Товары в корзине: 0 шт Оформить заказ
Стр. 1
 

44 страницы

Купить официальный бумажный документ с голограммой и синими печатями. подробнее

Цена на этот документ пока неизвестна. Нажмите кнопку "Купить" и сделайте заказ, и мы пришлем вам цену.

Официально распространяем нормативную документацию с 1999 года. Пробиваем чеки, платим налоги, принимаем к оплате все законные формы платежей без дополнительных процентов. Наши клиенты защищены Законом. ООО "ЦНТИ Нормоконтроль".

Наши цены ниже, чем в других местах, потому что мы работаем напрямую с поставщиками документов.

Способы доставки

  • Срочная курьерская доставка (1-3 дня)
  • Курьерская доставка (7 дней)
  • Самовывоз из московского офиса
  • Почта РФ

В документе изложены приемы анализа имеющихся рядов многолетних наблюдений при определении расчетных гидрологических параметров, разработаны аналитический и графоаналитический методы расчета параметров, изложены способы поиска дополнительной гидрометеорологической информации. Рассмотрены вопросы генетической и статической однородности гидрологических рядов. Дана методика выполнения выдающихся максимумов и оценки их вероятности

  Скачать PDF

Оглавление

Введение

1. Основные исходные положения расчетов экстремумов

2. Расчеты максимального стока рек при наличии наблюдений

3. Поиск и анализ гидрометеорологической информации

Приложение 1.

Приложение 2.

Приложение 3.

Приложение 4.

Приложение 5.

Приложение 6.

Литература

Показать даты введения Admin

ПНИИИС Госстроя СССР

Рекомендации

по методике

определения

экстремальных

гидрометеорологических

характеристик

Москва 1981

Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС) Госстроя СССР

РЕКОМЕНДАЦИИ

по методике определения экстремальных гидрометеорологических характеристик

Москва Огройиздат 1981

Метод годопунктов был эффективно применен в работе 18] для анализа и обоснования формы обобщенных кривых обеспеченности северного полушария. Следовательно, метод годопунктов может применяться для изучения теоретических законов распределения гидрометеорологических характеристик.

Однако для получения расчетных параметров конкретного водного объекта применение метода годопунктов встречает следующее затруднение. Если на данной территории изучено 10 водных объектов, то при объединении их объект А будет иметь одни параметры. Если через несколько лет на той же территории будет изучено 30 водных объектов, то при объединении их тот же объект А будет иметь другие параметры.

В действительности объект А имеет параметры, никак не зависящие от изученности соседних объектов.

Метод годопунктов принципиально противоречит методам расчета экстремальных характеристик для конкретных строительных объектов. Дальнейшее уточнение экстремальных параметров водных объектов должно быть направлено на получение их индивидуальных свойств, а не к нивелированию их, тем более что длительность одиночных рядов непрерывно нарастает. Поэтому надо признать, что метод годопунктов вряд ли может быть перспективным в будущем.

Привлечение дополнительной информации должно осуществляться не путем расчета по годопунктам, а путем поиска экстремальных характеристик, в том числе исторических. Хорошим методическим примером такого поиска является, например, работа [16],

Если говорить о конкретных географических регионах, то метод годопунктов можно пытаться применить только на незначительной части территории нашей страны — на юге Украины и в некоторых районах Казахстана.

И еще один аспект этого метода. Часто употребляют выражение годосооружения. Считают, что если есть сведения, например, о паводках на 100 малых сооружениях на каком-то участке дороги за 20 лет, то наибольший из наблюденных паводков имеет вероятность л ___1____

*    100    х    20

= -2qqq-«Такое рассуждение неправомерно , так как 100 малых сооружений расположены на длине 50 км и все они синхронно связаны и не являются независимыми. На всех сооружениях паводок может быть следствием одного и того же дождя и вероятность наибольшего будет не _J__я 1

2000 J 20

Что касается метода аналогии, то он должен применяться с крайней осторожностью. В настоящее время метод аналогии является доминирующим в гидрологических расчетах. Считается, что применение этого метода почти всегда правомерно, хотя рассчитывается вместо одной реки другая с поправками, вычисляемыми весьма условным способом.

Под приведением короткого ряда к длительному периоду в настоящих Рекомендациях понимается поиск въедающегося Экстремума.

Ряд-аналог можно использовать только в тех случаях, когда он содержит выдающийся экстремум. При этом надо учитывать, что экстремумы в каждом пункте формируются неповторимым путем.

Метод композиции является перспективным, но для его применения

10

в расчетах требуются еще значительные гидрометеорологические исследования.

