Расчет максимального стока рек северной части Кореи

На У1 съезде Трудовой партии Кореи принята программа перспективного социалистического экономического строительства, которую предстоит выполнить в 80−90-е годы. В программе большое внимание уделено развитию гидроэнергетики, транспорта, сельского хозяйства, предусматриваются мероприятия по преобразованию природы. •.

В настоящее время уже начато осуществление программы. Последовавшее в результате бурное развитие народного хозяйства КНДР выдвинуло требования комплексного использования природных ресурсов в том числе и водных для гидрологического обеспечения различных отраслей.

При исследовании водных ресурсов одно из важнейших мест занимает изучение и расчет максимально^ стока.

Применительно к северной части Кореи решение проблемы расчетов максимального стока осложняется большим разнообразием природных условий формирования стока в различных горных и равнинных частях территории.

После окончания войны, в 50−60-е годы начала развиваться сеть наблюдений за метеорологическими элементами и стоком воды, были организованы наблюдения на экспериментальных малых бассейнах. В эти же годы разработаны формулы по расчету максимальных расходов при отсутствии наблюдений. Эти формулы основаны на небольших, имевшихся к тому времени данных наблюдений по осадкамв основном по осадкомерам и максимальному стоку.

К настоящего времени накопился значительный объем информации по гидрометеорологическим элементам, в том числе по записям дождей самописцами, совмещенному ходу осадков и стока в замокающих створах экспериментальных бассейновпополнились ряды mSлюдений по максимальным расходам воды. Весь этот обширный материал должен быть обобщен.

Обобщение должно учитывать научные достижения в области расчетов максимального стока. К настоящему времени учеными гидрологами Советского Союза, Кореи и других стран опубликовано много работ, посвященных анализу факторов и расчету значений максимального стока. Поэтому встала необходимость в разработке рационального метода расчета максимального дождевого стока применительно к территории Кореи.

В плане научных работ организаций КНДР в проблеме по комплексному изучению природных ресурсов особое внимание уделено изучению максимального стока. Настоящая работа выполнена в порядке осуществления этого плана.

Для усовершенствования методов расчетов максимального стока в условиях северной части Кореи необходимо:

— оценить методы, применяемые в КНДР для расчетов максимальных расходов при отсутствии наблюдений, их точность и место среди методов мирового опыта;

— поскольку в практике расчетов максимального стока слабо учи' тываются основные факторы, особое внимание уделить разработке рекомендаций по учету характеристик жидких осадков, потерь стока, факторов, определяющих добегание паводочных вод;

— разработать метод расчета максимальных расходов дождевых паводков при отсутствии наблюдений, оптимально учитывающий факторы стока.

При решении поставленных задач произведено рассмотрение формул расчета максимальных расходов воды. Ввиду большого количества и разнообразия формул они типизированы. Особое внимание уделено формулам, применяеиыи в СССР в качестве нормативных, а из региональных выделены формулы ШУМ и ДВНЙГМИ, поскольку они разработаны для районов близких по условиям формирования паводков к районам северной части Кореи. Особо рассмотрены основные формулы, применяемые в КНДР.

При кратком рассмотрении общих природных особенностей территории достаточно полно изучены синоптические условия и охарактеризованы выдающиеся дожди.

Проанализирован паводочный режим рек. Произведен расчет максимальных расходов воды по рядам и определены значения параметров кривых обеспеченности и значения расходов, заданной вероятности превышения. Эти данные послужили основой для проверки применяемых в КНДР формул.

Особое внимание уделено расчету характеристик жидких осадков. Произведена обработка записей дождей самописцами по 51 пункту. Для каждого вычислены расчетные параметры и слои осадков заданной вероятности превышения для интервалов времени, начиная от 5, 10 и т. д. мин и до суток. На основании этих данных определены географические параметры зависимостей интенсивности осадков от продолжительности интервалов времени и расчетной повторяемости. Все параметры картированы. шализ потерь стока выполнен по данным 36 экспериментальных бассейнов, в качестве расчетных рекомендованы предельные коэффициенты стока, соответствующие минимально возможным потерям.

Изучены факторы добегания, которые учтены введением в расчет бассейнового времени добегания, для которого разработана связь с морфометрическими характеристиками рек и бассейнов.

Рекомендации расчета факторов стока легли в основу методики определения максимальных расходов воды.

