ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 194
Скачиваний: 1
Метод единичного гидрографа (МЕГ) был предложен Л. К. Шер маном (США) в 1932 г. и дополнен М. М. Бернардом в 1934 г. В нашей литературе этот метод достаточно известен, в частности следует отметить работу Д. Л.Соколовского [122], в которой дан подробный анализ метода.
В основу метода Л. К. Шерман положил три постулата: 1) эле ментарный гидрограф (unit graph), соответствующий типовым эле ментарным осадкам, интенсивность которых принимается за еди ницу, зависит только от физико-географических характеристик во досбора и не зависит от интенсивности осадков; 2) ординаты гид рографов стока, соответствующие элементарным осадком, с таким же распределением по времени и в пространстве, как и у типовых элементарных осадков, прямо пропорциональны средней интенсив ности этих осадков; 3) суммарный гидрограф осадков может быть построен наложением ординат частных гидрографов с учетом сме щения по времени от их начальной точки.
Таким образом, гидрографы, построенные по данным об эффек тивной части дождей (т. е. за вычетом потерь на инфильтрацию и испарение), выпавших в единицу времени, имеют одинаковые ос нования. Ординаты таких гидрографов за вычетом базисного стока пропорциональны слою стока за дождь, а совмещение нескольких гидрографов в относительном масштабе дает типовой или единич ный гидрограф, характерный для данного бассейна. Гидрограф для любого другого дождя, выпавшего на бассейне, может быть по строен путем пересчета ординат единичного гидрографа пропор ционально слою стока. При сложном паводке гидрограф можно получить суммированием ординат нескольких единичных паводков. Единица времени для построения гидрографа может быть различ ной: от нескольких минут до суток и более, что зависит от геомет рических и физических характеристик водосбора.
Однако это время не должно превосходить времени подъема па водка.
При отсутствии гидрометрических наблюдений рядом авторов было предложено построение синтетических гидрографов по харак теристикам бассейна; наиболее известно предложение Ф. Е. Снай дера. Единичный гидрограф может быть получен методом изохрон стока (рис. ѴІ-28) при допущении их постоянства за время па водка.
МЕГ широко применяется в США и многих странах Запада; его развитию и обоснованиям применения посвящено большое количе ство работ.
Однако до сих пор продолжается дискуссия как о правомерно сти применения метода, так и о границах его использования в за висимости от размеров бассейна.
Р. К- Линслей, М. А. Колер и Д. Л. Паулюс [71] считают, что МЕГ дает наи более удовлетворительный результат при бассейнах площадью до 5000 км2, но с той или другой степенью точности может применяться и для весьма больших бас сейнов. Вислер и Брейтер (1959 г.), Грей (1961) и Родье (1967) ограничивают МЕГ площадями бассейнов до 200—500 км2.
Рис. ѴІ-28. |
Схема формирования единичного паводка (по Д. Л. Соко |
||
|
ловскому) : |
|
|
а — схема |
бассейна с линиями равного добегания (изохронами); б — |
||
распределение единичных площадей стекания |
; в — схема единичного |
||
гидрографа (tu и ^сп — время подъема и спада паводка; |
— время |
||
сдвига |
максимума; Го — продолжительность |
единичного дождя); |
|
1 — потери на инфильтрацию
Рассматривая этот вопрос, Д. Л. Соколовский [122] на основании теории изо хрон показывает, что МЕГ может применяться как на малых и весьма малых бассейнах, так и на больших площадью до 5000—20 000 км2. Однако критерием применимости метода является не размер бассейна, а соблюдение условия, чтобы время водоотдачи было меньше времени подъема паводка.
Ряд докладчиков на Международном симпозиуме по паводкам в Ленинграде (1967 г.) дал этому оригинальному методу положи тельную оценку (Д. Тонини, Д. ле Гурьер, В. Ласлоффи и др.), но имелись и весьма критические высказывания (например, М. Парде).
Очевидно, что МЕГ может быть с успехом использован только при наличии данных наблюдений. Что касается метода построения синтетических гидрографов, то он основан на грубейших допуще ниях и не имеет преимуществ перед методом изохрон и расчетами по модели «бассейны-индикаторы», которая предложена А. В. Огиевским :в 1947 г. Справедливо отметить прогрессивность МЕГ, од нако для малых бассейнов в нашей стране он не нашел пока широ кого применения.
