Колебания годового стока

Общие сведения. Основной причиной колебаний годового стока является изменчивость климатических факторов: осадков, испарения, температуры воздуха и др. Последние взаимосвязаны и в свою очередь зависят от многих других причин. Учесть все факторы, влияющие на сток, невозможно, так как их изменения носят часто случайный характер.

Поскольку наступление года той или иной водности зависит от большого числа случайных причин, расчет колебаний годового стока ведется по методам математической статистики, основанным на теории вероятности.

В гидрологических расчетах широко используют два понятия математической статистики: частота и обеспеченность.

Ч а с т о т а показывает, во скольких случаях за рассматриваемый период времени та или иная гидрологическая характеристика реки имела значения в определенных интервалах. Например, если среднегодовой расход реки колебался за ряд лет в пределах от 150 до 400 м³/с,можно подсчитать, в скольких случаях значения среднегодового расхода лежали в интервалах от 150 до 200 м³/с,от 200 до 250 м³/си т. д.

О б е с п е ч е н н о с т ь показывает, в скольких случаях интересующая характеристика имела значения равные или большие определенной величины.

Частота и обеспеченность выражаются числом случаев или в процентах общего числа членов ряда. Например, если в ряду, насчитывающем 10 значений среднегодовых расходов, три из них имели величину, равную или большую 280 м³/с, то это означает, что расход 280 м³ обеспечен на 30%.

Водность реки в каждом году характеризуется обеспеченностью ее стока. Годы с обеспеченностью стока меньше 50% являются многоводными, а больше 50% – маловодными.

Обеспеченность водности года определяет ее повторяемость. Для многоводных лет повторяемость, показывает, как часто встречаются в среднем годы данной или большей водности, а для маловодных – данной или меньшей водности. Например, расход многоводного года 5%-ной обеспеченности имеет среднюю повторяемость 5 раз в 100 лет или, что одно и то же, 1 раз в 20 лет. Расход маловодного года 95%-ной обеспеченности также имеет повторяемость 5 раз в 100 лет, так как только в 5% случаев расходы будут иметь меньшие значения.

Отдельным характерным по водности годам в гидрологии присвоены определенные наименования, обеспеченность и повторяемость которых приведены в табл. 10.1.

Т а б л и ц а 10.1. Обеспеченность и повторяемость характерных лет

Характеристика водности года	Обеспеченность, р, %	Повторяемость, 1 раз в N лет
Очень многоводный
Средний многоводный
Умеренно многоводный
Средней водности
Умеренно маловодный
Средний маловодный
Очень маловодный
Катастрофически маловодный

При проектировании на реках различных водохозяйственных сооружений за расчетные принимаются годы с определенной обеспеченностью гидрологических характеристик, гарантирующей безаварийную работу сооружений и надежность технологических процессов. Водность расчетных лет оценивается обеспеченностью годового стока или отдельных гидрологических характеристик за определенные периоды года (навигацию, межень, сплавной период и др.). Выбор характеристик для оценки водности года и назначение расчетного процента обеспеченности обусловлены действующими техническими условиями.

Эмпирические кривые распределения и обеспеченности. Частота и обеспеченность гидрологических характеристик может быть выражена графически в виде кривых распределения и обеспеченности. Эти кривые строятся или непосредственно по данным наблюдений (эмпирические кривые), или с использованием закономерностей теории вероятности (теоретические кривые).

Способ построения эмпирических кривых распределения и обеспеченности рассмотрим на примере.

Для определенного створа реки имеется ряд среднегодовых расходов за 57-летний период, значения которых приведены в табл.10.2 в убывающем порядке.

Делим всю амплитуду колебаний расходов на интервалы по 50 м³/с и заносим границы интервалов в табл.10.3 (графа 1). Подсчитываем число и процент случаев от общего количества членов ряда, когда наблюдались расходы в границах каждого интервала (графы 2 и 3).

Т а б л и ц а 10.2. Значения среднегодовых расходов

Номер по пор.	Расход, м^3/с	Номер по пор.	Расход, м^3/с	Номер по пор.	Расход, м^3/с	Номер по пор.	Расход, м^3/с	Номер по пор.	Расход, м^3/с	Номер по пор.	Расход, м^3/с

Т а б л и ц а 10.3. Определение частоты и обеспеченности среднегодовых расходов

Интервалы расходов, м^3/с	Частота расходов	Обеспеченность
число лет	%	число лет	%
950–900		1,7		1,7
889–850		3,5		5,2
849–800		5,3		10,5
799–750		8,8		19,3
749–700		14,0		33,3
699–650		21,1		54,4
649–600		17,6		72,0
599–550		12,2		84,2
549–500		8,8		93,0
499–450		5,3		98,3
449–400		1,7		100,0

По данным граф 1 и 3 строим ступенчатый график частоты среднегодовых расходов (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Эмпирические кривые распределения и обеспеченности

Линия, проходящая на этом графике через центры интервалов, называется к р и в о й р а с п р е л е н и я.

Числа граф 2 и 3 суммируются нарастающим итогом и заносятся соответственно в графы 4 и 5. По данным граф 1 и 5 строим кривую обеспеченности 2. Точки для построения этой кривой следует наносить на линиях, соответствующих нижним границам каждого интервала.

По кривой обеспеченности можно установить величину среднегодового расхода любой заданной обеспеченности в пределах имеющихся наблюдений, т. е. от 1,7 до 98,3%. Например, обеспеченности 10% соответствует расход Q_10% = 815 м³/с; обеспеченности 90% Q_90% = 520 м³/с.

Теоретическая кривая обеспеченности. Для построения эмпирической кривой обеспеченности необходимо иметь данные наблюдений за период не менее 30–40 лет. При наличии более короткого ряда данных колебания годового стока рассчитывают по теоретической кривой обеспеченности.

Достоинство теоретических кривых состоит в том, что они позволяют по сравнительно коротким рядам наблюдений устанавливать значения характеристик стока редкой повторяемости, которые встречаются, например, 1 раз в 100 лет.

Широкое применение в гидрологических расчетах получила биноминальная асимметричная кривая обеспеченности. Многими исследователями доказано, что эта кривая достаточно хорошо отражает фактическую изменчивость годового стока.

Дата добавления: 2014-01-20