Основной результат работы сводится к расчету максимальных расходов воды при отсутствии наблюдений. Но поскольку при разработке методики даны такие рекомендации как расчет осадков по интервалам времени, охарактеризованы коэффициенты стока паводков, даны рекомендации по учету временных характеристик паводков, имеющие самостоятельное значение, то работа получила более широкое название.

Работа состоит из пяти разделов. В первом «Обзор методов расчета максимальных расходов дождевых паводков» дан анализ основных формул для расчета максимальных расходов при отсутствии наблюдений.

Во втором «Физико-географическая и климатическая характеристики территории» кратко описаны природные особенности региона и достаточно подробно синоптические условия выпадения осадков и охарактеризованы дожди.

Третий раздел «Характеристика максимальных расходов по данным наблюдений и формулам КНДР «посвящен характеристике паводочного режима рек, выдающихся паводков. В нем выполнен расчет параметров кривых обеспеченности и значений расходов заданной вероятности превышения, проверены основные формулы КНДР.

В четвертом разделе «Рекомендации по учету факторов максимального стока» разработаны конкретные методы учета характеристик дождей, величин потерь максимального стока, факторов, определяющих процессы добегания паводочных вод.

В пятом «Методика расчета максимальных расходов дождевых паводков» дается обоснование расчетной формулы и выполнены поверочные расчеты максимальных расходов воды.

В заключении оцениваются основные результаты работы, отмечаются научное и практическое значение выполненного исследования.

I.МЕТОДЫ РАСЧЕТА МАКСИМАЛЬНЫХ РАСХОДОВ ДОЖДЕВЫХ ПАВОДКОВ.

Интенсивное гидротехническое строительство на реках и водотоках обусловило развитие расчетов характеристик максимального стока. Безопасность и рентабельность сооружений тесно связаны с расчетом их водосбросных отверстий. Размеры отверстий определяются при отсутствии регулирования значениями максимальных расходов воды на водотоках.

Техника определения расчетных максимальных расходов зависит от гидрометеорологической изученности объектов. При наличии данных наблюдений по максимальным расходам воды необходимые расчетные величины могут быть найдены путем статистической обработки их рядов. Значительно труднее определять расчетные максимальные расходы для неизученных бассейнов, особенно для малых водотоков. Они как правило не имеют рядов максимальных расходов, пригодных для статистической обработки. В таких случаях расчет ведется по формулам или методам, которые связывают характеристики максимального стока с различными факторами, обусловливающими их величину.

Определение элементов паводков может быть выполнено по генетической формуле стока. Но, как известно, расчет характеристик паводков заданной вероятности превышения этим методом в настоящее время произвести невозможно. И в практических расчетах обычно используются эмпирические формулы.

На реках КНДР максимальные расходы воды формируются в периоды прохождения паводков ливневого происхождения. Поэтому ниже дан обзор формул, применяемых для расчета максимальных дождевых расходов.

Особое внимание уделено разработкам, сделанным в СССР для районов, близких к условиям Кореи. Формулы, применяемые в КНДР, выделены особо.

I.I Формулы расчета максимальных расходов при отсутствии данных наблюдений.

Изучением максимального дождевого стока занимались в России Л. Ф. Николаи, Ф. Г. Зброжек, Н. Е. Долговв СССР в 20-е — 40-е годы Г. Д. Дубелир, А.И.Карачевский-Волк, М. М. Протодьяконов, М. Ф. Срибный и др. Предложенные этими и некоторыми другими авторами формулы и методы в настоящее время не применяются, поэтому на них нет необходимости останавливаться.

В последние 20−30 лет разработкой методик расчетов максимальных расходов дождевых паводков занимаются коллективы авторов Государственного Гидрологического института (ГТИ), Ленинградского гидрометеорологического института (ЛГМИ), Одесского гидрометеорологического института (ОГМИ), Дальневосточного научно-исследовательского гидрометеорологического института (ДВНИГМИ), Минтрансстроя, Госкомгидромета и других организаций.

Появились нормативные документы, такие как «Указания по определению расчетных гидрологических характеристик» СН 435−72, «Инструкция по расчету ливневого стока воды с малых бассенов» ВСН 6376, «Строительные нормы и правила. Определение расчетных гидрологических характеристик» СНиП 2.01.14−83. Они основаны на привлечении практически всех имеющихся данных гидрометрических наблюдений. В каждом рекомендованы расчетные формулы.

Общее число формул очень велико, поэтому они рассмотрены в основном в общем виде по типам.

