CC BY
180
УДК 556.53
Подсчет расходов воды в период ледостава на реках при отсутствии материалов наблюдений Д.Е. Клименко, М.Э. Гарайшина Пермский государственный университет
Вычисление расходов воды в период ледостава (зимних расходов) необходимо как в режимном учете стока (вычисление ежедневных расходов воды), так и при производстве инженерных изысканий на реках (переход от расходов воды, измеренных подо льдом, к расходам воды открытого русла). В то же время объем гидрометрической информации (данные об измеренных расходах воды) часто ограничивается пятью-шестью измерениями за зиму на гидрологических постах, до единичных измерений на водотоках в период производства полевых работ на разных стадиях изысканий. Поэтому необходимо иметь некую модель, позволяющую переходить от кривой расходов при свободном русле к зимним расходам, а также обратно - от зимних расходов к расходам открытого русла для неизученных рек.
В настоящее время существует большое количество методов определения ежедневных расходов воды (ЕРВ) периода ледостава. Их можно разделить на две группы: полевые и расчетные методы. Полевые методы предполагают оборудование гидрометрических створов таким образом, чтобы ледяной покров оказывал минимальное влияние на зависимости расхода воды от уровня (к примеру, в США и Швеции широкое применение находит измерение расходов воды на незамерзающих участках рек, часть створов оборудована утепленными гидрометрическими лотками). Расчетные методы основываются на выявлении и учете факторов, вызывающих отклонение зимних расходов воды от кривой расходов свободного русла. Наиболее простыми являются методы, которые предполагают использование поправок или переходных коэффициентов. В настоящей статье подробно рассматриваются два метода вычисления зимних расходов воды при ограниченном объеме информации - графические связи зимнего коэффициента со степенью стеснения русла ледяным покровом и гидравлический, связанный с графическими связями расходов воды с площадью водного сечения. Рассматриваются границы применения методов, погрешности. Для расчетов были выбраны водные объекты различных в гидрологическом отношении территорий - бассейнов Камы и Средней Оби.
Обзор методов расчета. Все многообразие существующих расчетных методов вычисления зимних расходов воды можно объединить в несколько групп:
1. Интерполяция между измеренными расходами воды (ИРВ) - метод применим при достаточно плавном изменении уровня воды и наличии ИРВ с периодичностью 5-10 суток.
© Д.Е. Клименко, М.Э. Гарайшина, 2008
2. Использование хронологического графика изменения Кзим
О з
(Кзим = ±зм, где Озим - зимний расход, м /с, Осв - расход воды при свободном
Осв
русле, м3/с, отнесенные к одному уровню воды Н, см над нулем поста или мБС-77). Несмотря на то, что фактические расходы воды здесь заменены безразмерными коэффициентами, этот метод также требует большого количества ИРВ (не менее трех в месяц), совместного анализа комплекса гидрометеорологических условий (ход температуры воздуха, изменение толщины льда и др.). При достаточно полных гидрологических наблюдениях для вычисления ЕРВ строится хронологический график переходных коэффициентов, для критической оценки - совмещенные графики колебания уровня, толщины льда, температуры воздуха. По ним определяют наличие оттепелей, наледей, зажоров, заторов. Расходы между сроками находятся прямолинейной интерполяцией Кзим.
3. Использование зимних зависимостей Озим = I(Н). Данный метод применим начиная с середины ледостава для средних и крупных рек, с устойчивыми зимними кривыми расходов. Существуют некоторые модификации данного метода, например метод Больстера [1].
4. Использование хронологического графика поправок к уровню воды на толщину погруженного льда. Он заключается в придании к наблюденным уровням поправок, благодаря которым ИРВ «совпадают» с расходами, полученными по исправленным уровням из кривой расходов. Для дней с отсутствием ИРВ поправки находятся интерполяцией. Этот метод аналогичен методу Стаута [2], его модификации разработаны в 1912 г. С.И. Моисеенко, В. Хойтом [1].
5. Использование графической связи переходного коэффициента Кзим
р
со степенью стесненности русла ледяным покровом а (а =——, где рл. -
Робщ
площадь погруженного льда, м2, Робщ - общая площадь сечения, м2). При ограниченном количестве ИРВ данный метод позволяет определить значения Кзим, оперируя только данными о средней толщине погруженного льда. Границы применения метода и существующие погрешности будут рассмотрены ниже.
