Расчеты гидрофизических, гидрологических и метеорологических характеристик для целей строительного проектирования

1. Расчеты ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ, ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ И МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ ЦЕЛЕЙ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕМА №1.

к.г.н., доц. Клименко Дмитрий Евгеньевич
РАСЧЕТЫ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ,
ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ И
МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ДЛЯ ЦЕЛЕЙ СТРОИТЕЛЬНОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ТЕМА №1.
РАСЧЕТЫ СТОКА С СЕЛИТЕБНЫХ ТЕРРИТОРИЙ

2.

Нормативная база
2

3.

1. Расчеты дождевого стока
3

4.

1.1 Расчет среднего коэффициента стока Ymid и среднего
значения коэффициента покрова Zmid
4

5.

1.1 Расчет среднего коэффициента стока Ymid и среднего
значения коэффициента покрова Zmid
5

6.

1а. Расчеты дождевого стока
6

7.

1.2а Определение параметров интенсивности и
продолжительности дождя А и n (ВАРИАНТ 1)
Важно!
1 мм дождя на 1 га равен 10 000 л на 1 га
7

8.

1.2а.1 Определение интенсивности дождя за 20 мин (q20, л/с га)
Важно!
1 мм дождя на 1 га равен 10 000 л на 1 га
8

9.

1.2а.2 Определение
коэффициента редукции n,
cреднего количества дождей
mr и показателя степени γ
Важно!
1 мм дождя на 1 га равен 10 000
л на 1 га
9

10.

1.2а.3 Определение периода однократного превышения P
10

11.

1.2а.3 Определение периода однократного превышения P
11

12.

1.2а.3 Определение периода однократного превышения P
12

13.

1.2а.3 Определение периода однократного превышения P
13

14.

1.2б Определение параметров интенсивности и
продолжительности дождя А и n (ВАРИАНТ 2)
14

15.

1.2б.1 Определение параметров t и периода однократного
превышения «предельного» дождя Plim
15

16.

1б. Для случая «предельного» дождя
16

17.

1.3 Определение площади водосбора F (в гектарах!)
17

18.

1.4 Определение расчетной продолжительности дождя (tr) –
т.е. расчетной продолжительности бассейнового добегания
(мин)
18

19.

1.4 Определение расчетной продолжительности дождя (tr) –
т.е. расчетной продолжительности бассейнового добегания
(мин)
19

20.

1.4 Определение расчетной продолжительности дождя (tr) –
т.е. расчетной продолжительности бассейнового добегания
(мин) ВАЖНО. ВВЕДЕНИЕ ПОПРАВОК В ИСХОДНУЮ ФОРМУЛУ!
В отдельных случаях время бассейнового добегания устанавливают
в соотв. с СП 33-101-2003, что методически является неверным
20

21.

Наши расчеты по уточнению
параметров кривых редукции ливня
(не на правах рекламы, а «делай как
мы»)
Между интенсивностью дождей за интервалы времени и их продолжительностью существует обратная
зависимость, предложенная Н.Е. Долговым-Г.А. Алексеевым, в виде:
i(t ) P,% S P ,% t 1
n
,
где SP,% – предельная (мгновенная) интенсивность дождя при продолжительности , зависящая от вероятности
превышения один раз в N лет (величина N связана с обеспеченностью P соотношением N=100/P); n – показатель
степени редукции интенсивности дождя от его продолжительности.
Высота слоя дождя (h), наоборот, возрастает с увеличением его продолжительности, что выражается
зависимостью:
h(t ) Р,% S Р,% t 1 n
Кривые связи
интенсивности ливня
вероятностью 1% i(t)1% с
размером интервала t в
логарифмическом виде
Кривые связи суммы
осадков за ливень
вероятностью 1%
h(t)1% с размером
интервала t

22.

