Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Государственное учреждение «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

Методические рекомендации по определению расчетных гидрологических характеристик при отсутствии данных гидрометрических наблюдений

Санкт-Петербург

Нестор-История

2009

5.2. Оценка качества исходной гидрометеорологической информации

Для рек, в бассейнах которых имеет место интенсивная хозяйственная деятельность, существенно нарушающая естественный гидрологический режим рек, определение расчетных гидрологических характеристик производят по двум расчетным схемам.

Первая расчетная схема предполагает приведение гидрологических рядов наблюдений к естественным однородным и стационарным условиям с использованием воднобалансовых и регрессионных методов [Методические рекомендации, 1986; Методические рекомендации, 1986]. В расчетное значение гидрологической характеристики, полученной по естественному ряду вводят поправку на влияние хозяйственной деятельности. Численное ежегодное значение поправки представляет собой разность между бытовым стоком и естественным стоком. Значение поправки расчетной вероятности ежегодного превышения определяют по кривой распределения вероятностей поправок.

Во второй расчетной схеме гидрологические ряды наблюдений приводят к бытовому стоку за весь период наблюдений в предположении, что сложившийся комплекс хозяйственной деятельности с учетом реальных планов развития народного хозяйства действовал с начала наблюдений. Восстановление бытового стока за весь период наблюдений производят воднобалансовыми и регрессионными методами в предположении, что режим хозяйственной деятельности за истекшее время не изменялся, то есть находился в стационарном состоянии. Восстановленный ряд проверяют на физическую и статистическую однородность и стационарность. Определение расчетных гидрологических характеристик в этом случае производят по данным за весь период наблюдений с учетом приведения данных наблюдений к многолетнему периоду без введения поправки на хозяйственную деятельность.

Приведение речного стока к естественному периоду не производят, если суммарное значение его изменений не выходят за пределы случайной средней квадратической погрешности исходных данных наблюдений. Предпочтение следует давать первой расчетной схеме, т.к. естественные характеристики стока и других гидрологических характеристик лучше поддаются пространственному обобщению нежели гидрологические характеристики нарушенные под влиянием антропогенных факторов.

Методология предлагаемых двух расчетных схем может быть применена для расчета основных гидрологических характеристик с учетом регионального изменения климата.

Кроме гидрометрических методов анализа качества исходной информации вполне может использоваться первичный анализ исходных данных. К числу таких способов можно отнести:

1.    Совмещенные хронологические графики многолетних колебаний основных гидрологических характеристик в однородном районе и по длине реки.

2.    Продольные профили водной поверхности основных гидрологических характеристик за конкретные годы.

3.    Совмещенные профили водной поверхности основных гидрологических характеристик по длине реки.

4.    Хронологические графики нарастающих сумм основных гидрологических характеристик.

5.    Тренды основных гидрологических характеристик с оценкой их физической и статистической значимости.

-11 -

5. Общие положения

6.    Графики связи основных гидрологических характеристик по разным водомерным постам.

7.    Графики связи основных гидрологических характеристик от основных факторов, включая высоту водосбора, площадь водосбора и другие.

8.    Графики связи нарастающих сумм основных гидрологических характеристик между разными постами.

9.    Оценка однородности основных гидрологических характеристик с использованием генетических методов.

10.    Оценка качества основных гидрологических характеристик с использованием статистических методов, включая оценку однородности экстремальных значений и оценку стационарности параметров распределения основных гидрологических характеристик.

11.    Восстановление естественных значений основных гидрологических характеристик, нарушенных хозяйственной деятельностью [Методические рекомендации, 1966; Методические рекомендации, 1986].

12.    Методы водного баланса и руслового водного баланса.

13.    Регрессионные методы.

5.3. Оценка качества определения расчетных гидрологических

характеристик

Особое значение должно быть уделено оценке точности и оценке надежности расчетных значений гидрологических характеристик. В настоящее время случайные и систематические погрешности определения расчетных значений гидрологических характеристик во многом оказывают влияние на само значение проектных гидрологических характеристик. В качестве примера подобного подхода можно привести оценку расчетного значения гидрологических характеристик, полученную путем осреднения расчетных значений гидрологических характеристик, полученных разными методами, включая региональные зависимости, с учетом случайных погрешностей их определения, когда весовые коэффициенты при осреднении определяются обратно пропорционально дисперсиям случайных погрешностей (5.1). Кроме того, знание случайных погрешностей нередко дает основание для последующего более детального генетического и статистического анализа полученных результатов расчета. Оценка точности определения расчетных гидрологических характеристик при некоторых фиксированных значениях параметров распределения осуществляется в соответствии с нормативным документом [Свод, 2004]. Однако наиболее полные сведения о случайных и систематических погрешностях инженерных гидрологических расчетов при любых значениях выборочных параметров и квантилей представлены в монографиях [Рождественский А.В., 1977; Рождественский А.В. и др., 1990].

Средняя квадратическая погрешность расчета проектных значений гидрологических характеристик и их параметров, определяемых по региональным зависимостям, определяется с учетом отклонений эмпирических точек от этих зависимостей. При этом используются статистические методы, которые должны быть дополнены генетическими методами анализа случайных и особенно систе-

5.4. Основные методы определения расчетных гидрологических характеристик

матических погрешностей полученных региональных зависимостей. При оценке случайных погрешностей расчетных значений основных гидрологических характеристик всегда нужно стремиться к определению случайных погрешностей, полученных на независимом от расчета материале наблюдений. Лишь при невозможности оценить случайные погрешности расчетных значений гидрологических характеристик и параметров расчетных схем и формул на независимом материале наблюдений допускается, как вынужденная мера, производить оценку случайных погрешностей на зависимом от расчета материале наблюдений. При этом следует иметь в виду, что случайные погрешности, полученные на зависимом от расчета материале наблюдений всегда меньше чем погрешности, полученные на независимом от расчета материале наблюдений.