Впервые на возможность использования графических связей переходного коэффициента Кзим со степенью стесненности русла льдом
указал Ф. Федоров [7]. Он уже исходил из того, что чаще всего приходится иметь дело с небольшим числом ИРВ, по существу недостаточным для подсчета стока, или же с отсутствием ИРВ. Предполагая, что основным фактором, влияющим на связь расходов воды с уровнями, является толщина льда, Ф. Федоров построил вполне определенную зависимость Кзим = / (а) для р. Москвы за несколько лет при нормальных условиях ледообразования (отсутствие зажоров, переменного подпора, наледей, висячего ледостава). Разброс точек относительно средней кривой не превышал 25%. Эти
отклонения он объяснил, наряду с ошибками измерений, теми неучтенными факторами (неоднородная шероховатость льда в течение ледостава и изменяющиеся уклоны водной поверхности), которыми пренебрег при выборе главного из них - толщины льда. В качестве математического выражения средней кривой Ф. Федоров, используя формулу Шези-Маннинга, получил: Кзим = 0,80 • (1 - а)1,5.
Из выражения видно, что при а ^ 0 Кзим ^ 0,80. Ф. Федоров объясняет это тем, что в промежутке значений Кзим, соответствующих свободной водной поверхности и поверхности, покрытой самым тонким льдом, имеется скачок, который формируется под влиянием дополнительной шероховатости. При а ^ 1 Кзим ^ 0, что вполне закономерно при полном промерзании русла.
В дальнейшем детальные исследования зимнего переходного коэффициента производились Л.М. Ковалевым [3]. Наряду с использованием зависимостей Кзим = /(а), им предложена типизация этих кривых для трех
типов русел по чистоте и разработанности русла (рис.1), установлены фактические пределы изменения коэффициента Кзим: от 0 до 1. В отличие от
Ф. Федорова Л.М. Ковалев не допускает скачков переходного коэффициента Кзим от 1 до некоторого численного значения в момент установления
ледостава.
Ковалевым предпринимается попытка учесть разбросы точек относительно средней кривой Кзим = / (а). Поскольку при нарастании льда и
переходе его в более устойчивое состояние процент отклонения отдельных точек от кривой уменьшается, предложено нормировать значения Кзим по
коэффициентам для вполне сформировавшегося периода ледостава, когда основным фактором, влияющим на Кзим, является параметр а.
1 О О 9 О 8 07 О 6 □ 5 0 4 0 3 О 2 О 1
О О
О
Рис.1 Обобщенные зависимости К31Ш = /(а) : 1 - хорошо разработанные и чистые
русла при отсутствии глубинного льда; 2 - русла средней разработанности с небольшим количеством внутриводного льда; 3 - плохо разработанные и загрязненные русла, а также при наличии внутриводного льда, но без заторных явлений
Кривая Кзим = / (а) при построении ориентируется лишь на
нормированные значения К0, которые соответствуют невысокой шероховатости и поэтому могут быть названы нормальными. Отношение в = Кзим/К0 характеризует влияние дополнительной шероховатости нижней
поверхности льда, изменяющееся во времени от начала ледостава.
К этой группе методов можно отнести и исследования коэффициентов шероховатости нижней поверхности ледяного покрова, попытки связи его с общим коэффициентом шероховатости русла подо льдом. Установлено, что изменение его во времени носит экспоненциальный характер. В некоторых случаях отмечается небольшое увеличение коэффициента шероховатости льда весной, непосредственно перед вскрытием реки из-за изменения структуры льда.
6. Гидравлический метод. Гидравлические зависимости для Кзим представлены формулой Шези-Маннинга, которая в самом общем виде имеет вид
— -Я,X ■¥,-(Я, ■I,)
К=...............................................= ° '" " " '"
0св 1 .Я Уб . ¥ . (Я • I ) Ппр
св св V св св /
Г ЯЗ ^ 23 ¥, Г I з ]
V Ясв ) ¥св V 1св у
(1)
п р
где бз - зимний ИРВ, м /с; 0св - ИРВ при свободном русле при уровне
воды в лунке, м /с; ЯЗ, Ясв - гидравлический радиус сечения в условиях
ледостава и открытого русла, м; ¥з,¥св - площадь водного сечения в условиях
ледостава и свободного русла, м2; 1з, 1св - уклоны водной поверхности русла
подо льдом и свободного русла (в абсолютных единицах); ппр,пр -
приведенный коэффициент шероховатости русла подо льдом и коэффициент шероховатости свободного русла.
