдений за гидрологическими характеристиками по архивным, литературным и другим материалам, относящимся к периоду до начала регулярных наблюдений. При этом необходимо указать источник, на основании которого установлена гидрологическая информация, и произвести тщательную оценку достоверности и точности полученных материалов.

При отсутствии данных гидрометеорологических наблюдений в пункте проектирования обязательно проводятся гидрометеорологические изыскания для повышения точности и надежности расчетов, выполняемых методами, изложенными в настоящих Рекомендациях и Своде правил. Изыскания осуществляются в соответствии со СНиП 11-02-96 “Инженерные изыскания для строительства. Основные положения” [25] и СП 11-103-97 “Инженерно- гидрометеорологические изыскания для строительства” [27]. Материалы полевых гидрометеорологических изысканий также подлежат дальнейшему анализу и последующим расчетам в соответствии с рекомендациями по приведению кратковременных наблюдений к многолетнему периоду и в соответствии со Сводом правил.

Данные гидрометрических наблюдений, вызывающие сомнение, следует подвергать проверке, включающей анализ:

- полноты и надежности наблюдений за уровнями и расходами воды, наличия данных о наивысших (мгновенных и среднесуточных) и наинизших уровнях воды за время наблюдений при свободном ото льда русле, ледяном покрове, ледоходе, заторе льда, русле заросшем водной растительностью, подпоре от нижерасположенной плотины, сбросах воды выше гидрометрического створа, полноты учета стока воды на поймах и в протоках и др.;

- увязки высотных отметок водомерных постов и уровней воды за весь период наблюдений, увязки годового и сезонного стока воды, максимальных и минимальных расходов и уровней воды в пунктах наблюдений по длине реки;

- обоснованности способов подсчета стока воды по осредненным или ежегодным кривым расходов воды или же другими методами;

- обоснованности экстраполяции кривых расходов воды до наивысших и наинизших уровней, а также точности расчета стока воды по кривым расходов за год, сезон, месяц, сутки;

- необходимости восстановления наблюдений, пропущенных за отдельные годы, месяцы, дни;

- точности расчетов стока воды за зимний и переходный периоды, обоснованности принятых при расчете стока воды коэффициентов, учитывающих зарастание русла водной растительностью, правильности учета деформации русла и переменного подпора уровня воды;

- влияния хозяйственной деятельности на речной сток; включая влияние плотины или взаимного подпора основной реки и притока в местах наблюдений за стоком;

- частоты наблюдений, обеспечивающей регистрацию наивысшего и наинизшего уровней (расходов) воды.

Ненадежные данные гидрометрических наблюдений при невозможности их уточнения исключаются из расчетного ряда наблюдений. В необходимых случаях должен выполняться пересчет стока воды за отдельные сутки, месяцы, годы.

Для рек, в бассейнах которых имеет место интенсивная хозяйственная деятельность, существенно нарушающая естественный гидрологический режим рек, определение расчетных гидрологических характеристик производится по двум расчетным схемам.

Первая расчетная схема предполагает приведение гидрологических рядов наблюдений к естественным однородным и стационарным условиям. В расчетное значение гидрологической характеристики, полученной по естественному ряду, вводится поправка на влияние хозяйственной деятельности. Численное ежегодное значение поправки представляет собой разность между бытовым и естественным стоком. Значение поправки расчетной вероятности превышения определяется по кривой распределения поправок.

Приведение речного стока к естественным условиям не производится, если суммарное значение его изменений не выходит за пределы случайной средней квадратической погрешности исходных данных наблюдений.

Приведение нарушенного хозяйственной деятельностью речного стока к естественным условиям производится:

- водобалансовыми и гидравлическими методами с учетом изменения всех элементов водного баланса;

- статистическими методами на основе парной и множественной регрессии.

гидрометеорологической информации и информации о факторах хозяйственной деятельности. При комплексном учете влияния различных видов хозяйственной деятельности применяются методы регрессионного анализа, а при дифференцированном учете влияния хозяйственной деятельности – водобалансовые методы. При этом следует руководствоваться рекомендациями [7,8 ].

Водобалансовые методы базируются на детальных данных наблюдений за элементами водного баланса с учетом антропогенных факторов.

На основе регрессионных методов восстановление естественного стока производится по имеющейся неполной или косвенной информации о факторах хозяйственной деятельности или по данным о стоке бассейнов-индикаторов, имеющих естественный режим за весь период наблюдений. Восстановление стока малых и средних рек допускается производить по основным стокоформирующим метеорологическим факторам, а также по стоку бассейнов-аналогов, имеющих естественный режим за весь период наблюдений. Во всех случаях для восстановления стока используется множественная линейная и нелинейная регрессия.

Во второй расчетной схеме гидрологические ряды наблюдений приводятся к бытовому стоку за весь период наблюдений в предположении, что сложившийся комплекс хозяйственной деятельности с учетом реальных планов развития народного хозяйства действовал с начала наблюдений. Восстановление бытового стока за весь период наблюдений производится, как и в первом случае, водобалансовыми и регрессионными методами. Определение расчетной гидрологической характеристики в этом случае производится по данным за весь период наблюдений без введения поправок на хозяйственную деятельность.

При подготовке ТСН вторую расчетную схему желательно не использовать, т.к. при этом могут возникнуть дополнительные трудности при пространственном обобщении характеристик и параметров расчетных схем и формул.

Оценка точности восстановленного стока осуществляется общепринятыми статистическими методами [16,17]. Восстановленный ряд проверяется на однородность с использованием генетических и статистических методов в соответствии с Рекомендациями по оценке однородности гидрологической информации [14].

Методология предлагаемых двух расчетных схем в принципиальном плане может быть применена и для расчетов основных гидрологических характеристик с учетом влияния возможного глобального антропогенного изменения климата. В настоящих Рекомендациях конкретные методы учета регионального изменения климата на основные расчетные гидрологические характеристики не приводятся, так как нет надежных оценок влияния этого изменения на длительную перспективу, связанную с периодом эксплуатации проектируемых сооружений, исчисляемых несколькими десятками и даже сотнями лет. Кроме того многие метеорологические факторы речного стока не рассматриваются при исследованиях возможного глобального изменения климата. К их числу относятся максимальные суточные осадки, а также осадки за меньшие интервалы времени для рек с малыми площадями водосборов, суточная интенсивность снеготаяния в период весеннего половодья и многие другие элементы, необходимые при описании гидрологического режима рек. Больше того при глобальном и региональном изменении климата, как правило, рассматриваются лишь осредненные метеорологические характеристики. Для целей гидрологических расчетов на длительную перспективу необходимо знать годичную изменчивость многих элементов метеорологического режима.

Определение расчетных гидрологических характеристик при наличии данных гидрометрических наблюдений достаточной продолжительности осуществляется путем применения аналитических и эмпирических функций распределения ежегодных вероятностей превышения - кривых обеспеченностей. При этом должны выполняться следующие условия:

рассматриваемый период репрезентативен (представителен), а относительная средняя квадратическая погрешность расчетного значения исследуемой гидрологической характеристики не превышает 10% для годового и сезонного стока и 20% для максимального и минимального стока. Средние квадратические погрешности расчетного значения исследуемой гидрологической характеристики устанавливаются по специальным таблицам, полученным методом статистических испытаний [16,26], или по формулам [16, 17,26]. Рассчитанные значения погрешностей, как правило, будут больше приведенных выше значений. Поэтому прямой расчет кривой обеспеченности, целесообразно рассматриваемом однородном в гидрологическом отношении районе исследования, т.е. по рядам, которые привести к более длительному периоду невозможно из-за отсутствия более продолжительных наблюдений на реках-аналогах.

2. Оценка репрезентативности ряда наблюдений за n лет производится по рекаманалогам с числом лет наблюдений N>n, при N>50 лет. Репрезентативность ряда наблюдений за гидрологической характеристикой может также определяться по разностным интегральным кривым речного стока или сопоставлением кривых распределения речного стока по реке-аналогу за периоды n и N лет.

3. Если относительные средние квадратические погрешности превышают указанные в пункте 1 пределы и период наблюдений нерепрезентативен, необходимо осуществить приведение рассматриваемой гидрологической характеристики к многолетнему периоду согласно рекомендациям по приведению гидрологических характеристик и их параметров к многолетнему периоду. С практической точки зрения, когда имеется возможность приведения данных наблюдений к более длительному периоду, эту операцию всегда надо осуществлять, т.к. при этом повышается точность инженерно- гидрологических расчетов.

4. Прежде чем приступить к расчету аналитической кривой распределения рассматриваемой гидрологической характеристики необходимо произвести оценку однородности и стационарности исходных данных наблюдений в соответствии с рекомендациями по статистическим методам анализа однородности многолетних колебаний данного гидрологического явления [14].

5. В сомнительных случаях необходимо произвести оценку качества исходной информации в соответствии официальными документами Росгидромета.

6. Исходная гидрометрическая информация, подлежащая дальнейшей обработке и обобщению, должна быть занесена в базу данных в соответствии с Рекомендациями по подготовке базы данных. В эту базу данных должны быть занесены приведенные к многолетнему периоду данные (в соответствии с Рекомендациями по определению расчетных гидрологических характеристик при недостаточности данных наблюдений) и другая информация, необходимая при дальнейших расчетах и обобщениях. По мере накопления исходной гидрологической информации она должна заносится в базу данных.

На основании пополненной гидрологической информации следует производить ее обобщение один раз в пять лет в соответствии с настоящими Рекомендациями. Если в течение ближайшего пятилетнего периода произойдет катастрофическое экстремальное явление, то следует сразу осуществить обобщение гидрологической информации за многолетний период, включая экстремальное катастрофическое гидрологическое явление.