5.4. Основные методы определения расчетных гидрологических

характеристик

Наряду с предлагаемыми в настоящих Методических рекомендациях методами определения расчетных гидрологических характеристик можно рекомендовать и использовать другие региональные формулы при надлежащем их обосновании [Свод, 2004]. При прочих равных условиях всегда следует стремиться использовать наиболее простые региональные зависимости, включающие меньшее число параметров, определяемых по выборочным данным наблюдений.

При отсутствии гидрометрических наблюдений в расчетном створе параметры распределения и расчетные значения гидрологических характеристик определяются с помощью следующих основных методов:

—    водного баланса;

—    гидрологической аналогии;

—    осреднения в однородном районе;

—    построения карт изолиний;

—    построения региональных зависимостей стоковых характеристик и параметров расчетных схем и формул от основных физико-географических факторов водосборов;

—    построения зависимостей между годичными стоковыми характеристиками и формирующими сток факторами;

—    построения зависимостей, основанных на использовании материалов полевых гидрометеорологических изысканий и кратковременных гидрологических наблюдений, отражающих пространственные закономерности распределения гидрологических характеристик.

Метод водного баланса

Метод водного баланса применяется при наличии качественных наблюдений за основными составляющими водного баланса. Чем за более короткий промежуток времени составляется водный баланс тем больше требуется информации за определением различных элементов водного баланса, которые очень редко определяются с достаточной точностью при определении расчетных гидрологических

-13-5. Общие положения

характеристик в случае отсутствия данных гидрометрических наблюдений в исследуемом гидрологическом створе. Поэтому метод водного баланса редко применяется в практике гидрологических расчетов. В данном случае можно привести лишь некоторые сведения по использованию метода водного баланса за годичные интервалы времени при исследовании уровней воды бессточных водоемов. Уровни воды за годовой интервал времени для бессточных озер определяется через осадки на поверхность озера и испарение с водной поверхности, а также притока речных вод в озеро за годовые интервалы времени. При этом учитываются морфометрические зависимости площади озера от уровня воды в озере.

В последнее время начинают использоваться русловые водные балансы за более короткие промежутки времени, учитывающие время добегания, русловое регулирование и некоторые другие факторы. При использовании метода водного баланса и руслового водного баланса особенно большое значение имеет оценка случайных и систематических погрешностей выполненных расчетов, которые могут быть получены при определении невязок водного баланса, все составляющие водных балансов определяются независимым путем.

Метод гидрологической аналогии

Общие условия по выбору рек-аналогов включают:

—    оценку пространственной структуры колебаний рассматриваемой гидрологической характеристики, отражающей характер пространственной связанности рассматриваемой гидрологической характеристики, включая оценку пространственной корреляционной функции с учетом ее физической и статистической однородности;

—    однотипность стока рек аналогов и исследуемой реки;

—    географическую близость расположения водосборов;

—    однородность условий формирования стока, сходство климатических условий, однотипность почв (грунтов) и гидрогеологических условий, близкую степень озерности, залесенности, заболоченности и распаханности водосборов;

—    средние высоты водосборов не должны существенно отличаться, для горных и полуторных районов следует учитывать экспозицию склонов и гипсометрию;

—    отсутствие факторов существенно искажающих естественный речной сток (регулирование речного стока, сбросы воды, изъятие стока на орошение и другие нужды).

Для каждой гидрологической характеристики должны учитываться дополнительные условия, которые приведены в соответствующих разделах настоящих рекомендаций. В качестве одного из основных требований является наличие достаточно продолжительного ряда на реке-аналоге, который при недостаточности наблюдений приводится к многолетнему периоду в соответствии с нормативным документом [Свод, 2004] и в соответствии с методическими рекомендациями [Рекомендации, 1979; Методические рекомендации, 2007].

Метод осреднения в однородном районе

При статистической однородности параметров распределения в гидрологическом районе расчетное значение параметров в исследуемом створе следует

- 14-

5.4. Основные методы определения расчетных гидрологических характеристик

определять как среднее арифметическое значение для рек — аналогов, имеющих наиболее продолжительные ряды наблюдений или по приведенным к многолетнему периоду данным. Однородность параметров распределения устанавливается с использованием статистических критериев однородности согласно нормативного документа [Свод, 2004] и методических рекомендаций [Рекомендации, 1984].

Метод построения карт изолиний

При статистической неоднородности значения гидрологических характеристик и их параметров их численные значения следует определять по районным картам изолиний, которые строятся на основе использования всей имеющейся к моменту проектирования гидрологической информации, приведенной к многолетнему периоду, в соответствии с работами [Свод, 2004; Рекомендации, 1979; Методические рекомендации, 2007]. Районные карты строятся также для годичных значений гидрологических характеристик, параметров распределения, расчетных гидрологических характеристик и в других случаях. Наведение изолиний следует осуществлять (сглаживать) с учетом случайных погрешностей исходных данных и случайных погрешностей, обусловленных ограниченностью принятых в расчет выборок. Построение карт изолиний рассматриваемой гидрологической характеристики или параметра осуществляется путем пространственной интерполяции. Могут применяться методы линейной интерполяции, оптимальной линейной интерполяции, основанной на пространственной корреляционной функции, и другие методы, включая широко используемые в географических информационных системах (ГИС). При этом использование пространственной корреляционной функции включает оценку ее однородности [Алексеев Г.А., 1971; Лобанова А.Г. и др., 1973; Рождественский А.В. и др., 1986; Пространственно-временные, 1988]. В случае определяющего влияния других региональных факторов (например, высоты водосборов в горных районах) интерполяция осуществляется с учетом этих факторов. При пространственной интерполяции гидрологических характеристик, а также их параметров и квантилей рекомендуется использовать географические информационные системы. Применение ГИС-технологии в гидрологических расчетах по мере накопления новой гидрометеорологической информации даст возможность создавать альбомы годичных карт гидрологических характеристик, которые будут постоянно пополняться, что открывает новые возможности инженерных гидрологических расчетов при отсутствии данных наблюдений в расчетном створе и при решении других задач для различных отраслей народного хозяйства. В Приложении Д рассматривается применение ГИС-технологии для решения различных пространственных обобщений гидрологических характеристик, а также при определении морфометрических характеристик.

