Гідрологія річок і гідрологічні розрахунки

     Методи  розрахунків низького стоку.

     При наявності гідрометричних спостережень розрахункові мінімальні витрати визначають по теоретичній кривій забезпеченості. Параметри кривої забезпеченості мінімальних витрат води (середнє значення ряду мінімальних витрат, коефіцієнт варіації та коефіцієнт асиметрії) розраховують методом моментів і графо-аналітичним методом.

     При недостатньому ряді гідрометричних спостережень необхідно вибрати річку-аналог. В цьому випадку особливу увагу приділяють подібності гідрогеологічних умов і близькості річок, що розглядаються. Потім параметри кривої забезпеченості мінімального стоку приводять до багаторічного періоду по річкам-аналогам аналітичним або графічним методами.

     При відсутності даних гідрологічних  спостережень для розрахунку забезпечених мінімальних витрат води використовують карти по мінімальному стоку.

     Перемерзання  та пересихання річок.

     Під час мінімального стоку живлення річки здійснюється ґрунтовими водами. Якщо поверхневий стік практично відсутній тривалий період, то підземні запаси води, що живлять річку, можуть вичерпатися. В цьому випадку річка пересихає, а взимку перемерзає. Отже мінімальний стік може впасти до нуля. Пересихання характерно для дуже малих річок, що мають неглибоке врізання русла і не дренують головні водоносні горизонти.

     З переходом від північних зволожених районів до південних посушливих опади зменшуються, а глибина  залягання ґрунтових вод зростає. В цьому напрямку зростає і площа басейнів річок, що пересихають, а також тривалість періоду, коли стік відсутній.

     В лісовій зоні, де ґрунтові води стоять високо, систематично пересихають річки  з дуже малими водозборами (1-10 км2) та епізодично з середніми водозборами (сотні квадратних кілометрів).

     Пересихання майже щорічно спостерігається  на річках південної частини степової зони. В басейні нижнього Дніпра і Південного Бугу відзначено пересихання  річок з площами водозборів 3000-10000 км2 (наприклад, р. Орель).

     Перемерзання  річок пов'язано не тільки з вичерпанням  запасів ґрунтових вод, але й  зі зростанням товщини льоду, що перекриває живий перетин малих річок. Зміна  товщини льоду залежить від клімату. Тому межа площ водозборів річок, що перемерзають, має зональну зміну і зростає з півдня на північ.

     Розрахунки  максимального стоку.

     Найбільша максимальна витрата спостерігається  в водопілля або Паводок. Максимальною розрахунковою витратою називається  витрата, на пропуск якої розраховуються отвір гідротехнічних споруд. Від цієї витрати залежать розміри греблі, водоскидних споруд, отвори мостів, що призначені для залізничних мостів, і мостів на автошляхах, труб і т. д. З одного боку, якщо максимальна витрата й її повторюваність визначені не вірно (витрата зменшена), то при проходженні такої витрати зруйнуються гідротехнічні споруди. З іншого боку, завищення розрахункового максимуму підвищує вартість споруд.

     Максимальні витрати в залежності від походження поділяють на три групи: снігові  максимуми або максимуми поталих вод, зливові або дощові максимуми, змішані максимуми, тобто максимуми, що утворилися від сніготанення і дощів одночасно.

     При розрахунку гідротехнічних споруд насамперед потрібно встановити, максимум якого  походження на даному водотоку є розрахунковим, тобто найвисоким. При стійкому сніговому покриві максимум весняного водопілля (сніговий максимум) звичайно буває більш дощового максимуму.

     У лісостеповій і степовій зонах зливові  максимуми перевищують снігові  на малих водозборах, але вони менш снігових на середніх і великих водозборах. У лісовій зоні зливові максимуми можуть перевищувати снігові тільки на наймаліших водозборах.

     При визначенні розрахункових максимальних витрат води розраховуються витрати  весняного водопілля і паводків. Потім з одержаних двох значень приймається більше або те значення витрати води, яке призводить до найбільш несприятливим умовам роботи споруди.