2.Оценка параметров и квантилей распределения по однородным данным Эмпирическая ежегодная вероятность превышения Pm гидрологических характеристик определяется по формуле:

где m - порядковый номер членов ряда гидрологической характеристики, расположенного в убывающем порядке; n - общее число членов ряда.

Эмпирические кривые распределения ежегодных вероятностей превышения строятся на клетчатках вероятностей. Тип клетчатки вероятностей выбирается в соответствии с принятой аналитической функцией распределения вероятностей и полученного отношения коэффициента асимметрии Cs к коэффициенту вариации Сv. [17]. Наиболее часто применяется клетчатка вероятностей нормального закона распределения, на которой кривые обеспеченности нормального закона представляются в виде прямых линий. Эта клетчатка в технической литературе по гидрологии, как правило, называется клетчатка вероятностей для кривых распределения с умеренной асимметричностью. При положительной асимметрии на этой клетчатке эмпирические и аналитические кривые обеспеченности имеют вогнутую форму, при отрицательной асимметрии – выпуклую форму, а при отсутствии асимметрии – в виде прямой линии.

Для сглаживания и экстраполяции эмпирических кривых распределения ежегодных вероятностей превышения (кривых обеспеченностей), как правило, применяются трехпараметрические распределения: Крицкого-Менкеля при любом отношении Сs/Сv ( Приложение Б, таблица 1), распределение Пирсона III типа (биномиальная кривая) при Сs/Сv 2 (Приложение Б, таблица 2), лог-нормальное распределение при Сs 3Сv + Сv3 и другие распределения, имеющие предел простирания случайной переменной от нуля, или положительного значения, до бесконечности. При надлежащем обосновании допускается применять двухпараметрические распределения, если эмпирическое отношение Сs/Сv и аналитическое отношение свойственное данной функции распределения, приблизительно равны. При этом необходимо произвести анализ принимаемой функции распределения вероятностей с точки зрения ее пределам простирания. Необходимо также установить при каком соотношении параметров распределения кривая распределения уходит в отрицательную область с тем, чтобы исключить из дальнейшего применения эту область в практике гидрологических расчетов существенно положительных случайных величин (например, различные характеристики речного стока). При неоднородности ряда гидрометрических наблюдений (различные условия формирования стока) применяются усеченные и составные кривые распределения вероятностей ежегодного превышения, или, что тоже самое, составные кривые обеспеченности.

Оценки параметров аналитических кривых распределения: среднее многолетнее Q, коэффициент вариации Сv и отношение коэффициента асимметрии к значение коэффициенту вариации Cs/Cv, устанавливаются по рядам наблюдений за рассматриваемой гидрологической характеристикой методом приближенно наибольшего правдоподобия, методом моментов, а также графоаналитическим методом на начальных стадиях проектирования (метод квантилей) и по совокупности методов с учетом стокоформирующих факторов.

трехпараметрического гамма - распределения С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля можно определять методом приближенно наибольшего правдоподобия [1,10] в зависимости от статистик 2 и 3, вычисляемых по формулам:

где k - модульный коэффициент рассматриваемой гидрологической характеристики, определяемый по формуле:

Qi - годичные значения расходов воды; Q - среднее арифметическое значение расходов воды, определяемое в зависимости от числа лет гидрометрических наблюдений по формуле:

По полученным значениям статистик 2 и 3 определяют коэффициенты вариации и асимметрии [1] по специальным таблицам (Приложение Б, таблицы 3 и 4), номограммам [10] или на основе вычислительной программы.

2. Коэффициенты вариации Сv и асимметрии Сs определяются методом моментов по формулам [15,16]:

где a1,... a6; b1,... b6 - коэффициенты, определяемые по табл.1 ; Cv и C s - соответственно смещенные оценки коэффициентов вариации и асимметрии, определяемые по формулам:

При Сv 66,7 %). При продолжительности наблюдений более 30 лет выделяются 5 градаций водности: очень многоводные годы (P < 16,7%), многоводные годы (16,7% P < 33,3%), средние по водности годы (33,3% P < 66,7%), маловодные годы (66,7% P < 83,3%) и очень маловодные годы (P 83,3%). Данная схема выделения групп характерных по водности лет основана на принципе примерно равного числа лет в каждой из трех основных групп: многоводных, средних по водности и маловодных лет.

По значениям стока за отдельные водохозяйственные годы и расчетные внутригодовые интервалы времени (лимитирующий период, лимитирующий сезон, не лимитирующий сезон, лимитирующий месяц и др.) определяются статистические параметры аналитических кривых вероятностей превышения и расчетные квантили. Стандартными квантилями кривых распределения вероятностей стока являются следующие: для многоводных лет, периодов, сезонов и месяцев - 1, 3, 5, 10 и 25%, для маловодных лет, периодов, сезонов и месяцев - 75, 90, 95, 97 и 99%, а для средних по водности - 50%.

Рассмотрим основные принципы и способы расчетов внутригодового распределения стока рассматриваемыми методами При использовании этого метода сток за не лимитирующий период определяется по разности расчетных значений объемов стока за водохозяйственный год и лимитирующий период, сток за не лимитирующий сезон - по разности расчетных объемов стока за лимитирующий период и лимитирующий сезон, а суммарный объем стока всех не лимитирующих месяцев - по разности расчетных объемов стока за лимитирующий сезон и лимитирующий период, лимитирующий сезон и лимитирующий месяц определяются по соответствующим аналитическим кривым распределения стока с использованием водохозяйственный год (Рвг), лимитирующий период (Рлп), лимитирующий сезон (Рлс) и лимитирующий месяц (Рлм).

Внутрисезонное распределение стока в методе компоновки рассчитывается по специальной методике. Расчетные значения месячного стока внутри лимитирующего сезона и не лимитирующего сезона определяются с таким расчетом, чтобы получить для этих сезонов наиболее неравномерные распределения стока. С этой целью внутри каждого из этих сезонов, входящих в соответствующую группу водности, месячные объемы стока располагаются в убывающем порядке с указанием календарных месяцев, к которым они относятся. Каждому ранжированному месячному значению каждого из m лет, входящих в рассматриваемую группу водности, присваивается свой порядковый номер. Для всех m лет данной группы водности производится суммирование месячных объемов стока, имеющих одинаковые порядковые номера в полученных ранжированных их внутрисезонных рядах. Путем сложения этих сумм для всех k месяцев, входящих в рассматриваемый сезон, находится их сумма за сезон. Делением сумм стока месяцев, имеющих одинаковые порядковые номера, на их общую сумму за сезон определяется относительное внутрисезонное распределение стока (по месяцам внутри сезона в долях или % от суммарного объема стока). Полученным средним за m лет месячным долям (или %) теперь вместо присвоенных ранее порядковых номеров присваиваются названия того календарного месяца, который встречался наиболее часто при сложении указанных m значений месячного стока одинакового номера. Для составного периода (например, для лимитирующего периода), включающего в себя два сезона (лимитирующий сезон и не лимитирующий сезон), месячные объемы стока располагаются в порядке убывания отдельно для каждого из составляющих их сезонов (лимитирующий сезон и не лимитирующий сезон).

Определение внутригодового распределения стока данным методом основано на выборе расчетного водохозяйственного года из числа фактических с использованием принципа наибольшей близости вероятностей превышения стока за водохозяйственный год, лимитирующий период, лимитирующий сезон и лимитирующий месяц к расчетной вероятности превышения. Этот выбор производится из числа j-ых лет (от j=1 до j=m; mчисло лет с годовым стоком заданной градации водности) расчетной группы водности с использованием следующего условия:

(P)2 j= (Pвг - Pрасч)2j + (Pлп - Pрасч)2j +(Pлс - Pрасч)2j + (Pлм - Pрасч)2j, (39) где: Pрасч - расчетная вероятность превышения, принимаемая одинаковой для всех расчетных интервалов времени; Pвг, Pлп, Pлс, Pлм - значения вероятностей превышения стока за выбранный водохозяйственный год и его лимитирующий период, лимитирующий сезон и лимитирующий месяц в расчетном створе реки, определяемые по кривой вероятностей превышения соответствующего стокового ряда согласно разделу 2;

(P)2j - результирующая сумма, которая определяется последовательно для каждого из m j-ых исследуемых водохозяйственных лет, вошедших в расчетную группу лет заданной градации водности.

В качестве расчетного года принимается тот водохозяйственный год, для которого по формуле (39) получено наименьшее значение суммы (P)2j.

При практическом применении условия (39) для выбора характерного по водности года (особенно очень маловодного, маловодного, очень многоводного и многоводного) необходимо, чтобы значения отклонения вероятностей превышения стока за расчетные интервалы времени от требуемой вероятности превышения не превышали диапазон обеспеченностей каждой из этих градации водности (16,7%), а для средних по водности лет, имеющих диапазон обеспеченностей 33,3%, не отличались более, чем на 20 %.

Водохозяйственный год, для которого левая часть уравнения (39) имеет наименьшее значение, принимается в качестве модели относительного (в долях годового объема стока) внутригодового распределения стока. При планировании использования речных вод в случае предстоящего регулирования стока исследуемой реки, из правой части уравнения (39) исключается слагаемое (Pлм - Pрасч)2j. При решении отдельных практических задач может оказаться целесообразным не ограничиваться выбором лишь одного характерного по водности года, для которого левая часть уравнения (4.39) оказалось наименьшей, а также выполнить дополнительный анализ относительных распределений стока и для других водохозяйственных лет, входящих в исследуемую градацию характерных по водности лет.

