Розрахункові характеристики максимального стоку весняної повені у басейні р. Сіверський Донець

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

ОДЕСЬКИЙ ГІДРОМЕТЕОРОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук

Розрахункові характеристики максимального стоку весняної повені у басейні р. Сіверський Донець

(Гідрологія та водні ресурси)

Овчарук Валерія Анатоліївна

УДК 556.166

ОДЕСА- 1998



Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеському гідрометеорологічному інституті Міністерства освіти України

Науковий керівник: доктор географічних наук, професор Гопченко Євген Дмитрович, Одеський гідрометеорологічний інститут, проректор з наукової роботи

Офіційні опоненти: доктор географічних наук, професор, Тімченко Володимир Михайлович, інститут гідробіології НАН України, зав. відділом гідрології;

кандидат географічних наук, доцент Ігошин Микола Іванович Одеський державний університет ім. І.І.Мечнікова, доцент кафедри фізичної географії та природокористування;

Провідна установа: Чернівецький університет ім.О.Ю. Федьковича, кафедра фізичної географії та раціонального природокористування, Міністерство освіти України, м. Чернівці

Захист відбудеться " 17 " грудня 1998 року о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.090.01 при Одеському гідрометеорологічному інституті за адресою: 270016, м. Одеса - 16, вул. Львівська, 15, ОГМІ.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Одеського гідрометеорологічного інституту, 270016, м.Одеса-16, вул.Львівська 15, ОГМІ.

Автореферат розісланий " 13 " листопада 1998 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Лобода Н.С.



Загальна характеристика роботи

Актуальність та ступінь дослідженості тематики. Район, що описується є одним із крупних індустріальних центрів держави з високорозвинутою гірничодобувною, металургійною та хімічною промисловістю, який постійно відчуває гостру нестачу у воді, придатної до пиття та промислового використання. Для нормального водопостачання населення та промислових підприємств, а також для задоволення водою численних ГРЕС, які є у регіоні, на річках басейну Сіверського Дінця споруджено близько 20 великих та середніх водосховищ, канал Сіверський Донець - Донбас. Від правильної оцінки максимальних витрат води при проектуванні та будівництві водоскидних отворів гідротехнічних споруд у більшості залежить безперебійність їх роботи за період служби, а також безпека прилеглих до річок інших об'єктів, у тому числі населених пунктів, промислових підприємств, доріг, сільськогосподарських маєтків.

Дослідження виконано згідно з основними напрямками наукової діяльності кафедри гідрології суші Одеського гідрометеорологічного інституту (тема: "Небезпечні гідрологічні явища та розрахунок їх характеристик для забезпечення водогосподарського будівництва на річках України, 1992-1997рр." № ГР 0193 UO 27779), а також у відповідності до реалізації Постанови Кабінету Міністрів України №37 від 26.01.94 "Про комплексну програму проведення протипаводкових заходів на 1994-2000рр."

На сьогоднішній день існує велика кількість формул та методів для розрахунку характеристик максимального стоку. В Україні широке розповсюдження знайшли розробки А.В.Огієвського (1938, 1945), В.І.Мокляка (1949, 1957), П.Ф.Вишневського (1964), Й.А.Железняка (1965,1985) та інш. Для практичного застосування при розрахунку максимальних витрат весняної повені використовується методика нормативного документу СНиП 2.01.14-83, а також формула Огієвського-Мокляка, у різних її модифікаціях. Уточнення параметрів розрахункових формул СНиП 2.01.14-83 у межах України наводяться у працях Я.А.Фоменка (1986).

У дисертаційній роботі надається критичний аналіз сучасного стану в галузі розрахунку максимального стоку, у тому числі й нормативної бази. Показано, що методика на який базується СНиП 2.01.14.-83 та інші подібні до неї розробки не можуть вважатися оптимальними, і перш за все з точки зору враховування усього комплексу природних й обумовлених господарською діяльністю факторів максимального стоку весняної повені.

Мета та основні завдання наукового дослідження. Головною метою дисертаційної роботи є дослідження особливостей формування стоку весняної повені в умовах лісостепової зони України та побудування методики розрахунку максимального стоку весняної повені виняткової імовірності перевищення у басейні Сіверського Дінця.

Основні задачі дослідження:

- оцінити умови формування весняної повені на території, яка досліджується, а також виявити вплив місцевих факторів на різні характеристики максимального стоку повені;

- обгрунтувати оптимальну структуру формули для побудування методики розрахунку максимальних витрат весняної повені невивчених річок у басейні Сіверського Дінця;

- розробити та узагальнити по території розрахункові параметри регіональної схеми для визначення характеристик максимального стоку весняної повені (шарів стоку, швидкості руслового добігання, елементів графіків припливу води зі схилів до руслової мережі, оцінити роль ефектів русло-заплавного регулювання у трансформації паводкових хвиль та інш.)