Метод вероятного максимального количества осадков (ВМКО)
с 1940 г. в США занял господствующее положение, а статистичес кий анализ применяется лишь для вспомогательных целей. Из США метод проник и в другие страны (Индию, Англию, Францию, Италию и др.).
Основная концепция метода определяется так: «Вероятное мак симальное количество осадков — это количество осадков в опреде ленном бассейне, формирующее паводочный сток такой величины, что фактически нет риска его превышения» (Г. Н. Александер, 1965; В. А. Майерс, 1967). Считается, что плотины, запроектирован
ные на такой паводочный сток, являются «абсолютно и полностью» безопасными {78] *.
Метод ВМКО построен на решении двух задач: 1) определение верхнего предела осадков при наиболее невыгодных, но вероятных синоптических условиях и 2) трансформация осадков в сток. Пер вая из задач решается на основе достаточно правдоподобных физи ческих схем, построенных с учетом таких данных, как многолетние величины максимальных осадков и распределение их по площади, перемещение воздушных масс, максимальная насыщенность атмос феры, орографические данные и т. п. В результате получают макси мально возможный ливень.
Для решения второй задачи привлекается метод единичного гидрографа. Наибольший возможный паводок (maximum possible Flood), соответствующий верхнему, теоретически возможному пре делу расхода, получают при наиболее благоприятных стокообра зующих факторах. Однако полученный таким образом расход, как считают американские гидрологи, определен с чрезмерным запасом
ипрактически невероятен. Поэтому при трансформации осадков в сток производят снижение расхода за счет приближения стокообра зующих факторов к реальным (например, повышением инфильтра ции почв, что снижает коэффициент стока), получая наибольший вероятный паводок (maximum probable’ Flood).
Расходы, полученные методом ВМКО, имеют весьма редкую ВП
иприближаются к предельным максимумам. Если сравнивать рас ходы maximum probable Flood (MPROF) с расходами, полученны ми по биноминальной кривой Пирсона III типа, то ВП их лежит в
пределах 0,01—0,001 (1 : ІО4— 1 : 105). Так, В. Майерс ([78], дискус сия) считает, что расходы «стандартного паводка», т. е. паводка ВП 1%, составляют 50—60% от расходов MPROF. Примерно та кую же оценку ВП расходов MPROF дает Я. Немец (Чехослова кия), который сделал ряд сопоставительных расчетов для р. Тигр и его притоков.
Метод ВМКО имеет еще много недостатков. В частности, не по лучили окончательного решения вопросы максимизации ливня и его трансформации в сток, несколько произвольно выбирается расчетная ВП паводка. Но, несмотря на недостатки, этот ориги нальный вариант композиционного метода определения экстрему мов, безусловно, перспективен. Его можно рассматривать как один из возможных путей получения верхнего предела генетических кри вых распределения максимумов. Что касается вопроса о выборе расчетной ВП паводка, то здесь, по-видимому, единственно пра вильным критерием является технико-экономическая оценка проек тируемого сооружения, что показано в § 74 гл. XVI.
Наряду с методом ВМКО в ряде зарубежных стран применяет ся и статистический метод, причем в последние годы для оценки ВП максимумов широко используется распределение Гамбела.
* Все крупные плотины в США и некоторые плотины в других странах за последние 30 лет запроектированы на максимумы, рассчитанные методом ВМКО.
Распределение крайних (наибольших) членов выборки, предло женное Е. Дж. Гамбелом в 1945 г., для оценки вероятности экстре мальных расходов основано на двойном показательном законе. Это распределение более приспособлено для расчета экстремумов эле ментов гидрометеорологических явлений. Прогрессивным в методе Гамбела является замена непрерывно возрастающей теоретической кривой распределения ступенчатой функцией, которая учитывает несовпадение эмпирических и теоретических значений статистичес ких моментов, а также введение доверительных интервалов. По следнее позволяет условно оценивать точность статистического метода.
На фоне отмеченного выше кризиса, который переживает ста тистический метод, многие зарубежные гидрологи принимают ма тематическую обоснованность распределения Гамбела чуть ли не за соответствие натурным данным, о чем для зоны весьма редких экстремумов не может быть и речи. В действительности распреде ление Гамбела гипотетично, как и известные распределения Пир сона, Гудрича, Шарлье, Фишера — Слейда, Жибра и т. п. Даль нейшее применение гипотетичных схем распределения бесперспек тивно; единственно правильный путь — это создание генетически обоснованных схем.