Абсолютное расчетное распределение стока в этом методе и методе компоновки вычисляется путем умножения месячных долей стока на годовой объем стока расчетной вероятности превышения, определяемый по аналитической кривой обеспеченности.

Метод средних распределений стока за водохозяйственный год заданной градации водности.

Метод основан на расчете средних относительных распределений месячных объемов стока от годовой их суммы путем осреднения относительных значений стока каждого i-го месяца за все годы, входящие в ту или иную градацию водности. Эти распределения, отражающие реальные соотношения (доли) месячного стока в годовом его объеме, являются типовыми распределениями, свойственными каждой отдельной группе характерных по водности лет. Абсолютное расчетное распределение месячного стока, выраженное в объемах (км3 или 106м3) воды, вычисляется путем умножения месячных долей стока интересующей градации водности на объем стока за водохозяйственный год заданной вероятности превышения. Последний определяется по аналитической кривой обеспеченности.

Данный метод может быть использован не только для определения средних распределений стока за характерные группы лет, выбранные по принципу попадания в заданный расчетный диапазон вероятностей превышения стока отдельных водохозяйственных лет (в заданную градацию водности). При решении отдельных практических задач этот метод может быть применен для оценки среднего внутригодового распределения стока для серий (группировок) характерных по водности водохозяйственных лет, следующих друг за другом.

Для районов, в которых расчетное распределение стока по сезонам и месяцам практически не зависит от водности года, расчеты рассматриваемым методом сводятся к установлению среднего по всем годам распределения стока по месяцам (декадам) в процентах от годового стока.

При практическом применении данного метода, в зависимости от характера решаемой задачи, возможны два варианта установления распределения месячного (декадного) стока внутри отдельных сезонов. Первый из них, предназначенный, например, для выполнения воднобалансовых расчетов, гидроэкологических оценок и определенной части водохозяйственных расчетов, основан на использовании естественного календарного хода месячного (декадного) стока внутри расчетных сезонов (без его ранжирования) и на получении распределений стока, осредненных для характерной группы лет (или сезонов) заданного диапазона вероятностей превышения. Второй вариант, предназначенный для водохозяйственных расчетов, допускает описанный при изложении метода компоновки способ определения внутрисезонного распределения стока с его ранжированием и отнесением полученных средних значений к тому месяцу (декаде), который имеет наибольшую частоту среди осредненных месячных (декадных) значений (см. Метод компоновки).

Выбор расчетного внутригодового распределения стока.

При составлении ТСН следует учитывать следующие особенности применения методов расчета внутригодового распределения стока при проектировании конкретных объектов:

- метод компоновки целесообразно использовать на начальных стадиях проектирования в тех случаях, когда необходимо предъявить заведомо повышенные требования к выбору реки - источника водоснабжения уникального объекта экономики для обеспечения его гарантированного водообеспечения;

- метод стока реального года применим в подавляющем большинстве случаев водохозяйственного и строительного проектирования;

- метод средних распределений стока за характерные градации водности применим в тех случаях водохозяйственного и строительного проектирования, когда оказалось нецелесообразно использовать метод компоновки и невозможно осуществить условия для выбора расчетного внутригодового распределения стока методом реального года, а также при проведении воднобалансовых расчетов (как части водохозяйственных расчетов, гидроэкологических оценок и прогнозирования).

Наряду с изложенным выше необходимо учитывать следующие специфические черты практического применения самих ТСН и помещаемых в них результатов расчета внутригодового распределения стока:

- помещаемые в публикуемых ТСН материалы должны обеспечить практиков гидрологов надежными данными в течение как минимум 10 –1 5 лет, так как их обновление и повторное издание являются достаточно дорогостоящими мероприятиями;

- приводимые в публикуемых региональных ТСН данные о расчетных внутригодовых распределениях стока должны, с одной стороны, отражать специфические черты гидрологического режима стока типичных рек данного региона (с зональным, азональным и полизональным режимами), а, с другой стороны, - учитывать специфику запросов проектирования преобладающих водопотребителей и водопользователей данного региона;

Учитывая отмеченные выше особенности применения рассматриваемых методов расчета и получаемых с их помощью расчетных внутригодовых распределений стока, представляется целесообразным рекомендовать в качестве основных и обязательных к совместному применению при разработке ТСН два метода расчета: метод компоновки и метод средних распределений стока за водохозяйственный год заданной градации водности. Эти методы основаны на статистической обработке данных длительных многолетних рядов стока и дают достаточно надежные и устойчивые во времени относительные (в % от стока за ВГ) распределения стока, которые в сочетании с данными о квантилях годового (и сезонного) стока, полученным по удлиненным на момент проектирования конкретного объекта рядам, могут обеспечить решение большинства практических задач строительного проектирования и гидроэкологического планирования.

Что касается метода реального года, то он может дополнительно применяться в качестве контрольного метода за рамками публикуемых в ТСН данных, то есть при разработке конкретного строительного или гидроэкологического проекта, составляемого с использованием информации о стоке за последние годы, полученной после публикации ТСН.

При решении отдельных практических задач (особенно экологических – ОВОС и др.) в условиях заданного уровня влияния хозяйственной деятельности и региональных изменений климата в результаты расчетов годового стока и его внутригодового распределения рассмотренными выше методами, выполненными на основе генетически и статистически однородных рядов месячного, сезонного и годового стока воды, могут быть введены поправки, учитывающие соответственно изменения годового и месячного стока под влиянием хозяйственной деятельности Qхоз) и изменений регионального климата (Qкл).

Применение кривых продолжительности суточных расходов воды Определение расчетного внутригодового распределения суточного речного стока воды внутри года или характерного его периода, независимо от хронологического хода стока, производится путем построения кривых продолжительности суточных расходов воды.

Могут использоваться следующие виды кривых:

а) средняя многолетняя годовая кривая продолжительности суточных расходов воды, дающая характеристику среднего многолетнего типового распределения суточных расходов воды;

б) средняя многолетняя кривая продолжительности суточных расходов воды за тот или иной расчетный период года (навигационный, лесосплавной, вегетационный и т.д.).

Выбор той или иной из указанных кривых определяется характером решаемой практической задачи. Указанные кривые продолжительности суточных расходов воды строятся следующим образом:

а). Средняя многолетняя годовая кривая продолжительности суточных расходов воды определяется путем осреднения ординат ежегодных кривых среднесуточных расходов воды 30, 90, 180, 270 и 355 суточной продолжительности (или соответствующих относительных продолжительностей стояния, равных 8, 25, 50, 75 и 97 % общей длительности года) и абсолютных (срочных) значений максимального и минимального расходов воды за конкретные годы наблюдений. Аналогичным образом строится средняя многолетняя кривая продолжительности стояния среднесуточных расходов воды за тот или иной расчетный внутригодовой период. Ее ординаты могут выражаться в долях от среднемноголетнего расхода воды за рассматриваемый период (вегетационный, навигационный и т. д.), а абсциссы - в долях от его длительности.

б). Ежегодная кривая продолжительности суточных расходов воды строится на основе ранжированных в убывающем порядке суточных расходов воды конкретного года. Этим ранжированным значениям присваиваются порядковые номера с первого по 365-й или 366-ой. При этом в качестве расходов воды продолжительностью стояния 1 сутки и (или 366) суток используются данные соответственно о максимальном и минимальном срочном (а не среднесуточном) расходе воды. По построенной кривой или непосредственно по данным о суточных расходах воды, соответствующих заданной проектной продолжительности их стояния, определяется искомое значение расхода воды.

В изданиях Росгидромета [13, 14 ] опубликованы за прошлые годы значения суточных расходов воды продолжительностью стояния, равной 30, 90, 180, 270 и 355 суток, а также абсолютные (срочные) максимальный и минимальный расходы воды. Эти данные наряду с аналогичными данными за последующие годы наблюдений, используются для построения средней многолетней годовой кривой продолжительности суточных расходов воды или для построения кривой продолжительности для характерного по водности года, если это необходимо для решения конкретной практической задачи.

Кривая продолжительности суточных расходов воды для расчетной части конкретного года (вегетационного, навигационного, лесосплавного периода и т. д.) строится среднесуточных расходах воды и их порядковых номерах. Эти порядковые номера могут быть заменены их относительными характеристиками, выраженными в долях или в % от общего числа в расчетном периоде. Выбор указанных расчетных внутригодовых периодов (вегетационный и т.д.) производится в многолетнем разрезе на основе ведомственных инструкций с учетом целей проектирования и особенностей изучаемого объекта.

Вопрос о применение тех или иных кривых продолжительности суточных расходов воды при составлении ТСН конкретного региона решается их составителями в зависимости от региональных особенностей водного режима рек и запросов преобладающих в регионе водопотребителей и водопользователей, а также от условий финансирования разработок ТСН.

Этапы практического применения методов расчета внутригодового распределения стока Метод компоновки.

Можно выделить следующие этапы в применении этого метода:

1. На основе анализа многолетней матрицы массива многолетних данных о среднемесячных расходов воды исследуемой реки в расчетном створе, особенностей её водного режима и специфики задач проектирования назначаются продолжительность и сроки начала и окончания ВГ, ЛП, НП, ЛС, НС, для них рассчитываются погодичные значения объемов стока.

2 Для рассчитанных рядов годового и сезонного стока производится анализ статистической однородности и расчет параметров кривой распределения вероятностей и расчетных квантилей.