- здійснити оптимізацію параметрів, які визначаються чисельним шляхом та оцінити їх стійкість;

- обгрунтувати методичні підходи та розробити практичні рекомендації для визначення розмірів водозбірних площ, у межах яких розрахункові максимуми будуть мати різне походження (снігове чи дощове).

Теоретична та практична цінність дослідження. Теоретичною основою для побудування розрахункової схеми максимального стоку весняної повені невивчених річок у басейні Сіверського Дінця є математична модель, яка розроблена А.М.Бефані (1958, 1981) та яка знайшла широке застосування при вирішенні подібних задач в області паводкового стоку.

Практична цінність цього дослідження полягає у всебічному розгляді особливостей формування поверхневого стоку під час весняної повені в умовах лісостепової зони України (за матеріалами Нижньодевіцької ВБС), а також у побудуванні розрахункової схеми максимального стоку весняної повені для річок басейну Сіверського Дінця, яка за своїми можливостями краще, ніж відомі регіональні аналоги, в тому числі й нормативний документ СНиП 2.01.14-83.

Наукова новизна дослідження полягає в отриманих особисто автором наступних положеннях та результатах:

- на матеріалах Нижньодевіцької ВБС вперше для умов лісостепової зони України всебічно досліджені особливості формування максимального стоку весняної повені (встановлені закономірності у розподілі максимальних снігозапасів, опадів та шарів стоку за період повені, втрат та коефіцієнтів стоку, максимальних модулів) з урахуванням різних типів підстеляючої поверхні;

- обгрунтовано та реалізовано розрахункову схему максимального стоку весняної повені для річок басейну Сіверського Дінця, у тому числі: запропоновано методику, яка суттєво підвищує надійність встановлення екстремально високих характеристик гідрологічного режиму невивчених річок, у порівнянні з відомими регіональними методиками та діючим нормативним документом СНиП 2.01.14-83;

- виявлені закономірності впливу розміру водозборів на окремі складові розрахункової схеми (коефіцієнти русло-заплавного регулювання та коефіцієнти перевищення весняної повені та дощових паводків);

- одержані оцінки стійкості розрахункових параметрів тривалості припливу води зі схилів до руслової мережі та коефіцієнтів русло-заплавного регулювання в залежності від динаміки припливу води зі схилів до руслової мережі і форми водозбору;

- обгрунтовані методичні підходи, щодо визначення розмірів критичних площ водозборів, на яких максимуми будуть мати різне походження (снігове чи дощове).

Рівень реалізації та впровадження наукових розробок. Деякі результати дисертаційної роботи увійшли до науково-методичних рекомендацій ("Розробка методики розрахунку характеристик стоку весняної повені на південній території України в залежності від снігозапасів") регіонального наукового центру з водних проблем "Фобіус", впроваджених у підрозділах Одеського Облводгоспу.

Апробація та публікація результатів. Результати роботи щорічно розглядались на засіданнях кафедри гідрології суші та науково-технічної ради інституту, а у повному обсязі - на розширеному науковому семінарі гідрологічного факультету 2 липня 1998 р.

За темою дисертації автором (спільно з науковим керівником чи особисто) опубліковано 5 праць, у тому числі: 4 у збірці "Метеорологія, кліматологія та гідрологія", та 1 - депонована.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 6 розділів, висновків та додатків. Рукопис представлено на 268 сторінках машинописного тексту, включаючи 71 рисунок, список використаних літературних джерел із 65 найменувань, 4 додатки на 53 сторінках.

Декларація конкретного особистого внеску дисертанта до розробки результатів, що виносяться до захисту. Автором особисто, спираючись на виконаний аналіз сучасного стану у галузі розрахунку максимального стоку весняної повені, обгрунтована та доведена до практичних рекомендацій розрахункова схема максимальних витрат весняної повені невивчених річок у басейні Сіверського Дінця. В тому числі:

- виявлені особливості формування весняної повені, встановлені напрямок та ступінь впливу місцевих факторів (залісеності, середньої висоти і площі водозборів) на різні характеристики максимального стоку весняної повені (шари стоку, тривалість припливу води зі схилів до руслової мережі та інш.);

- обгрунтовані регіональні залежності для розрахунку шарів стоку, характеристик схилового припливу, швидкості руслового добігання, коефіцієнтів русло-заплавного регулювання;

- дана оцінка стійкості розрахункових параметрів, які визначаються чисельним шляхом (тривалість припливу води зі схилів до руслової мережі та коефіцієнти русло-заплавного регулювання) у залежності від динаміки припливу води зі схилів до руслової мережі та форми водозбору;

- обгрунтовані науково-методичні підходи для встановлення розмірів критичних площ, вище та нижче яких розрахункові максимуми будуть мати різне походження (дощове чи снігове).