Картографирование параметров,
описывающих теоретический
профиль ливня
На основании анализа данных по 25 тыс. единичных ливней выполнено
картографирование основных статистических параметров «профиля дождя»
Картосхема распределения
коэффициента редукции
интенсивности ливня
Картосхема распределения
предельной интенсивности
ливня S1% вероятностью
Картосхема распределения
коэффициента вариации Cv
и отношения коэффициентов
асимметрии и вариации Cs/Cv
суммы осадков за ливень

23.

Распределение ливней внутри года.
Подходы к описанию.
Статистические параметры распределения количества ливней по
месяцам года по метеостанциям Уральского УГМС за период с 1936 по
2015 гг.
Месяц
Расчетная характеристика
количества ливней
год
4
5
6
7
8
9
10
Среднее
0,14
1,23
1,86
2,17
1,85
1,54
1,33
10,1
Максимальное
2,00
6,00
8,00
9,00
8,00
6,00
4,00
43,0
Минимальное
Коэффициент вариации месячного
количества ливней
0,11
0,89
1,00
1,02
1,02
0,87
0,27
5,20
0,07
0,33
0,56
0,57
0,55
0,48
0,07
0,37
Статистические параметры распределения суммы осадков за
единичные ливни
Расчетная
Месяц
характеристика
Распределение количества ливней по
метеостанциям Уральского УГМС за
период с 1936 по 2015 гг.
год
4
5
6
7
8
9
10
Средняя
17,0
17,7
18,0
18,9
18,1
17,6
17
18
Максимальная
62,0
147
197
161
124
106
48
13
0,45
0,51
0,53
0,58
0,55
0,51
суммы осадков за ливень
Коэффициент вариации
0,
3
0,5
Статистические параметры распределения продолжительности ливней
Месяц
Расчетная характеристика
год
4
5
6
7
8
9
10
600
525
451
409
469
723
915
582
210
216
270
416
250
256
214
270
0
5
0
0
0
5
0
0
Минимальная
164
54
30
41
187
644
186
Коэффициент вариации
0,73
1,07
1,28
0,95
0,74
0,56
0,89
продолжительности ливней
Средняя
Максимальная

24.

Распределение ливней внутри года.
Подходы к описанию.
Картосхема распределения
частоты ливней в году
Картосхема распределения
средней продолжительности
ливней (мин.)
Картосхема распределения
суммы осадков за ливень
h1% вероятностью
превышения 1%, мм

25.

Редукция осадков в пространстве (на
участке 16 км)
Профили дождя за 26 июня 2017 г. (за 10-минутные временные интервалы). Данные
экспериментальных наблюдений по двум парным плювиографам, расположенным на
расстоянии 16 км друг от друга (сумма осадков по Кунгуру 50 мм, по Предуралью 58 мм).

26.

Уникальная дождемерная сеть Санкт-Петербурга
С 2014 года ГУП «Водоканал СанктПетербурга» начал планомерную системную работу
по созданию первой в России Автоматизированной
информационной системы учета атмосферных
осадков (АИС «Осадки»). АИС «Осадки» состоит из
34 автоматизированных постов наблюдений в
разных районах города. Сеть такой плотности –
первая в России. Автоматизированные посты
состоят из осадкомера и метеорологического
комплекса. Каждые 5 минут с каждого поста
наблюдений в ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» и
в ФГБУ «Северо-Западное УГМС» поступает
собранная информация. При этом АИС «Осадки»
собирает метеорологические данные по СанктПетербургу
и
пригородным
территориям
с
интервалом в 6 секунд. В связи с неравномерностью
выпадения атмосферных осадков АИС «Осадки»
позволяет оперативно регулировать наполняемость
канализационных
сетей
во
время
дождей,
проводить точный расчет объемов поверхностного
стока для конкретных территорий города СанктПетербурга и его пригородов, что в свою очередь
помогает предотвращать подтопление районов
города с наибольшей интенсивностью выпадения
атмосферных осадков.
26

27.

2. Расчеты талого стока
27

28.

