НАУЧНЫЕ СТАТЬИ
Гидрометеорология и экология №2 2012
УДК 556.166/167
Канд. геогр. наук А.Г. Чигринец * Канд. геогр. наук Л.П. Мазур *
А.Р. Загидуллина *
МАКСИМАЛЬНЫЕ РАСХОДЫ ВОДЫ Р. КИШИ АЛМАТЫ И ЕЁ ПРИТОКОВ В НИЖНЕМ ТЕЧЕНИИ
МАКСИМАЛЬНЫЕ РАСХОДЫ ВОДЫ, ДОЖДЕВОЙ ПАВОДОК, МАКСИМАЛЬНЫЙ МОДУЛЬ ПОЛОВОДЬЯ, РЕДУКЦИОННАЯ ФОРМУЛА, ФОРМУЛА ПРЕДЕЛЬНОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ СТОКА, КОЭФФИЦИЕНТ ШЕРОХОВАТОСТИ, ПОПЕРЕЧНЫЙ ПРОФИЛЬ, РАСЧЕТНАЯ ОБЕСПЕЧЕННОСТЬ, МАКСИМАЛЬНЫЕ ГОРИЗОНТЫ ВЫСОКИХ ВОД
Исследованы условия формирования максимального стока реки Киши Алматы (Малая Алматинка) и её притоков в нижнем течении, от нижней границы г. Алматы до устьевой части. Впервые обобщены все имеющиеся материалы наблюдений за максимальными расходами по этой территории. Для 12 створов в местах предполагаемого интенсивного освоения территории под города-спутники, при отсутствии данных наблюдений определены максимальные расходы воды различной обеспеченности и соответствующие им опасные уровни воды. Приведены некоторые рекомендации по расчету максимальных расходов воды при отсутствии данных наблюдений.
Рассматриваемый район расположен в предгорно-равнинной зоне северного склона Илейского Алатау, в пределах высот 660.. .496 м БС.
Он ограничен координатами: с севера - 43049' с.ш., с юга - 43024' с.ш., с запада - 76058' в.д., с востока - 77о08' в.д. и вытянут вдоль автотрассы Алматы - Капшагай, от северной границы г. Алматы до южного побережья водохранилища Капшагай.
Река Киши Алматы (Малая Алматинка) свое начало берет на высоте 3200 м с группы ледников, наиболее крупным из которых, является ледник
* КазНУ им. аль-Фараби, г. Алматы 66
Туюксу. Река по длине принимает около 20 притоков, большинство из которых приходится на горную часть.
Основными притоками в пределах района исследования являются: река Котурбулак, левобережная р. Есентай (левая протока р. Киши Алма-ты), правобережный приток р. Бельбулак, впадающий в русловое водохранилище К-3, левобережная р. Бестерек-карасу (протока р. Есентай), правобережный приток р. Карасу - Байсерке, впадающий в 200 м ниже вдхр. К-1. Ниже руслового водохранилища К-1 в р. Киши Алматы впадает левобережный приток р. Теренкара (в нижнем течении Тесиккоба, Тесик-Коба). Кроме вышеперечисленных притоков, в р. Киши Алматы впадает много мелких ручьев «карасу» и ключей [10]. Гидрографическая схема р. Киши Алматы приведена на рис. 1.
В результате проведенных исследований было установлено, что для рек рассматриваемой территории характерно формирование максимальных расходов воды в основном смешанного происхождения, реже талого и дождевого.
Кроме того установлено, что в ряды наблюдений попадают максимальные расходы редкой повторяемости, а также встречаются расходы, полученные с пониженной точностью. В силу этих особенностей при реконструкции рядов возникают большие трудности подбора аналогов для восстановления пропусков данных наблюдений.
Вследствие сложности условий формирования и расчленения стока воды рек района по источникам питания, а также из-за того, что максимальные расходы воды здесь в основном смешанного происхождения, в основу расчета характеристик максимального стока приняты наибольшие за год расходы воды, независимо от их происхождения [1, 10].
Одним из основных этапов работы было определение статистических параметров максимальных расходов воды по данным фактических наблюдений. Исходными данными для выполнения исследований послужили материалы наблюдений за стоком воды на гидрологических постах РГП «Казгидро-мет». Принятые в результате расчетов статистические характеристики максимальных расходов воды приведены в табл. 1.