2. РАСЧЕТЫ МАКСИМАЛЬНОГО СТОКА РЕК ПРИ НАЛИЧИИ НАБЛЮДЕНИЙ

2.1.    Расчеты экстремальных гидрологических величин рассматриваются в настоящих Рекомендациях на примере максимального стока рек.

Расчетные значения максимального стока определяются по биномиальной кривой обеспеченности или по кривой трехпараметрического гамма-распределения, параметры которых — среднее многолетнее значение расхода Q0 7 коэффициент изменчивости С¥ и коэффициент асимметрии С^    ~ устанавливаются по расчетному ряду наблюдений.

2.2.    По данным многолетних наблюдений формируются ряды ежегодных экстремальных значений стока, отдельно для расходов талых вод и дождевых паводков. В случаях, когда такое разделение невозможно (например, для северных районов с поздними половодьями в период дождей, для некоторых горных районов и др.), формируется один ряд наибольших годовых экстремумов.

2.3.    В качестве критерия при назначении величины расчетной характеристики в настоящих Рекомендациях принята ежегодная (однократная) вероятность этой величины.

Примечание. В литературе можно встретить разнообразные употребления понятия ’’вероятность”. Так, в волновой теории вероятность определяется ”в системе волн” (СНиП 1Г-57-75). Наибольшая из 100 волн считается имеющей вероятность 1%. Если период волнения Т * 12 с, то 100 волн проходят за 20 мин. Таким образом, выражение ’’вероятность 1%” относят и к повторяемости один раз в 100 лет, и к повторяемости один раз в 20 мин.

2.4.    Основной задачей при статистической обработке ряда многолетних наблюдений является определение расчетных значений параметров кривой распределения (обеспеченности) — Q0, Су и С& .

Динамика изменения этих параметров должна подвергаться тщательному анализу. При добавлении в каждом новом году максимального расхода в ряд наблюдений параметры Q0, Су и с& изменяются. В большей или меньшей степени это происходит ежегодно; при появлении же выдающихся величин параметры изменяются настолько значительно, что выбор их расчетного значения, особенно параметра становится основной проблемой расчета.

Анализ динамики изменения параметров выполняется при помощи составления графика их ежегодного изменения (п.2.5.).

2.5.    Построение графика ежегодного изменения параметров выполняется следующим образом.

Пусть имеется хронологический ряд ежегодных максимальных расходов воды. Из этого ряда формируются от начала наблюдений хронологические ряда продолжительностью 10 и более лет. Продолжительность рядов увеличивается каждый раз на один последующий год. Получается серия рядов длительностью 10, 11, 12 лет за периоды, например, 1901-1910; 1901—1911; 1901-1912 гг. и т.д. Общее число i таких рядов будет равно i - п —9. Так, при числе лет наблюдений л = 45 лет получаем 36 рядов.

4-435

Полученные 36 рядов следует подвергнуть статистической обработке с вычислением среднего значения Q0 , коэффициента изменчивости С¥ и коэффициента асимметрии С^. Вычисления выполняются на ЭВМ1.

По результатам обработки таких рядов строятся графики, где по оси абсцисс отложено время (продолжительность сформированных рядо^ а по оси ординат — значения параметров.

Изложенный метод построения, который условно назван ’’методом определения ежегодного изменения параметров”, дает возможность выявить тенденции изменения параметров Q0>CV и с$, а следовательно, приблизиться к определению их расчетной величины. Употребляя выражение ’’ежегодное”, имеется ввиду подчеркнуть непрерывное изменение их во времени.

Ниже даются примеры построения таких графиков.

Пример 3. Построение графика ежегодного изменения параметров кривой обеспеченности (рис. 2).

Река Чир у станицы Обливской (бассейн Дона). Площадь водосбора 8470 км2, период наблюдений 1924—1975 гг., выдающийся расход 1956 г. — 3200 м3/с. Таблица расходов дана в прил. 1.

На графике показаны:

1.    Ежегодные максимальные расходы воды.

2.    Средние расходы Q0 , начиная с ряда продолжительностью 10 лет.

3.    Величина коэффициентов изменчивости Су и асимметрии С^ вычислена методом моментов по формулам •

о.

(2)

*    z(Kr<)3

вычислена методом наиболь-

6 ' (н-1)(п-2)

4. Величина коэффициентов Су и шего правдоподобия по формулам :

(3)

, _ Z191i/x . л-1

ZXj/x. €рх(/х /г - У

и по номограмме для вычисления параметров трехпараметрического гамма-распределения и С^    методом приближенно наибольшего

правдоподобия.

