CC BY
15НАУЧНЫЕ СТАТЬИ
Гидрометеорология и экология №1 2015
УДК 551.577
Канд. техн. наук П.Ж. Кожахметов * К.Т. Елеуова Б. О. Баймагамбетов А.А. Нурбацина
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СНЕГОВЫХ НАГРУЗОК НА ГРУНТ ПО ГОРНЫМ ТЕРРИТОРИЯМ ВОСТОЧНОГО КАЗАХСТАНА
СНЕЖНЫЙ ПОКРОВ, СНЕГОМЕРНЫЙ МАРШРУТ, КАРТА 2 % ОБЕСПЕЧЕННОСТИ
По результатам наблюдений на 9 снегомерных маршрутах и 22 метеостанциях Казгидромета, расположенных в горных системах восточного Казахстана, в системе ArcGIS построена карта распределения снеговой нагрузки на грунт с повторяемостью 1 раз в 50 лет.. Наибольшие снегозапасы и соответствующие им снеговые нагрузки 2 %-ной обеспеченностью от 1,5 до 5,6 кПа отмечаются в горах западного Алтая (хребты Ульби, Ивановский, Оба). В горах Южного Алтая снеговые нагрузки изменяются от 2,4 до 5,6 кПа, хр. Листвяга - от 3,2 до 5,6 кПа, хр. Куршим от 1,5 до 2,4 кПа. В горах Тарбагатай от 2,4 до 4,0 кПа, в горах Саур от 1,2 до 1,5 кПа.
Исследование нагрузок на сооружения является одной из главных задач строительной механики. Среди нагрузок на строительные конструкции наиболее изменчивыми, с большим статистическим разбросом, являются снеговые. Повторяющиеся повреждения покрытий зданий из-за снеговых нагрузок требуют решение этой проблемы с помощью современных подходов, незамедлительно. Эта задача является трудной и обширной, и ее решение по ряду причин оказывается недостаточным и еще далеким от исчерпания [5].
В РГП «Казгидромет» с 2013 г. выполняется работа по расчету снеговых нагрузок для адаптации и внедрения в строительные нормы РК требований Европейских нормативов с использованием ArcGIS-технологий [8].
Исследованиями снеговых нагрузок в горах Восточного Казахстана занимались Северский И.В., Благовещенский В.П., Пиманкина Н.В. [10, 12, 13, 14, 15], Воргина С О. [1, 2], Голубцов В.В., Ли В.И. [3] и др. Об исследо-
* РГП «Казгидромет», г. Алматы 8
ваниях снежного покрова учеными Казахстана и России и использованных методах обработки материалов наблюдений изложено в статье [4]. Голубцо-вым В.В. и Ли В.И. установлены закономерности изменения снегозапасов от высоты местности для бассейнов рек Восточного Казахстана [3].
Для получения формул зависимостей снеговых нагрузок от высоты местности использованы материалы наблюдений над снежным покровом на 9 стационарных снегомерных маршрутах (табл. 1) (строки 1 - 9) и на 14 метеорологических станциях (М) (строки 12 - 14) [6, 7]. Маршрут в строке 10 был исключен из-за малого периода наблюдений и перерыва.
Маршруты 1 - 9 включают 124 снегомерных пункта (СП), из которых 20 (16 %) находятся на высотах, равных или превышающих 2000 м БС. Наибольших высот, в пределах 2210.. .2460 м БС, достигают 4 маршрута: Карака-ба, Белая Берель, Сарымсакты и Каргыба, расположенные в хребтах Сарым-сакты, Тарбагатай, Катын. Диапазоны высот СП в 9-и маршрутах изменяются в пределах от 630 до 2460 м БС, в среднем равняясь 1545 м БС.
Карта распределения снеговых нагрузок на грунт составлялась по данным наблюдений на 9 снегомерных маршрутах и на 22 метеорологических станциях, расположенных на высотах от 396 м до 3917 м.