На захист виноситься розрахункова схема максимального стоку весняної повені невивчених річок басейну Сіверського Дінця, теоретичною основою якої є математична модель А.М.Бефані (1958, 1981). Предметом захисту є також окремі складові цієї методики:

- результати отримані автором при досліджені особливостей формування весняної повені у лісостепової зоні України (по матеріалах Нижньодевіцької ВБС);

- методика розрахунку шарів стоку весняної повені 1%-ної імовірності перевищення;

- обгрунтування параметрів регіональної формули швидкостей руслового добігання повеневих хвиль;

- встановлені по матеріалах стаціонарної мережі Держкомгідромету характеристики графіків схилового припливу танених вод до руслової мережі, коефіцієнти русло-заплавного регулювання максимальних модулів весняної повені та закономірності їх просторової зміни;

- результати пов'язані із дослідженням стійкості параметрів розрахункової схеми (тривалості припливу води зі схилів до руслової мережі та коефіцієнтів русло-заплавного регулювання максимальних модулів), які визначаються чисельним шляхом;

- науково-методичні підходи щодо визначення коефіцієнтів перевищення весняної повені та дощових паводків при нормуванні критичних площ.

Методологія і методика дослідження. Дослідження питань, які

пов'язані з проблемою розрахунку характеристик максимального стоку весняної повені у басейні р.Сіверський Донець, ґрунтуються на багаторічних матеріалах спостережень за гідрологічним станом річокмережі Держкомгідромету, що наводяться у "Основных гидрологических характеристиках" т.6 вип.3, "Ресурсах поверхностных вод" т.6 вип.3, "Гидрологических ежегодниках" за 1980-88 рр., а також на даних Нижньодевіцької ВБС.

Методичною базою при побудуванні розрахункової схеми максимального стоку весняної повені недостатньо вивчених у гідрологічному відношенні річок території, що розглядається, є теоретична модель А.М. Бефані.

При вирішенні сформульованого завдання використовувалися методи математичної статистики, чисельного визначення деяких практично невимірюваних параметрів (розрахункової тривалості припливу води зі схилів до руслової мережі, коефіцієнтів русло-заплавного регулювання), а також географічного узагальнення.

При дослідженні стійкості параметрів розрахункової схеми застосовувалось імітаційне моделювання.

максимальний стік весняна повінь



Зміст роботи

За своєю структурою роботу можна умовно поділити на три частини. У перших двох розглянуто особливості формування весняної повені в умовах лісостепової зони України, а також наводяться основні розрахункові характеристики повені виняткової імовірності перевищення у басейні Сіверського Дінця. В третій частині головна увага приділена питанням науково-методичного характеру, і пов'язаних із обгрунтуванням параметрів розрахункової схеми максимального стоку річок басейну Сіверського Дінця.

Вступ. У вступній частині дисертації наводяться: актуальність та ступінь дослідження проблеми розрахунку характеристик максимального стоку повені на сучасному етапі, ціль та основні задачі роботи, методологія, теоретична та практична цінність отриманих результатів, а також положення, що складають наукову новизну та є предметом захисту.

У першому розділі дається коротка фізико-географічна характеристика басейну р.Сіверський Донець, а також наводиться аналіз (за матеріалами Нижньодевіцької ВБС) впливу підстеляючої поверхні на формування весняної повені.

У межах Нижньодевіцької ВБС є 7 водотоків з періодом спостережень не менш 15 років, площею водозборів від 0.05 км2 до 76 км2, залісеністю - від 0 до 44% та діапазоном висот - від 175 до 225м.

Переважаючі типи підстеляючої поверхні на території воднобалансової станції - рілля (від 49 до 100%), луг (від 0 до 27%) та ліс (від 0 до 44%). Дослідження, які виконані рядом авторів (А.А.Соколов, 1962, М.І. Львович, 1963, В.В. Рахманов, 1971, С.Ф.Федоров, 1977 та інш.),вказують на те, що фактори підстеляючої поверхні суттєво впливають на характер повені. Вони визначають величину акумуляції танених вод на поверхні басейну та інфільтрацію у грунт, умови розподілу снігу на поверхні басейну й зтікання танених вод на схилах та мережах річок.

При аналізі особливостей формування весняного стоку на території Нижньодевіцької ВБС розглянуті такі характеристики як: максимальні снігозапаси до початку повені , шари стоку за повень , опади за період повені , загальний запас води у снігу , глибина промерзання, коефіцієнт стоку , а також максимальний модуль за період повені .

Для оцінки ступеню однорідності снігозапасів та інших характеристик повені на території Нижньодевіцької ВБС використовувався критерій Стьюдента. Ряди максимальних снігозапасів виявилися неоднорідними на різних типах підстеляючої поверхні (поле та ліс). Питанню про вплив лісу на процес снігонакопичення присвячено багато літератури, але до цього часу не має єдиного погляду на те, де накопичується снігу більше - на відкритій місцевості чи у лісі. В.В.Рахманов (1971) обробив масові дані по снігозапасах, які відносяться до метеостанцій у басейні Верхньої Волги та прийшов до висновку, що ліси накопичують у середньому на 20% снігу більше, ніж польові ділянки. Згідно з С.В.Бассом (1963), у підзоні змішаних лісів європейської частини СРСР запаси снігу у лісі вище, ніж на полях, у середньому на 10-20%, на вирубках та галявинах - вище, ніж на полях на 34%; у хвойних насадженнях, особисто у ялинниках - вони близькі до значень снігозапасів на полях. У цілому численні літературні дані свідчать проте, що у зімкнутих ялинкових лісах звичайно буває снігу менш, ніж на відкритих місцевостях. У лісах зі значною часткою листяних порід снігу накопичується більше, а ніж у полі.

