Определение объемов и расходов ливневых и талых вод с малых водосборов

Количество воды, притекающей к сооружению с малого водосбора, поддается теоретическому расчету. Однако при этом неизбежны некоторые допущения. Наиболее трудно учесть ход дождя, снеготаяния и впитывания воды в почву во времени. Расчеты по нормам стока ведут с одинаковой схематизацией для всех водосборов и со стандартной оценкой метеорологических факторов стока по достаточно большим районам. Считают, что вероятности превышения объемов и расходов стока совпадают с вероятностями превышения стокообразующих факторов, т.е. ливней и снеготаяния, вызывающих сток. На основании этого предположения по результатам длительных наблюдений за осадками и снеготаянием вычисляют расходы и объемы стока расчетной вероятности превышения, переходя к ним от метеорологических факторов по теоретико-эмпирическим зависимостям. Корректировка таких теоретических норм стока возможна только путем сопоставления размеров стока, зафиксированных инструментально одновременно с измерением метеорологических факторов. Однако наблюдений за стоком с малых водосборов проводилось немного, в связи с чем чаще всего ограничиваются расчетом расходов и объемов ливневого стока по нормам, без их корректировки по данным натурных измерений.

Упрощенно предполагают, что ливневые воды притекают к сооружению по почти треугольному гидрографу. Максимальный расход, т.е. наибольшая ордината гидрографа наблюдается весьма короткое время, однако он является расчетной величиной, подлежащей обязательному определению.

Действующие нормы по определению расчетных гидрологических характеристик рекомендуют для малых водосборов осуществлять расчет ливневого стока, пользуясь принципом «предельных интенсивностей».

Одним из способов расчета, основанном на принципе «предельных интенсивностей» и дающим все необходимые характеристики ливневого стока, используемые в дорожном проектировании, является методика, разработанная в МАДИ проф. О.В. Андреевым и А.Ф. Шахидовым. При этом целесообразно использовать характеристики метеорологических факторов стока, установленные Союздорпроектом. Так называемый «коэффициент неполноты (редукции) стока» также следует принимать по нормам Союздорпроекта.

В основе расчета лежит общая формула максимального расхода ливневого стока:

где (15.2)

а_час - интенсивность ливня часовой продолжительности, мм/мин (табл. 15.7);

Таблица 15.7.

Допускаемые скорости воды для укреплений

Районы	Интенсивность ливня часовой продолжительности, мм/мин, при ВП, %
						0,3	0,1
	0,22	0,27	0,29	0,32	0,34	0,40	0,49	0,57
	0,29	0,36	0,39	0,42	0,45	0,50	0,61	0,75
	0,29	0,41	0,47	0,52	0,58	0,70	0,95	1,15
	0,45	0,59	0,64	0,69	0,74	0,90	1,14	1,32
	0,46	0,62	0,69	0,75	0,82	0,97	1,26	1,48
	0,49	0,65	0,73	0,81	0,89	1,01	1,46	1,73
	0,54	0,74	0,82	0,89	0,97	1,15	1,50	1,77
	0,79	0,98	1,07	1,15	1,24	1,41	1,78	2,07
	0,81	1,02	1,11	1,20	1,28	1,48	1,83	2,14
	0,82	1,11	1,23	1,35	1,46	1,74	2,25	2,65

К_t - коэффициент перехода от интенсивности ливня часовой продолжительности к интенсивности ливня расчетной продолжительности;

F - площадь водосбора, км²;

a - коэффициент потерь стока (табл. 15.8);

Таблица 15.8.

Коэффициент потерь стока a

Виды и характер поверхности	Коэффициент a при F
<0,10 км^2	0,10-10 км^2	10-100 км^2
Асфальт, скала без трещин, бетон
Жирноглинистые почвы, такыры и такыровые почвы	0,80-0,95	0,65-0,90	0,65-0,90
Суглинки, подзолы, подзолистые и серые лесные суглинки, сероземы тяжелосуглинистые, тундровые и болотные почвы	0,70-0,90	0,55-0,90	0,50-0,75
Чернозем обычный и южный, светлокаштановые почвы, лесс, карбонатные почвы, темно-каштановые почвы	0,55-0,80	0,45-0,75	0,35-0,65
Супеси, бурые и серо-бурые пустынно-степные почвы, сероземы песчаные и супесчаные	0,35-0,60	0,20-0,55	0,20-0,45
Песчаные, глинистые, рыхлые каменистые почвы	0,25	0,15-0,20	0,10

Примечание: Меньшие значения коэффициентов а соответствуют суточным слоям осадков Н < 80 мм, а большие значения Н > 200 мм. В пределах 80 мм < Н < 200 мм значения а определяются интерполяцией.

j - коэффициент редукции, принимаемый по табл. 15.9 или вычисляемый по формуле:

Таблица 15.9.