Формулы можно условно разбить на два типа: однофазовые и объемные. В однофазовых максимальная ордината паводка определяется в зависимости от факторов ее определяющих. В объемных — максимальный расход определяется как функция объема, продолжительности и геометрической формы паводка.

Наиболее многочисленны однофазовые формулы. Среди них можно выделить формулы, основанные на использовании гидрологической информации и формулы, основанные как на гидрологической, так и метеорологической информации.

К однофазовым редукционным, основанным на гидрологической информации, относятся формулы, рассматриваемые ниже.

В соответствии с СН и П 2.01.14−83 максимальные расходы воды при отсутствии рек-аналогов следует определять по формуле: bru-bJ^U^TW"-^' (1Л) где aK ~ максимальный мгновенный расход воды вероятностью ежегодного превышения Р %, м^/с — максимальный модуль стока той же вероятности превышения м^/(с-кА — goo ~ модуль максимального мгновенного расхода воды вероятности превышения Р = I % при § = = = I > приведенный к площади водосбора 200 км^ -? — площадь водосбора, км^ - 8 -коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода озерами;

62. — коэффициент, учитывающий снижение максимальных расходов болотами- 6Ъ — коэффициент, учитывающий изменение параметра (j, 200 с изменением средней высоты водосбора в горных районахД р — переходный коэффициент от максимальных мгновенных расходов обеспеченностью Р = I % к максимальным расходам другой вероятности превышениягI — показатель степени редукции максимального модуля стока по площади.

К этому же типу формул относятся зависимости, предложенные в работах / 30,31,35,68 и др./. Все они в общем виде могут быть представлены как йр = of — Bp tf&SiF, (1.2) где Bp — физико-географический параметр, пропорциональный максимальному модулю притока, м^/(с км^) — У — коэффициент редукции максимального модуля стока в зависимости от площади во-ддсбора или времени добеганияостальные обозначения прежние.

Параметры формул типа (I.I) и (1.2) определяются по данным максимальных расходов воды, заданных вероятностей превышения изученных рек, принадлежащих к однородным по условиям формирования стока районам. Для этого обычно строятся графики зависимости максимальных модулей стока от площади водосбора или времени добегания.

Достоинством формул типа (I.I) и (1.2) является их простота. Но они могут применяться только в районах хорошо изученных в гидрологическом отношении.

К однофазовым формулам, основанным на использовании как гидрологической, так и метеорологической информации относится большая часть формул. Среди них формула предельной интенсивности рекомендована СНиП 2.01.14−83 для малых водосборов с площадями вор досборов, меньших 50−200 км. Она имеет вид:

1.3) где Ц — максимальный модуль стока ежегодной вероятности превышения р = I %, выраженный в долях от произведения У//у% при S = I «определяемый в зависимости от гидроморфометрической характеристики русла и склонового времени добеганиямаксимальный суточный слой осадков вероятностью превышения Р = I %, определяемый по данным ближайших метеостанций- - сборный коэффициент стока, определяемый по данным рек-аналогов или рекомендациям / 71 / в зависимости от зоны и рельефа.

Определение максимальных расходов воды для малых водосборов по характеристикам интенсивностей дождей рекомендовано в расчетных зависимостях работ /47,101/.

К формулам этого же типа относятся разработки /22,26,34,63, 76,77,84,90/. Формулы, рекомендованные в этих работах в общем виде могут быть представлены как: йр = уГ = Kdrp sCfSiSbf 7 (1.4) где атр — максимальная интенсивность осадков расчетной продолжительности I и заданной вероятности превышения Р %- ob коэффициент стока паводкообразующих осадковк — коэффициент, зависящий от размерностей функции и аргументаУ — коэффициент редукции максимальных модулей стока по площади или продолжительности.

Параметры этих формул определяются на основании обработки многолетних данных по записям дождей самописцами, осадкомерам, максимальным расходам воды и объемам паводков. Особый интерес и перспективу практического использования имеют те формулы, в которых параметры определяются независимым путем.

Объемная формула для расчета максимальных расходов дождевых паводков имеет вид / 80 /: 0, г8(Нт-Но) F-, (i.5) р tn где Н т — слой осадков за. интервал времени Т ммИ о слой осадков, идущий на первоначальное увлажнение почвы, ммcL — коэффициент паводочного стока, определяемый в зависимости от физико-географической характеристики бассейна и расчетной вероятности превышения максимального расхода- «fc, а — продолжительность подъема паводка, часы- - коэффициент формы гидрографа паводкаQ, гр — грунтовый приток.