Метод построения региональных зависимостей

Метод построения региональных зависимостей для определения параметров распределения и расчетных гидрологических характеристик в зависимости от влияющих факторов включает в себя следующие основные этапы:

— выбор предполагаемых основных физико-географических факторов для исследуемого однородного района (площадь водосбора, средняя высота водосбо-

-15-5. Общие положения

ра, уклон водосбора и реки, озерность, заболоченность, залесенность, параметры рядов метеорологических факторов и другие);

—    построение и анализ однофакторных зависимостей гидрологических характеристик от региональных факторов с целью выбора основных факторов для исследуемого региона, априорной оценки вида зависимостей и необходимости функциональных преобразований рассматриваемых факторов;

—    предварительное формирование общей структуры региональной зависимости на основе генетического анализа и условий формирования стока, результатов анализа однофакторных зависимостей;

—    при построении однофакторных и многофакторных зависимостей должны соблюдаться следующие условия: объем совместных данных должен быть больше или равен заданному значению, критическое значение парного или множественного коэффициента корреляции должно быть больше заданного значения, отношение коэффициента парной или множественной корреляции к его средней квадратической ошибке должно быть больше заданного значения, отношение коэффициентов регрессии к их средним квадратическим погрешностям должно быть больше заданного значения, отношение восстановленного значения гидрологической характеристики или ее параметров и квантилей к средней квадратической ошибке должно быть больше заданного значения. Численные значения отмеченных условий назначаются в зависимости от требуемой точности и надежности гидрологических расчетов, а также от объема и качества исходной информации;

—    построение региональных зависимостей и формирование окончательного вида расчетных формул;

—    оценка эффективности построенных региональных зависимостей и формул.

В связи с ограниченностью данных и преобладающим влиянием физико-

географических факторов в однородном районе, региональные зависимости, как правило, включают несколько (не более 4-5) основных переменных. При рассмотрении конкретных гидрологических характеристик (годовой, максимальный, минимальный сток, наивысшие уровни воды) в следующих разделах приводятся наиболее распространенные структуры региональных зависимостей и формул, применяющиеся в гидрологических расчетах. Параметры этих зависимостей для каждого однородного региона должны определяться на основе всей имеющейся информации во времени и пространстве. Оценку эффективности полученных эмпирических зависимостей и формул, применяемых в гидрологических расчетах при отсутствии данных гидрометрических наблюдений в расчетном створе выполняется на основе анализа остатков, оценки устойчивости параметров и коэффициентов этих зависимостей с обязательной проверкой на зависимом и независимом от расчета материале наблюдений.

Помимо приведенных в настоящих рекомендациях региональных зависимостей и расчетных схем допускается использование других региональных формул при надлежащем их физическом и статистическом обосновании.

Построение зависимостей между годичными стоковыми характеристиками и формирующими их факторами практически не отличается от построения региональных зависимостей за многолетний период. Поэтому все особенности построения региональных зависимостей полностью относятся и к построению годичных зависимостей гидрологических характеристик и параметров стока.

- 16-

5.4. Основные методы определения расчетных гидрологических характеристик

Аналогичным образом построение зависимостей, основанных на использовании материалов полевых гидрометеорологических изысканий и кратковременных гидрологических наблюдений, отражающие пространственные закономерности распределения гидрологических характеристик также определяются на основе рассмотренных положений по определению региональных зависимостей за многолетний период.

5.5. Основные гидрографические и физико-географические факторы, определяющие основные гидрологические характеристики

Для построения региональных зависимостей используются следующие основные гидрографические и физико-географические характеристики (факторы стока) [Руководство, 1986]:

1)    площадь водосбора F, км²,

2)    гидрографическая длина водотока L, км,

3)    средневзвешенный уклон водотока I, (%о), представляющий собой условный выровненный уклон ломанного профиля, эквивалентный сумме частных средних уклонов профиля водотока, вычисляется по формуле:

^т П¹    (5.2)

i-1    1

где — частный средний уклон отдельных участков продольного профиля водотока, %о; — длина частных участков продольного профиля между точками перегиба, км; L — гидрографическая длина водотока до пункта наблюдений, км.