Гидрологических постов в исследуемом районе мало, а в намеченных створах наблюдения за максимальными расходами вообще отсутствуют, поэтому они определены расчетным способом. Размещение расчетных гидрологических створов на реках района исследования приведено на рис. 1.
Рис. 1. Схема-ёлочка р. Киши Алматы (Малая Алматинка) с расположением расчетных гидрологических створов. 1 - водохранилища и пруды. 2 - расчетный гидрологический створ, 3 - река или магистральный канал.
Таблица 1
Максимальные расходы воды (()0тах ) различной обеспеченности рек горно-предгорной зоны Илейского Алатау (система
рек бассейна Киши Алматы)
Река - пункт Расстояние от устья, км Площадь водосбора, км2 Средняя высота водосбора, м Период наблюдений о К а а в О) м эя § ® в о * э <и Ж а п О ^ и За многолетний период Максимальные расходы воды различной обеспеченности, м3/с
Год Число лет й Е о О) Коэффициент вариации, Су Коэффициент асимметрии, С 1% 3% 5% 10% 20%
Рук. Карасу-Байсерке -с. Кызылту, в 4,5 км выше села 44 1965, 1969-1980 13 0,74 0,80 0,46 0,70 1,84 1,59 1,47 1,29 1,09
Рук. Карасу-Байсерке (Карасу-Альмерек) - с. Кызылту 41 1965-1969, 1971, 1973-1976 6 0,60 0,7 0,97 1,8 3,08 2,37 2,04 1,60 1,13
рукав Карасу-Байсерке (Карасу-Байсер) - с. Дмитриевка, в 6 км ниже селения, № 826 22 1965-1966, 1968-1971, 1976-1980 11 3,25 4,0 1,65 3,4 31,6 21,6 16,8 11,0 6,05
Киши Алматы - г. Алматы 106 118 2560 1916-1917, 1927-2005 79 11,7 12,5 0,8 2,4 58,0 41,1 32,5 22,1 14,5
Киши Алматы - с. Покровка, в 5 км выше устья р. Котурбулак 79 1962-1978 17 2,76 2,90 0,64 1,6 9,19 7,39 6,54 5,37 4,16
Киши Алматы - с. Покровка, ниже устья р. Котурбулак 74 1962-1978 17 3,57 3,60 0,72 2,05 13,0 10,1 8,80 6,96 5,16
Киши Алматы - с. Покровка, в 2 км к С от селения Киши Алматы - с. Дмитриевка 70 63 1962-1978 1962-1978 17 17 8,93 11,5 9,2 11,5 0,46 0,39 1,9 2,2 24,2 28,0 19,7 22,9 17,6 20,6 14,7 17,2 11,9 14,1
ОА
Протока Есентай (Бестерек-Карасу) Ащыбулак (руч. Ащибулак) -с. Карасу Теренкара (Зап. Теренкара, Теренькара 1) - свх Алма-Ата Мойка-Карасу, устье Есентай (Весновка, Султан-Карасу) - с. Покровка в 1 км к СЗ от селения Котурбулак (Картабулак), устье Киши Алматы (устье) - 1 км выше ж.д. моста Река - пункт
к» (Л к» о -ё Расстояние от устья, км
■ ■ ■ ■ В 00 Площадь водосбора, км2
■ ■ ■ ■ 1040 Средняя высота водосбора, м
1965-1970 1965-1967, 1974, 1976-1979 1965-1967, 1969-1970, 1972-1979 1968-1980 1963-1967, 1978 1963, 1965-1972, 1978 1971-1972 Год Период наблюдений
00 к» о к» Число лет
1,45 0,60 2,66 0,51 4,48 к> о о 12,4 Средний за период наблюдений, О , м3/с
1,60 0,60 2,77 0,51 4^ Чл 2,10 (12,4) ^Отах' ^ ^ За многолетний период
0,58 0,39 0,36 0,56 0,25 0,61 1 Коэффициент вариации, Су
0,50 к» О < о V о к» р о 1,35 1 Коэффициент асимметрии, С
4,09 1,45 5,37 1,85 7,36 6,25 (38,0) о4 Максимальные расходы воды различной обеспеченности, м3/с
3,53 1,17 4,80 1,60 6,75 5,12 1 ш о4
3,24 о 4,52 1,31 6,44 4,57 (Л о4
2,82 0,91 4,09 1,08 5,97 3,82 о о4
2,35 0,78 3,59 0,80 5,42 3,02 !л |о ^ т К» О о4
Для определения максимальных расходов воды при недостаточности или отсутствии данных наблюдений можно воспользоваться рекомендациями, приведенными в [2-4; 6-9].