Из графика видно, что выдающийся расход Q 8 3200 м3/с прошел в 1956 г., на 26-м году наблюдений. До 1956 г. за 25 лет наблюдений коэффициент Cv изменялся в пределах 0,85-1,0 при подсчете по методу моментов и 0,88-1,08 — по методу наибольшего правдоподобия.

После появления в 1956 г. расхода 3200 м3/с коэффициент резким скачком увеличился до 1,37 по одному методу и до 1,4 — по второму.

В последующие 19 лет (1956-1975 гг.) коэффициент С не снижался, что следовало бы ожидать, а колебался в сравнительно небольших преде-

02Q    30    To    Tb

Рис. 2. График ежегодного изменения параметров 99,CVtC& на р. Чир-Обливская: 1 - метод моментов; 2 - метод наибольшего правдоподобия


1350    1360    Число    лет    wo    fS7$

лах 1,35—1,43. Можно заметить, что различия в величине Cv , вычисленной двумя методами, постепенно уменьшаются; к последнему году наблюдений их значения совпали ( Су* 1,4).

Что касается коэффициента асимметрии С& то здесь расхождения вычислений по методам моментов и наибольшего правдоподобия, естественно, больше. Однако к последнему году наблюдений и здесь обнаруживается некоторая тенденция к снижению различий.

Пример 4. Построение графика ежегодного изменения параметров кривой обеспеченности (рис. 3).

Река Арканзас, США. Площадь бассейна 11 750 км2. Выдающийся расход 1921 г. — 2 880 м3/с. Таблица расходов дана в прил. 2.

На графике показаны:

1.    Ежегодные максимальные расходы.

2.    Параметры Q0 , Cv и Св ? вычисленные методом моментов для рядов продолжительностью 10, 11, 12 и до 65 лет (продолжительность наблюдений).

Выдающийся расход на реке Арканзас прошел в 1921 г., на 27-м году наблюдений. При этом средний расход Q0 возрос от 260 до 360, т.е. на 38%.

Коэффициент Сv резким скачком увеличился с 0,55 до 1,45, после чего на протяжении 40 лет снижался от 1,45 до 1,28. График наглядно показывает всю трудность проблемы нахождения расчетного коэффициента Су. Совершенно ясно, что существовавшая до выдающегося паводка величина Су * 0,55 занижена, а величина Cv* 1,45 является завышенной. Расчетное значение лежит в огромном диапазоне 0,55 < Су < 1,45, и,чтобы его найти, требуется тщательный разносторонний анализ.

Таблица 1

Изменения параметров нар. Ар Канзас

За период до паводка, 1895-1920 гг.

В год паводка. 1895-1921 гг.

За период после паводка, 1895-1922-1960 гг.

<?0

280-260

260-360

360-282

^V

0,66-0,55

0,55-1,45

1,45-1,28

CSL

1,80-2,50

2,50-4,25

4,25-6,30

СЛ

2,7-4,5

4,5-2,9

2,9-4,9

Расходы вероятностью, например, 1% выглядят так (берем крайние случаи):

после 26 лет наблюдений (период 1895—1920 гг.):

Q0 = 260; Су * 0,55; Cs =2,50;    Q1% - 805 мЗ/с;

после 27 лет наблюдений (период 1895—1921 гг.) :

Q0 - 360; Су = 1,45;    4,25;    Q1% * 2660 мЗ/с.

2.6. При статистической обработке многолетних рядов максимальных расходов воды следует учитывать, что не всякий ряд (даже продолжительностью 50 лет, см. примеры 5, 6, 7) пригоден для определения расчетных параметров кривой обеспеченности. Ряды, пригодные для определения параметров, назовем условно расчетными. Одно из необходимых условий расчетного ряда — наличие в ряду или вне его одного или более выделяющегося расхода (критерий выделяющегося расхода дан в п.2.8.).

14

5-435

Рис. 3. Г рафик ежегодного изменения параметров QQt Cyt С$ на р. Арканзас (США), определенных по методу моментов


LA


Что касается необходимой продолжительности расчетного ряда, то общие указания здесь дать затруднительно. Полезно проследить, как изменялись взгляды на этот вопрос. В 1948 г. в ГОСТ 3999-48 рекомендовался период 15 лет, в 1957 г. в СН 2-57 — уже 20 лет, в Указаниях СН 435-72 — от 25 до 50 лет (по физико-географическим зонам). Учитывая примеры 5, 6, 7, надо думать, что возрастание требуемого периода будет продолжаться. Очень многое зависит от наличия в ряду выдающихся величин, поэтому вопрос о необходимой продолжительности ряда нельзя уложить в стандартные периода. Очевидно, по этой причине в проекте новых Указаний СН 435 вообще не дается никаких рекомендаций на этот счет.