3. По равнообеспеченным значениям стока ВГ и ЛП в расчетные годы заданной обеспеченности по разности рассчитываются значения стока за НП, а по равнообеспеченным значениям стока за ЛП и ЛС - за НС.

4. Изложенным в Своде правил и в ранее публиковавшихся работах В.Г.Андреянова и др. определяется расчетное относительное (в % от сезонного стока) и абсолютное (в км2) внутрисезонное, а затем и внутригодовое распределение стока в расчетный год заданной вероятности превышения.

Метод средних распределений стока за водохозяйственный год заданной градации водности.

При практическом применении этого метода выполняются следующие этапы работ:

1. На основе анализа многолетней матрицы массива многолетних данных о среднемесячных расходах воды исследуемой реки в расчетном створе, особенностей её водного режима и специфики задач проектирования назначаются сроки начала и окончания ВГ и для него рассчитываются годичные значения объемов стока.

2. Для рассчитанного ряда стока за ВГ производится анализ статистической однородности и расчет параметров кривой распределения вероятностей и расчетных квантилей.

3. Создается новая расчетная матрица среднемесячных расходов воды исследуемой реки в расчетном створе, соответствующая ранжированным значениям стока за ВГ со значениями месячного стока, выраженными в объемных единицах (км3 или 106 м3).

4. Из созданной расчетной матрицы вырезаются её части, соответствующие группе лет (маловодных, многоводных и т. д.), по которым планируется помещать в ТСН данные о расчетном внутригодовом распределении стока.

5. В соответствии с рекомендациями Свода правил производится расчет относительных (в % от объема стока за ВГ) месячных значений стока, которые в дальнейшем используются для получения абсолютных величин месячного стока по известному значению объема стока за ВГ заданной вероятности превышения.

9. Максимальный сток воды весеннего половодья и дождевых паводков Расчетные характеристики максимального стока воды рек весеннего половодья и дождевых паводков следует определять согласно общим указаниям, изложенным в первом разделе настоящих Рекомендаций.

Для рек с продолжительностью стояния максимальных расходов воды весеннего половодья и дождевых паводков, равной суткам и более, расчет производится по среднесуточным значениям, менее суток - по срочным расходам воды.

При прохождении максимального расхода воды между сроками наблюдений его значение определяется на основе установления соотношения между мгновенными и среднесуточными его значениями по данным измерений других лет с наибольшими расходами воды или по данным рек-аналогов.

При невозможности разделения максимальных за год расходов воды на максимумы дождевых и талых вод допускается построение кривых распределения ежегодных вероятностей превышения максимальных расходов воды независимо от их происхождения.

При неоднородности максимальных расходов воды используются составные кривые распределения (раздел 1). Допускается также применение усеченных распределений, которые разработаны для частного случая – разделение на две однородные совокупности по медианному значению. Сущность усечения кривой распределения состоит в том, что рассматривается только верхняя часть кривой распределения максимальных расходов воды.

Для усеченного распределения расчетное выражение для оценки среднего x0 по методу приближенно наибольшего правдоподобия имеет следующий вид:

- среднее арифметическое верхней половины ранжированного ряда, а функция (C v ) табулирована ( табл.4); =1/C2v Значения функции (C v ) для вычисления среднего x0 усеченного гамма-распределения определяется через статистику 2 с помощью табулированной зависимости (Приложение Б, таблица 5), где 2 - статистика, вычисляемая по верхней половине ранжированного ряда (аналогично полному распределению).

Порядок расчетов при использовании усеченного гамма-распределения следующий:

- ранжируем исходный ряд по убыванию;

- по выражению (41) находим среднее значение верхней части ранжированного ряда xn/2;

- по выражению (43) находим статистику 2(n/2);

- по полученному значению 2(n/2) (43) с использованием Приложения Б, таблица находим значение коэффициента C v ;

- далее по выражению (40) находится оценка x0 ;

- отношение Cs/Cv определяется по группе рек с наиболее продолжительными наблюдениями в гидрологическом однородном районе.

Расчетные максимальные расходы воды зарегулированных рек определяются исходя из расчетного максимального расхода воды рек в естественном состоянии с учетом изменения его в результате хозяйственной деятельности в бассейне реки и трансформации проектируемыми или действующими водохранилищами.

На реках с каскадным расположением гидроузлов расчетные максимальные расходы воды следует определять с учетом влияния вышележащих гидроузлов на приток к нижерасположенным и боковой приточности между гидроузлами.

Режим пропуска высоких вод через гидроузлы, образующие каскад, должен учитывать влияние вышележащих гидроузлов на приток воды к нижерасположенным.

При этом возможны следующие случаи:

а) водопропускные сооружения верхнего гидроузла не обеспечивают транзитного пропуска (при НПУ) расходов воды, соответствующих расчетной вероятности превышения для нижнего гидроузла. В этом случае следует учитывать срезку максимального расчетного расхода воды вышерасположенным водохранилищем: приток к рассматриваемому нижнему гидроузлу определяется как сумма сбросных расходов воды между рассматриваемым и вышерасположенным гидроузлами. При этом гидрографы половодного или паводочного притока к верхнему гидроузлу и боковой приточности между гидроузлами должны соответствовать расчетной вероятности превышения для нижнего гидроузла. Распределение максимальных расходов воды и объема половодья или паводка производятся по моделям реальных высоких половодий (паводков); следует рассматривать два варианта:

- вероятность превышения притока к верхнему гидроузлу такая же, как и расчетная для рассматриваемого нижнего гидроузла, а приток с частного водосбора дополняет расчетный естественный сток в створе верхнего гидроузла таким образом, чтобы в соответствующий классу рассматриваемого в этом створе гидроузла;

- вероятность превышения высокого стока боковой приточности между гидроузлами такая же, как и расчетная для нижнего гидроузла, а приток к вышерасположенному гидроузлу дополняет боковую расчетную приточность таким образом, чтобы в нижнем створе иметь высокий сток расчетной вероятности превышения, соответствующий классу рассматриваемого в этом створе гидроузла;

б) водопропускные сооружения верхнего гидроузла способны пропускать при НПУ расходы воды, превосходящие максимальный расход вероятности превышения, соответствующей классу проектируемого нижнего гидроузла. В этом случае, в качестве расчетного расхода воды в нижнем бьефе вышерасположенного гидроузла, принимается расход воды, соответствующий полной пропускной способности всех водопропускных сооружений гидроузла при НПУ. Для получения расчетного притока к нижнему гидроузлу максимальными расходами половодья (паводка) с частного водосбора между рассматриваемого нижнего гидроузла.

К значениям расчетных максимальных расходов воды Qp% вероятностью превышения 0.01% следует прибавлять гарантийную поправку Qp%, определяемую по формуле:

- коэффициент, характеризующий гидрологическую изученность рек, принимается равным 1,0 для гидрологически изученных рек, когда выполняются условия п.4.1, во всех остальных случаях –1,5; N – число лет наблюдений с учетом приведения к P = 0.01%, определяемая по Таблице 5.

2 0.25 0.45 0.60 0.75 0.88 0.96 1.05 1.14 1.22 1.30 1.38 1.46 1.54 1.60 1. 3 0.30 0.50 0.75 1.00 1.18.1.30 1.43 1.55 1.68 1.78 1.90 2.00 2.10 2.24 2. 4 0.40 0.70 1.00 1.30 1.48 1.60 1.74 1.88 2.00 2.15 2.27 2.40 2.58 2.65 2. 2 0.25 0.45 0.60 0.75 0.88 0.96 1.05 1.14 1.22 1.30 1.38 1.46 1.54 1.60 1. 3 0.30 0.57 0.84 1.10 1.34 1.55 1.74 1.93 2.12 2.28 2.42 2.56 2.68 2.80 2. 4 0.40 0.77 1.12 1.43 1.73 2.00 2.22 2.42 2.60 2.77 2.94 3.10 3.26 3.41 3. 2 0.25 0.45 0.60 0.75 0.88 0.96 1.05 1.14 1.22 1.30 1.38 1.46 1.54 1.60 1. 0.28 0.52 0.75 0.97 1.19.1.35 1.59 1.63 1.96 2.14 2.31 2.49 2.66 2.84 3. 0.30 0.61 0.91 1.20 1.49 1.66 2.04 2.30 2.56 2.82 3.09 3.35 3.62 3.89 4. Принимаемый расчетный расход с учетом гарантийной поправки не должен быть меньше, чем наибольший наблюденный расход.

катастрофическим последствиям со значительным ущербом, необходимо проверять на пропуск максимального расхода воды вероятностью превышения P = 0.01% с учетом гарантийной поправки.

10. Расчетные гидрографы стока воды рек весеннего половодья и дождевых Расчетные гидрографы стока воды весеннего половодья и дождевых паводков необходимо рассчитывать при проектировании водохранилищ, отводе вод от сооружений в период их строительства, расчете затопления пойм и лиманов, пропуске высоких вод через дорожные и другие искусственные сооружения.

Форма расчетных гидрографов принимается по моделям наблюденных высоких весенних половодий или дождевых паводков с наиболее неблагоприятной их формой, для которых основные элементы гидрографов и их соотношения должны быть близки к расчетным.

Для расчета отверстий дорожных и других искусственных сооружений допускается принимать схематизацию гидрографов стока воды рек весеннего половодья и дождевых паводков по геометрическим формам.

Гидрографы речного стока следует рассчитывать по равнообеспеченным значениям максимального расхода воды, объема стока воды основной волны и объема всего весеннего половодья (дождевого паводка) расчетной вероятности превышения.