Допуская, что в период ледостава гидравлический радиус уменьшается
Я
в два раза по сравнению с открытым руслом (ЯЗ ), уклоны водной
поверхности при низких уровнях воды в периоды ледостава и открытого русла различаются незначительно, а показатель у в формуле Шези (С = 1/ п-Яу) равен 1/6, выражение (1) можно записать:
К = = 0,63- - ¥з- (2)
О п ¥
г^св пр св
Подобные упрощения выражения (1) за счет допущения равенства ширин русла и уклона при свободном русле и ледоставе получены рядом исследователей (П.Н. Белоконь, В.Н. Гончаров, С.И. Колупайло) [2]. Г.В. Железняков вводит в формулу отношение параметров формы живого сечения свободного и подледного потоков [3]. Ф.И. Карасевым [4] производится регрессионный анализ несколько преобразованных членов уравнения, которые обозначаются факторами.
Полученные нами зависимости расхода воды от площади водного сечения подтверждаются рассмотренным гидравлическим методом.
Границы применения метода Кзим = / (а). Гидравлическая формула Кзим (1), (2) в общем виде обосновывает использование зависимости Кзим = / (а) в том виде, в каком ее представил Л.М. Ковалев Ясным обнаруживается предел Кзим при полном стеснении русла (при 1). О поведении кривой в верхней части (при а ^ 0) судить трудно, учитывая «внезапный» характер образования неподвижного ледостава при очень малых (менее 0,2) значениях а. Для очень малых рек даже при начальной толщине льда трудно получить значения коэффициента стеснения русла меньше 0,1. С другой стороны, на очень глубоких реках нельзя получить значения коэффициента стеснения русла, близкие к единице. В этом состоят граничные условия применимости метода расчета зимних ЕРВ посредством связей Кзим = /(а) для условий
одной реки. Такие случаи будут давать скопления координат около некоторого диапазона а, затрудняя производство вычислений ЕРВ (рис. 2).
Рис. 2. Распределение точек Кзим = /(а) на р.Каме у с. Тарловка (1) и на р.
Койве
у д. Федотовка (2) в зимний период (1944-1954 гг.)
Не исключается возможность применения связей Кзим = /(а) для группы рек, различных по морфометрическим параметрам, но одинаковых по ледовым условиям (ледообразование, наличие шуги, полыней, наледей), используя преимущества каждой из них для наиболее полного освещения интервала координат кривой.
Апробация метода. В качестве математического выражения кривой Кзим = /(а) можно использовать несколько преобразованное уравнение
астроиды Кзим =(1 -ап), где п находится в пределах от 0 до 1, а да изменяется от 0 до бесконечности. При п = 1/ т кривая будет симметричной относительно прямой Кзим = 1 - а. Данное уравнение позволяет придерживаться граничных значений зимнего коэффициента и степени
стесненности русла, указанные Л.М. Ковалевым Используя метод наименьших квадратов, подбираются эмпирические значения степеней для каждого створа. Для апробации метода нами была проделана работа по построению кривых Кзим = (1 -ап)т, нахождению значений степеней для каждого створа гидрологического поста как для отдельно взятой зимы, так и для всего периода в целом, оценке качества полученных зависимостей. В качестве исходной информации в расчет брались значения ИРВ под ледоставом и кривые расходов для свободной ото льда поверхности для постов на реках Среднего Урала - левобережных притоках Камского водохранилища (данные 24 постов Росгидромета) и на реках Среднего Приобья - правобережных притоках Оби (данные 31 поста, находящихся в ведении ОАО «Гипротюменнефтегаз»).