Средневзвешенный уклон определяется только для не зарегулированных водотоков, а также для участков рек, расположенных в нижних бьефах водохранилищ;

4)    средняя высота водосбора Н_в, м над уровнем моря; определяется либо непосредственно по гипсографической кривой водосбора, либо по формуле:

Н₅    +H_B    in)(AA_i)\/(2A),    (5.3)

1=1

где Н_{е i} — высота поверхности горизонтального сечения (горизонтали), м; ДА- — площадь между двумя соседними горизонталями, км²; А — общая площадь водосбора, км²;

5)    относительная лесистость водосбора /_л в % от общей площади водосбора (лес и кустарники на проходимых болотах в лесные угодья не включаются);

6)    относительная заболоченность водосборав % от общей площади водосбора (вычисляется с разделением болот на верховые и низинные);

7)    относительная озерность водосбора/ в %, представляющая собой отношение суммы площадей всех озер, расположенных на водосборе, к общей площади водосбора;

8)    средневзвешенная озерность для непроточных озер f в % от общей площади водосбора, вычисляется с учетом расположения озер на водосборе по формуле:

./'-(IV./) Л-

5. Общие положения

где S_i — площади озер,/. — площади водосборов этих озер, А — площадь водосбора реки до замыкающего створа;

9)    закарстованность водосбора f_K в % от общей площади водосбора, определяется отношением закарстованной площади водосбора ко всей его площади;

10)    относительная распаханность водосбора^ в % от общей площади водосбора, определяется отношением площади распаханных земель под сельскохозяйственные культуры на водосборе ко всей его площади;

11)    характеристика типа почвогрунтов, слагающих поверхность водосбора, определяется по почвенным картам, а также выделяются пять групп почвогрунтов по механическому составу: глинистые, суглинистые, песчаные, супесчаные и каменистые;

12)    средняя глубина залегания уровня грунтовых вод (первого водоносного горизонта), определяется по гидрогеологическим картам;

13)    характеристики зарегулированности речной системы искусственными водоемами (количество, расположение и регулирующие емкости);

14)    характеристика рельефа (равнинный — относительное колебание высот в пределах водосбора менее 200 м, горный — относительное колебание высот на водосборе более 200 м).

Для водотоков малых рек (F<200 км²) дополнительно определяются следующие характеристики:

1)    средний уклон склонов водосбора 1_ск, в %о, определяется по картам и планам в горизонталях по формуле:

е=оХом    (⁵-⁵)

t=i

где h — высота сечения рельефа, м;

п

— сумма длин измеренных горизонталей в пределах водосбора, км;

;=i

2)    густота речной сети водосбора р_р км/км², определяется как отношение суммарной длины всех водотоков (реки, каналы, канавы) на водосборе к общей площади водосбора

Р^=(Х0М    (5.6)

i-i

3)    густота русловой сети водосбора р₀ км/км², определяется как отношение суммарной длины речных долин, сухих русел, оврагов, балок и логов к общей площади водосбора.

Гидрографические характеристики реки и ее водосбора определяются по новейшим топографическим картам, масштабы которых выбираются в зависимости от размера реки и рельефа водосбора по следующим рекомендациям:

а)    для определения площадей водосборов, длин рек и уклонов — по таблице 5.1;

б)    для определения гидрографических характеристик водоемов — по таблице 5.2;

4)    характер почвогрунтов, степень закарстованности, глубина залегания уровня грунтовых вод определяются по специальным картам (почвенно-грунтовым и гидрогеологическим).

-18-

5.5. Основные гидрографические и физико-географические факторы...

Категории рек (большие, средние, малые) в зависимости от площади водосбора приняты в соответствии с ГОСТом 19179 — 73 «Гидрология суши. Термины определения»

При определении гидрографических характеристик водотока и водосбора выбор масштаба топографических карт, установление местоположения водораздельных линий, истоков, устьев водотоков и картометрические измерения производятся в соответствии с таблицами 5.1. и 5.2.

Таблица 5.1. Масштабы карт, используемые для определения площадей водосборов, длин рек и уклонов

Характер местности Площадь водосбора, км2 < 10 10-50 50-200 >200 Равнинные, пустынные и заболоченные слаборасчлененные районы 1:10000 1:25000 1:50000 1:100000 Горные и холмистые Сильнорасчлененные районы 1:25000 1:50000 1:100000 1:100000

Таблица 5.2. Масштабы карт для определения гидрографических характеристик водоемов

Водоемы Примерная площадь изображения водоема на карте, см2 Масштабы карт Крупнейшие и большие >1000 1:100000- 1:500000 Средние 500-1000 1:50000- 1:100000 Малые 100-500 1:25000- 1:50000 Самые малые 10-100 1:10000- 1:25000

Для восстановления многолетних рядов гидрологических характеристик при отсутствии данных гидрометрических наблюдений применяются зависимости стока от стокоформирующих факторов, которые строятся для продолжительных рядов на реках-аналогах в однородном районе. Основная особенность при построении эмпирических зависимостей — их общая для территории структура, позволяющая интерполировать параметры, коэффициенты и стокоформирующие факторы на неизученный водосбор.

Оценку случайности гидрометеорологических характеристик следует производить на основании группового анализа коэффициентов автокорреляции в рассматриваемом районе. Другие методы анализа случайности гидрометеорологических характеристик, как правило, приводят к одним и тем же результатам, не повышая качество полученных выводов.

При анализе сглаживания многолетних колебаний гидрометеорологических характеристик рекомендуется использовать известные методы статистической обработки исходной информации [Рождественский А.В., 1977; Пространственно-временные, 1984 и другие публикации]. Аналогичным образом это полностью относится и к анализу пространственно — временной структуры различных гидрометеорологических характеристик.

-19-

6. Годовой сток

При отсутствии гидрометрических наблюдений в расчетном створе параметры распределения годового стока (среднее многолетнее значение, коэффициент вариации, отношение коэффициента асимметрии к коэффициенту вариации и коэффициент автокорреляции между стоком смежных лет) и расчетные значения гидрологических характеристик определяются с помощью следующих основных методов:

—    гидрологической аналогии;

—    осреднения в однородном районе;

—    построения карт изолиний параметров распределения и карт значений стока за каждый год;

—    построения зависимостей между годичными стоковыми характеристиками и формирующими сток факторами;

—    построения региональных зависимостей годового стока, параметров распределения и расчетных квантилей от основных физико-географических факторов.