     На  малих річках весняні водопілля  й особливо дощові паводки проходять  звичайно дуже швидко. Нетривалим буває  стояння зливових максимумів і на більш великих річках. Тому середньодобові максимуми істотно відрізняються від миттєвих найбільших витрат. У зв’язку з цим в розрахунок вводять не середньодобові, а миттєві або термінові максимальні витрати води ( витрати, що відповідають спостереженням в певний термін). Якщо Паводок короткочасна і проходить між термінами гідрометричних вимірювань, встановлюють співвідношення між зареєстрованими і дійсними максимумами. Потім вводять відповідні поправки в розрахунки максимальних витрат води.

     Максимальні розрахункові витрати води слід визначати  в відповідності з нормативними документами в залежності від  класу капітальності. Найбільш відповідальні  споруди належать до першого класу  капітальності.

     Розрахунок  максимальних витрат води має деякі особливості. Найбільш високі витрати води, що дуже рідко повторюються, слабо наведені або зовсім не мають місця в матеріалах спостережень. Внаслідок цього витрати рідкої повторюваності розраховують за допомогою методів математичної статистики.

     Урахування видатних (визначних) максимумів.

     В проектуванні необхідно враховувати  так звані історичні або видатні (визначні) максимуми. Це найбільш максимальна  витрата води за тривалий період. Величину історичного максимуму визначають по позначкам високих вод. Ці позначки встановлюються в процесі гідрологічних пошукових робіт. Вони підлягають детальній перевірці.

     Розрахунок  максимального стоку при тривалих рядах спостережень.

     При наявності гідрометричних даних  по максимальному стоку за достатньо  тривалий період спостережень розрахункові витрати поталих і дощових вод визначають по теоретичній кривій забезпеченості, що побудована по цім спостереженням.

     Параметри кривих забезпеченості визначаються аналогічно тому, як і при розрахунку норми  стоку.

     Статистичній обробці даних по максимальному стоку передує ретельна перевірка й аналіз вихідних матеріалів. Особливу увагу слід привернути аналізу правильності побудови й екстраполяції кривої витрат Q = f (H), від котрої залежать найбільш високі витрати, що прийняли. Детальній перевірці підлягає й історичний максимум.

     У відповідності з нормами тривалість періоду спостережень за максимальним стоком повинна складати для зони:

     лісотундрової і лісової не менше ……….25 років 

     лісостепової  ………………………………30 років 

     степової……………………………………40 років

     сухої степової і напівпустельної ………….50 років 

     гірських  районів ………………………….40 років 

     Якщо  період спостережень менше указаних значень, результати розрахунку підлягають додатковому аналізу, використовуючи дані річок-аналогів.

     Розрахунок  максимального стоку при нестачі і відсутності гідрологічних спостережень.

     В даний час максимальні витрати  поталих вод в басейнах, що не вивчені, розраховуються по емпіричних формулах, розроблених на основі всієї  сукупності сучасних гідрометричних даних  і рекомендованих в нормативних документах.

     Указівки  нормативних документів застосовують при розрахунках максимальних витрат води поталих вод на річках України  з площею водозбору не більш 20 000 км2. Для більших площ водозбору  максимальні витрати поталих  вод при відсутності гідрометричних даних визначають по міткам високих вод в результаті спеціальних гідрологічних досліджень.

     Стосовно  до задачі розрахунку максимальних витрат поталих вод всі річки поділяють  на дві групи: рівнинні і гірські. Це пояснюється тим, що умови формування максимальних витрат рівнинних і гірських річок істотно розрізняються.

     Генетична теорія формування максимального стоку.

     Весняне водопілля - це фаза водного режиму річки, що характеризується найбільшою в році водністю, високим і тривалим підйомом рівня і звичайно супроводжується виходом води з русла на пойму.

     Весняне водопілля властиво річкам, що протікають по рівнинах. Для річок однієї кліматичної  зони водопілля повторюються щорічно  в один і той же сезон з різною інтенсивністю і тривалістю.