Из формул, разработанных в СССР, необходимо особо остановиться на формулах ДВНИГМИ и ЛГМИ для бассейна Амура. Эти формулы разработаны для районов, в которых условия формирования максимальных расходов воды близки к условиям северной Кореи.

Формула ДВНИГМИ имеет вид /90/: п 0.07 И* е&Кр ао г*6 (1.6).

Ъ~ (f^)0'3? где С^р — максимальный модуль стока вероятности превышения Р°/0, м^/(с кАНР — суточный максимальный стой осадков вероятностью превышения Р°/&bdquoв ммck — сборный безразмерный коэффициент, определяемый обратным расчетом, может характеризовать коэффициент стока за паводокК F — безразмерный коэффициент редукции осадков по площади- «Л — уклон реки,^, ;

S — коэффициент снижения максимальных расходов воды болотами.

Большие исследования максимального стока рек Дальнего Востока проведены Ленинградским гидрометеорологическим институтом. Начиная с 1958 г. до настоящего времени, институтом обследованы почти все малые водотоки, пересекаемые трассами дорог. На них определены максимальные расходы воды и их обеспеченность.

В основу обобщения материалов по максимальному стоку положена формула, вытекающая из теории изохрон. Формула имеет вид /77,78,84/: к &tp сЯ-г S.

— (f + c)^ 7 (1.7) где dtp ~ максимальная интенсивность дождя средняя за время добегания 1У, мм/часolv — коэффициент стокаS коэффициент, учитывающий влияние болотК — коэффициент размерностихь — показатель редукции максимальных модулей стока по площадиС — параметр, учитывающий нелинейность зависимости в 30не малых площадей.

Ряд формул для определения максимальных расходов разработано в Японии, США, Италии и других странах / 57,67,87/.

В Корее для расчета максимальных расходов дождевых паводков разработано более десяти формул. В настоящее время чаще всего используются формулы Гидравлического института (формула ГИ), сель-ско-мелиоративного института (формула СМИ) и гидрометеорологического института (формула ГМИ).

Эти формулы имеют следующий вид.

В 1962 г. Гидравлическим институтом для расчета максимальных расходов предложена формула /55,86/:

Qp = (о, 076 ВИ + -16)f, А р, (1Л0) где В — средняя ширина бассейна реки, км- & - средняя по площади бассейна интенсивность осадков за время добегания, мм/час;

К — безразмерный коэффициент, отражающий особенности бассейновZ — коэффициент, учитывающий снижение максимальных расходов водохранилищамиЯР — коэффициент перехода от 1% к вероятности ежегодного превышения Р%,.

Формула сельско-мелиоративного института имеет вид /42/: fi" =j?pf, (1.8) J) p = Q, U6h,%CKP, (1.9) где Лр — максимальный элементарный модуль стока приF =- d, m*V (c км^) — fl jo/o — суточный максимальный слой осадков вероятностью превышения 1%, ммС- - безразмерный коэффициент, учитывающий лесистость и распаханность водосборовКР — коэффициент перехода от вероятности 1% к другим вероятностям Р%.

Формула гидрометеорологического института имеет вид /46/:

Ор = 0.276 -^тг-, CI. II) где Sр — максимальная предельная интенсивность осадков вероятностью превышения Р%, мм/часУ — коэффициент стокаV время добегания, час — ь — показатель редукции интенсивнос-тей осадков по продолжительности.

Все рассмотренные формулы, разработанные для территории северной части Кореи, относятся к однофазовым с определением параметров через характеристики осадков и гидрометрические данные.

Формулы разработаны в 60-х годах на ограниченных данных.

К настоящему времени накопился значительный материал наблюдений по гидрометеорологическим элементам территории. Поэтому встает необходимость разработки рациональной схемы расчета максимальных расходов с учетом. всей исходной информации и научных достижений.

Из всех рассмотренных типов формул представляются наиболее рациональными формулы типа (1.4). Использование в формулах независимой метеорологической и гидрологической информации с учетом редукции гидрометеорологических элементов по времени и площади делает исследования в этом направлении наиболее перспективными. Принципиально формулы этого типа могут быть использованы для расчета максимальных расходов воды как с малых, так и со средних и сравнительно больших водосборов.

Разработка расчетных приемов и методов определения максимальных расходов воды должна базироваться на учете конкретных условий. Поэтому ниже дана краткая физико-географическая и климатическая характеристика северной части Кореи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе выполнено исследование по актуальной народохозяй-ственной проблеме расчетов максимального стока рек северной части Кореи.