—    водного баланса;

—    построения зависимостей, основанных на использовании материалов полевых гидрометеорологических изысканий и кратковременных гидрологических наблюдений, отражающих пространственные закономерности распределения гидрологических характеристик.

Таким образом, методы расчета годового стока при отсутствии гидрометрической информации в исследуемом створе базируются:

—    на методах, основанных только на гидрологической информации в пунктах, где проводятся наблюдения. К этим методам относится картирование или осреднение в однородном районе параметров распределения годового стока на основе всей имеющейся в исследуемом районе гидрометрической информации за годовым стоком рек [Воскресенский К.П., 1962];

—    на методах, основанных на региональных зависимостях, использующих дополнительную информацию о морфометрических характеристиках бассейна. К ним относятся эмпирические формулы стока, связывающие среднее многолетнее значение (норму) стока, коэффициент вариации или отношение коэффициента асимметрии к коэффициенту вариации с различными факторами;

—    на методах, основанных на моделях формирования стока, использующих всю возможную информацию (гидрологическую, метеорологическую, агрофизическую, водно-физическую информацию, о характеристиках гидрографической сети, рельефа, почв и пр.). Эти методы основаны на непрерывном расчете детальных воднобалансовых соотношений за суточные интервалы времени по однородным участкам [Кучмент Л.С., 1972, 1980; Виноградов Ю.Б. и др., 1986] и на разбиении годового стока на фазовооднородные сезоны и построении сезонных регрессионных зависимостей слоев стока со стокоформирующими факторами [Лобанов В.А., 2006].

Методы расчета годового стока, основанные на моделях формирования стока, как правило, требуют очень большого объема гидрометеорологической, гидрофизической и другой информации по суточным интервалам времени, и ча-

-20-

Предисловие

Настоящие Рекомендации по определению расчетных гидрологических характеристик при отсутствии данных гидрометрических наблюдений в расчетном створе надлежит использовать при расчете гидрологических характеристик для строительного проектирования, а также при подготовке Территориальных строительных норм субъектов Российской федерации. Кроме того, Рекомендации могут оказаться полезными при обобщении гидрометеорологической информации в пунктах наблюдений Росгидромета, а также в пунктах кратковременных наблюдений, полученных в результате полевых гидрометеорологических изысканий, выполняемых проектно-изыскательскими и научно-исследовательскими организациями при строительном проектировании.

Рекомендации составлены в лаборатории расчетов стока Государственного гидрологического института проф. А.В. Рождественским и канд. техн.наук А.Г. Лобановой. Основные разделы Рекомендаций подготовлены: проф. А.В. Рождественским (Общие положения — раздел 5), канд. техн. наук А.Г. Лобановой (раздел 6 и примеры расчетов А.1-А.5) ; канд. геогр. наук. [Г.А. Плиткиным] (раздел 7) с участием канд. техн. наук А.В. Сикана (включая примеры расчетов А.7-А.9, раздел 7); канд.техн.наук С.М. Тумановской (раздел 8 и Приложения Б, В, Г), с участием канд.техн.наук А.В.Сикана, (раздел 8, примеры расчетов А.11-А.13, А.22); проф. А. М. Владимировым (раздел 9 и пример расчета А.14) с участием канд. геогр. наук МЛ. Маркова (раздел 9 и примеры расчетов А.15, А.16); д-ра техн. наук В.А. Бузина (раздел 10 и примеры расчетов А.17, А.18) с участием вед. инж. Т. Л. Шалаши-ной (пример расчета А.19); вед. инж. Т.Л. Шалашиной (раздел 11 и пример расчета А.20); канд. геогр. наук В.Ф. Усачевым (раздел 12 и пример расчета А.21), канд. техн. наук Е.В. Орловой и с. и. с. В.Г. Седовым (Приложение Д).

Общее руководство всеми работами по подготовке настоящих методических рекомендаций осуществлял проф. А.В. Рождественский. Научное редактирование рекомендаций выполнили проф. А.В. Рождественский и канд. техн. наук А.Г. Лобанова.

Кроме настоящих Методических рекомендаций в ГГИ подготовлены следующие рекомендации:

1.    Рекомендации по статистическим методам анализа однородности пространственно-временных колебаний речного стока. — Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 78 с.

2.    Рекомендации по приведению рядов речного стока и их параметров к многолетнему периоду. — Гидрометеоиздат, 1979. — 64 с.

3.    Методические рекомендации по определению расчетных гидрологических характеристик при наличии данных гидрометрических наблюдений. — Нижний Новгород: Вектор-ТиС, 2007. — 133 с.

4.    Методические рекомендации по определению расчетных гидрологических характеристик при недостаточности данных наблюдений. — С.-Петербург: Ротапринт ГНЦ ААНИИ, 2007. - 66 с.

-3-

6. /. Карты параметров распределения годового стока

сто дают неоправданно большие случайные погрешности определения годового стока, которые, как правило, даже превосходят погрешности расчета по сравнительно простым региональным зависимостям. Упрощение же этих методов нередко приводит к зависимостям годового стока от основных факторов.