Расчетные гидрографы стока воды рек определяются:

а) для весеннего половодья – по среднесуточным расходам воды; гидрографы внутрисуточного хода стока воды рассчитываются, если значение максимального мгновенного расхода воды в 1,5 раза больше соответствующего ему среднесуточного расхода воды;

б) для дождевых паводков – по мгновенным расходам воды.

Выбор метода построения расчетного гидрографа и натурной модели зависит от задач, для решения которых он используется:

а) при проектировании гидротехнических объектов с относительно небольшой регулирующей емкостью водохранилища используется модель одновершинного гидрографа с наибольшим максимальным расходом воды;

б) при больших регулирующих емкостях, сопоставимых с полным объемом половодий (паводков), используется модель с наибольшим объемом половодья (паводка) и наибольшей сосредоточенностью стока в центральной части гидрографа;

в) для рек с многовершинными гидрографами следует выбирать такую модель из числа многоводных лет, в которой наибольшая волна после короткого промежутка следует за меньшей волной;

г) при каскаде водохранилищ строится расчетный гидрограф притока к верхнему гидроузлу и гидрографы боковой приточности между гидроузлами. При этом выбирается модель, общая для всего каскада;

д) для развитых систем инженерной защиты, включающих наряду с водохранилищами обвалование, регулирование русла реки и другие мероприятия, строятся расчетные гидрографы во входном створе на основной реке и гидрографы боковой приточности на всем протяжении инженерной защиты по общей для всей системы модели.

При построении расчетных гидрографов необходимо всесторонне проанализировать формирование и режим половодий и паводков, их происхождение, вероятность повторного прохождения паводков.

Основные элементы расчетного гидрографа стока воды рек: максимальный расход воды, объем весеннего половодья (дождевого паводка), объем основной волны расчетной вероятности превышения, а также боковая приточность определяются по данным гидрометрических наблюдений.

Общая продолжительность весеннего половодья для больших и средних рек, включая дождевые паводки на спаде половодья, принимается одинаковой для всех лет и створов, как на основной реке, так и на притоках при условии включения в ее пределы продолжительности всех половодий.

Назначение периода общей продолжительности весеннего половодья допускается принимать переменным для разных лет, но одинаковым по длине реки.

Продолжительность основной волны, включающей максимальную ординату, следует принимать постоянной в подвижных границах для всех лет исходя из условия наибольшего объема стока (притока) за принятый период.

Расчет гидрографов весеннего половодья (дождевого паводка) выполняется следующими методами:

а) переходом от гидрографа-модели к расчетному гидрографу путем умножения ординат гидрографа-модели на коэффициенты, определяемые по формулам:

где Qm, Qp – соответственно для гидрографа-модели и расчетного гидрографа максимальный среднесуточный расход воды весеннего половодья или мгновенный для дождевого паводка, м3/с; Vm и Vp - соответственно для гидрографа-модели и расчетного гидрографа объем основной волны, м3; Vm и Vp – соответственно для гидрографамодели и расчетного гидрографа полный объем весеннего половодья (дождевого паводка), м3;

б) переходом от гидрографа модели к расчетному гидрографу с применением коэффициента k1, определяемого по формуле (45), и коэффициента kt, определяемого по формуле где qm, qp – соответственно для гидрографа-модели и расчетного гидрографа модуль максимального среднесуточного расхода воды, м3/(с км2); hm, hp - соответственно для гидрографа-модели и расчетного гидрографа слой стока весеннего половодья (дождевого паводка), мм.

Переход от гидрографа-модели к расчетному возможен только при соблюдении условий: гидрографу по методу, указанному в пункте б), где m, p,– соответственно для гидрографа-модели и расчетного гидрографа коэффициент полноты, определяемый по формуле ks,m, ks,p - соответственно для гидрографа-модели и расчетного гидрографа коэффициент несимметричности, определяемый по формуле:

q – модуль максимального среднего суточного расхода воды; h – слой стока воды весеннего половодья (дождевого паводка), мм; t – продолжительность весеннего половодья (дождевого стока), сут.; hn – слой стока за период подъема весеннего половодья (дождевого паводка), мм.

Координаты расчетного гидрографа определяются в зависимости от коэффициентов k и kt по формулам:

где Qi,m, Qi - соответственно для гидрографа-модели и расчетного гидрографа расходы воды в i-тую единицу расчетного времени; ti,m и ti -соответственно для гидрографамодели и расчетного гидрографа ордината времени.

За начало отсчета времени ti,m принимается начало подъема весеннего половодья (дождевого паводка).

Определение гидрографов внутрисуточного хода стока следует производить также как это изложено при расчете гидрографа стока весеннего половодья (дождевого паводка) в данном разделе. В данном случае обозначения в формулах (48– 50) принимаются следующие: qm, qp – соответственно для гидрографа-модели и расчетного гидрографа модуль максимального мгновенного расхода воды, м3/(с км2); hm, hp - соответственно для гидрографа-модели и расчетного гидрографа максимальный суточный слой стока весеннего половодья, мм; hn – слой стока за период подъема максимальной суточной волны весеннего половодья, мм; t – продолжительность максимальной суточной волны весеннего половодья, сутки и менее.

Определение расчетных минимальных расходов воды при наличии данных гидрометеорологических наблюдений производится по эмпирическим кривым обеспеченности аппроксимируемые распределением Пирсона типа или трехпараметрическим распределением С.Н.Крицкого и М.Ф.Менкеля. При неоднородности ряда наблюдений применяют усеченные или составные кривые распределения ежегодных вероятностей превышения.

При значительных расхождениях аналитической кривой и фактических данных в нижней части – резкое отклонение одной–двух последних точек, обусловленное физическими причинами, применяют эмпирические кривые обеспеченности. Такие кривые имеют достаточно плавный вид в основной части и резкий изгиб в нижней.

Обычно он приходится на зону обеспеченности в 90–97 %.

При наличии нулевых расходов воды в ряду наблюдений расчеты производятся с использованием составных кривых распределения, а в случае несоответствия полученной аналитической кривой наблюденным значениям – по эмпирической кривой вероятности превышения.

Для расчетов используют минимальные среднесуточные, среднемесячные или 30– суточные (не календарные) расходы воды, наблюдавшиеся в зимний и (или) летне– осенний сезоны.

Среднемесячные минимальные расходы используются, если они не превышают 30– суточные более чем на 10 %, иначе применяются расходы воды средние за непрерывных суток с наименьшим стоком в рассматриваемом сезоне. При частых паводках и коротких межпаводочных периодах 30–суточный период допускается сокращать до 24 суток, чтобы максимально избежать включения паводковых вод в период минимального стока.

(среднемесячным) периодом минимального стока. Однако на реках с частыми паводками их сроки могут значительно различаться.

Минимальный среднемесячный (календарный) расход воды рекомендуется использовать в расчетах, когда рассматривается сток за зимний сезон для рек, находящихся восточнее границы: Ладожское озеро – верховья рек Днепра и Оки – среднее течение Дона – устье Волги; или сток за летне–осенний сезон для рек, расположенных южнее границы Санкт Петербург – Пермь – Магнитогорск – Тюмень – Новосибирск – Барнаул, исключая реки Северного Кавказа. Для остальных районов в расчетах следует использовать минимальные 30–суточные расходы воды.

Расчетные наивысшие уровни воды рек в створе поста определяются по аналитической кривой распределения вероятностей превышения ежегодных наивысших мгновенных (при наличии самописцев или максимальных реек) или срочных уровней воды за период многолетних наблюдений. При неоднородности наивысших уровней воды допускается использование эмпирических кривых вероятностей превышения.

Для рек, наивысшие уровни которых наблюдаются в разные фазы водного и ледового режимов, производится выборка и обработка однородных рядов уровней, соответствующих снеговому половодью, дождевым паводкам и паводкам ледниковых вод при свободном состоянии русла, а также максимальных уровней при зажорах и заторах, осеннем и весеннем ледоходах. Вероятность превышения наивысших годовых уровней независимо от генезиса их формирования следует определять, учитывая усеченность кривых обеспеченности максимальных зажорных и заторных уровней воды. Данные гидрометрических наблюдений по рассматриваемому посту считаются достаточными для определения расчетных наивысших уровней по эмпирическим кривым вероятностей превышения, если они соответствуют требованиям, изложенным в разделе Общие указания.

При определении вероятности превышения высшего исторического уровня, установленного по данным опроса жителей или архивным источникам, принимается число лет, в течение которых он не был превышен.

Определение расчетных наивысших уровней воды озер следует производить по кривым распределения вероятностей превышения уровней теми же приемами, что и для рек. В засушливой зоне, учитывая наличие длительных циклических колебаний уровня воды озер необходимо выполнять специальные исследования с использованием данных по морфометрии озерной котловины, а также архивных и других материалов.

Расчетные уровни вверх или вниз по течению реки в случае свободного состояния русла переносятся по одному из трех способов:

а) по кривым расходов воды Q=f(H) для бесприточных и малоприточных участков;

б) по кривым связи соответственных уровней воды;

в) по продольному профилю водной поверхности с учетом ее уклона при высоком уровне воды.

При этом учитывается протяженность речного участка, его приточность, морфометрия и уклон водной поверхности.

Перенос с помощью кривых Q=f(H) осуществляется на бесприточных и малоприточных участках рек значительной протяженности, если для опорного створа имеется надежная кривая расходов воды и данные многолетних наблюдений за стоком, позволяющие определить максимальный расход воды расчетной вероятности превышения. Тогда на участке проектирования открывается один или несколько временных гидрологических постов и производится параллельные с опорным постом наблюдения за уровнями.