До настоящего времени для расчетов максимальных расходов применялись формулы гидравлического, сельско-мелиоративного и гидрометеорологического институтов. Все они разработаны в 60-х годах на ограничеснных материалах. Проверка этих формул показала, что они дают значительные расхождения вычисленных расходов от наблюденных. Средние значения отклонений составили соответственно 84- 46,6 и 57,5%.

На статистической и генетической основе рассмотрены условия формирования максимальных расходов воды, что позволило разработать научно обоснованные методы расчета максимальных расходов воды рек северной части Кореи как при наличии, так и отсутствии наблюдений.

При наличии наблюдений параметры аналитических кривых распределения: среднее многолетнее значение, коэффициент вариации и отношение коэффициента асимметрии к коэффициенту вариации рекомендуется устанавливать по гидрологическим рядам методом моментов, значения расходов заданной вероятности превышения определять по аналитическим кривым трехпараметрического гамма-распределения.

Для разработки методики расчетов максимальных расходов при отсутствии наблюдений произведен анализ максимальных расходов, характеристик паводков и осадков по всему объему гидрометеорологической информации.

Максимальные расходы воды на реках северной части Кореи имеют исключительно дождевое происхождение. Поэтому рассмотрены факторы дождевого стока и даны рекомендации по их учету.

Произведен всесторонний анализ закономерностей изменения.

— i интенсивности и. слоя осадков в зависимости от продолжительности интервала времени и расчетной повторяемости. На многолетних материалах 51 пункта с записями дождей самописцами получены расчетные параметры и слои осадков заданных вероятностей превышения по интервалам времени от 5 минут до суток. Для одного часа и суток построены карты максимумов осадков 1% -ной обеспеченности.

Впервые для территории северной части Кореи определены параметры зависимости интенсивности осадков от продолжительности и повторяемости, которые картированы. Это дает возможность рассчитывать интенсивности и слои осадков при отсутствии наблюдений.

Один из основных факторов — потери проанализирован по данным наблюдений за осадками и стоком на 36 экспериментальных водосборах.

Впервые для территории северной части Кореи обобщены зависимости объемных коэффициентов стока от осадков и построена карта изолиний предельных коэффициентов стока, которая рекомендуется для учета потерь при отсутствии наблюдений.

Время добегания, отражающее стоковые характеристики бассейнов, исследовано по данным 41 экспериментального водосбора.

Впервые для условий северной части Кореи разработана зависимость бассейнового времени добегания от величины площади водосбора и средневзвешенного уклона реки. По этой зависимости может быть определено время добегания для неизученных бассейнов.

В результате выполненных исследований разработана методика расчетов максимальных расходов дождевых паводков неизученных водотоков северной части Кореи.

Произведенный по этой методике расчет максимальных расходов воды 1%-ной вероятности превышения дал удовлетворительные результаты. Среднее отклонение максимальных расходов, рассчитанных по предложенной методике, составило величину 17,1%.

Основным преимуществом разработанной методики является то, что расчет по ней производится по независимой информации, а именно расчетным параметрам дождей, определяющим зависимость интенсивности и слоя дождя от продолжительности интервалов времени и повторяемости и коэффициентам стока.

В основу предложенной схемы расчета положена предельная интенсивность стока, с учетом редукции максимальных модулей в зависимости от площади водосбора.

Параметры зависимости интенсивности дождей от продолжительности обладают устойчивостью и зональностью изменения по территории.

Принятый вид расчетной зависимости интенсивности осадков от продолжительности интервалов времени и повторяемости учитывает изменение характера редукции интенсивности в диапазонах малых про-должительностей, а именно уменьшение показателя редукции. Поскольку зависимость целиком учитывается при расчете максимальных расходов воды, то таким образом учитывается изменение редукции максимальных модулей стока в диапазоне малых площадей водосборов.

Положительным моментом предложенной методики является и то обстоятельство, что в ней учитывается фактор добегания путем принятия расчетной продолжительности дождя равной бассейновому времени добегания, которое может быть определено по морфометрическим характеристикам рек и водосборов.

Полученная методика расчетов оптимально учитывает основные факторы максимального стока и дает возможность определять максимальные расходы воды по метеорологической и гидрологической информации с учетом ежегодной вероятности превышения значений максимальных расходов.

Расчетная схема принципиально применима в других ливнеопас-ных районах.

Для Кореи метод доведен до уровня его прикладного практического использования.