Методы расчета годового стока, основанные на разбиении годового стока на фазовооднородные, не повышают точность расчета по сравнению со ставшими уже традиционными и более простыми методами расчета годового стока. Вместе с тем следует отметить, что с увеличением объема наблюдений за гидрометеорологическими и гидрофизическими характеристиками водосборов во времени и пространстве и представлении этой информации на технических носителях, есть основания полагать, что в будущем математические модели формирования речного стока возможно смогут войти в арсенал рекомендуемых методов инженерных гидрологических расчетов годового стока и других гидрологических характеристик для строительного проектирования и решения других практических и научных задач, стоящих перед гидрологией.

6.1. Карты параметров распределения годового стока

Средний годовой сток рек меняется в соответствии с зональным изменением климатических факторов и элементов природного ландшафта. В соответствии с расположением природных зон и высотных поясов наблюдается широтная и вертикальная зональность, которая дает основание для построения карт параметров распределения годового стока. Построение карт основано на допущении плавного изменения годового стока по территории в соответствии с распределением климатических и физико-географических факторов (рельефа, почвы, глубины залегания подземных вод и другие).

Карты параметров распределения годового стока относятся к центру тяжести водосбора реки, т.к. наблюденное значение стока относится не к точке (створу гидрометрических наблюдений), а к водосбору и является его интегральной характеристикой. Карты среднего многолетнего стока строятся в модулях (л/с км²) или в слоях стока (мм), т.е. в значениях стока приведенных к единице площади.

Характер изолиний параметров распределения стока на карте и точность определения этих параметров зависит от числа пунктов наблюдений, используемых при составлении карты, т.е. от густоты гидрометрической сети наблюдений, от пространственной структуры годового стока, отражаемой пространственной корреляционной функции, от плавности изменения рельефа в исследуемой местности и точности нанесения центров тяжести водосборов как при построении карты, так и при дальнейшем ее использовании.

Для построения карт параметров стока (среднего многолетнего значения стока и коэффициента вариации) могут быть использованы данные по рекам, сток которых определяется зональными факторами. Изменение зональной величины в пределах речного водосбора и влияние азональных факторов должно быть незначительное. Таким условиям отвечают так называемые «средние» реки, площадью водосбора от 1000 до 50 ООО км², бассейн которых расположен в пределах одной географической зоны. Реки, имеющие площади водосборов больше

-21 -

Введение

В настоящих Рекомендациях по определению расчетных гидрологических характеристик при отсутствии данных гидрометрических наблюдений в пункте проектирования более подробно раскрывается смысл многих методических положений изложенных в Своде правил по определению расчетных гидрологических характеристик [Свод, 2004], приводятся алгоритмы расчета, даются пояснения по использованию вычислительных программ и более полно представлены примеры расчета различных гидрологических характеристик. Кроме того, в Рекомендациях более полно представлены многочисленные таблицы, которые значительно облегчают производство инженерных гидрологических расчетов. Некоторые положения, изложенные в Своде правил [Свод, 2004], не имеют прямого отношения к подготовке Территориальных Справочников — монографий (Территориальные строительные нормы) «Определение основных расчетных гидрологических характеристик», но могут оказаться полезными при проектировании гидротехнических сооружений и при решении других вопросов научной гидрологии и различных практических вопросов. Территориальные строительные нормы по определению расчетных гидрологических характеристик должны содержать обобщение исходной гидрологической информации в виде удобном для гидрологического обоснования проектирования новых, расширения, реконструкции, ликвидации и технического перевооружения действующих предприятий, зданий и сооружений для всех видов строительства и инженерной защиты территорий. В настоящих Рекомендациях рассматривается обработка исходной гидрометрической информации в пунктах гидрометрических наблюдений, включая их приведение к многолетнему периоду в соответствии с методическими Рекомендациями [Методические, 2007].

Настоящие Рекомендации могут быть использованы не только при подготовке Территориальных строительных норм, а и при гидрологических расчетах для проектирования, строительства и эксплуатации различных водохозяйственных и гидротехнических сооружений на водных объектах России и обеспечивающие их безопасность.

В целях удобства пользователей настоящими методическими рекомендациями основные положения СП 33-101-2003 [Свод, 2004] повторяются, как правило, без ссылки на этот нормативный документ.

-4-

1. Область применения

В настоящих Рекомендациях используются положения и методы инженерных гидрологических расчетов, изложенные в нормативном документе СП 33-101-2003 «Определение основных гидрологических характеристик».

Методические рекомендации по определению расчетных гидрологических характеристик при отсутствии данных гидрометрических наблюдений предназначены для использования в инженерно-гидрологических расчетах по определению гидрологических характеристик для обоснования проектирования новых, расширения, реконструкции и технического перевооружения действующих предприятий, зданий и сооружений для всех видов строительства и инженерной защиты территорий для строительного проектирования, а также при пространственно-временном обобщении гидрометеорологической информации с целью дальнейшей подготовки справочников-монографий «Определение основных расчетных гидрологических характеристик» по территории деятельности УГМС Российской Федерации.

Кроме того, данные Рекомендации могут быть использованы при решении практических и научных задач в других отраслях экономики, включая комплексное использование и охрану водных ресурсов и многих других задач, стоящих перед гидрологией.

2. Нормативные ссылки

В настоящем отчете использованы ссылки на следующие стандарты:

СНиП 11-02-96 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения

СП 33-101-2003 Определение основных расчетных гидрологических характеристик

СП 11-103-97 Инженерные гидрометеорологические изыскания для строительства

ГОСТ 19179-73 Гидрология суши. Термины и определения

ГОСТ 7.32-2001 Отчет о научно-исследовательской работе

-5-

3. Термины и определения

В настоящем отчете использованы следующие термины с соответствующими определениями:

Гидрологические расчеты: раздел инженерной гидрологии, в задачи которого входит разработка методов, позволяющих рассчитать значения различных характеристик гидрологического режима.