2.1. Определение суточного слоя талого стока (мм)
за 10 дневных часов hс
28

29.

2.1. Определение суточного слоя талого стока (мм)
за 10 дневных часов hс
Для внимательных:
Обеспеченность соответствует характеристикам, наблюдаемым в течение года
Однократно. На самом деле случаев снеговых и дождевых волн в течение
Календарного года может быть несколько. Именно поэтому в строгом понимании «обеспеченность» не тождественно обратной величине «однократного
превышения».
29

30.

Методические указания по ходу выполнения работы.
30

31.

Методические указания по ходу выполнения работы.
31

32.

Методические указания по ходу выполнения работы.
2. Увязка кривых Q=f(H), F=f(H), vср=f(H).
Поскольку кривая расходов характеризуется определенным разбросом точек,
выполняется ее увязка. Для этого составляется специальная таблица (табл. 1.2), в которую
для определенных значений уровня, кратных 10 см и выбираемых через 10 или 20 см,
записываются снятые с кривых F=f(H), vср=f(H) соответствующие значения F и vср.
Произведение площади водного сечения F на среднюю скорость vср для
выбранных значений уровня воды Н дает в итоге вычисленный расход воды Qвыч. Эти
данные заносятся в таблицу. Затем для тех же значений уровня воды Н с кривой Q=f(H)
снимаются значения «расходов с кривой» Qкр и заносятся в таблицу. Сравнивая величины
Qвыч и Qкр вычисляется расхождения между ними в процентах:
Эти расхождения заносятся в таблицу. По абсолютной величине расхождения не
должны превышать 2%, а сумма должна быть близка к 0 (не более 1,5%).
Для контроля положительной выпуклости кривой Q=f(H) вычисляются приращения
расходов в выбранных интервалах уровня воды (10 или 20 см). Вначале вычисляются
величины ∆Q (как разница значений расходов воды, снятых с кривой при двух смежных
уровнях воды), затем – величины ∆∆Q (определяются путем деления величины ∆ на
разницу смежных значений уровня воды – т.е. на величину приращения уровня_).
Для обычных (непетлеобразных) кривых расходов величины ∆∆Q должны
быть либо постоянными во определенных диапазонах уровня воды (прямолинейные
участки), либо постепенно возрастающими от минимальных значений уровня воды32к
максимальным. С ростом уровня величина ∆∆Q убывать не может.

33.

Методические указания по ходу выполнения работы.
33

34.

Методические указания по ходу выполнения работы.
3. Оценка процентного отклонения измеренных расходов воды Qизм от
кривой Q=f(H) (Qкр).
Завершающим этапом анализа кривой Q=f(H) является оценка степени
рассеивания точек, соответствующих измеренным при открытом русле расходам
воды. Результаты заносятся в таблицу отклонений изеренных расходов от
расходов, вычисленных по кривой (табл. 1.3). Графы 1-4 таблицы заполняются
на основании таблицы ИРВ (используются расходы открытого русла). Величина
Qкр (графа 5) снимается для соответствующего уровня Н. Далее вычисляются
абсолютные (графа 6) и относительные (графа 7) отклонения Qизм от Qкр.
Наибольшие величины отклонений в верхней части кривой не должны
превышать 6% по абсолютной величине, а в нижней – 12%. Сумма отклонений
не должны превышать 4% (т.е. суммы положительных и отрицательных
отклонений должны быть равновелики).
2 Qкр Qв ыч
Q
кр
Qв ыч
n
100%
0,674
2
i
i 1
n
34

35.

Методические указания по ходу выполнения работы.
35

36.

Методические указания по ходу выполнения работы.
4.
Заполнение таблицы координат кривой Q=f(H)
Таблица координат кривой (табл. 1.4) составляется для удобства
вычисления ежедневных расходов воды. В первую графу вносятся значения
уровней с интервалом 10 см. Во вторую – соответствующие им расходы воды.
После заполнения всех таблиц расходы воды при одних и тех же уровнях
должны быть идентичными по всем таблицам практической работы.
36

37.