На території Нижньодевицької ВБС максимальні снігозапаси в загальному зростають із збільшенням залісеності. Однак, неоднорідність притаманна також і двом водозборам з однаковим типом підстеляючої поверхні (поле), але різною середньою висотою водозбору. Фактор висоти, як відомо, значно впливає на величину снігозапасів. Після приведення усіх даних до єдиної висоти 200 м вплив лісу на максимальні снігозапаси практично не просліджується. У балансі стоку за період повені істотну роль можуть відігравати й опади від дати до кінця повені. Вони, як і снігозапаси, в загальному збільшуються із збільшенням середньої висоти водозбору. Тому й сумарний запас води у снігу, рівний , також буде зростати із збільшенням висоти місцевості.

Оскільки територія ВБС, як відзначалося вище, представлена декількома типами поверхні, то шари стоку за період повені будуть формуватися як середньозважені по водозбору , тобто

= ++,	(1)

де - шар стоку в полі (рілля); - шар стоку з лугу; - шар стоку з лісу; , , - площа (в частках від одиниці) поверхні поля, лугу і лісу, відповідно.

Найбільші середньобагаторічні шари стоку відзначаються на ріллі - 46.9 мм, а найменші - 24.7 мм з лугових дільниць. Шари стоку на залісених водозборах складають 36.4 мм.

Отримані результати представляються вельми цікавими, тому що досі вважалося, що зменшення шару стоку пов'язане, передусім, із залісеністю водозборів. Однак, в умовах досить активного випасу худоби в лісі, як виявилося, весняний стік з лісних територій Нижньодевицької ВБС майже на третину більше, ніж з лугу.

На відзнаку від опадів, на території ВБС шари стоку від висоти місцевості практично не залежать, але знаходяться під впливом залісеності, причому із збільшенням шар стоку дещо зменшується. Це зменшення зумовлене відмінністю втрат на відкритій місцевості та в лісі (завдяки кращим водно-фізичним властивостям лісних грунтів і меншій глибині промерзання).

Тому й об'ємний коефіцієнт стоку за повінь виявляє зворотну закономірність зміни від ступеня залісеності водозбору, зменшуючись у середньому від 0.62 (при =0) до 0.16 (при =41%), що добре узгоджується з даними С. Ф. Федорова (1977), для тієї ж ВБС.

На території Нижньодевицької ВБС виявлено вплив лісу на весняний стік і через тривалість припливу води зі схилів до руслової мережі , але надто своєрідно - із збільшенням залісеності зменшується, що в загальному суперечить відомим балансовим співвідношенням та висновкам про вологорегулючу роль лісів. Цей факт автором пояснюється тим, що на Нижньодевицькій ВБС залісеність є характерною для досить малих водозборів (менш 3 км2), які не дренують основної частини грунтових вод.

Виконані дослідження дозволили зробити один із основних і досить важливих висновків щодо необхідності врахування площ водозбору (принаймні, при 100 км2), при яких вплив місцевих факторів на максимальний стік досить значущий. Стосовно до середніх й порівняно великих річок басейну Сіверського Дінця з невеликим відсотком залісеності, то відмінностями у характері підстеляючої поверхні можна зневажити.

Другий розділ містить критичний аналіз сучасного стану у галузі розрахунку максимального стоку весняної повені, в тому числі й діючої в Україні нормативної бази. Розглянуті дві групи методів. До першої відносяться ті з них, що побудовані на геометричній типізації схилового та руслового гідрографів. Зокрема, це формули А. В. Огієвського, 1938, СНиП 2.01. 14-83, Д. Л. Соколовського, 1937, Хортона Р. Є., 1914,1926.

Другу групу складають методи, що спираються на спрощені гідромеханічні теорії формування максимального стоку. До них можна віднести формули Г. А. Алексєєва, 1940, А. М. Бефані, 1958, 1981, А. В. Огієвського, 1945. У роботі детально аналізуються регіональна методика Огієвського-Мокляка, розробки й уточнення параметрів розрахункових формул СНиП 2.01.14-83, які виконані А. Я. Фоменком, 1986. Показано, що структура, яку покладено в основу СНиПА 2.01. 14-83 та інших подібних їй методик, не може вважатися оптимальною, передусім з точки зору врахування факторів, що зумовлюють формування максимального стоку весняної повені.