Полученные кривые скошены в сторону оси абсцисс, за которую принимается ось коэффициентов стеснения русла льдом. В периоды нарастания толщины льда предлагается выводить кривую на значение Кзим = 1
от значения а, соответствующего начальной толщине льда (она будет изменяться в зависимости от характера замерзания реки). Поэтому кривая будет иметь скошенность в сторону оси ординат. ИРВ периода таяния льда, непосредственно перед вскрытием, доказывают правильность вывода об уменьшении общей шероховатости русла подо льдом в течение зимы [5]. При одной и той же стесненности русла расход воды перед вскрытием больше именно по указанной причине, следовательно, больше и зимний
К
коэффициент. Это приводит к такому распределению точек зим и а, которое показано на рис. 3. Однако метод наименьших квадратов
предусматривает проведение кривой Кзим =(1 -ап)“ по среднеудаленным значениям. В некоторых случаях отклонения невелики и погрешность вычислений не превышает погрешность измерения расхода воды под ледоставом.
Рис. 3. Распределение точек Кзгж = / (а) на р. Колве - д. Петрецова в зимний период (1944-1954 гг.)
Средние и малые реки Среднего Урала, Среднего Приобья мало подвержены шугообразованию, однако такие случаи имеют место. Согласно М.Л. Рупперту [6] ошибка измерения расхода воды при детальном способе при ледоставе без шуги составляет 5-7%, при зашугованности больше 10% -7-10%. В. Д. Быков, А.В. Васильев [1] рассчитывают погрешность при шуге более 20%, как 5-10%, предельная составляет 45%.
Коэффициенты детерминации построенных кривых Кзим =(1 -ап) по
створам Росгидромета: р. Вогулка - с.Шамары, р. Чусовая - д. Н. Шалыги за зимы с 1952-53гг., а также по створам ОАО «Гипротюменнефтегаз»: р. Кутып-Яорты - в/п №43, р. Ампута - в/п №50, р. Нишль-Манай-Майта -в/п№57, ручей без названия - в/п №61 за зимы 1982-83, 83-84 гг. (рис.4, 5) находятся в пределах 0,80-0,95.
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Рис. 4. Зависимости Кзим = / (а) для рек Среднего Приобья в зимний период (1982-83, 1983-84, 1984-85 гг.)
Рис. 5. Зависимости Кзим = /(а) для рек бассейна Камы в зимний период (1952-53
гг.)
Результаты анализа погрешностей измерения расходов воды за зимы 1952-53 гг. для рек бассейна Камы и за зимы 1982-83 и 1983-84 гг. для рек Среднего Приобья представлен в табл. 1.
Таблица 1
Оценка качества зависимостей Кзим = / (а). Сравнение точности расчетов по полученным зависимостям с расчетами методом интерполяции между
ИРВ
Дата а V & 8 II Отклонение, % Кзим в случае интерполяции через 2 ИРВ н ^ о , й ^ о > в 1 § ^ н 2 ° ь? Дата а V & 8 II отклонение, % Кзим в случае интерполяции через 2 ИРВ Отклонение от Кзим 0. изм/°к.р) ,%
р.Чусовая - д.Н.Шалыги, 1952-53 гг. р. Ампута - в/п №50, 1983 г г 4 8 -
04.11.1952 0,07 0,44 0,47 7,3 22.01.1983 0,40 0,38 0,28 30,2
21.11.1952 0,11 0,38 0,34 11,9 0,39 13,7 03.02.1983 0,41 0,37 0,25 37,7 0,27 6,2
08.12.1952 0,17 0,31 0,33 6,8 0,32 3,1 15.02.1983 0,44 0,33 0,25 29,4 0,26 5,5
16.01.1953 0,27 0,24 0,24 2,6 0,25 4,1 24.04.1983 0,54 0,23 0,22 3,3 0,27 19,4
12.02.1953 0,32 0,21 0,20 0,3 0,23 14,0 01.05.1983 0,52 0,25 0,27 6,1 0,27 1,2
21.03.1953 0,37 0,18 0,17 1,5 0,21 21,1 13.05.1983 0,50 0,27 0,28 2,5 0,35 23,5
07.04.1953 0,35 0,19 0,20 7,3 20.05.1983 0,45 0,32 0,33 1,9 0,41 21,4
среднее отклонение, % 5,4 11,2 26.05.1983 0,38 0,40 0,41 2,3 0,45 9,7
р.Вогулка - с.Шамары, 1952-53 гг. 29.05.1983 0,36 0,43 0,44 3,7 0,47 5,9
02.11.1952 0,4 0,39 0,47 17,4 01.06.1983 0,26 0,56 0,51 9,5
10.11.1952 0,32 0,46 0,38 19,4 0,33 14,1 среднее отклонение, % 1 12,7 | | 11,6
12.11.1952 0,54 0,28 0,31 10,9 0,35 12,1 р. Нишль-Манайн-Майта-в/п№57 1982-83,83-84гг.