В табл. 2 приведены данные о высотах и осредненных параметрах снежного покрова для 22 метеорологических станций, расположенных в горных системах казахстанского Алтая и хребтах Саур и Тарбагатай.
На рис. 1 приведен график зависимости дат образования и разрушения устойчивого снежного покрова от высоты местности, построенных по данным метеостанций Южного Алтая и Саур-Тарбагатая. На графике прослеживается тенденция смещения даты образования устойчивого снежного покрова на более ранние сроки, а даты разрушения на более поздние.
Так, на горных станциях (Маркаколь, Лениногорск) устойчивый снежный покров устанавливается в начале ноября, а в предгорьях в середине ноября.
На предгорной станции Бакты (441 м БС) продолжительность залегания устойчивого снежного покрова составляет 117 суток, а на горных станциях Катон-Карагай (1067 м БС) и Маркаколь (1372 м БС) 166 и 190 суток соответственно.
По данным снегомерных маршрутов максимальные значения снежного покрова наблюдаются в феврале - марте. Средняя из максимальных высот снега составляет 63 см, изменяясь из года в год от 38 до 98 см. Наибольшая измеренная высота снега составила 156 см (М Маркаколь, 1397 м БС).
9
Таблица 1
Характеристики снегомерных маршрутов в бассейнах горных рек и метеорологических станций Восточного Казахстана
№ п/п Маршрут Бассейн Начало наблюдений, год Число СП / из них > 2000 м, шт. Горная система Высота нижнего СП, м БС/номер Высота верхнего СП, м БС/номер Диапазон высот СП, м
1. Оба р. Ертис 1981 14/0 хр. Оба, Ивановский, Становой 1000/2 1630/ 14 630
2. Шаравка р. Ертис 1981 14/0 хр. Оба 630/1 950/ 14 320
3. Белая Берель р. Ертис 1955 16/4 хр. Катын 1140/ 14 2420/4 1280
4. Каракаба р. Ертис 1974 11/3 хр. Тарбагатай 1540/8,11 2210/18 670
5. Каргыба р. Ертис 1968 14/3 хр. Тарбагатай (сев. склон) 810/20 2460/ 13 1650
6. Ульби р. Ертис 1959 16/2 хр. Ульби 910/1 2040/ 16 1130
7. Уржар оз. Алаколь 1958 13/0 хр. Тарбагатай (южн. склон) 790/ 10 1690/ 13 900
8. Сарымсакты р. Ертис 1953 15/6 хр. Сарымсакты 1490/30 2420/ 28 930
9. Кендирлик оз. Зайсан 1967 (2 СП), 11/2 хр. Саур 920/2 2120/30 1200
2005 (8 СП)
10. Тургусун р. Ертис 1977... 1993, 11/0 хр. Ивановский 500/1 1530/ 11 1030
2011
12. М хр. Тарбагатай 1970 5/0 хр. Тарбагатай 1947 606 1341
13. М хр. Калба 1970, 1977 5/2 хр. Калба 815 3017 2202
14. М хр. Куршим 1970 4/0 хр. Куршим 1012 359 653
Р 2 ег а ^ * *
й о Я 8 Я О
О
о я
Н
о ъ о я
Ё
О го
я >5 « §
ё р
Р
8с
№ Я со
я
я
ё Е Я
я
д я 5 В Р я ^ Ч
Н ^
й
О > К р
м ^ р я о
(Я
о я 8 Кс
Я Е
о
Е
¡=1
о н
(Я р
«ДДНННО
р р р р р р р
£ 4з ^
О бг1 № С\ О) О) ТЗ
* 3 3 ц 3 ц
3 3 3
й й й
я
Б 8
Яс Яс Яс
о я 8 Кс
00
оо ю о о о оо оо ю 00
о о о о ю 00 ю о
- - - - - - - - - - -
ю о ю о о оо о о оо о ю 00 ю ю ю оо о
о о о о о о о оо о оо о оо о оо о оо
о
ОО ОО Ю Ю О 00 ОО о 1-»