Принадлежность ряда к расчетному определяется при помощи графика ежегодного изменения параметров. Соответствующие примеры приводятся ниже.

Пример 5. Анализ того, является лирасчетным ряд максимальных расходов на реке Араке у Карадонлы. Площадь бассейна 96700 км2. Выдающийся расход 1969 г. — 2800 м3/с. Таблица расходов дана в прил. 3.

1. Допустим, что расчет выполняется в 1968 г., т.е. до выдающегося паводка 1969 г. (из практики работы Бакинского отделения Гидропроекта) .


Параметры ряда по методу м    *л12—1968 гг.:

Несмотря на полученную незначительную величину коэффициента С$, было назначено обычное соотношение csf^v= 3. Кривая обеспеченности дана на рис. 4д. Отметим, что по этой кривой повторяемость расхода 1969 г. равна 1250 лет,

2.    Допустим, что расчет выполняется в 1969 г. после выдающегося паводка 1969 г. (такой расчет также выполнялся Бакинским отделением Гидропроекта).

Параметры ряда за период 1912—1969 гг.:

Q0- 1030;    Cv с о,40;    С$    - 1,55;    С$¥    - 3,9.

Кривая обеспеченности при Gs/Cv ~ 3 дана на рис. 4J5. При этой кривой повторяемость расхода 1969 г. равна 300 лет.

3.    Анализ пригодности ряда для определения параметров кривой обеспеченности.

Построим график ежегодного изменения параметров (рис. 5). Обращает на себя внимание то, что асимметрия на протяжении всего периода наблюдений близка к нулю или незначительна, чего никогда не бывает в рядах максимальных расходов. В 1968 г. прошел наибольший паводок за весь предшествующий период    •    1820    мЗ/с,    и    все-таки    асиммет

рия оставалась незначительной Cs = 0,8 Ct • Это уже указывало на то, что ряд ограниченно пригоден. Только при появлении расхода я «2800 м*/с асимметрия стала равной Gg - 1,55 и    -3,9,т.е. парамет

ры получили обычные соотношения.

До паводка 1969 г. первые 9 членов ранжированного ряда имели следующие значения: 1820, 1610, 1591, 1568, 1512, 1420, 1369, 1360, 1346 мЗ/с, т*е* различия соседних членов ничтожны. За исключением расхода 1820 остальные 8 наблюдались за период 50 лет, т.е. один раз в 6 лет. Тогда можно принять, что расход 1820 наблюдается никак не реже одного раза в 20—25 лет. Это типичный пример того, что (п.2.7), т.е. что расход 1820 не может стоять во главе 50-летнего ряда.

Период повторения. N, пет 10000 WOO fО00 200 tOO 20 10    5

Обеспеченность Р9 %

Рис. 4. Кривые обеспеченности по р. Аракс-Кара-донлы:

а - по существующей методике до паводка 1969 г.; б - то же, после паводка 1969 г.; в - предлагаемая кривая

Можно сделать вывод, что ряд максимальных расходов р Араке у Карадонлы до паводка 1969 г. не мог служить основой для определения параметров кривой обеспеченности. Описание расчетов кривой обеспеченности, выполненных в Бакинском отделении Гидропроекта, имеется в работах [36,37].

4. Рекомендуемый расчет параметров для рАраке с.Карадонлы.

Основной вопрос — как оценить повторяемость (вероятность) расхода 1969 г.

Бакинское отделение Гидропроекта приняло в 1971 г. эту повторяемость равной * 73 года. Когда по существующей методике построили кривую обеспеченности, получили # а 270 лет. Здесь сразу нарушается основное требование инженерного расчета — те величины, которые принимаются в начале расчета, должны быть равны получаемым в результате расчета. Методы моментов и наибольшего правдоподобия не могут выполнить это требование. Следовательно, расчет надо выполнять графоаналитическим методом.

17

По последним сведениям, Бакгидропроект (1979 г.) принимает повторяемость расхода 1969 г. /У4 * 110 лет. Мы полагаем, что следует принимать Ы4 - 150 лет. Тогда кривая будет иметь вид, показанный на рис. 4,в.

5. Следует выполнить поиск данных о ранее наблюдавшихся выдающихся паводках на реке Араке, в частности, имеются сведения о таком паводке в 1877 г.