Коэффициент редукции j

F (км^2)	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9		1,5		2,5
j		0,84	0,76	0,71	0,67	0,64	0,61	0,59	0,58	0,56	0,51	0,47	0,45	0,43	0,40
F (км^2)
j	0,38	0,36	0,33	0,32	0,30	0,29	0,28	0,27	0,25	0,24	0,22	0,21	0,20	0,19	0,18

Переход от интенсивности ливня часовой продолжительности к расчетной а_расч осуществляют введением множителя К_t, который либо вычисляют по формуле (15.3) либо выбирают из табл. 15.10, составленной на основе использования принципа «предельных интенсивностей», заключающегося в теоретическом установлении наиболее опасной продолжительности ливня, равной времени добегания воды, выпавшей в начале ливня в наиболее удаленной точке водосбора до рассматриваемого малого моста или трубы.

где (15.3)

L - длина водосбора, км;

v_доб - скорость добегания, км/мин;

I - уклон водосбора, ‰.

Скорость добегания вычисляют по следующим формулам:

для обычных задернованных поверхностей

v_доб = 3,5 I ^1/4 м/сек = 0,2 I ^1/4 км/мин.

для водосборов с твердыми гладкими поверхностями

v_доб = 10 I ^1/4 м/сек = 0,6 I ^1/4 км/мин,

Связь интенсивности ливня с его продолжительностью обычно принимают в виде

а = K / t ^2/3, мм/мин, где

К - климатический коэффициент, равный а_час 60^2/3;

а_час - интенсивность ливня часовой продолжительности, выбираемая из таблицы Союздорпроекта (см. табл. 15.7) для ливневого района, номер которого устанавливают по карте (рис. 15.5).

Рис. 15.5. Карта ливневого районирования

На основе непосредственных наблюдений установлено, что впитыванием воды в грунт при расчетах стока следует пренебрегать, так как капли сильного ливня «выштукатуривают» поверхность грунта и при расчетном дожде большой силы впитывание практически отсутствует.

Для очень малых площадей бассейнов устанавливается «полный сток», когда в течение достаточно длительного времени к сооружению (в частности, к кюветам) притекает один и тот же максимальный расход, равный

Q^л_пс = 87,5× а_час × F × a × j, где (15.4)

а_час - интенсивность расчетного ливня часовой продолжительности, мм/мин;

F - площадь водосбора, км².

Объем ливневого стока определяется по теоретической формуле, выводимой на основе того же самого исходного принципа расчета:

(15.5)

Таблица коэффициентов К_t для перехода от ливня часовой продолжительности к расчетной составлена для случая стекания воды по естественным склонам местности. Для случая стекания по твердым дорожным одеждам значение К_t следует удваивать, но удвоенные коэффициенты также не могут превосходить значения 5,24, соответствующего установлению полного стока (табл. 15.10). Коэффициент К_t зависит от длины бассейна L и его уклона I.

Таблица 15.10.