Виходячи із аналізу сучасного стану розрахункових схем та методів у галузі максимального стоку, найбільш перспективною, з нашої точки зору, є формула А. М. Бефані, 1981:

	(2)

де - максимальний модуль стоку P%-ній забезпеченості;

- шар стоку 1%-ній забезпеченості;

- час руслового добігання;

- коефіцієнт діючого шару стоку;

- гідрографічний коефіцієнт;

- коефіцієнт русло-заплавного водообміну й регулювання;

- коефіцієнт зарегульованості максимального модуля озерами, водосховищами;

- коефіцієнт для переходу від опорної імовірності щорічного перевищення P=1% до інших.

Структура (2) побудована на врахуванні причнинно-наслідкових зв'язків між величинами, які зумовлюють стік, що дозволяє у параметричному вигляді відобразити не тільки природні фактори, але й ті з них, що підлягають впливу господарчої діяльності людини.

Третій розділ присвячено статистичному аналізу тимчасових рядів максимальних витрат і шарів стоку весняної повені у басейні р. Сіверський Донець, що досліджується.

Використані дані 64 постів з періодами спостережень більш 15 років і площами водозборів, які замикаються гідростворами, від 31.0 км2 (р. Ломоватка - ст. Алмазна) до 80900 км2 (р. Сіверський Донець - м. Біла Калитва). Найбільш тривалий ряд складає 81 рік (р. Сіверський Донець - м. Лисичанськ), найменший - 17 років (р. Борова - с. Воєводка).

У відповідності до рекомендацій нормативного документу СНиП 2.01.14 - 83, статистична обробка проводилась двома методами - моментів та найбільшої вірогідності. Якість вхідних даних максимального стоку весняної повені 1%-ної імовірності щорічного перевищення у басейні р. Сіверський Донець оцінюється нами на рівні 23.6%.

Приступаючи до узагальнення по території шару стоку 1%-ної забезпеченості , передусім була досліджена їх залежність від географічного положення центрів ваги водозборів, та від середньої висоти й залісеності.

Щоб уникнути впливу місцевих факторів на шар стоку, визначені його наведені значення , тобто

, мм	(3)

де - залісеність водозбору, - середня висота водозбору.

За наведеними величинам побудована карта, яка у порівнянні з аналогічними картами, що містяться у РПВ та СНиП 2.01. 14 - 83, суттєво деталізує особливості розподілу у басейні Сіверського Дінця.

Окрім картування застосований ще один методичний підхід до узагальнення шарів стоку , який полягає у його районуванні після виключення впливу середньої висоти водозборів, залісеності й приведення усіх вхідних даних до єдиної широти (500 півн. ш.). Таким чином, для усієї території басейну Сіверського Дінця, окрім карти, запропоновано формулу, яка дозволить розраховувати шари стоку 1%-ної імовірності :

, мм	(4)

Точність розрахунку в обох випадках не виходить за межі точності вхідної інформації, що дозволяє обидва підходи на рівних застосовувати при встановленні шарів стоку 1%-ної імовірності у басейні Сіверського Дінця.

У четвертому розділі приводяться результати розробки регіональної формули швидкостей руслового добігання.

Різними авторами були отримані чисельні значення гідравлічних показників, а також запропоновані рівняння для визначення швидкісного коефіцієнту. Найбільш повно задача розрахунку швидкостей руслового добігання висвітлена у роботах А. Н. Бефані (1958, 1981) та Р. А. Нежиховського (1971).

Враховуючи недоліки й достоїнства різних формул, при розрахунку швидкостей добігання для річок басейну Сіверського Дінця застосований комбінований підхід, який враховує схематизацію поперечного перетину русла (за моделлю А. Н. Бефані, 1958) і дані вимірів швидкості течії в окремих створах.

У розрахунковому варіанті обгрунтовано регіональну формулу швидкості добігання для басейну Сіверського Дінця (у діапазоні P<10%) має вигляд:

Vд= 1.33 0.11 0.35, км/год,	(5)

У п'ятому розділі наведено розрахункові характеристики графіків припливу танених вод зі схилів до руслової мережі.

Безпосередній вимір, у межах великих територій, схилової водовіддачі в періоди формування максимального стоку на сучасному етапі досліджень практично нездійсненний. Тим не менше, можливе рішення зворотної задачі - шляхом ретрансформації руслового гідрографу, або в результаті чисельного визначення ряду невідомих параметрів.

Коефіцієнт нерівномірності схилового припливу (+1)/ визначався методом, який запропонований Є. Д. Гопченком (1975), що базується на даних мережі гідрологічних станцій і постів.

Зокрема, (+1)/ знаходиться через коефіцієнт нерівномірності руслового стоку (+1)/, який дорівнює

,	(6)

де максимальний модуль руслового стоку (м3/с км2), - підстава руслового гідрографу (доба), - шар стоку (мм), 86.4 - коефіцієнт розмірності.