Пример 6. Река Волга у    г.Куйбышева.    Площадь бассейна

1210 ОООкм^. Имеются наблюдения с 1881 г.

Первые 15 расходов таковы:

1.

63 900

6.

49 000

11.

46 300

2

50 700

7.

48 000

12.

46 100

3.

50 200

8.

47 700

13.

45 500

4.

49 600

9.

46 900

14.

45 400

5.

49 400

10.

46 800

15.

45 300


Рис. 5. График ежегодного изменения параметров QQ, Cyt С& Карадонлы, определенных по методу моментов    р

на р. А рак о


18


Не повторяя подробный анализ, проведенный по реке Араке, можно сделать вывод, что если бы не было расхода    (1926    г.), то ряд,

несмотря на свою длительность, был бы ограниченно пригоден для определения параметров кривой обеспеченности, так как все последующие расхода почти не различаются.

Пример 7. Анализ того, является ли расчетным ряд максимальных расходов на реке Сочи у сЛТластунка. Площадь бассейна 238 км2- Выдающийся расход 1978 г. — 613 мЗ/с. Таблица расходор — см. прил. 4.

Строим график ежегодного изменения параметров (рис. 6), из которого видно, что отношение С$/СУ колеблется от 0 до 0,5, только однажды, на 41-м году наблюдений, достигая 1. Такие соотношения Cs/Cне свойственны максимальным расходам, особенно дождевого происхождения. Только на 51-м году наблюдений появился расход, поднявший отношение £$/Cv до 2 (для дождевых паводков это еще мало).

Следовательно, до появления расхода 1978 г. ряд, имея длину 50 лет, не мог служить основой для определения расчетных параметров.

Пример 8. Выбор расчетного периода для определения параметров при помощи графика ежегодного изменения.

Q, м*/с

Рис. 6. График ежегодного изменения параметров Q0tC , С на р.Сочи-Плао тунка, определенных по методу моментов    "


6-435


19


УДК 551.579

Рекомендовано к изданию решением секции гидрогеологии и гидрологии НТС ПНИИИС Госстроя СССР 29 июня 1979 г.

Рекомендации по методике определения экстремальных гидрометеорологических характеристик. М.: Стройиздат, 1981. - 44 с. (ПНИИИС Госстроя СССР).

Рекомендации разработаны Производственным и научно-исследовательским институтом по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС) Госстроя СССР на основе обобщения опыта гидрологических расчетов максимального стока рек при инженерных изысканиях для различных видов строительства. В Рекомендациях изложены приемы анализа имеющихся рядов многолетних наблюдений при определении расчетных гидрологических параметров, разобраны аналитический и графоаналитический методы расчета параметров, изложены способы поиска дополнительной гидрометеорологической информации. Рассмотрены вопросы генетической и статистической однородности гидрологических рядов. Дана методика выполнения анализа выдающихся максимумов и оценки их вероятности.

Рекомендации предназначены для инженерно-технических работников проектно-изыскательских и научных организаций.

Рекомендации составил кандидат технических наук Ф.В.ЗАЛЕССКИЙ.

Замечания и предложения по содержанию настоящих Рекомендаций просим направлять по адресу: Москва. 105058, Окружной проезд, 18, ПНИИИС.

Табл. 7, ил. 10.

Р'М7(0ТГ-7'8Т ИнстРУкт'*ноРмат•• Х®Ь1П.— 88— 80.    3202000000

© Стройиздат, 1981

На рис. 7 показана кривая изменения коэффициента Су на реке Чирчик. При каждом появлении выделяющегося максимума происходят перепады величины Су, Приемлемая для строительного проектирования величина    С v    получается где-то в районе ряда ”а”, приблизительно

при л* 34 года (или в диапазоне 30-40 лет). Очевидно одно, что ряд ”б” продолжительностью 56 лет хотя и является более длительным, дает менее надежную величину С v.

2.7. Ряды наблюдений имеют соотношение либо п . либо повторяемость первого члена в годах, л — число лет наблюдений). Случай, когда * л, является частным исключением,хотя именно на такой случаи ориентирована существующая методика.

1. А/у у ft . Этот случай описывается большим числом формул, имеющих общий вид

Л m - ос

Р" ‘пч-га *    (5)

где Рт — оценка вероятности члена, занимающего ftt-e место в ранжированном ряду длиной it.

Параметр OL принимает следующие значения: если ориентироваться на математическое ожидание искомой вероятности, то CL = 0; при медианном значении вероятности а = 0,3; при а = 0,5 вероятность отнесена к середине отрезков, на которые ряд разбит. Соответствующие формулы даны в табл. 2.