Учитывая, что соответственным уровням на участке отвечает один и тот же расход воды, строятся в единой системе отметок кривые Q=f(H) для каждого из створов, которые экстраполируются до расчетного максимума расхода. По этим кривым определяется соответствующие ему значения наивысших уровней в створах временных постов и по ним строится продольный профиль водной поверхности.

Способ переноса расчетного наивысшего уровня воды по связи соответственных уровней требует соблюдения тех же условий, что и в рассмотренном выше способе.

Отличие его заключается в том, что экстраполируются не кривые Q=f(H), а непосредственно кривые связи уровней. Характер этих кривых зависит от гидравлических и морфометрических особенностей реки в створах постов и между ними. Поэтому данный способ может быть применен, если параллельными наблюдениями освещено не менее 80% многолетней амплитуды колебания уровня воды в опорном створе и направление кривой связи в верхней части выявилось достаточно отчетливо. Кривые связи строятся по ежегодным значениям максимальных уровней воды, характерным переломным точкам графиков колебания уровня или ежедневным значениям уровней с учетом времени добегания воды между постами. Связь уровней считается удовлетворительной, если коэффициент корреляции r 0,8.

Перенос уровней воды по продольному профилю водной поверхности производится в пределах небольших по длине речных участков (1-3 км) с учетом зависимости уклона от уровня.

неустановившимся режимом, то должны быть выбраны интервалы времени, в пределах которых режим потока может считаться близким к установившемуся [11] В устьевых и приустьевых участках рек в отдельные фазы их режима следует учитывать возможность подпора воды со стороны водоприемника. Наивысшие уровни в пределах зон подпора переносятся по кривой подпора, построенной с помощью уравнения неравномерного водного потока где Z - падение уровня на участке (м),V, R и С - соответственно средняя для участка скорость течения воды (м/с), гидравлический радиус (м) и коэффициент Шези (м 0,5/c), L - длина участка (м), - коэффициент, равный 1,05, g - ускорение свободного падения (м/с2), Vн и Vк средняя в поперечном сечении скорость течения воды в начале и конце участка (м/с).

Уравнение (53) решается методом последовательного приближения или другими численными методами для коротких морфометрически однородных участков реки. При переносе уровней вниз по течению второй член уравнения пишется со знаком плюс, а вверх - минус.

Если наивысшие уровни приходятся на период с ледовыми явлениями, то их перенос осуществляется по графикам связи уровней или кривым Q=f(H) и расходам воды, вычисленным по формуле где Qp% - расход воды в опорном створе, установленный по летней кривой Q=f(H), kQ коэффициент, учитывающий изменения гидравлических характеристик водного потока в результате ледовых явлений (ледохода, ледостава, скопления льда). Если участок проектирования по условиям ледового режима более или менее однороден, то зимний коэффициент kQ характеризующий то или иное явление может быть принят одинаковым для всех створов. При неоднородном ледовом режиме учитывается различие значений kQ от створа к створу и вопрос определения значения этого коэффициента должен решаться путем специальных полевых исследований и расчета.

Перенос наивысших уровней воды озер от опорного водомерного поста к другим постам производится по графикам связи уровней воды или непосредственно по абсолютным взаимно увязанным отметкам с учетом волнения и ветрового нагона.

Продолжительность стояния высоких уровней устанавливается по хронологическим графикам уровней воды в период половодий и паводков, наиболее неблагоприятных по условиям затопления и подтопления застраиваемой территории. Вероятностные значения продолжительности стояния (Тр%) определяются по кривой обеспеченности ежегодной длительности превышения той или иной отметки начала затопления территории (например, отметки выхода воды на пойму). С учетом полученного значения Тр% строится расчетный график хода уровней по модели одного из наблюдавшихся продолжительных половодий или паводков. Пересчет ординат и абсцисс графика производится с помощью переходных коэффициентов продолжительность, НМ и ТМ - максимальный уровень воды и продолжительность для модельного графика колебания уровня воды, НН.З - отметка начала затопления.

ПРИЛОЖЕНИЯ А

1. Определение расчетных максимальных уровней воды р. Лены у г. Ленска с учетом Основанием для пересчета расчетного 1%-ного максимального уровня воды на р.Лене у г.Ленска явилась корректировка генерального плана г. Ленска, пострадавшего от катастрофического затопления в мае 2001 г. В генеральном плане города, разработанном в 1991 году, расчетная отметка паводка 1%-ной обеспеченности, которая была положена в основу мероприятий по защите города от затопления, составила 170,07 м БС.

Катастрофический уровень 2001 г. превысил эту отметку на 2,5 м. В результате возникла необходимость в пересчете 1%-ного уровня воды с учетом последних данных с 1991 г., включая экстремум 2001 г., и другую возможную информацию.

Помимо восстановленных многолетних рядов наблюдений за максимальными уровнями воды в расчетах был использован также высший исторический уровень (ВИУ) в 1878 г., равный 1819 см. над нулем графика поста. Отметка ВИУ опубликована в «Каталоге отметок наивысших уровней воды рек и озер СССР», изданном в 1970 г., который является официальным изданием Росгидромета. В связи с тем, что максимальный уровень 2001 г.

превышал ВИУ, его обеспеченность определялась как для первого члена ранжированного ряда при условии, что этот уровень не был превышен с 1878 г., т.е. по формуле 1/(N+1), где N=124 года (1878-2001 гг.). Полученное значение обеспеченности (в процентах) равно 0.8%.

Обеспеченность высшего исторического уровня 1878 г. определялась по формуле 2/(N+1), т.к. он был ниже уровня 2001 г., но достоверно был выше всех остальных уровней с 1878 по 2001 г. за исключением уровня 2001 г., т.е. вторым по величине за этот период. Полученная эмпирическая обеспеченность ВИУ составила 1.6%.

Обеспеченности всех остальных ранжированных по убыванию максимальных уровней воды, входящих в ряд наблюдений определялись по формуле m/(n+1), где m=2, 3, … n и n – число членов ряда наблюдений ( n=72 года для максимальных в году уровней воды). В связи с тем, что максимальный уровень 2001 г. входит в ряд наблюдений ему присвоен 1-ый ранг (но обеспеченность определена не с учетом 72 лет наблюдений, а с учетом 124 лет, т.е.

периода за который он не был достоверно превышен), следующему по величине в ряду наблюдений максимальному уровню воды 1998 г. присвоен 2-ой ранг (m=2) и т.д.

На основании вычисленных эмпирических обеспеченностей, были построены эмпирические распределения максимальных в году уровней воды. В связи с тем, что эмпирические распределения уровней воды не являются генетически однородными и при определении расчетных 1%-ный уровней применяется интерполяция, а не экстраполяция, распределения максимальных уровней были получены графически сглаживанием эмпирических точек.

Пример сглаженной эмпирической кривой для наивысших в году уровней воды приведен на рис.1. Со сглаженной кривой была снята отметка расчетного уровня 1%-ной обеспеченности, которая оказалась равной 1940 см над нулем графика поста или 171,87 м БС, что на 1,8м. выше принятого ранее при проектировании.

Рис.1. Эмпирическое распределение наивысших в году уровней воды на р.Лене у г.Ленска и его графическая аппроксимация.

2. Определение параметров и квантилей суммарного притока в озера Песьво и Удомля.

В связи с необходимостью проектирования и дальнейшего строительства 3-го и 4-го блоков Калининской АЭС возникла необходимость уточнения притока в озера Песьво и Удомля, и в связи с этим уточнения ранее принятых расчетных характеристик месячного и годового стока при проектировании 1 и 2 блоков Калининской АЭС.

Для уточнения суммарного притока в озера Песьво и Удомля была собрана исходная гидрометрическая информация по годовому и месячному стоку, как по стационарным створам наблюдений, так и по временным створам за весь возможный период наблюдений, включая 2000 г., по району Калининской атомной электростанции (КАЭС).

Приток в озера Песьво и Удомля измеряется в 4-х пунктах с периодом наблюдений от 5 до продолжительность, возникла необходимость в сборе исходной информации по рекаманалогам, имеющим более длительные наблюдения (табл.1), которые использовались при приведении наблюдений к многолетнему периоду (табл.2). Наблюденные и приведенные к многолетнему периоду ряды были оценены на однородность и стационарность.

Рис.2 Хронологический график суммарного годового притока в озера Песьво и Удомля.

Последовательность определения расчетных значений гидрологических характеристик состоит в следующем:

- расчет эмпирических вероятностей превышения и построение эмпирического распределения;

- определение параметров распределения методом приближенного наибольшего правдоподобия для распределения С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля и методом моментов – независимо от типа распределения.

- уточнение коэффициента автокорреляции и отношения Cs/Cv на основе обобщения этих параметров по совокупности рек-аналогов;

- аппроксимация эмпирического распределения аналитическими распределениями при установленных параметрах;

- определение квантилей заданной обеспеченности при наилучшей аналитической аппроксимации.

Критерий окончательного выбора аппроксимирующего аналитического распределения основывался на следующих условиях:

- минимум суммы квадратов отклонений между эмпирическим и аналитическим распределением;

минимальные расхождения между эмпирическими данными и аналитической аппроксимацией в интересующей области экстраполяции. Эти условия характеризуют общую эффективность аппроксимации для всего эмпирического распределения и для областей редких событий, которые и представляют основной практический интерес.

Результаты расчетов Расчетное значение коэффициента автокорреляции принимается как среднее значение, установленное по данным группы рек с наиболее продолжительными наблюдениями за рассматриваемой гидрологической характеристикой в однородном гидрологическом районе.