Узагальнення (+1)/ по території показує, що його можливо відобразити інтегрально через площу водозбору . При цьому верхнє граничне значення (+1)/ при 0 є пошуковою величиною (+1)/.

Якщо числівник та знаменник (6) поділити на , то отримаємо співвідношення

,	(7)

де і - середні за повінь модуль та витрата води.

Щоб за рівнянням (7) визначити (+1)/ , для усіх гідрологічних постів були побудовані графіки зв'язку = (), на основі яких проводились уточнення розрахункового коефіцієнту (+1)/, отриманого на підставі (6). В результаті для басейну Сіверського Дінця (+1)/=8. 0, що відповідає =0. 14.

Для встановлення розрахункової тривалості схилового припливу води до руслової мережі використані два методи: 1) шляхом виключення із загальної тривалості повені; 2) в результаті чисельного вирішення задачі в рамках моделі руслового стоку. Другий підхід був основним, а перший, з використанням матеріалів Нижнедевіцької ВБС, служив для контролю масштабу параметрів, отриманих чисельним шляхом.

Спосіб чисельного вирішення у структурі руслового стоку запропонований Є. Д. Гопченком у 1975 році. Суть методу полягає у вирішенні рівнянь розвиненого (<) та уповільненого () стоку на підставі вхідної формули (2)

Так, для басейну Сіверського Дінця (при = 0. 14):

а) при <

; год	(8)

б) при

; год	(9)

При розв'язанні цих рівнянь використовується метод простої однокрокової ітерації, з накладанням обмежень на параметр .

В цілому, для басейну Сіверського Дінця при розрахунку максимальних витрат імовірністю перевищення 1 раз у 100 років можна прийняти на рівні 165 годин, за винятком територій достатньо інтенсивного проявлення карсту (басейн р. Бахмутки), де тривалість склонового припливу майже в два рази більше й складає біля 300 годин.

У шостому розділі наводяться результати розрахунку гідрографічних коефіцієнтів, коефіцієнтів діючого шару стоку, коефіцієнтів русло-заплавного регулювання, а також дослідження стійкості параметрів, одержуваних чисельним шляхом.

Після типизаціі графіків припливу води зі схилів до руслової мережі, тобто після встановлення й обгрунтування , побудовано рівняння для визначення гідрографічних коефіцієнтів та коефіцієнтів діючого шару стоку :

а) при <

,	(10)
,	(11)

б) при

,	(12)

=1.0

Щодо коефіцієнту русло-заплавного водообміну , то безпосередніх даних для його визначення немає. Тому у роботі він встановлювався на підставі чисельного розв'язання задач на одному із етапів обгрунтування тривалості припливу . Отримані величини на регіональному рівні узагальнені у вигляді залежності =. При цьому площа водозбору використовується як інтегральна характеристика русло-заплавного регулювання. По мірі збільшення водозбірної площі плавно зпадає від 1.0 (при =0) до 0.33-0.30 (при 10000 км2).

Далі розглядаються питання науково-методичного характеру. Передусім, проведено оцінку впливу на параметри та , що визначаються чисельним шляхом, показників у рівнянні (6) та 1 (степеневого показника у рівнянні кривої ізохрон), які визначають структуру коефициєнтів діючого шару стоку й гідрографічних коефіцієнтів. Необхідність проведення подібного дослідження зв'язана з тим, що перший () визначається досить наближено, а другий (1) - частіше за усе при розрахунках максимального стоку весняної повені приймається рівним 1.0.

Фінальні значення (після другого наближення) виявилися досить стабільними, а розбіжності між ними при різних (від 0.11 до 0.50) не виходять за межі 5-7%. Коефіцієнти ж русло-заплавного водообміну зазнають значних коливань, які тим значніші, чим менша площа водозбору

Ця обставина пояснюється тим, що при <, саме форма графіка припливу визначає максимальну витрату (через ). З іншого боку, при питання про величину не є актуальним, бо у цьому випадку провідну роль відіграє будова річкової мережі, що враховуюється через показник 1. Для порівняння проведені чисельні експерименти щодо розрахункових параметрів іпри фіксованому =0.14, а 1=0.5, 1=1.0 та 1=2.0.

Оскільки методика пошуку іпобудована таким чином, що задача вирішується у рамках розвиненого стоку, то в цьому випадку розбіжності величин параметрів, які розглядаються, не перевищують 5%.

Отже, при розв'язанні зворотної задачі та розрахунках максимального стоку весняної повені у басейні р. Сіверський Донець можна орієнтуватися на величину 1=1. 0. Проведений аналіз відносно свідчить про те, що необхідна ретельна його розробка, бо вплив на розрахункові величини досить значний.