ОО О ОО
I— ю ■4^ К»
I— ю
ОО 0\ (Л Ш ч|
. . ^^ -)—
К)
оо ^ ОС о ОС "чо "чо
ю
о
н
ё
с
о я
й к
ТЗ » о
со 3 1-1 ^ 4 н
о
Высота, м БС
Высота снега, максимальная из наибольших, см
Число суток со снежным покровом
Дата образования
устойчивого снежного покрова
Дата разрушения
устойчивого снежного покрова
Запас воды в снеге, максимальный из наибольших, мм
Запас воды в снеге, средний из наибольших, мм
Значение снеговой нагрузки на грунт, кПа, ВП 2%
ё
р %
о ъ Я о н 8 Я Р о Я
о *
Я О
О
я
о £
о
(Я р
я о о н
ё
с
я »
я
8 р
X о н
ё о я о
о >
§
ч
й. о\ Й я
с р
ю
к я И « <<
£ 8 г оч
г ^з Р
р
о\ ? ёс 3
Б 8
ё
Е Е
ё
о я
ё
£
я я я н
ё 8 8 ё О! Р § о\
р
со со
я я о о
ц ё«
Я ё Ч ё я ё я ё
о\ о\ о\ о\
р ц р р
3
ёс
О
о Я о л я я
я я
1л410\н0\0юи10\000
(Л оо
^ Ы С\
00 ю о оо 00 оо о оо
оо о ю ю оо о -
- - - - - - - - - - -
о о ю о о ю о оо ю ю ю о 00
о о оо о оо о оо о о о о оо о оо о оо о
Ы Ы <3\ м . ^ ы ф ^ Ш Ю ^ ф и. н ОО и. К) 01 н и
0\ К) О! ы
и ь-
ОО
^ Ю ^
£ <1 ю о
"оо ОС '->' ОС ОС
ю
о
н
ё с
я »
о я
Й к
ТЗ » о
со 3
1-1
4 н со
Высота, м БС
Высота снега, максимальная из наибольших, см
Число суток со снежным покровом
Дата образования
устойчивого снежного покрова
Дата разрушения
устойчивого снежного покрова
Запас воды в снеге, максимальный из наибольших, мм
Запас воды в снеге, средний из наибольших, мм
Значение снеговой нагрузки на грунт, кПа, ВП 2%
1400 1200 и 1000
и
й 800
га
О 600
¡2 400
200 13 02
;
; ♦ ♦
4 4
ф.
♦ Ч)
♦ Ф
1 А
4.04
24.05
16.09
5 11
25 V.
Рис. 1. Зависимости дат установления и разрушения устойчивого
снежного покрова от высоты местности в горных районах Восточного Казахстана.
В табл. 2 представлены максимальные и средние запасы воды в снежном покрове, вычисленные из наибольших годовых величин, измеренных за многолетний период. Они определяют нагрузки снежной массы на грунт и перекрытия сооружений. В этой же таблице представлены рассчитанные для метеостанций снеговые нагрузки на грунт с обеспеченностью 2 %. Эти величины соответствуют Европейскому стандарту для строительства (Еврокоду-1). Определены кривые обеспеченности годовых максимальных запасов воды в снеге из наибольших многолетних значений. Они были экстраполированы до обеспеченности 2 %, т.е. до вероятности повторения 1 раз в 50 лет. Эти величины (столбец 10) пропорциональны максимальным из наибольших годовых запасов воды в снеге (столбец 8).
Для значений снеговых нагрузок на грунт обеспеченностью 2 % были определены параметры а и Ь в зависимости от высоты местности
8к = ах + Ь, (1)
где 8к - снеговая нагрузка, кПа; г - высота местности, м БС; а - угловой коэффициент уравнения зависимости снеговой нагрузки от высоты местности, кПа / м БС; Ь - постоянный член уравнения, кПа.
В качестве примера приведена формула для расчета снеговой нагрузки для бассейна р. Берель.