Вероятность первого члена ряда А по формуле (5)

Таблица 2

Величина a

0

] 0,3

1 0.5

m

/71-0,3

m -0,5

Вид формулы (5)

п+4

ft + 0,4

ft

Вероятность первого

i

1

4

члена

tt*4

4tAbft

2ft

Выше приведена трактовка параметра ас с точки зрения математической статистики. Инженерная интерпретация этого параметра — поиск коэффициента запаса. Наиболее осторожна 1-я формула, наименее — 3-я. Однако за пределы D__i__( м *2«) не выходит ни одна из них.

2 It

В реальных рядах, мобилизуя архивные, исторические данные, получают величину А/1, равную нескольким сотням лет, во много раз больше продолжительности наблюдений. Поэтому очевидно, что для первых членов ряда указанные формулы непригодны. Вероятность выдающихся величин должна определяться путем гидрологического анализа и соответствующим образом наноситься на клетчатку (п.2.12).

Нельзя согласиться с тем, что в двух одинаковых по объему выборках вероятности первых номеров одинаковы, несмотря на то, что рас-

20

ВВЕДЕНИЕ

Методика определения и вероятностного прогнозирования экстремальных (максимальных и минимальных) значений гидрологических и метеорологических характеристик требует непрерывного совершенствования.

В соответствии с главой СНиП 2-1-74* ’’Система нормативных документов” внесено дополнение в п. 1.6 о том, что рекомендации разрабатываются научно-исследовательскими институтами на основе результатов научных исследований и должны быть направлены на дальнейшее совершенствование проектирования и строительства.

Строительное проектирование выдвигает свои, особые требования к их нормированию. Необходимо обеспечивать достаточную надежность проектируемых сооружений и вводить целесообразные коэффициенты запаса. В предлагаемых Рекомендациях намечаются некоторые решения этой задачи.

Хотя все приведенные в Рекомендациях примеры касаются максимального стока рек, однако предлагаемые исходные положения и методические приемы в той или иной степени могут учитываться при расчетах ряда параметров гидрологии и строительной климатологии; в первую очередь это касается вопросов однородности рядов многолетних наблюдений, роли выдающихся величин, оценки вероятности членов ранжированных рядов, надежности расчетных параметров и др.

Расчет параметров стока на основании проведенных наблюдений является достаточно разработанной областью гидрологии, и все же даже в этом случае методика определения экстремумов еще далека от требуемого уровня, в чем не трудно убедиться из предлагаемых Рекомендаций.

Следует отметить еще одно важное обстоятельство. В эмпирических формулах, полученных для случаев, когда наблюдения отсутствуют, недостатки в методике обработки рядов сказываются на точности определения параметров.

Рекомендации разработаны канд. техн. наук ЗАЛЕССКИМ Ф.В.

2-435

1. ОСНОВНЫЕ ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТОВ ЭКСТРЕМУМОВ

1.1.    Одной из главных задач гидрологических расчетов является определение экстремальных расчетных гидрологических и метеорологических характеристик. От этих характеристик зависят генеральные параметры проектируемых сооружений и их стоимость.

Совершенствование методики расчета экстремальных характеристик способствует повышению достоверности определения их расчетных воздействий, обеспечению нормального функционирования гидротехнических, транспортных, мелиоративных и других сооружений.

Совершенствование указанной методики уменьшает аварийность и приводит к увеличению сроков эксплуатации сооружений, а также сокращению эксплуатационных расходов.

В итоге повышается надежность и срок службы сооружений, т.е. достигается максимальная эффективность капитальных затрат.

1.2.    Улучшение методики определения экстремальных характеристик дает возможность уточнить вероятностное прогнозирование так называемых стихийных явлений.

Речные наводнения, катастрофические ливни, морские штормовые нагоны и другие проявления экстремальных гидрометеорологических факторов затрагивают интересы общества, имеют особое значение. Совершенствование методики расчета экстремумов способствует безопасности людей, сохранности материальных ресурсов.

Особенно опасны внезапные экстремумы, обусловленные причинными явлениями, длящимися немногие часы.

1.3.    Задачи охраны гидросферы и атмосферы требуют надежных количественных сведений об экстремальных гидрометеорологических явлениях и их повторяемости (вероятности). Только при наличии таких сведений можно будет оптимизировать задачи охраны природной среды.

1.4.    Настоящие Рекомендации дополняют методологию инженерной гидрологии современными требованиями, вытекающими из практики проектирования и строительства.