Расчет максимальных расходов весенне-летнего половодья на реках района исследования производился согласно рекомендациям [6, 8, 9]. Принятая методика расчета, адаптированная к условиям исследуемого района, приведена в [8].
В основу расчетов положена редукционная зависимость максимального модуля стока от обуславливающих его основных факторов: средней высоты и площади водосбора, коэффициента дружности и слоя стока половодья. Формула для определения максимального (срочного) модуля стока половодья имеет вид:
Л _ г • Д% -8 _ г • К0 • -8 *% (Е +1)" (Е +1)" , (1)
где - максимальный (срочный) модуль стока обеспеченностью 1 %, дм3-с-ькм-2; Е - площадь водосбора, замыкаемая расчетным створом, км2; И1% - слой стока за половодье обеспеченностью 1 %, мм; г - коэффициент зарегулированности стока озерами и водохранилищами; 8 - коэффициент, учитывающий влияние залесенности и заболоченности водосбора; К0 - коэффициент дружности половодья; " - показатель степени, характеризующий редукцию (уменьшение коэффициента дружности половодья в зависимости от площади водосбора); А1% - величина, пропорциональная максимальному модулю притока.
Максимальный модуль притока А _ при Е ^ 0 и г _ 8 _ 1. Значения А изменяются в значительных пределах в зависимости от высоты и орографии местности.
Опубликованных данных о средних высотах и площадях водосборов для расчетных створов, которые прежде всего необходимы для определения максимальных расходов весеннего половодья, не имеется, поэтому эти характеристики были нами определены с использованием топоосновы М 1:100000. Слой стока половодья, обеспеченностью 1 % определен с использованием средней высоты водосборов по зависимостям, построенным
для бассейна р. Киши Алматы. Коэффициент К0 определен по зависимости
18 К0=_ (18 (И
Показатель ", характеризующий редукцию коэффициента дружности половодья, находится по формуле:
п = 0,50 -0,1 И р , (2)
где ИРр в км.
Далее по формуле (1) вычисляем д1% и находим
й%шах _ ?1% - Е , м3/с. (3)
Используя коэффициент перехода от Q1% и И1% к расходам и слоям других обеспеченно стей, получили их значения.
Расчет максимальных (срочных) расходов дождевых паводков на реках района исследования при отсутствии рек-аналогов производился по редукционной формуле:
вР% _ 4200 ^Е) 8 - 82- 8з "Е , (4)
где Qp % - максимальный расход расчетной обеспеченности (срочный), м3/с; 4200 - модуль максимального срочного расхода воды, ежегодной вероятности превышения Р, равной 1 %, при 8 = 82 = 83 = 1, приведенный к площади водосбора 200 км2. Для бассейнов горных рек значения параметров 4200 дополнительно приведены к средней высоте водосбора Иср = 2000 м, м3-с-1 •км-2; Хр - переходный коэффициент от максимальных мгновенных расходов воды вероятностью 1 % к максимальным расходам другой вероятности превышения; п - коэффициент редукции модуля максимального срочного расхода с увеличением площади водосбора; 8 - коэффициент, учитывающий снижение максимальных расходов воды проточными озерами; 82 - коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода воды вследствие заболоченности; 83 - коэффициент, учитывающий изменение параметра 4200 с изменением средней высоты водосбора в горных районах; определяется он по данным гидрологически изученных рек; Е - площадь водосбора, км2.
В качестве основного параметра формулы используется модуль максимального стока при некотором фиксированном значении площади (в данном случае 200 км2), поскольку определить эту величину по экспериментальным данным можно более надежно, чем обычно используемый элементарный модуль стока.
Параметр а200 меньше зависит от показателя степени редукции п, что приводит к его более плавному изменению по территории.