Гидрологические характеристики: количественные оценки элементов гидрологического режима.

Клетчатка вероятностей: специальная клетчатка с прямоугольной системой координат, построенная таким образом, что на них спрямляются (полностью или частично) различные кривые обеспеченности.

Методы гидрологических расчетов: технические приемы, позволяющие рассчитать, обычно с оценкой вероятности их появления, значения характеристик гидрологического режима.

Обеспеченность гидрологической характеристики: вероятность того, что рассматриваемое значение гидрологической характеристики может быть превышено среди совокупности всех возможных ее значений.

Расчетная обеспеченность: обеспеченность гидрологической характеристики, принимаемая при строительном проектировании для установления значения параметров гидрологического режима, определяющих проектные решения.

Расчетный расход воды: расход воды заданной вероятности превышения, принимаемый в качестве исходного значения для определения размеров проектируемых сооружений.

Объем стока: количество воды, протекающее через рассматриваемый створ водотока за какой либо период времени.

Водохозяйственный год: расчетный годичный период времени, начинающийся с самого многоводного сезона.

Лимитирующий период: часть водохозяйственного года, неблагоприятная для осуществления проектируемых мероприятий либо по водопотреблению и водопользованию, либо по борьбе с наводнениями и осушению болот.

Нелимитирующий период: часть водохозяйственного года за вычетом лимитирующего периода.

Свободное состояние русла: состояние русла, характеризующееся отсутствием препятствий (ледяных образований, водной растительности, сплавного леса и т.д.), которое влияет на зависимость между расходами и уровнями воды, а также отсутствием подпора.

Подпор воды: повышение уровня воды из-за наличия в русле реки препятствия для ее движения.

Соответственные уровни воды: уровни воды на двух гидрологических постах, относящиеся к одинаковым фазам уровенного режима, — гребням резко выраженных подъемов или самым низким точкам.

-6-4. Обозначения и сокращения

Гидрограф: график изменения во времени расходов воды за год или часть года (сезон, половодье, или паводок) в данном створе водотока.

Водоохранные зоны: территории, которые примыкают к береговой линии морей, рек, ручьев, каналов, озер, водохранилищ.

Береговая полоса: полоса земли вдоль береговой линии водного объекта, предназначенная для общего пользования.

Зона затопления: площадь затопленных земель при заданном значении наблюденного уровня воды

4. Обозначения и сокращения

Росгидромет — Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.

ГУ «ГГИ» — Государственное учреждение «Государственный гидрологический институт».

ВФ ГУ «ГГИ» — Валдайский филиал государственного учреждения «Государственный гидрологический институт».

УГМС — межрегиональное территориальное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.

цгмс — центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды

ЦГМС-Р — центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с региональными функциями

НИР — научно-исследовательская работа

ГВК — государственный водный кадастр

ОГХ — основные гидрологические характеристики

ЕДС — ежегодные данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши мдс — многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши ГОСТ — Государственный стандарт

СП — свод правил по определению расчетных гидрологических характеристик СНиП — строительные нормы и правила ГП — гидрологический пост.

ТН — технический носитель

-7-

5. Общие положения

5.1. Исходная гидрометеорологическая информация

При отсутствии данных гидрометрических наблюдений в расчетном створе применяются региональные методы определения расчетных гидрологических характеристик и пространственные региональные обобщения данных гидрометеорологических наблюдений за многолетний период в соответствии с работами [Свод, 2004; Методические рекомендации, 1986; Методические рекомендации 1996; Методические рекомендации 2007].

Определение расчетных гидрологических характеристик при пространственном обобщении данных гидрометеорологических наблюдений в районе проектирования должно основываться на гидрометеорологических наблюдениях, опубликованных в официальных документах Росгидромета, и неопубликованных данных последних лет наблюдений, а также на данных наблюдений, содержащихся в архивах Госгидрометфонда, изыскательских, проектных и других организаций, включая опросы местных жителей. При отсутствии данных гидрометеорологических наблюдений в пункте проектирования необходимо проводить полевые гидрометеорологические изыскания [СНиП 11-02-96, СП 11-103-97] с последующей обработкой полученных материалов в соответствии с работами [Свод, 2004; Методические рекомендации, 1986; Методические рекомендации 1996; Методические рекомендации 2007]. Таким образом, мы всегда будем иметь гидрометеорологическую информацию при строительном проектировании и при решении других конкретных практических задач в расчетном створе с учетом полевых гидрометеорологических изысканий. В таком случае могут возникнуть вопросы, зачем необходимо проводить исследование по обобщению в районе проектирования гидрологических наблюдений, зачем осуществлять поиск региональных зависимостей, если имеются данные наблюдений. Ответ на поставленные вопросы следует искать в повышении качества гидрологических расчетов путем использования совокупной оценки расчетной гидрологической характеристики, основанной на использовании нескольких методов ее определения. Тогда окончательное значение расчетной гидрологической характеристики может быть получено путем осреднения расчетных значений, полученных по данным наблюдений и по региональным зависимостям. При осреднении желательно учесть случайные погрешности определения расчетных гидрологических характеристик каждого метода по формуле:

к А

I?*

. г~1

k А

где y_i — значение рассматриваемой гидрологической характеристики, определенное по различным методам, о-² — абсолютные дисперсии случайных погрешностей для каждого метода, k — число методов от х = 1 до к.