Река Белая Берель является правобережным притоком р. Бухтармы и вытекает из мореных отложений Берельских ледников хр. Катын на вы-
13
соте 1824 м. В долинах притоков и среди котловин и впадин, особенно в верхней и средней части бассейна имеется много озер, вода в которых сохраняется в течение всего года. На всем протяжении долина реки проходит среди мощных горных хребтов. В зоне 2500 м растительность отсутствует, ниже до 2000 м - зона альпийских лугов, а ниже 2000 м - область древесно-кустарниковой растительности. Ширина долины по дну меняется в пределах 20... 1600 м, преобладающая 900 м. Площадь бассейна реки у села Белая Берель составляет 1050 км2, длина 57 км. В зимний период в бассейне реки имеет место сход снежных лавин. Наиболее опасным в этом отношении является участок между СП 10 и СП7.
В бассейне р. Белая Берель РГП «Казгидромет» ведет наблюдения на 13 снегомерных пунктах на высотах от 1140 до 2420 м (табл. 3). Все снегомерные пункты располагаются на прибрежных террасах основной реки и ее притоков, как правило на открытых горизонтальных участках (СП 4, СП 6, СП 7, СП 9, СП 13, СП 14) или на склонах с незначительными уклонами от 2.3° (СП 3, СП 5, СП 8) до 5. 7° (СП 10, СП 12), и являются фоновыми. Наблюдения ведутся с октября 1955 года.
Таблица 3
Сведения о высоте, экспозиции и крутизне склона по месту расположения снегомерных пунктов в бассейне реки Белая Берель
Снегомерный пункт (СП) Высота положения, м БС Экспозиция склона Крутизна склона, град Снеговая нагрузка, обеспеченностью 2 % кПа
СП 3 2140 СЗ 3 11,78
СП 4 2420 горизонталь 0 11,24
СП 5 2160 З 2.3 9,21
СП 6 2010 гор 0 8,36
СП 7 1990 гор 0 8,49
СП 8 1770 ССЗ 3 7,47
СП 9 1670 горизонталь 0 7,18
СП 10 1600 ЮЮВ 5 5,47
СП 11 1660 В 5.7 4,81
СП 12 1540 Ю 5 4,32
СП 13 1240 горизонталь 0 2,58
СП 14 1140 горизонталь 0 2,35
В качестве функции распределения для максимальных запасов воды в снеге выбрано распределение экстремумов Гумбеля, которое наиболее удачно описывает эмпирические данные в верхней части кривой, в об-
14
ласти редкой повторяемости. По данным снегомерных пунктов была построена зависимость снеговых нагрузок от высоты местности 2 % обеспеченности (рис. 2) и определены параметры уравнения регрессии (2) с коэффициентом корреляции Я = 0,98. Полученная зависимость показывает, что с увеличением высоты местности на 100 м (от 1140 до 2420 м БС), снеговая нагрузка линейно возрастает на 0,007 кПа.
Уравнение регрессии снеговой нагрузки от высоты местности для бассейна реки Берель имеет вид:
& = 0,0074г - 6,31.
(2)
Уравнение проверено на значимость с помощью Б-критерия Фишера:
Г = 4 96-
крит.
Рнабл. = 244.
Фактическое (наблюденное) значение Рнабл превышает табличное (критическое) Гкрит значение, следовательно, уравнение регрессии (2) является
значимым и может использоваться для расчетов снеговой нагрузки в бассейне р. Б. Берель.
14
ей
^ 12
ей И
СО &
ей К ьч
ей «
О
(-4
(и
к
и
10 8 6 4 2 0
у = 0,0074х - 6,3128 Я2 = 0,9606
500 1000 1500 2000
Высота м
2500 3000
Рис. 2. График зависимости снеговой нагрузки от высоты местности в
бассейне реки Б. Берель.
Эти зависимости характеризуются достаточно высокой теснотой связи, их коэффициенты корреляции равны 0,68.0,98, и по критериям Фишера они являются значимыми.