а __41%__(5)
4200 (Е/200)" - 8-82 -83 , (5)
где а1% - максимальный модуль стока 1 % обеспеченности, определяемый по ряду наблюдений. Коэффициент 83 определяется для рек с высотой водосбора от 100 м и более с использованием зависимости а200 _ I(Ирр )•
Для расчета максимальных (срочных) расходов дождевых паводков была применена формула предельной интенсивности стока, приводимая в [8]. Формула имеет вид:
Ql% _ 16,67-р-щ(т)-И% ■ Е , (6)
где Q1% - максимальный (срочный) расход 1 % обеспеченности; р - сборный коэффициент максимального стока; у/(т) - показатель редукции интенсивности осадков за расчетное время т; И1% - максимальный суточный слой осадков обеспеченностью 1 %; Е - площадь водосбора, км2.
-(т)Ж-_ЛН., (7)
т т■ Ир
где у/(т)_Ит, (8)
Мр
Ир - суточный слой осадков обеспеченности Р; Ит - слой осадков той же обеспеченности за расчетное время 1.
В табл. 2 приведены максимальные расходы 1 % обеспеченности, полученные по всем вариантам расчетов. В результате анализа методов расчетов и данных табл. 2 для определения максимальных горизонтов высоких вод (ГВВ) различной обеспеченности, приняты средние значения из максимальных расходов весеннего половодья и дождевых паводков, полученных по редукционной формуле (4). В табл. 3 приведены принятые максимальные расходы различной обеспеченности.
Таблица 2
Максимальные расходы воды 1 % обеспеченности, полученные различными методами, м3/с
Река - расчетный створ втшах' по Данным фактических наблюдений, м3/с о 1- и к н .о 0 т « Е 1 ^ « | 8 5 ей о Н " ° й в 1 с? Максимальные расходы дождевых паводков бр/отах' принятые для определения #10/оП1ах, м3/с
по редукционной формуле (8) по формуле предельной интенсивности (6)
q2m - с применением данных фактических наблюдений о с 0 я 21 Я — 8 а ^ а^ « н с и 1 к о о сч ^
Киши Алматы - створ № 1 100,7 110,9 129,0 115,0 106,0
Киши Алматы - створ №2 24,2 104,5 113,2 132,0 116,0 109,0
Киши Алматы - створ №3 104,8 115,1 134,0 119,0 110,0
Киши Алматы - створ №4 28,0 107,9 118,7 139,0 122,0 113,0
Теренкара - створ №5 37,9 48,6 56,1 26,9 43,2
Киши Алматы - створ №6 126,2 145,0 169,0 130,0 136,0
Киши Алматы - створ №7 128,6 147,0 171,0 130,2 138,0
Киши Алматы - створ №8 (38,0) 129,2 149,0 174,0 132,0 139,0
Есентай - створ №9 7,36 80,2 67,6 79,0 41,4 73,9
Есентай (Бестерек-Карасу) - 4,09 21,0 29,2 34,2 17,0 25,1
створ №10
Теренкара - створ № 11 5,37 21,3 30,0 35,0 10,3 25,6
Теренкара - створ №12 35,1 45,6 53,2 24,0 40,4
Таблица 3
Максимальные расходы воды рек исследуемого района в расчетных створах, принятые для расчета максимальных
горизонтов высоких вод (ГВВ) различной обеспеченности
Я Максимальные расходы различной обеспеченности, м3/с
Река - створ /■'. км2 ср водосбора, м абс ОД % 1 % 2% 5 % 10% 25 %
Киши Алматы - створ № 1 634 1473 131,4 106,0 96,5 79,5 67,8 50,9
Киши Алматы - створ №2 650 1455 135,2 109,0 99,2 81,8 69,8 52,3
Киши Алматы - створ №3 668 1433 136,4 110,0 100,1 82,5 70,4 52,8
Киши Алматы - створ №4 711 1374 140,1 113,0 102,8 84,8 72,3 54,2
Теренкара - створ №5 95,4 652 53,6 43,2 39,3 32,4 27,6 20,7
Киши Алматы - створ №6 1000 1145 168,6 136,0 123,8 102,0 87,0 65,3
Киши Алматы - створ №7 1014 1132 171,1 138,0 125,6 103,5 88,3 66,2
Киши Алматы - створ №8 1034 1114 172,4 139,0 126,5 104,2 89,0 66,7
Есентай (Весновка) - створ №9 177 1008 91,6 73,9 67,2 55,4 47,3 35,5
Есентай (Бестерек-Карасу) -створ №10 34 660 31,1 25,1 22,8 18,8 16,1 12,0
Теренкара - створ № 11 32 670 31,7 25,6 23,3 19,2 16,4 12,3
Теренкара - створ №12 82,6 659 50,1 40,4 36,8 30,3 25,8 19,4
Необходимо отметить, что площади и средневзвешенные высоты водосборов являются главными параметрами расчетных формул определения максимальных расходов воды, особенно при отсутствии материалов наблюдений. Однако эти данные по расчетным створам практически отсутствуют в опубликованных источниках. Поэтому была проведена большая работа по их определению. Эти параметры получены статистическим способом с применением карт М 1:100000.