В этом случае наибольший эффект возникает при одновременном использовании кратковременных наблюдений, полученных, например, в результате полевых

5. /. Исходная гидрометеорологическая информация

изысканий и региональных зависимостей, когда случайные погрешности определения расчетных гидрологических характеристик не сильно различаются. Программа проведения полевых гидрометеорологических изысканий в пункте или районе проектирования устанавливается в зависимости от состава определения расчетных гидрологических характеристик, в зависимости от уровня надежности (класса капитальности) гидротехнических сооружений. Эта программа полевых работ должна быть отражена заказчиком в условиях договора на проведение проектных работ в соответствии с нормативными документами регламентирующими производство гидрометеорологических изысканий [СНиП 11-02-96, СП 11-ЮЗ-97]. Ранее проведенные гидрометеорологические изыскания в районе проектирования должны обязательно учитываться при производстве гидрологического обоснования проектирования гидротехнического сооружения в исследуемом створе. При этом должны быть использованы методы обобщения гидрологической информации во времени и пространстве изложенные в работах [Свод, 2004; Рекомендации, 1979, Международное руководство, 1984;, Методические рекомендации, 2007; Рекомендации, 1984; Методические рекомендации, 1966; Методические указания, 1986; Пособие, 1984]. При этом должно быть обращено особое внимание на новые методы, которые ранее не применялись при пространственно-временном обобщении гидрологической информации. В качестве примера можно привести методику восстановления за многолетний период данных кратковременных гидрометеорологических наблюдений, полученных, например, в результате полевых гидрометеорологических изысканий. Действительно, полевые работы могли быть выполнены ранее, то есть до разработки новых методов восстановления кратковременной гидрометеорологической информации [Рождественский и др., 1991; Методические рекомендации, 2007]. В таком случае данные полевых наблюдений следует заново обработать в соответствии с методикой, изложенной в работах [Свод, 2004, Методические рекомендации, 2007].

Кроме того, следует использовать достоверные данные наблюдений за гидрологическими характеристиками по архивным, литературным и другим материалам, относящимся к периоду времени до начала регулярных наблюдений. В этом случае представляет особый интерес также информация, которая может быть получена в период стационарных наблюдений за катастрофическими гидрологическими явлениями, касающаяся продолжительности выдающегося гидрологического явления, выходящего за пределы наблюденного периода времени. При этом необходимо указать источник, на основании которого установлена катастрофическая гидрологическая информация, и произвести оценку достоверности и точности полученных материалов. В качестве примера можно привести сведения за историческими максимумами стока и уровней воды на р. Лена в среднем течении и на реках горной части бассейна р. Кубани.

Кроме того, при обобщении гидрометеорологической информации во времени и пространстве, а также при решении практических задач инженерной гидрологии необходимо использовать метеорологические факторы формирования гидрологических характеристик. Метеорологические элементы могут быть использованы при установлении зависимостей гидрологических характеристик и параметров расчетных схем и формул. Метеорологические факторы стока целесообразно использовать при восстановлении гидрологических характеристик за ранние годы (за период продолжительности наиболее продолжительных

-9-5. Общие положения

наблюдений в пунктах — аналогах), в периоды пропусков гидрологических наблюдений, а также за поздние годы для закрытых водомерных постов. Подобные работы могут существенно расширить наши представлении о многолетних колебаниях различных гидрологических характеристик. В результате проведения таких гидрологических расчетов точность определения расчетных гидрологических характеристик существенно повысится и, следовательно, улучшится качество гидрологических расчетов при решении практических задач проектирования, эксплуатации, консервации и ликвидации гидротехнических сооружений.

5.2. Оценка качества исходной гидрометеорологической

информации

Прежде чем приступить к гидрологическим расчетам по определению расчетных гидрологических характеристик при отсутствии данных гидрометрических наблюдений, то есть прежде чем осуществить пространственное обобщение исходной гидрометеорологической информации за многолетний период, необходимо произвести тщательный анализ исходных данных наблюдений. Этот анализ включает оценку качества исходных данных, оценку случайных и систематических погрешностей исходных данных гидрометеорологических наблюдений [Рождественский А.В. и др., 1990]. Это особенно важно потому, что случайные погрешности исходных данных наблюдений оказывают систематическое влияние на определение выборочных параметров (коэффициенты вариации. асимметрии и автокорреляции между смежными членами исходных рядов наблюдений) и расчетных квантилей гидрологических характеристик. Важно подчеркнуть, что случайные ошибки исходных данных приводят к систематическим ошибкам в определении расчетных значений гидрологических характеристик. К сожалению, сведения о случайных погрешностях публикуемых данных гидрометеорологических наблюдений, как правило, отсутствуют. В результате анализа качества исходных данных восстановить в полном объеме случайные средние квадратические погрешности не представится возможным. Однако, некоторые суждения о качестве данных гидрометеорологических наблюдений сделать можно. Для этого желательно провести анализ качества исходных данных наблюдений за гидрологическими характеристиками. При этом данные гидрометрических наблюдений, вызывающие сомнение следует подвергать проверке, включающей гидрометрический анализ:

—    полноты и надежности наблюдений за уровнями и расходами воды;

—    наличия данных о наивысших (мгновенных и среднесуточных) и наиниз-ших уровнях воды за время наблюдений при свободном ото льда русле, ледяном покрове, ледоходе, заторе льда, заросшем водной растительностью русле, подпоре от ниже расположенной плотины, сбросах воды выше гидрометрического створа, полноты учета стока воды на пойме и протоках;

—    влияние хозяйственной деятельности на речной сток и другие виды анализа.

Ненадежные данные гидрометрических наблюдений при невозможности их

уточнения исключают из расчетного ряда наблюдений. В необходимых случаях должен выполняться пересчет стока воды за отдельные периоды.

-10-