Не вызывает сомнения, что гидрология для строительных целей может и должна иметь свои, специфические методики. Именно такие специфические методики должны содержаться в нормативных документах, вносимых на утверждение Госстроя СССР и других ведомств для целей строительства.

Нельзя требовать, чтобы гидрологические расчеты слепо и безоговорочно опирались на материалы измерений в той форме, в какой они получены в результате наблюдений и которые имеются на сегодняшний день. Должны быть допущены обоснованные отступления от этой информации, так как последняя часто не является репрезентативной. Надо учитывать, что в ряде мало изученных районов страны количество информации вообще ничтожно, однако гидрология все равно вынуж-

4

дена решать свои задачи для обеспечения проектирования и строительства исходными данными.

1.5.    Метод построения кривой обеспеченности в строительной гидрологии исходит из основного тезиса — расчетная кривая, обеспеченности, предназначенная для строительного проектирования, должна по возможности меньше зависеть от ежегодного изменения параметров, происходящего вследствие непрерывного добавления информации (данных наблюдений). Это достигается путем поиска и учета выдающихся экстремумов.

Наблюдения показывают, что на отрезке времени около 100 лет могут наблюдаться характеристики повторяемостью 200—300 лет. Проектирование и строительство ведутся с расчетом в среднем на одно-два столетия, при этом важно обеспечить сохранность и надежность сооружений в продолжение именно этого периода. Следовательно, расчетная кривая обеспеченности должна проводиться с учетом этих выдающихся характеристик.

Если следовать существующей методике, то обычно поиск выдающихся явлений не выполняется, а при появлении выдающегося максимума приходится увеличивать параметры кривой обеспеченности, увеличивается расчетный расход и проект подлежит переделке.

В отношении таких объемных трудов (около 3500 пунктов), как каталоги ГГИ по максимальному талому и дождевому стоку [ 14, 23]следует учитывать, что видимо через каждые 3—4 года они в большей своей части будут нуждаться в уточнении или пересмотре, так как приводимые в них параметры кривой обеспеченности меняются в зависимости от добавляющихся данных наблюдений. Такое же положение и с экстремальными величинами строительной климатологии.

1.6.    Расчет по методу предельных состояний (глава СНиП Л-А.10-71) должен быть распространен и на гидрологические воздействия. Соответствующие разработки являются первоочередной задачей тех институтов, которые являются головными для разных видов сооружений (гидротехнические сооружения — Гидропроект Минэнерго, автомобильные и железные дороги — Союздорпроект и ЦНИИС Минтрансстроя и тщ.).

В главе СНиП П-А.10-71 ’’Строительные конструкции и основания. Основные положения проектирования” говорится [34], что степень ответственности и капитальности зданий и сооружений, а также значимость последствий наступления тех или иных предельных состояний учитывается в необходимых случаях коэффициентами надежности/^.

Возможное отклонение нагрузок в неблагоприятную сторону от их нормативных значений вследствие изменчивости нагрузок или отступлений от условий нормальной эксплуатации учитывается коэффициентами перегрузки п , устанавливаемыми с учетом назначения зданий и сооружений и условий их эксплуатации.

В настоящее время при проектировании вводится система коэффициентов запаса. При проектировании морских причалов над расчетным уровнем принимается запас 1 м; при проектировании подходных насыпей к мостам возвышение насыпи над расчетным уровнем принимается с запасом 0,5 м и т.д.

Общий коэффициент запаса равен

К,Ы- к< •«, к}. V

5

Предлагается на стадии построения кривой обеспеченности ввести некоторый запас и снизить какой-то другой коэффициент с тем, чтобы/Гобщ остался прежним. Вопрос этот должен решаться конкретно, применитель^ но к каждому виду сооружений.

1.7. В современной гидрометеорологии вопрос о подходе к оценке генетической и статистической однородности нуждается в уточнении. Стремление к исследованию однородности вызвано тем, что в гидрометеорологических явлениях всегда наблюдается или подразумевается выдающийся экстремум. Он может проявиться за период наблюдений, чаще он может быть зафиксирован в историческом прошлом.

Очевидна важность наличия выдающихся экстремумов, так как они дают возможность получения расчетных параметров, обеспечивающих надежность возводимых сооружений. Без учета таких экстремумов расчетные параметры получаются заниженными.

Однако в практике гидрологических расчетов в ряде случаев необходимость совместной обработки выдающихся величин и остальных членов ряда подвергается сомнению. Более того, иногда эти выдающиеся величины при статистической обработке наблюдений вовсе не принимаются во внимание. Подобно тому, как в области выпуска деталей и контроля производства исключаются "подозрительные” величины, так и в отношении гидрометеорологических величин почему-то применяют аналогичный подход [2]. Некоторые исследователи стремятся считать отскакивающую величину ошибочной. Если это можно доказать, то такая величина должна быть исключена.