17.11.1952 0,57 0,26 0,26 0,3 0,31 17,5 15.11.1982 0,24 0,63 0,68 7,1
23.11.1952 0,63 0,22 0,25 12,9 0,21 17,4 30.11.1982 0,33 0,52 0,58 9,8 0,62 6,8
30.11.1952 0,68 0,19 0,19 3,5 0,16 17,1 07.12.1982 0,33 0,52 0,63 18,3 0,57 9,7
08.12.1952 0,65 0,21 0,15 40,1 0,15 0,0 16.12.1982 0,33 0,52 0,54 5,5 0,52 4,6
19.12.1952 0,7 0,17 0,15 15,7 0,13 14,3 27.01.1983 0,49 0,34 0,34 0,7 0,34 0,7
28.12.1952 0,71 0,17 0,16 3,9 0,12 28,6 12.02.1983 0,51 0,32 0,27 16,4
10.01.1953 0,78 0,12 0,12 1,7 0,12 0,0 11.12.1983 0,40 0,44 0,38 15,3
28.01.1953 0,73 0,16 0,11 48,6 0,12 8,7 18.12.1983 0,43 0,40 0,42 4,4 0,37 13,1
13.02.1953 0,77 0,13 0,16 16,7 0,12 28,6 18.01.1984 0,48 0,35 0,21 49,8 0,26 20,1
28.02.1953 0,79 0,12 0,12 2,6 0,12 0,0 01.02.1984 0,57 0,27 0,24 8,9 0,21 15,1
08.03.1953 0,83 0,09 0,07 31,7 0,12 52,6 13.02.1984 0,50 0,33 0,30 11,7 0,2 39,1
11.04.1953 0,85 0,08 0,11 26,7 25.04.1984 0,66 0,19 0,18 6,4 0,23 26,3
среднее отклонение, % 16,8 16,2 30.04.1984 0,64 0,20 0,19 3,6
р. Кутып-Яорты - в/п №43, 1984-85 гг. 12.05.1984 0,67 0,18 0,20 10,8
01.02.1984 0,34 0,49 0,41 16,8 22.05.1984 0,57 0,26 0,27 5,9 0,38 32,2
18.02.1984 0,39 0,42 0,46 8,9 0,44 4,9 28.05.1984 0,36 0,48 0,43 11,4 0,57 27,4
29.02.1984 0,38 0,44 0,43 1,5 0,46 6,9 02.06.1984 0,25 0,63 0,66 5,6
11.03.1984 0,37 0,45 0,49 8,6 0,44 10,7 среднее отклонение, % 11,3 15,8
21.03.1984 0,30 0,53 0,53 0,2 0,49 8,2 ручей б/н (приток р. Ампута) - в/п №61, 1982-83гг.
30.03.1984 0,35 0,47 0,46 2,5 0,48 4,4 0,30 0,38 0,23 48,0
10.04.1984 0,36 0,45 0,46 2,5 0,43 7,2 0,42 0,24 0,26 5,7
20.04.1984 0,34 0,49 0,40 19,8 0,46 14,5 0,45 0,22 0,29 25,4
30.04.1984 0,30 0,53 0,69 26,8 0,46 40,1 0,45 0,22 0,22 2,3
09.05.1984 0,32 0,51 0,47 7,8 0,46 1,9 0,78 0,06 0,08 32,5
11.05.1984 0,06 0,90 0,81 9,7 0,87 6,7 0,69 0,08 0,04 65,0
11.05.1984 0,05 0,90 0,93 2,4 среднее отклонение, % 19,0
среднее отклонение, % 8,9 10,6
Средние отклонения значений Ким, вычисленных по зависимостям Кзим = /(а), от фактических значений в большинстве случаев находятся в пределах допустимой погрешности вычисления ЕРВ периода ледостава: для р. Вогулка средние отклонения составляют 5,4% (при наибольших - 11,9%), для р. Чусовая - 16,8% (48,6%), для р. Кутып-Яорты - 8,9% (26,8%), для р. Ампута - 12,7% (37,7%), для р. Нишль-Майн-Майта - 11,3% (49,8%), для ручья без названия (в/п №61) - 19,0% (65,0%). В таблице выполнено сравнение точности расчетов Кзим методом интерполяции между измеренными расходами (считая, что измерения производились втрое реже) с расчетами по зависимостям Кзим = /(а). Как видно, средние погрешности расчета Кзим методом интерполяции практически во всех случаях превышают средние погрешности расчетов по зависимостям Кзим = /(а): для р. Вогулка средние отклонения составляют 11,2% (при наибольших - 21,1%), для р. Чусовая - 16,2% (52,6%), для р. Кутып-Яорты - 10,6% (40,1%), для р. Ампута
- 11,6% (23,5%), для р. Нишль-Майн-Майта - 15,8% (39,1%), для ручья без названия (в/п №61) погрешности не оценивались. Таким образом, вычисление ЕРВ по зависимостям Кзим = /(а) в большинстве случаев дает меньшие погрешности (в 1,2-2,0 раза) в сравнении с вычислением ЕРВ при ограниченном количестве ИРВ методом интерполяции.