На території України максимальний стік може формуватися як за рахунок повені так, і в результаті проходження дощових паводків. Різними авторами (на підставі редукційних формул) вживалися спроби оцінити розміри критичних площ, вище і нижче яких розрахункові максимуми мають різне походження. У дисертаційній роботі розглядається аналогічна задача, але у рамках базового рівняння (2). Коефіцієнт перевищення 1% являє собою відношення однотипових параметрів паводкового (з індексом д) та повеневого (з індексом в)стоку і може бути представлений у вигляді:

	(13)

Чисельне моделювання дозволило розглянути поведінку усіх складових формули (13) при тому або іншому наборі факторів, а також визначити критичні площі кр для розрахункових значень паводків та повеней і відповідним чином їх нормувати.

В залежності від прийнятих величин та в коефіцієнт 1% в басейні Сіверського Дінця змінюється у досить широкому діапазоні. Тим не менше, при будь-яких сполученнях і в прослідковується чітко визначена закономірність зменшення 1% із зростанням , а при 10000 км2 - практично в усіх випадках він досягає мінімального значення на рівні 0.1.

Величина критичних площ кр у верхів'ях басейну Сіверського Дінця (до м. Яремівка) при в =165 годин і заданих шарах стоку мають такі розміри: для =50 мм - кр=1120 км2, при =100 мм - кр=450 км2, при =200 мм - кр=140 км2. У середній частині басейну та низинах при тих же шарах стоку й в критичні площі кр, відповідно дорівнюють: 1400, 795 і 250 км2. Таким чином, при <кр розрахункові максимуми будуть мати дощове походження, а при кр - снігове.

За методикою, що пропонується, виконані перевірні розрахунки.

Відносне середнє відхилення розрахункових значень максимальних модулів від вхідних величин склало 19.5% при середньоквадратичній похибці даних , яка дорівнює 23.6%. Це дозволяє викладену методику рекомендувати як варіант, альтернативний діючому СНиП 2.01. 14-83, для практичного застосування.



Висновки

У цьому розділі наводяться основні результати дисертаційної роботи:

1.Виходячи із аналізу сучасного стану розрахункових схем та методів в галузі максимального стоку, у роботі, вперше для досліджуваної території, використана генетична розрахункова формула А.М.Бефані (1958,1981), як найбільш досконала й перспективна.

2.На матеріалах Нижньодевіцької ВБС проведені досконалі дослідження, щодо впливу типів підстеляючих поверхней на формування весняної повені. Встановлено, що:

2.1.Вплив лісу на стік весняної повені просліджується, головним чином, через тривалість припливу води зі схилів до руслової мережі та шар стоку.

2.2.В умовах досить активного випасу худоби у лісі, як виявилося, весняний стік з лісових територій Нижньодевіцької ВБС майже на третину більше, ніж із лугу.

2.3.На розрахункові характеристики весняної повені (шар стоку, тривалість припливу та максимальний модуль) незначний позитивний вплив має висота місцевості.

2.4.Питання про вплив лісу на формування максимальних снігозапасів на початок повені на описуваній території не є актуальним.

На підставі матеріалів Нижньодевіцької ВБС виявлено також, що залісеність на розрахункові характеристики впливає суттєво, принаймні, коли 100 км2. Для середніх і порівняно великих річок басейну Сіверського Дінця з невеликими відсотком їх залісеності відмінностями у характері підстеляючої поверхні можна зневажити.

3.Отримано задовільну для практичного використання залежність розрахункового шару стоку від широти центрів вагомості водозборів 0. З іншого боку, наявність такої залежності дозволяє також картувати.

4.Досліджені питання стійкості величин отриманих чисельним шляхом ( і) відносно параметрів графіків припливу та ізохрон 1. Наведено, що при розвинутому типі стоку (<) можна орієнтуватися на величину 1=1.0 при будь-яких значеннях . Що стосується параметру , то необхідне ретельне його обгрунтування, тому що вплив форми графіків схилового припливу на розрахункові величини (особливо на ), досить значний.

5.У роботі, вперше для розглянутих об'єктів, визначені: коефіцієнт нерівномірності схилового припливу (+1)/, тривалість припливу води зі схилів до руслової мережі під час весняної повені (300 год-для закарстованої території басейну р.Сіверський Донець та 165 год - для інших ділянок), а також коефіцієнт русло-заплавного регулювання, який нормовано в залежності від розмірів водозбірних площ.

6.Обгрунтовано регіональну формулу швидкостей переміщення паводкових хвиль виняткової імовірності перевищення (P<10%).

7.В наслідок того, що у природних умовах описуваної території максимальні витрати можуть формуватися як за рахунок танених вод, так і у зв'язку із дощовими паводками, для річок басейну Сіверського Дінця обгрунтована методика встановлення критичних площ, тобто таких значень , вище та нижче яких розрахункові максимуми будуть мати різне походження (дощове або снігове).

8.Запропонована методика розрахунку максимального стоку весняної повені знаходиться на рівні точності вхідної інформації, що дозволяє рекомендувати її як варіант, альтернативний діючому СНиПу 2.01.14-83, для практичного застосування.