В таблице 1 представлены параметры распределения годового стока по наблюденным данным. Рассматриваемый район, в который входят пункты наблюдений представленные в таблице 1, является однородным по отношению к годовому стоку рек, что следует из проведенного анализа физико-географических и климатических факторов годового стока.

Параметры распределения годового стока по наблюденным рядам Р. Чагодоща – д. Анисимово Р. Песь – д. Яхново (Мекешево) Р. Ягорба – д. Мостовая Р. Волчина – Волчинское Р. Меглинка – д. Русское В таблице 2 представлены индивидуальные по пунктам наблюдений оценки параметров распределения (q, Cv, Сs), коэффициентов автокорреляции между стоком смежных лет (r(1)), число лет приведенных к многолетнему периоду (N), а также объем эквивалентной информации по среднему значению (Nэкв. сред.) и по дисперсии (N’экв. дисп.), рассчитанные по приведенным к многолетнему периоду рядам. Примеры приведения индивидуальных рядов гидрологических характеристик к многолетнему периоду имеются в Рекомендациях [12 ].

Групповая оценка коэффициента автокорреляции между стоком смежных лет, полученная путем осреднения индивидуальных оценок, представленных в таблице 3, составила 0,37. Это смещенная оценка. Несмещенная оценка коэффициента автокорреляции, рассчитанная по данным работы [16] равна 0,39. Несмещенная оценка коэффициента автокорреляции (r(1)) годового притока в озера Песьво и Удомля равна также 0,39, что дополнительно свидетельствует о правильности выполненных расчетов. Больше того, коэффициент автокорреляции годового оттока из озер Песьво и Удомля по данным наблюдений на водпосту р. Съежа – Стан за годовым стоком, приведенным к многолетнему периоду равен 0,40. Несколько повышенное значение коэффициента автокорреляции оттока из озер Песьво и Удомля связано с регулирующим влиянием этих озер. На основании выполненных расчетов коэффициент автокорреляции годового притока в озера Песьво и Удомля принимается равным 0,39.

Оценка отношения коэффициента асимметрии к коэффициенту вариации годового притока, приведенного к многолетнему периоду, равна единице, что согласуется с групповой оценкой этого параметра, полученного по данным таблицы 2.

Параметры распределения годового стока по рядам, приведенным к многолетнему Р. Молога – с. СпасЗабережье По параметрам суммарного годового притока, вычисленным методом приближенно обеспеченностей. В качестве аналитической аппроксимации задавалось распределение С.Н.Крицкого и М.Ф.Менкеля. Стандартная погрешность аппроксимации составляла 2.9%, наибольшая – 13.4%. Эмпирическое распределение притока и принятая аналитическая аппроксимация показаны на рис.3.

Рис.3 Эмпирическое распределение годовых объемов притока к озерам Песьво и Удомля и его аппроксимация аналитическим распределением С.Н.Крицкого и М.Ф.Менкеля с параметрами: Wср=95.0 млн. м3; Cv=0.34; Cs/Cv=1.0.

Обеспеченные значения суммарного годового притока для 27 стандартных квантилей распределения С.Н.Крицкого и М.Ф.Менкеля приведены в табл. 3.

Обеспеченные значения годового притока в озера Песьво и Удомля в млн. м Обеспеченность, Значение Обеспеченность, Значение Обеспеченность, Значение 3. Использование методики совместного анализа Применение метода группового анализа данных наблюдений иллюстрируется на примере района Приморья.

Для совместного анализа в этом районе были отобраны гидрологические посты, для которых выполнялись следующие условия:

- площадь водосборов не превышает 50000 км2;

- ряды наблюдений за максимальным стоком имеют продолжительность более 30 лет;

- пункты наблюдений относительно равномерно распределены по району;

- данные наблюдений по возможности статистически независимы друг от друга, т.е.

отсутствует пространственная корреляция. Последнее условие трудно выполнимо, т.к. в однородном гидрологическом районе расстояние между пунктами (центрами тяжести водосборов), как правило, не большое, что и определяет пространственную корреляцию.

В качестве анализируемой характеристики исследуется коэффициент вариации рядов максимальных в году расходов дождевых паводков.

Предварительное разбиение районов на более мелкие подрайоны с относительно близкими значениями коэффициентов вариации производится с использованием картысхемы пунктов наблюдений с нанесенными значениями характеристик изменчивости стока.

Используя критерий (13), предложенный С.Н.Крицким и М.Ф.Менкелем, проверяется однородность данных, объединяемых в пределах выделяемого подрайона и оценивается возможность их совместного анализа.

Случайная составляющая определяется как средняя по группе станций выборочная дисперсия моментной оценки коэффициента вариации:

Географическая составляющая случайной составляющими в соответствии с формулой (10). Полная составляющая вычисляется по формуле (12).

Если для выделенного подрайона географическая составляющая дисперсии оказывается меньше случайной, то совокупность рядов можно считать однородной, а объединение правомерным. На следующем шаге к однородной группе присоединяется один из ближайших постов и проверяется выполнение условия (13). Объединение постов в подрайон заканчивается, когда условие (13) перестает выполняться.

Точность расчета статистических характеристик по объединенным данным наблюдений характеризуется стандартной ошибкой 2ср. :

где: k – число совместно анализируемых объектов, 2сл./k стандарт средней из k оценок.

Погрешность результатов расчетов оценок определяется по формуле (14), а их стандартная ошибка по формуле (15).

Исходя из приведенных условий, для иллюстрации методики на территории Приморья было отобрано 14 постов и оценена возможность их совместного анализа. Схема расположения постов приведена на рис.4, список постов представлен в таблице 4.

Рис.4 Схема расположения гидрологических постов.

Список водомерных постов поста Поста Наблюд. Водосбора Коэффициенты вариации рядов максимальных в году расходов дождевых паводков для этих постов приведены в табл.5.

В соответствии с рассматриваемой методикой на территории анализируемого района выбирается несколько гидрологических постов с относительно близкими значениями Cv и близким географическим расположением. В данном случае было отобрано пять постов: №1, 2, 50, 52, 53. Первоначально определяются среднее значение, полная, случайная и географические составляющие, а также дисперсия параметров для объединенной совокупности. Если в результате расчета критерий (13) выполняется, то объединение можно считать допустимым.

Далее к уже полученной группе постов поочередно присоединяются посты близко к ним расположенные и также определяются все вышеперечисленные характеристики (табл.5).

Результаты отображаются в виде графика зависимости 2об. =f(k) (рис.5).

Результаты расчетов параметров для совместного анализа по группе станций 3 05083 0,818 0,003 0,015 -0,012 0, 4 05083 0,826 0,003 0,015 -0,012 0, 5 05083 0,858 0,012 0,018 -0,006 0, 6 05083 0,879 0,015 0,019 -0,004 0, 7 05083 0,897 0,017 0,021 -0,004 0, 8 05083 0,902 0,016 0,021 -0,005 0, Если условие (13) выполняется, кривая имеет тенденцию к понижению, если же выполнение условия нарушается, то следует резкое увеличение значений, а следовательно такие посты не могут быть присоединены к общей группе (рис.5, точки 9,10).

Рис.5 График зависимости дисперсии параметров объединенной совокупности от числа совместно анализируемых постов Результаты расчета погрешностей коэффициента вариации приведены в табл.6.

Расчет погрешностей определения коэффициентов вариации Поста Ность 4. Пример построения усеченного гамма- распределения для вычисления максимальных расходов воды малой вероятности превышения Рассмотрим данные наблюдений за максимальными расходами воды весеннего половодья р. Белой у г. Уфы с 1878 по 1964 г. (исходные данные приведены в табл.7). Требуется вычислить расчетные максимальные расходы воды различной вероятности превышения в этом створе с помощью усеченного гамма - распределения.

Сначала по верхней половине ряда, расположенного в убывающем порядке, вычисляем среднее (по формуле (41)) и статистику 2n / 2 (по формуле (43)); подготовительные вычисления даны в табл. 8.

По полученному значению 2n / 2 = 0,0176 по Приложению 3 находим значение коэффициента изменчивости C vn = 0,52.

Далее, зная среднее x n / 2 и определив по вычисленному значению C v функцию (C v ) находим с помощью Приложения 5, значение среднего x n :

По полученным параметрам (Q=5814 cм3/сек и C vn = 0,52) в обычном порядке, используя распределения – усеченное распределение (рис.6). Как следует из рис.6, аналитическая кривая хорошо соответствует эмпирическим точкам.

Максимальные расходы воды весеннего половодья р. Белой у г.Уфы Расчет параметров усеченного гамма-распределения по данным наблюдений за максимальными расходами воды р. Белой у г. Уфа В убывающем порядке Рис.6 Совмещенные кривые распределения вероятностей превышения максимальных расходов весеннего половодья р.Белой у г.Уфы (1878-1964 гг.). Гамма распределение: 1 – полное; 2 –усеченное.

5. Пример расчета внутригодового распределения стока методом компоновки для лет маловодной и очень маловодной градаций водности.

Расчет внутригодового распределения стока методом компоновки производится в соответствии с требованиями, изложенными в разделе 9. Ниже дается пример расчета этим методом для р. Унжа - г. Макарьев за расчетный 67-летний период стоковых измерений для лет маловодной и очень маловодной градаций водности. В табл. 9- приводятся результаты расчета, характерные для отдельных его этапов.

В табл. 9 даны результаты расчета сумм месячного стока воды (Qiмес) за водохозяйственный год, лимитирующие период, сезон и месяц для конкретных маловодных и очень маловодных лет.