Анализ зависимостей Кзим = / (а) для Среднего Приобья показывает, что для рек, сходных по морфометрическим особенностям русла и условиям
замерзания, зависимости практически совпадают. Это открывает возможности использования полученных зависимостей в инженерных изысканиях неизученных водотоков, в целях вычисления расходов воды открытого русла на основании зимних ИРВ.
Случай с р. Вогулкой характеризует поле точек Кзим и а для «неглубокой» (глубина по уровню в среднем равна 0,6 м) реки: почти все они находятся правее значения а = 0,4. Створ на р.Чусовая у д.Н.Шалыги имеет глубину потока в те же зимы 1,5 м. Поэтому поле точек в этом случае имеет несколько иное расположение: они находятся левее значения а = 0,4. Реки Среднего Приобья имеют ширину в период ледостава 10-60 м, средние глубины 0,6-1,0 м. Эмпирические точки освещают зависимость Кзим = /(а) более или менее равномерно.
В ряде случаев проведение зависимости Кзим = /(а) по полю точек становится затруднительно. Для более обоснованного ее наведения нами предприняты попытка совместного анализа зависимостей Я; Осе; РЗ; Рсв ) = /(Я), где Н - уровень воды, остальные обозначения те же, что
в (1).
Ниже, на рис.6, представлены совмещенные зависимости Я;Осе;Р3;Рсе) = /(н) для рек Среднего Приобья (р. Кирилл-Выс-Ягун, р. Хапхльнутяй, посты Свердловского филиала ОАО «Гипротюменнефтегаз»). Зависимости получены весьма тесными, с коэффициентом детерминации 0,87-0,95. Зависимости отражают тот факт, что при одном и том же уровне воды расходы воды и площади водного сечения периода открытого русла всегда превышают эти значения для периода ледостава. На основании полученных зависимостей вычислены значения Кзим и а, нанесенные на
графики Кзим = /(а) (рис. 7).
Рис. 6. Совмещенные зависимости (О3; Осе; Е3; ¥ев ) = / (Н) для рек Среднего Приобья: р. Кирилл-Выс-Ягун (1), р. Хапхльнутяй (2)
Рис. 7. Зависимости Кзим = / (а), построенные по эмпирическим значениям Кзим,
откорректированные по значениям, вычисленным по совмещенным
графикам
Н3; Осе; Р3; ) = / (Н) для рек Среднего Приобья: Кирилл-Выс-Ягун (1),
Хапхльнутяй (2)
Для обоснования возможности применения гидравлического метода нами были предприняты попытки установления зависимостей (Я3;Осе) = /Яес), где Гвс - площадь водного сечения, м2. Подобные зависимости удалось построить только для рек Среднего Приобья (рис. 8); в
бассейне р. Камы зимние расходы, как правило, ниже расходов открытого русла в два раза.