Конечной целью данной работы являлось определение уровней воды при максимальных расходах различной обеспеченности.
Для построения теоретических кривых расходов воды Q = / (И) гидравлическим методом в расчётных створах расход при каждом горизонте в створе определяется по площади живого сечения и средней скорости, вычисленной с применением формулы Шези.
Использованная для расчетов в данной работе формула имеет вид:
Q = * ■ С= * (9)
" п
где Q - расход воды при расчётном уровне, м3/с; * - площадь поперечного сечения, м2; С - коэффициент Шези, м0,5/с; - средняя глубина потока, м; J - продольный уклон водной поверхности в долях единицы; п - коэффициент шероховатости.
Площади поперечных сечений в расчётных створах взяты по данным нивелирования поперечных профилей в расчётных створах. Значения коэффициента шероховатости для русла определены для подавляющего количества створов по результатам измерений расходов воды гидрометрической вертушкой. Коэффициенты шероховатости поймы подобраны по таблице М.Ф. Срибного, приведенные в [5], в результате произведенных рекогносцировочных обследований участков расчётных створов.
Кривые Q = / (И) построены гидравлическим методом отдельно для русла, поймы и суммарные. В качестве примера приведен рис. 2.
Расходы воды для построения теоретических кривых Q = / (И) при разных уровнях находились как суммы расходов, протекающих через пойму и русло.
В табл. 4 приведены максимальные ГВВ, которые определены по построенным теоретическим кривым Q = / (И) при расходах различной обеспеченности.
Таблица 4
Максимальные горизонты высоких вод (ГВВ) различной обеспеченности рек исследуемого района в расчетных створах
Река - створ /■'. км2 Я ср водосбора, м абс Максимальные горизонты высоких вод различной обеспеченности, м абс
ОД % 1 % 2% 5 % 10% 25 %
Киши Алматы - створ № 1 634 1473 619,28 618,98 618,87 618,65 618,49 618,21
Киши Алматы - створ №2 650 1455 615,03 614,89 614,83 614,72 614,64 614,53
Киши Алматы - створ №3 668 1433 599,11 598,92 598,83 598,69 598,59 598,30
Киши Алматы - створ №4 711 1374 589,69 589,48 589,38 589,20 589,08 588,85
Теренкара - створ №5 95,4 652 562,16 562,02 561,95 561,82 561,73 561,60
Киши Алматы - створ №6 1000 1145 543,56 543,42 543,36 543,24 543,16 543,04
Киши Алматы - створ №7 1014 1132 527,20 526,88 526,77 526,45 526,20 525,81
Киши Алматы - створ №8 1034 1114 513,35 513,00 512,88 512,67 512,52 512,27
Есентай (Весновка) - створ №9 177 1008 631,17 631,03 630,95 630,75 630,63 630,40
Есентай (Бестерек-карасу) - створ №10 34 660 600,57 600,50 600,47 600,43 600,40 600,34
Теренкара - створ № 11 32 670 607,28 607,15 607,10 607,02 606,93 606,77
Теренкара - створ №12 82,6 659 580,02 579,81 579,73 579,59 579,49 579,26
В результате расчетов максимальных расходов при отсутствии данных наблюдений по формулам можно сделать вывод, что получить при этом надежные данные невозможно без дополнительных проработок и выявления
ряда региональных зависимостей для конкретных условий.