15
Полученные формулы позволяют рассчитывать снеговые нагрузки для указанных районов. Экстраполяция этих зависимостей за пределы высот эмпирических точек не предусматривается из-за отсутствия обоснования. Для бассейнов рассматриваемых рек с помощью ArcGIS-технологий построена карта распределения снеговых нагрузок с вероятностью превышения 1 раз в 50 лет (Р = 2 %). Растровая карта построена в масштабе 1:5000 000 с точностью до 0,1 кПа в проекции WGS_1984_UTM_Zone_42N. Аналогичным способом получены уравнения для других бассейнов рек и метеорологических станций в горах Са-ур, Тарбагатай, а так же хребтах Южного и Западного Алтая - Ивановский, Оба, Ульбинский, Сарымсакты, Кутунский (табл. 4).
При составление карты использованы результаты кластерного анализа, условия расположения метеорологических станций и снего-пунктов на снегомерных маршрутах в бассейнах горных рек - рельеф, экспозиция склонов, наличие водоразделов и седловин.
Учитывались также результаты исследований Института географии [9], рекомендации, руководства и публикации разных авторов [10, 11], топографические карты различных масштабов.
При выделении районов снеговых нагрузок для их картирования, использовались и данные станций, характеризующих условия открытого ровного места. Для выделения районов рассчитывался критерий оптимальности - алгоритм Прима-Краскала, границы уточнялись по индексу Чебышева.
Были рассчитаны многоплановые тесты Крускаля-Уоллиса, Вил-коксона, Манна Уитни, Серий, которые помогали относить исследуемую местность к тому или иному району.
На карте восточной части Казахстана (рис. 3) видно, что наибольшие снегозапасы и соответствующие им снеговые нагрузки 2 %-ной обеспеченностью от 1,5 до 5,6 кПа отмечаются в горах западного Алтая (хребты Ульби, Ивановский, Оба). В горах Южного Алтая снеговые нагрузки изменяются от 2,4 до 5,6 кПа, хр. Листвяга - от 3,2 до 5,6 кПа, хр. Куршим от 1,5 до 2,4 кПа. В горах Тарбагатай от 2,4 до 4,0 кПа, в горах Саур от 1,2 до 1,5 кПа.
16
Таблица 4
Уравнения зависимости снеговой нагрузки от высоты местности в горных районах и в бассейнах горных рек
Восточного Казахстана
№ пп Горная система, бассейн реки Число снегомерных пунктов Уравнение регрессии Коэффициент корреляции Ошибка уравнения Критерии Фишера расч. /критич.
1. р. Оба, хр. Оба 14 СП 8 = 0,0043 ъ- 1,2758 0,79 0,76 21/4,75
2. р. Шаравка, хр. Оба 14 СП 8 = 0,0127 ъ- 3,6658 0,89 0,46 113/4,75
3. р. Берель, хр. Листвяга 11 СП 8 = 0,0074 ъ- 6,3128 0,98 0,64 244 / 4,96
4. р. Каракаба, хр. Тарбагатай 11 СП 8 = 0,0019 ъ + 1,1737 0,84 0,31 11,6/6,6
5. р. Каргыба, хр. Тарбагатай, сев. склон 14 СП 8 = 0,0049 ъ- 6,276 0,92 0,87 50,6/4,75
6. р. Ульба, хр. Ульби 16 СП 8 = 0,0133 ъ- 6,155 0,91 2,26 69 / 4,67
7. р. Урджар, хр. Тарбагатай, южн. склон 13 СП 8 = 0,0021 ъ + 3,8001 0,73 0,56 12,6/4,84
8. р. Сарымсакты, хр. Сарымсакты 14 СП 8 = 0,0055 ъ- 7,6123 0,70 1,53 10,5/4,84
Рис. 3. Карта снеговой нагрузки на грунт в бассейнах рек Восточного Казахстана обеспеченностью 2 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Воргина С. О. Районирование равнинной территории Казахстана по весу снежного покрова. // Тр. КазНИГМИ. - 1992. - Вып. III. - С. 153-157.
2. Воргина С. О. Режим снежного покрова и снеговые нагрузки на территории Республики Казахстан: Автореф. дис. ... канд. геогр. наук. -Алматы, 1994. - 18 с.