Методические указания по ходу выполнения работы.
37

38.

Методические указания по ходу выполнения работы.
5.
Вычисление коэффициентов Кзим и Кзар.
Подсчет стока за период ледостава производится с использованием
кривой расходов воды и переходных коэффициентов Кзим и Кзар, которые
представляют собой отношение измеренного расхода воды (Qизм) и расходу
воды, снятому с кривой (Qкр), при одном и том же уровне воды.
Коэффициент Кзим вводится при формировании первых ледовых
явлений осенью до окончания ледовых явлений весной (в даты начала и
окончания ледовых явлений коэффициент принимается равным 1). Для
вычисления величин Кзим в начале и в конце года необходимо привлекать
измеренные расходы смежных с расчетным годом лет. Коэффициент Кзар
вводится с появлением растительности в русле до момента понижения
температуры воды ниже 10 градусов, соответствующего отмиранию водной
растительности (в даты появления и начала отмирания водной растительности
величина Кзар принимается равной 1). Результаты вычислений заносятся в
таблицу 1.5.
38

39.

Методические указания по ходу выполнения работы.
39

40.

Методические указания по ходу выполнения работы.
6. Построение комплексного графика гидрометрических наблюдений
Прежде всего на график наносятся сведения о ежедневных уровнях
воды (по данным таблицы ЕУВ), на котором «флажками» отмечаются даты
измерения расходов воды, и графически отображается ледовая обстановка (с
использованием условных знаков, приведенных в п. 1). Затем наносятся
хронологические графики изменения коэффициентов Кзим и Кзар (по данным
табл. 1.5). Начало и окончание графиков Кзим корректируется по значениям
Кзим декабря предыдущего и января последующего годов. Значение Кзим=1,0
принимается для первого дня очищения реки ото льда весной (или дня начала
редкого ледохода) и первого дня устойчивых ледовых явлений осенью. С
использованием данных хронологического графика Кзим и Кзар вычисляются
ежедневные расходы за период ледостава и зарастания русла. По данным
составленной таблицы ЕРВ строится график изменения ежедневных расходов
воды (гидрограф), на который условными знаками наносятся величины
фактически измеренных расходов. Эти точки могут отклоняться от линии
гидрографа, отображая факт отклонения эмпирических точек от линии Q=f(H).
График оформляется в соответствии с примером (рис. 1.1).
40

41.

Методические указания по ходу выполнения работы.
41

42.

Методические указания по ходу выполнения работы.
7. Вычисление ежедневных расходов воды и заполнение таблицы ЕРВ.
Ежедневные расходы воды вычисляются на основании таблицы ЕУВ и
таблицы координат кривой Q=f(H). Для ежедневных значений уровня за период
открытого русла из таблицы координат выбираются соответствующие им
значения расхода воды.
Для вычисления ежедневных расходов воды за период ледостава
составляются специальные таблицы для каждого месяца расчетного периода
(табл. 1.6). Значения уровней воды Н выписываются из таблицы ЕУВ;
соответствующие им расходы воды определяются по таблице координат кривой
расходов; значения Кзим и Кзар определяются по хронологическому графику;
значения среднесуточных расходов воды Q определяют как Q=Qкр∙Кзим.
При вычислении экстремальных характеристик следует иметь ввиду,
что они определяются по данным экстремальных значений уровня воды за
период открытого русла, приведенных в подвале таблице ЕУВ, а не выбираются
из колонки месячных значений как максимальные и минимальные.
В готовую таблицу ЕРВ вносятся сведения о ледовых явлениях и
зарастании русла с использованием условных знаков, представленных в п. 1. 42

43.

Заполнение таблицы ЕРВ
43

44.

Благодарю за внимание!
… Но сказано в допрежние века:
Земля – от неба,
Дерево – от корня.
И далее:
Река – от родника.
Е. Исаев
44