     Головні чинники, що впливають на формування весняного водопілля - це запаси води в снігу і характер розподілу  його по площі водозбору, інтенсивність  і тривалість сніготанення, ступень  осіннього зволоження і промерзання  ґрунтів. Крім цього на водопілля впливає площа і форма басейну, наявність в басейні озер, лісів, боліт. Ці чинники в той чи іншій ступені сприяють акумуляції й регулюванню поталої води, що утворилася.

     Кількість води, що надходить на водозбір в  період водопілля, визначається головним чином запасами води в снігу й інтенсивністю сніготанення.

     Стік  поталих вод з поверхні водозбору  відбувається з запізненням відносно початку сніготанення. Сніг має вологоємність - здатність утримувати воду у вигляді  плівкової або капілярної води. Тому водовіддача з снігу, тобто надходження (що не утримується снігом) поталої води на ґрунт, не дорівнює інтенсивності сніготанення як по кількості, так і в часі.

     Вода, що утворилася на початку сніготанення, просочується і зволожує сніговий покрив. До тих пір, поки сніг не насититься водою до максимальної вологоємності, порції поталої води утримуються снігом і не досягають ґрунту. В подальшому, навпаки, водовіддача з снігу стає декілька більш тої кількості, яка утворюється від сніготанення за розглянутий період. В кінці водопілля інтенсивність водовіддачі може значно перевищувати інтенсивність сніготанення. Значне зростання водовіддачі відбувається під впливом весняних дощів, які зменшують здібність снігу, що акумулює, і змінюють його структуру. Крім цього дощі руйнують снігові капіляри, внаслідок чого капілярна вода, що утримується в снігу, і плівкова переходять у гравітаційну, що швидко тече вниз.

     За  спостереженнями, початок надходження  на поверхню ґрунту надлишкової поталої  води, що не утримується снігом, відповідає моментові танення від 15 до 25% початкових запасів вологи.

     Частина води, що надходить на басейн річки  і не приймає участі в формуванні стоку, представляє втрати стоку  водопілля. До цих втрат належать інфільтрація, акумуляція вод на поверхні басейну та випар з поверхні поталих вод і снігу. Утрати на випар не перевищують 10% запасів води в снігу. Особливо малі втрати на випар у північних районах.

     Інфільтрація - це частина поталих вод, що витрачається на просочування в ґрунт. Інфільтрація залежить від структури ґрунтів, ступеня промерзання і зволоження ґрунтів перед настанням від'ємних температур повітря. Частина поталих вод, що просочується, залишається в ґрунті й насичує її до повної вологоємності.

     Друга частина поталих вод, що просочилася  крізь поверхневий шар ґрунту, який легко пропускає воду, досягає шару, що не пропускає воду, і вона стікає по поверхні цього відносного водоупору. Це так званий внутрішньогрунтовий стік. Звичайно водоупором, по якому стікають поталі води, є мерзлий шар, котрий при відтаненні ґрунту просувається вниз. Якщо нема іншого відносного водоупору, внутрішньогрунтовий стік припиняється, і вода просочується в нижні шари.

     На  піщаних і лісових підзолистих  ґрунтах водозборів з порівняно  високим положенням першого відносного водоупору внутрішньогрунтовий стік складає значну частину весняного стоку. Ця частина води, що просочилася, представляє тимчасову акумуляцію, яка вирівнює стік водопілля. При цьому тривалість водопілля розтягується, а найбільша ордината гідрографа водопілля декілька знижується.

     І, нарешті, третя частина поталих  вод, що просочилася, досягає поверхні ґрунтових вод, поповнює їх запаси і  забезпечує живлення річки в межень.

     Особливо  значного розміру досягають втрати на інфільтрацію в степовій зоні при  низькому стоянні рівня ґрунтових вод.

     Мінімальні  втрати поталих вод на інфільтрацію і найбільший поверхневий весняний стік спостерігається, якщо земля вкрита крижаною кіркою. Встановлено, що утворенню  значних весняних водопіль, котрі  є розрахунковими, звичайно передують суворі зими і сильне промерзання ґрунту.

     Редукція  максимального стоку. (Акумуляція на поверхні басейну).