Остается, наконец, добавить, что в ряде наших и зарубежных работ (Г. А. Алексеева, 1961; Д. Л. Соколовского, 1967; Е. Глос — Р. Краузе, 1967; Ж. Жаке — Ж. Бернье, 1967) показывается малая гибкость кривой Гамбела (в ней параметр Cs= l,139 = const) по сравнению с распределением Пирсона III типа, вследствие чего по сравнению с последним она имеет еще большие отклонения от край них наблюденных точек. По сравнению с графо-аналитическим способом построения кривой ВП (проведение сглаживающей кри вой по эмпирическим точкам) оно также не имеет преимуществ.
Заканчивая обзор зарубежных методов гидрологических расче тов, нельзя не упомянуть об интересных американских и англий ских работах, посвященных геоморфологическим методам иссле дования рек, которые позволяют существенно расширить инфор мацию о редких паводках.
Первая из этих работ относится к 1929 г., когда английский ар хеолог Леонард Вулли при исследовании древней культуры шуме ров (остатки г. Ур на Евфрате) датировал 20-метровый слой нано сов реки. Оказалось, что эти наносы появились в результате ката строфического паводка, который охватил страну шумеров в 2957 г . 1 до нашей эры [10]. Паводок залил большую часть территории древ ней Мессопотамии к северо-западу от Персидского залива. Воз можно, что этот паводок весьма редкой ВП, оказавшийся для шу меров всенародным бедствием (в шумерских записях обнаружено его описание), спустя 2500 лет вошел в Книгу Бытия Библии ів виде легенды о всемирном потопе.
1 Дата 2957 г. приведена по данным проф. У. Хойт и проф. В. Лангбейн (США).
Из летописных источников известно и о другом величайшем на воднении древности, происшедшем в Китае (~ 2 7 0 0 лет до нашей эры). Наводнение было настолько сильным, что реки Янцзы и Хуан хе слились в один поток, причинивший громадные разрушения гус тонаселенным долинам рек и вызвавший гибель миллионов людей.
Из других работ в этой области следует отметить исследования 1948 г. американского гидролога И. Г. Дженс [160] по реке Коннек тикут. На основании исследования наносов реки с закладкой боль шого количества шурфов и производством двухсот лабораторных анализов он установил, что катастрофический паводок 1936 г. был беспрецедентным на реке со времени многих веков, предшество вавших заселению белыми людьми долины этой реки.
Гл а в а VII. РУСЛОВОЙ ПРОЦЕСС
ИЕГО ПРОГНОЗИРОВАНИЕ
§29. ГИДРОЛОГО-МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА
ИЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ
Дождевые и талые воды смывают с поверхности бассейнов в речную сеть продукты разрушения горных пород, которые вместе с продуктами размыва русла в виде сыпучих минеральных частиц образуют речные наносы. Наносы перемещаются водным потоком от истоков к устьям рек, откладываются и вновь размываются, по полняются наносами притоков, меняют крупность и заканчивают свой путь в водоемах-— базисах эрозии речной системы. Поэтому в естественных руслах сток имеет две фазы — жидкую (воду) и твердую (наносы). Речные наносы в зависимости от характера их движения в потоке можно разделить на донные и взвешенные. Од нако такое деление условно, поскольку частица данной крупности при различных гидравлических характеристиках потока будет на ходиться во взвешенном состоянии или будет перекатываться по дну. В. Н. Гончаров [35] рассматривает движение твердой фазы по тока в виде некоторой эпюры мутности,' характеризуемой весовым содержанием твердой фазы в потоке. Наибольшая концентрация наносов соответствует придонному слою, а наименьшая — некото рой высоте от дна, называемой «потолком взвешивания». Механизм взвешивания твердых частиц потока связан с его турбулентностью: когда донная скорость превысит скорость, не сдвигающую для дан ной крупности наносов, на частицу, выведенную из состояния по коя, начинают действовать подъемные пульсационные силы, с уве личением которых все большее количество частиц проникает в тол щу потока.
Сизменениями -скоростного поля потока меняется его мутность
ипроисходит взаимообмен между взвешенными и влекомыми по
дну наносами.