Коэффициент К_t

L, км	Значения Кt при уклоне бассейна I
0,0001	0,001	0,01	0,1	0,2	0,3	0,5	0,7
0,15	4,25
0,30	2,57	3,86		Пол	ный	сток	5,24
0,50	1,84	2,76	3,93
0,75	1,41	2,08	2,97	4,50	5,05
1,00	1,16	1,71	2,53	3,74	4,18	4,50	4,90	5,18
1,25	1,00	1,49	2,20	3,24	3,60	3,90	4,23	4,46
1,50	0,88	1,30	1,93	2,82	3,15	3,40	3,70	3,90
1,75	0,80	1,18	1,75	2,58	2,84	3,06	3,33	3,52
2,00	0,73	1,07	1,59	2,35	2,64	2,85	3,09	3,27
2,50	0,63	0,92	1,37	2,02	2,26	2,44	2,65	2,80
3,00	0,56	0,82	1,21	1,79	2,00	2,16	2,34	2,49
3,50	0,50	0,74	1,10	1,62	1,81	1,95	2,12	2,31
4,00	0,46	0,68	1,00	1,48	1,65	1,78	1,94	2,11
4,50	0,42	0,62	0,93	1,37	1,53	1,65	1,78	1,95
5,00	0,40	0,58	0,86	1,27	1,42	1,54	1,67	1,82
6,00	0,35	0,52	0,76	1,13	1,26	1,36	1,48	1,68
6,50	0,33	0,49	0,73	1,07	1,20	1,29	1,40	1,53
7,00	0,32	0,47	0,69	1,02	1,14	1,23	1,33	1,45
8,00	0,29	0,43	0,63	0,93	1,04	1,12	1,22	1,33
9,00	0,27	0,39	0,58	0,86	0,96	1,04	1,13	1,23
10,00	0,25	0,37	0,54	0,80	0,90	0,97	1,05	1,14
11,00	0,23	0,34	0,51	0,75	0,84	0,91	0,98	1,07
12,00	0,22	0,32	0,48	0,71	0,79	0,86	0,93	0,99
13,00	0,21	0,31	0,46	0,67	0,75	0,81	0,88	0,96
14,00	0,20	0,29	0,43	0,64	0,72	0,79	0,84	0,91
15,00	0,19	0,28	0,41	0,61	0,68	0,74	0,80	0,87
20,00	0,16	0,23	0,34	0,50	0,56	0,61	0,66	0,72

Расчет стока талых вод с малых водосборов ведется на основании действующих норм по Определению расчетных гидрологических характеристик. Расчетный максимальный расход талых вод определяют по формуле:

где (15.6)

k ₀ - коэффициент дружности половодья;

h_p - расчетный слой стока весенних вод той же вероятности превышения, что и расчетный расход;

п ₁ - показатель, учитывающий климатическую зону;

d ₁ - коэффициент, учитывающий снижение максимальных расходов в залесенных бассейнах, d ₁ = 1/(А_л + 1);

А_л - залесенность водосбора, %; (если в перспективе лес бассейна может быть сведен, принимают d ₁ = 1);

d ₂ - коэффициент, учитывающий снижение максимальных расходов в заболоченных бассейнах:

d ₂ = 1 - 0,7lg(0,1 А_б + 1).

Слой стока h_p устанавливается по аналогам, т.е. на основе натурных наблюдений. В связи с тем, что натурные наблюдения над стоком талых вод с малых водосборов практически не производились, можно воспользоваться картой (рис. 15.6), где приведены значения лишь средних слоев стока. Переход к слоям стока расчетной вероятности превышения осуществляют путем введения множителя К_p (рис. 15.7), выбранного для соответствующего коэффициента вариации С_v, определяемого по карте (рис. 15.8), так как аналогов для определения коэффициентов вариации при малых бассейнах найти нельзя.

Рис. 15.6. Карта среднего многолетнего слоя стока талых вод:
1 - районы, в которых расчетными являются максимальные расходы половодья, за исключением малых водосборов, и изолинии среднего слоя стока половодья, мм; 2 - районы, в которых расчетными являются максимальные расходы дождевых паводков; 3 - горные районы, в которых весеннее половодье не выделяется

Рис. 15.7. Модульные коэффициенты при гамма-параметрическом законе распределения

Рис. 15.8. Карта коэффициентов вариации слоя стока половодий:
1 - районы, в которых расчетными являются максимальные расходы половодий, и изолинии С_vh слоя стока половодья; 2 - районы, в которых расчетными являются максимальные расходы дождевых паводков; 3 - горные районы, в которых весеннее половодье не выделяется

Коэффициенты дружности половодья (паводка талых вод) k ₀ принимают: в зонах тундры и леса 0,01, для Западной Сибири 0,013, в зонах лесостепи и степи 0,02-0,03, в зоне полупустынь 0,06.

Показатель степени п ₁ в формуле максимального расхода в большинстве случаев принимают равным 0,25. Для тундры и лесной зоны Европейской территории России и Восточной Сибири его снижают до 0,17, а для пограничных с Западным и Центральным Казахстаном территорий повышают до 0,35.

Дата добавления: 2015-06-04