3. Голубцов В.В., Ли В.И. О предвесенних снегозапасах в горных бассейнах Восточного Казахстана. // Тр. КазНИИ Госкомгидромета. -1983. - Вып. 80. - С. 53-58.
4. Кожахметов П.Ж., Елеуова К.Т., Баймагамбетов Б.О., Нурбацина А.А. Распределение снеговых нагрузок по горным территориям юга и юго-востока Казахстана // Гидрометеорология и экология. - 2014. - №4 -С. 7-20.
5. Ледовской И.В. Проблемы теории снеговых нагрузок на сооружения: Автореф. дис. ... доктора техн. наук / СПБГАСУ. - СПб., 2009. - 35 с.
6. Материалы наблюдений за снежным покровом и осадками в горах (Маршрутные снегомерные съемки, наблюдения по суммарным осад-комерам). - Алматы: 1970-2012 гг.
7. Метеорологические ежемесячники. - Алмата: 1970-2011 гг.
8. Методические указания «Воздействия на несущие конструкции». -Астана: Агентство РК по делам строительства и ЖКХ, 2012.
9. Национальный атлас Республики Казахстан. Т. 1. Природные условия и ресурсы. - Алматы: 2010. - 149 с.
10. Пиманкина Н.И. Изменения климата и опасность сильных снегопадов и снеговых нагрузок в горах Казахстана // Гидрометеорология и экология. - 2014. - №3. - С. 34-44.
11. Руководство по картографическим и картоиздательским работам. -Ч. 3. Составление и подготовка к изданию топографической карты масштаба 1:1000000. - М.: 1985. - 141 с.
12. Северский И.В., Благовещенский В.П. Лавиноопасные районы Казахстана. - Алматы: Наука, 1990. - 171 с.
13. Северский И.В., Благовещенский В.П. Оценка лавинной опасности горной территории. - Алматы: Наука, 1983. - 217 с.
14. Северский И.В., Благовещенский В.П., Северский С.И., Пиманкина Н.В., Се Зичу, Жан Жизонг, Ху Руджи. Снежный покров и лавины Тянь-Шаня / МОН РК, Академия наук КНР. - Алматы, 2006. - 183 с.
19
15. Северский И.В., Кокарев А.Л., Пиманкина Н.В. Водные ресурсы Казахстана: Оценка, прогноз, управление. Том VI. Снежно-ледовые ресурсы Казахстана. - Алматы: 2012. - 244 с.
16. Чупахин В.М. Природное районирование Казахстана - Алма-Ата: 1970. - 261 с.
Поступила 20.02.2015
Техн. гылымд. канд. П.Ж. Кожахметов
К.Т. Елеуова Б. О. Баймагамбетов А.А. Нурбацина
ШЫГЫС ЦАЗАЦСТАН АЙМАГЫНЬЩ ТАУ АУМАЦТАРЫ БОЙЫНША ЦАР ЖУКТЕМЕСШЩ ТОПЫРАЦ БЕТ1НЕ ТАРАЛУЫ
Цазгидрометт1ц Шыгыс Цазацстанныц таулы аймацтарында орналасцан 9 цар влшеу багыты жэне 22 метеостансаларыныц бацыглау нэтижелер1 бойынша ArcGIS жуйеанде цар жуктеместщ топырац бетте таралу картасы жасалынды. Ец жогары цар цоры жэне сэйкестше 2 % цамтамасыздыцтагы 1,5 тен 5,6 кПа цар жуктемес Батыс Алтай (Глб1, Ивановский, Оба жоталары) тауларында бацыланады. Оцтуст1к Атай тауларында цар жуктемелер1 2,4 тен 5,6 кПа аралыгында, Листвяга жотасында - 3,2 ден 5,6 кПа дешн, Курш1м жотасында 1,5 тен 2,4 кПа дешн. Тарбагатай тауларында 2,4 тен 4,0 кПа, Саур тауларында 1,2 ден 1,5 кПа аралыгында взгеред1.
20