12
1O
1O
15
2O
25
Рис. 8. Совмещенные зависимости (Q3; Qce ) = f (Fec) (б) и зависимости
K3uM = f (а)
(а) для пунктов на реках Среднего Приобья: Кирилл-Выс-Ягун - в/п №29 в зимний период 1981-82 гг. (1), Хапхльнутяй - в/п№ 86 в зимний период 1982-83, 1983-84 гг. (2)
Зависимости (3;Осв) = /(Рвс) не содержат в себе информации об уровнях воды и подтверждают тот факт, что для пропуска равных расходов воды в период ледостава требуется большая площадь водного сечения. Для створов постов возможно непосредственное использование подобных зависимостей. Для неизученных рек зависимости позволяют обоснованно подойти к определению параметров выражения (2). Разброс точек обусловлен изменяющейся шероховатостью нижней поверхности льда. Соотношения расходов воды при равных площадях изменяются в диапазоне
8
б
4
2
O
5
0,63 ± 0,08. Значение 0,63 отражает изменение гидравлического радиуса водного сечения зимой по сравнению с летними значениями, колебания относительно этого значения связаны с изменением шероховатости. Подобный способ оценки зимних расходов воды позволяет дополнить зависимости Кзим = /(а), поскольку не содержит информации о степени стеснения русла льдом. Для получения выводов о возможности использования зависимостей (<2З; Qсв ) = /(^вс) для обоснования зависимостей Кзим = /(а) необходимы дальнейшие исследования.
Обработка значений зимних ИРВ на постах Среднего Урала за несколько лет (1944-54 гг.) показывает, что средние погрешности вычисления Кзим по зависимостям Кзим = /(а), построенным за все зимы, в большинстве случаев допустимы (табл. 2).
Таблица 2
Расчетные зависимости Кзим = (1 -ап )т в виде формул, полученные по данным ИРВ всех зим за период 1944-54 гг., принятых к расчету; погрешности расчетов по зависимостям
№ п/п Река - пост Формула Ср.отклонения фактических значений Ким от Кзим ^а)> % п/ п № Река - пост Формула и н яе ё В ^ ох ^ Н £ і 3 ^ ° <ц Н а § ° и н з £ ф
1 р.Березовая -д.Булдырья о" б - т К 14 13 р.Лысьва - пос.Креж К=(1-а)30 23
2 р.Вильва -корд .Узкий К=(1-а0'4)14 20 14 р.Сулем - с.Галашки К=1-а02 61
3 р.Вишера -д.Митракова К=(1-а0'4)12 14 15 р.Сылва -с.Подкаменное К=(1-а0’7)1,5 22
4 р.Вишера -пос.Рябинино К=1-а03 10 16 р.Сылва - р.п.Суксун К=(1-а)20 20
5 р.Вишерка - д. Фадина К=(1-а0,6)1,4 14 17 р.Сылва - с.Троица К=(1-а06)1’6 24
6 р. Вогулка -р.п.Шамары К=1-а06 20 18 р.Сылва -р.п.Шамары К=1-а04 21
7 р.Койва -д.Федотовка К=(1-а07)15 37 19 р.Усьва - пос.Вилуха К=(1-а0’8)1,3 21
8 р.Колва -д.Петрецова К=(1-а)30 42 20 р.Усьва - ст.Усьва К=(1-а0’7)1,4 38
9 р.Колва -д.Подбобыка К=(1-а08)12 12 21 р.Чусовая - с.Косой Брод К=(1-а0,7)1'4 36
10 р.Колва - с.Покча о' б - =1 К 27 22 р.Чусовая -д.Н.Шалыги К=1-а0’3 18
11 р.Косьва -с.Троицкое К=1-а02 39 23 р.Чусовая -р. п. Староуткинск К=(1-а0,8)1,7 44
12 р. Кутим - д. Кутим К=(1-а0'6)1'6 20 24 р.Яйва - К=1-а0’7 24
с.Подслудное
Сведения о постах ведомственной сети, материалы которых использованы в расчетах, представлены в табл. 3.