Данные табл. 10 демонстрируют расчет абсолютного (в объемных единицах) и относительного (в % от объема стока за ВГ) распределения речного стока по водохозяйственным периодам и сезонам в годы маловодной и очень маловодной градаций (групп) водности.

В табл. 10 приведен расчет внутрисезонного распределения речного стока (Qi мес) по месяцам (Qi мес) на примере лимитирующего сезона. Аналогичным образом выполняются расчеты внутрисезонного распределения стока для других водохозяйственных периодов, в частности для нелимитирующих периода (НП) и сезона (НС). Результаты расчета внутрисезонного относительного (в % от сезонного) распределения месячного речного стока для маловодной группы водности сезонов даны в таблице 11.

В основу расчета положены относительные (в % от объема стока за ВГ) данные о межсезонном (табл.9) и внутрисезонном распределениях стока (данные табл. 10 и 11 ), а также аналогичные данные для НП и НС и для других градаций водности, в частности, для группы очень маловодных лет. Значения стока за водохозяйственный год 75 и 95%ной вероятности превышения, определены по соответствующей кривой обеспеченности.

Расчет сумм месячного стока воды (Qi мес) за водохозяйственный год, лимитирующие период, сезон и месяц для конкретных маловодных и очень маловодных лет убыван Расчет абсолютного (в объемных единицах) и относительного (в % от объема стока за ВГ) межсезонного распределения речного стока в годы маловодной и очень маловодной градаций (групп) водности Вариант расчета с учетом стока лимитирующего месяца (минимального месячного месяцы ЛС Расчет внутрисезонного распределения речного стока (Qi мес) по месяцам (Qi мес) сезонно го стока распределение в Внутрисезонное относительное (в % от сезонного) распределение месячного речного стока для маловодной группы водности сезонов

НП НС XII ЛС

IV V VI VI VIII IX X XI I II III

6. Пример расчета внутригодового распределения стока методом реального года Расчет внутригодового распределения стока методом реального года выполнен на примере р. Чулым – пгт. Балахта по данным о среднемесячных расходах воды за расчетный период с 1940 по 1980 гг. Он произведен в соответствии с методикой, изложенной в разделе 9 данных Методических рекомендаций. Рассмотрим основные этапы этого расчета:

1. Назначаются расчетные водохозяйственные периоды и составляется матрица среднемесячных расходов воды по водохозяйственным годам (табл.13), начинающимся с апреля (IV) - первого месяца нелимитирующего периода (НП).

2. По данным табл. 13 рассчитываются суммы среднемесячных расходов воды (Qм) для каждого назначенного водохозяйственного года (ВГ) и входящих в него периодов и сезонов, а именно для нелимитирующего периода (НП), лимитирующего периода (ЛП), лимитирующего сезона (ЛС), нелимитирующего сезона (НС). Эти данные, а также аналогичные сведения для назначенного лимитирующего месяца (ЛМ) записываются для всех ВГ в рабочую таблицу, сокращенный вариант которой приведен ниже (табл. 14). На основе данных табл. 14 рассчитываются среднемесячные значения расходов воды путем деления сумм расходов соответствующих периодов или сезонов на число входящих в них месяцев. Результаты расчетов записываются в аналогичную таблицу (табл. 15).

3. На основе данных табл. 15 составляется таблица ранжированных в убывающем порядке сумм среднемесячных расходов воды для каждого расчетного внутригодового периода и сезона, а также для значений среднемесячных расходов воды лимитирующего месяца. В таблице 16 приведены в качестве иллюстрации сказанного некоторые из упомянутых ранжированных данных для ВГ, ЛП и ЛС. По данным табл. 17 для каждого расчетного внутригодового периода и сезона, а также для ЛМ с помощью методов, изложенных в разделе настоящих Методических рекомендаций, подбирается расчетная аналитическая кривая вероятностей превышения. Эта кривая используется как для решения прямой задачи – определения расчетной величины стока заданной вероятности превышения, так и обратной задачи – определения вероятности превышения по известному значению стока рассматриваемого расчетного водохозяйственного периода или сезона (месяца).

4. С учетом пороговых значений вероятности превышения стока, приведенных в разделе 9 настоящих Методических рекомендаций, ранжированные ряды стока за конкретные водохозяйственные годы разбиваются на пять групп водности – очень многоводную, многоводную, среднюю по водности, маловодную и очень маловодную.

Для каждой группы водности создается таблица с данными о вероятности превышения сто ка за ВГ, ЛП, ЛС, ЛМ каждого из водохозяйственных годов, входящих в расчетную группу водности. Значения вероятности превышения среднемесячного стока за конкретный ВГ, ЛП, ЛС и ЛМ определяются по соответствующей кривой обеспеченности.

Для наглядности сказанного в табл. 18 приведены значения вероятностей превышения стока за ВГ, ЛП, ЛС и ЛМ каждого из водохозяйственных годов, входящих в очень маловодную группу водности (с обеспеченностью стока за ВГ более 83,3%).

5. По формуле раздела 9, принятой для объективного выбора характерного по водности водохозяйственного года, по значениям вероятностей превышения стока за ВГ, ЛП, ЛС и ЛМ, произведены расчеты P% для каждого ВГ, входящего в группу очень маловодных лет. Оказалось, что наименьшее значение P% свойственно 1945-46 ВГ. Этот ВГ и принят в качестве модели для характеристики внутригодового распределения стока вероятностью превышения 95% (табл. 18).

Расходы воды (м3 / с) р. Чулым– пгт. Балахта за конкретные месяцы отдельных водохозяйственных годов

IV V VI VII VIII IX X XI XII I II III

Среднее из 12,825 53,775 65,875 27,375 16,725 14,875 12,575 6,375 3,950 2,325 1,600 2, всех 40 ВГ Суммы среднемесячных расходов воды р. Чулым– пгт. Балахта за водохозяйственные периоды, сезоны и месяц конкретных ВГ Cреднемесячные расходы воды р. Чулым– пгт. Балахта за водохозяйственные периоды, сезоны и месяц конкретных ВГ Ранжированные в порядке убывания ряды сумм среднемесячных расходов воды р. Чулым– пгт. Балахта

ВГ ВГ ВГ ВГ ВГ ВГ

Вероятности превышения стока р. Чулым– пгт. Балахта за конкретные ВГ, ЛП, ЛС и ЛМ каждого из водохозяйственных годов, входящих в Относительное (в % от стока за ВГ) внутригодовое распределение месячного и сезонного стока р. Чулым– пгт. Балахта, определенное по 7. Пример расчета внутригодового распределения стока методом среднего распределения стока за годы характерных градаций водности Расчет внутригодового распределения стока методом среднего распределения стока за годы характерных градаций водности выполнен на примере р. Оленёк–местн. Ярольин по данным о среднемесячных расходах воды за расчетный период с 1937 по 1984 гг. в соответствии с методикой, изложенной в разделе 9 данных Методических рекомендаций.

Рассмотрим основные этапы этого расчета:

1. На основе анализа данных о среднемесячных расходах воды за весь рассматриваемый расчетный период и другой информации назначается первый месяц водохозяйственного года (май) и составляется матрица месячных объемов стока воды по водохозяйственным годам (табл. 19).

2. С учетом пороговых значений вероятности превышения, принятых в соответствии с рекомендациями раздела 9, ряд модульных коэффициентов стока (или самого стока) за водохозяйственные годы разбивается на пять групп водности – очень многоводную (1), многоводную (2), среднюю по водности (3), маловодную (4 ) и очень маловодную (5). С этой целью рассчитываются и ранжируются в убывающем порядке модульные коэффициенты стока (или сами значения стока) конкретных ВГ, для них определяются значения эмпирической обеспеченности и по принятым пороговым значениям вероятности превышения производится отнесение каждого ВГ к одной их пяти указанных групп водности (табл. 20).

3. Для каждой из пяти групп водности создается рабочая таблица с данными об объемах стока воды за каждый из 1 2 месяцев всех ВГ, вхо д щих в эту группу.

Рассчитываются для каждого месяца средние арифметические значения стока за все ВГ, входящие в рассматриваемую группу водности. По этим средним месячным значениям путем их суммир о вния за все 1 2 месяцев ВГ определяется их годовая сумма. Путем последовательного деления средних месячных значений на эту сумму определяются их доли от годового стока, которые обычно выражаются в процентах. Эти доли или процентные отношения принимаются в качестве расчетного среднего относительного распределения стока за ВГ для рассматриваемой группы характерных по водности лет, например – для очень маловодных лет. Результаты расчета среднего относительного внутригодового распределения стока для каждой из 5 характерных групп водности по рассматриваемой реке приведены в табл. 21. Для сравнения в этой таблице помещены также относительные значения месячного стока, рассчитанные для всех 47 ВГ расчетного многолетнего периода.

4. Зная значение стока воды за ВГ заданной вероятности превышения и процентное распределение месячного стока соответствующей группы водности, легко рассчитать (путем их перемножения и деления произведения на 100) распределение стока в абсолютных единицах его измерения (объемах стока, расходах воды или в мм слоя воды).

Объемы стока воды (куб. км) р. Оленёк – местн. Сухана за конкретные месяцы отдельных водохозяйственных годов

V VI VII VIII IX X XI XII I II III IV

Разделение водохозяйственных годов на 5 характерных групп водности по значениям вероятностей превышения годового стока Водохозяйственный Модульный Эмпирическая Группа Водохозяйственный Модульный Эмпирическая Группа Средние относительные (в % от стока за ВГ) внутригодовые распределения месячного стока воды р. Оленёк – местн. Сухана

V VI VII VIII IX X XI XII I II III IV