Список опублікованих наукових праць, у яких відображені основні положення дисертації

1.Андрієвська Г.М., Гопченко Є.Д., Овчарук В.А. Співвідношення між максимумами дощових паводків та весняних повеней // Метеорологія, кліматологія і гідрологія. - 1995. - вип.30. - С. 11-18.

2.Андреевская Г.М., Гопченко Е.Д., Овчарук В.А. О форме графиков притока води со склонов в русловую сеть // Метеорология, климатология и гидрология. - 1996. - вип.33. - С. 106-111.

3.Гопченко Е.Д., Овчарук В.А. Исследование устойчивости коэффициентов русло-пойменного регулирования максимального стока // Метеорология, климатология и гидрология. - 1996.- вып.34 - С. 196-202.

4.Овчарук В.А. О расчетных максимумах руслового стока в бассейне р.Северский Донец // Метеорология, климатология и гидрология. - 1998. - вып.35 - С. 325-327.

5.Гопченко Е.Д., Овчарук В.А. Особенности формирования максимального стока весеннего половодья в условиях юга лесостепной зоны Украины // Киев, 1995. - 18 с. Деп. В УкрИНТЭИ 16.08.95, №1912 - Ук - 95 // Анот. в. р. ж. 0.7. География №1, 1996, С. 25.

Анотація

Овчарук В.А. Розрахункові характеристики максимального стоку весняної повені у басейні р. Сіверський Донець. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук за спеціальністю 11.00.07.- гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія.- Одеський гідрометеорологічний інститут, Одеса, 1998.

Дисертація присвячена дослідженню особливостей формування стоку весняної повені в умовах лісостепової зони України (за матеріалами Нижньодевицької ВБС) і розробці методики розрахунку характеристик весняного стоку невивчених річок у басейні Сіверського Дінця. Як теоретична база для побудування розрахункової схеми максимального стоку весняної повені використана модель А.М. Бефані. На підставі даних стаціонарної гідрологічної мережі Держкомгідромету розроблені та узагальнені за територію регіональні значення параметрів. Проведена оцінка ступеня впливу характеру припливу води зі схилів у руслову мережу і форми водозбору на максимальний стік. Визначені критичні площі вище та нижче яких максимуми стоку (паводків чи повеней) будуть мати різне походження. Основні результати та методика розрахунку максимального стоку весняної повені рекомендуються для практичного застосування як варіант, альтернативний діючому СНиПу 2.01.14-83, для річок басейну Сіверського Дінця.

Ключові слова: весняна повень, максимальний стік, критичні площі, розрахункові характеристики.

Овчарук В.А. Расчетные характеристики максимального стока весеннего половодья в бассейне р.Северский Донец. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук по специальности 11.00.07. - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия. - Одесский гидрометеорологический институт, Одесса, 1998.

Диссертация посвящена исследованию особенностей формирования стока весеннего половодья в условиях лесостепной зоны Украины (на материалах Нижнедевицкой ВБС) и разработке методики расчета характеристик весеннего стока неизученных рек в бассейне Северского Донца. В качестве теоретической базы для построения расчетной схемы максимального стока весеннего половодья использована модель А.Н.Бефани. На основе данных стационарной гидрологической сети Госкомгидромета разработаны и обобщены по территории региональные значения параметров. Проведена оценка степени влияния характера притока воды со склонов в русловую сеть и формы водосбора на максимальный сток. Определены критические площади выше и ниже которых максимумы стока (паводков или половодья) будут иметь различное происхождение. Основные результаты и методика расчета максимального стока весеннего половодья рекомендуется для практического применения, как вариант, альтернативный действующему СНиПу 2.01.14-83, для рек бассейна Северского Донца.

Ключевые слова: весенее половодье, максимальный сток, критические площади, расчетные характериситки.

V.A. Ovcharuk. Calculated characteristics of maximum runoff of spring flood in the basin of Seversky Donetst. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by geography speciality 11.00.07 - Land hydrology, water resources, hydrochemistry. - Odessa Hydrometeorological Institute, Odessa, 1998.

The dissertation is dedicated to research of peculiarity for forming of spring flood runoff in conditions forest-steppe zone of Ukraine (based on Nignedevitskaya's VBS dates) and the development on spring flood characteristic of the uninvestigated rivers in Seversky Donetst basin. As a theoretical basis for calculating of scheme construction of maximum spring flood runoff model by A.N.Befani was used. Basing upon data of Goskomgidromet Stationary network we have worked out and summed up the general regional parameter values for the whole territory. It was estimated the degree of influence character of flow from slopes to channel flow and form of watershed to maximum runoff. Critical watershed areas for wich maximum of runoff will have different orirgin (snow or rain) were defined. The main results and methods for calculating maximum runoff of spring flood are recomended as the whole one for practical using for the Seversky Donetst rivers, as a alternative variant for SNiP 2.01.14-83 in force.

Key words: spring flood, maximum runoff, critical watershed areas, calculated characteristics.

Размещено на Allbest.ru

...