Н м БС 590.5
590.0
589.5 589.0 588.5 588.0 587.5 587.0 586.5 586.0
0.0 20,0 40,0 60,0 80,0 100.0 120,0 140,0 160,0 180,0 200,0 О. м3/с
Рис. 2. Расчетные значения максимальных уровней воды различной обеспеченности, полученные по кривой расходов Q = / (И) для расчетного створа №4. 1 - зависимость для русла, 2 - зависимость суммарная,
3 - зависимость для поймы, 4 - ГВВразличной обеспеченности.
Например, при расчетах Qmax дождевых паводков по редукционной формуле с использованием карты ^200 , расход получается значительно завышенным. Поэтому существенное внимание было уделено определению модуля максимального расхода, приведенного к площади 200 км2 и высоте 2000 м абс., для рассматриваемых условий.
При выполнении данных полевых исследований и камеральных расчетов были учтены основные требования СНиПа 2.01.14-83 [9].
Приведенные результаты исследований максимальных расходов воды в нижнем течении реки Киши Алматы при отсутствии данных наблюдений и ограниченной информации получены впервые и могут быть использованы в дальнейшем для научных и практических целей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Загидуллина А.Р. Максимальный сток рек северного склона Илейского Алатау // Материалы международной научной конференции студентов и молодых ученых «Мир науки», приуроченной к 20-летию Государственных символов РК. Алматы: Каза^ университет^ 2012. - С. 65-66.
2. Кендалл М., Стьюарт А. Теория распределений. - М.: Наука, 1966. - 587 с.
3. Мазур Л.П., Сагынгали З.К. Формирование и расчет максимальных расходов воды рек Казахстанского Алтая // Вестник КазНУ, сер. географ. -№1(18). - 2004. - С. 87-92.
4. Методические рекомендации по составлению справочника по водным ресурсам СССР. Вып. 7, ч. 1. - Л.: ВНИГЛ, 1962. - 108 с.
5. Орлова В.В. Гидрометрия. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 414 с.
6. Пособие по определению расчетных гидрологических характеристик. -Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 447 с.
7. Рекомендации по проектированию противоселевых защитных сооружений. - М.: 1985. - 110 с.
8. Ресурсы поверхностных вод СССР. Центральный и Южный Казахстан. Бассейн оз. Балхаш. Т. 13, Вып. 2. - Л.: Гидрометеоиздат, 1970. - 645 с.
9. СНиП 2.01.14-83. - М.: Государственный комитет по делам строительства, 1985.
10. Чигринец А.Г. Гидролого-экологическая оценка малых рек горно-предгорной зоны Илейского Алатау и разработка рекомендаций по их охране: Автореф. дис. ... канд. геогр. наук / Казахский Национальный университет им. аль-Фараби. - Алматы, 2006. - 21 с.
Поступила 11.06.2012
Геогр. Fылымд. канд. А.Г. Чигринец Геогр. Fылымд. канд. Л.П. Мазур
А.Р. Загидуллина
К1Ш1 AЛMAТЫ вЗЕН1 ЖЭНЕ ОНЬЩ СAЛAЛAРЫНЬЩ TeMEHri AFbICbIH,aAFbI MAKСИMAЛДЫ СУ вТIMДЕРI
Kimi Алматы e3ern жат оныц сaлaлapыныц мaксuмaлды агындысынъщ цaлъmтaсу жaгдaйлaры взeннiц твмeнгi агысында (Алматы щаласынъщ твмeнгi шeкapaсынaн сагалъщ белжкг dew^ зeрттeлiндi. Бiрiншi pem щapaсmыpъlлъm отыргйн аумащ бойынша максималды су еmiмiнe жypгiзiлгeн 6срлыц бaцъwaулap мэлiмemmepi жинащталды. Сepiкmeс щала ушт цйрцынды uгepугe усынъглът отыргйн сумсц жepiндe 12 mYсmaмa бойынша бащылау depeKmepi жощ болган кeздe mYpлi щамтамасыздыщтагы максималды су еmiмдepi жэнe оларга сайквс кeлemiн щaуiпmi су de^ernepi анъщталды. Бащылау depeKmepi жощ болганда максималды су еmiмдepiн eсeпmeу бойынша бipнeшe Yсынысmap кeлmipiлдi.