Таблица 3
Сведения о постах Свердловского филиала ОАО «Гипротюменнефтегаз»
№ Река-пост Куда впадает Площадь водосбора Б, км2 Значения при среднем меженном уровне воды
Ср. глубина, м Ширина, м
1 р. Кирилл-Выс-Ягун - в/п№29 р. Тром-Юган 870 1,10 21,6
2 р. Кутып-Яорты - в/п №43 р. Лагрн-Еган 160 1,00 10,0
3 р. Ампута - в/п№50 р. Аган 3180 1,19 61,5
4 р. Хапхльнутяй - в/п№53 р. Ампута 226 1,15 11,0
5 р. Нишль-Манай-Майта - в/п №57 р. Ампута 477 0,85 17,0
6 ручей б/н - в/п №61 р. Ампута 58,7 0,68 6,50
Все же в отдельных случаях ошибки превышают 30%. Для повышения точности расчетов ЕРВ зимнего периода необходимо выполнить
классификацию зависимостей Кзим = /(а) по степени суровости зимы,
характеру ледообразования, морфометрическим параметрам русел (использование зависимостей Кзим = /(а) для расчетов ЕРВ рек за схожие по гидрометеорологическим условиям зимы дает погрешности в 2-3 раза меньшие по сравнению с зависимостями, построенными по всему полю точек (см. табл. 1). Классификация будет выполнена в дальнейших исследованиях.
Выводы. Качество проводимой кривой и численные значения степеней в выражении Кзим = (1 -ап) будут зависеть от:
1) количества ИРВ зимой и освещенности ими всего периода ледостава;
2) характера замерзания водотока и продолжительности ледообразования, начальной толщины льда, наличия процессов шугообразования, полыней за зимний период (величины и динамики шероховатости русла подо льдом);
3) морфометрических параметров русла (глубина, толщина льда, ширина русла);
4) степени суровости зимы: скорости нарастания льда,
максимальной толщины льда;
5) качества кривой расходов при свободной поверхности.
Анализ многочисленных ИРВ в период ледостава как во времени (весь интервал ледостава, разные по степени суровости зимы), так и в пространстве (различные по морфометрическим показателям, характеру ледообразования реки) показывает, что использование зависимостей
Кзим = /(а) позволяет повысить точность определения расходов воды при недостаточности или отсутствии гидрометрической информации.
Анализ материалов наблюдений на реках бассейна Средней Оби доказывает возможность использования зависимостей Кзим = / (а) для определения ЕРВ неизученных рек, схожих по ряду признаков, методом аналогии. Данное обстоятельство позволяет существенно сократить сроки инженерных изысканий, обходясь ИРВ зимнего периода для вычисления ИРВ открытого русла.
Для обоснованного наведения кривых Кзим = / (а) при большом разбросе эмпирических значений или при неполном освещении данными всего диапазона значений а предложено проводить совместный анализ зависимостей (; Qcв; ^^) = ) (Н).
В качестве самостоятельного метода вычисления зимних расходов, а также в качестве основы для разработки гидравлического метода предложено использование зависимостей ^З; Qcв ) = /^в с).
Вычисление расходов воды под ледоставом с помощью поправок на уровень воды в условиях Среднего Урала невозможно, так как летние расходы часто вдвое превышают зимние, что затрудняет экстраполяцию кривой расходов свободного русла в область малых уровней. В то же время этот способ применим для рек Среднего Приобья.
Указанный метод предпочтительнее гидравлического способа, так как последний требует наличия материалов наблюдений над уклоном водной поверхности и значения коэффициентов шероховатости русла подо льдом. Коэффициент шероховатости русла подо льдом в настоящее время по предлагаемым формулам средневзвешенного (Белоконя-Сабанеева [5]) лежит между значениями коэффициентов шероховатости русла и нижней поверхности ледяного покрова, однако общеприменимого метода для его применения на сегодняшний день нет.
Библиографический список
1. Быков В.Д. Гидрометрия / В.Д. Быков, А.В. Васильев. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 448 с.
2. Гириллович И.А. Гидрометрия / И.А. Гириллович. М.: Изд-во ОНТИ НКТП СССР, 1937. 326 с.
3. Железняков Г.В. Пропускная способность русел каналов и рек / Г.В. Железняков. Л.: Гидрометеоиздат, 1981.
4. Карасев И.Ф. Речная гидрометрия и учет водных ресурсов / И.Ф. Карасев. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 311 с.
5. Нежиховский Р.А. Коэффициенты шероховатости нижней поверхности шуголедяного покрова / Р.А. Нежиховский // Тр. ГГИ. 1964. Вып.110. С. 54-82.
6. Рупперт М.Л. О точности определения расхода воды в зимних условиях / М.Л. Рупперт // Тр. ГГИ. 1968. Вып. 160.
7. Федоров Ф. Учет стока рек при ледоставе / Гидротехническое строительство. 1933. №7. С. 18-20.
Ф. Федоров //