Экстремальные гидрометеорологические величины не могут быть "чужеродными” и "подозрительными", а являются реальностями, необходимыми для обоснованного расчета. При выпуске изделий надо бороться с этими отскакивающими величинами, устранять их, строить производственный процесс так, чтобы их не было. Наоборот, при обработке гидрометеорологических рядов такие отскакивающие величины являются ценнейшей информацией, основой расчета и игнорирование таких величин недопустимо.

Исключить экстремумы, опираясь только на качественные генетические признаки, трудно, поэтому современная гидрология призвала на помощь статистические критерии. Вопрос тем самым перешел из плоскости генетической в плоскость статистической однородности.

Математическая статистика располагает богатым арсеналом критериев статистической однородности, применяемых для целей, не имеющих ничего общего с гидрометеорологическими явлениями. Все эти критерии, как правило, имеют целью контроль качества выпускаемой продукции. Поэтому и специальные работы по математической статистике [17, 31, 39] трактуют однородность применительно к контролю качества продукции. Иногда встречающиеся в этих работах ссылки на природные явления (рассматриваемые нами) являются чисто формальными. Например, работа [17] так и называется "Статистические методы контроля качества" и в ней даются правила такого контроля: из партии изделий берутся 10 выборок по 5 изделий каждая, всего 50, иногда больше. "Подозрительной" считается точка вне 2 6 -границ, "крайне подозрительной" — точка вне 3 6> -границ. Устраняются любые "крайне подозрительные" точки, снова определяют <* и наносят новые границы.

6

Описанные приемы неприменимы к гидрометеорологическим рядам. Чтобы показать, насколько разрабатываемые в математической статистике подходы к однородности непригодны для рядов экстремальных гидрометеорологических величин^ приведем выдержки из работы [31]: "Например, на основании выборки нам нужно принять статистическое решение, а "сорные" наблюдения противоречат условиям, которым должно отвечать это решение. В этой ситуации сохранение всех 100% наблюдений вообще не позволяет решить эту задачу". И далее: "Во многих случаях главное — не выявить и устранить "сорные" наблюдения, а уменьшить по возможности их влияние, если они присутствуют".

Нужны ли еще какие-нибудь доказательства неприменимости такого подхода к гидрометеорологическим рядам? В этих рядах все обстоит наоборот, здесь логичнее не уменьшать, а увеличивать влияние выдающихся величин, так как именно они вносят основной вклад в величину стандартного отклонения, а тем самым в надежность кривой обеспеченности. Там сохранение всех 100% наблюдений "не позволяет решить задачу", здесь, наоборот, только при помощи учета всех наблюдений задача приобретает свою правильную постановку. Сам факт наличия рассуждений о выбрасывании выдающихся экстремумов противоречит задачам инженерной гидрометеорологии. До тех пор, пока не будет пересмотрен этот взгляд, население и народное хозяйство нашей страны будут терпеть лишения и убытки от стихийных бедствий.

Пример I. Рассмотрим критерии У Диксона для проверки различных отношений размахов:

а) проверка одного сомнительного наблюдения:

- X,

б) проверка одного сомнительного наблюдения х/, от противоположного крайнего наблюдения ХЛ ,


не зависящего


х -1. г = —f —£

« х* -


4

в) проверка сомнительного наблюдения дующего по величине х9


не зависящего от сле-


20


Х4


г) проверка сомнительного наблюдения блюдений Х2 и хк :


не зависящего от на-


"24


д) проверка сомнительного наблюдения х4 , не зависящего от наблюдений    И    Хп:


22


х. - X 4 п-г


Графическое изображение критериев Диксона дано на рис. 1.

Известны также критерии Стьюдента, Вилькоксона, Фишера, Сигеля и Такея и др. Разнообразие критериев свидетельствует о богатом воображении их авторов. Каждый считает, что именно его критерий оптимален с некоторой точки зрения [31]. В работе [29] говорится, что многочисленные критерии однородности приводят к одним и тем же выводам, так как они во многом взаимозависимы.

3-435


7


Напомним, что параметрические критерии требуют знания параметров генеральной совокупности (среднее, дисперсия) в отличие от непараметрических, которые не опираются на генеральные параметры. При обработке гидрометеорологических рядов мы не располагаем знанием параметров генеральной совокупности, поэтому пользование параметрическими критериями затруднительно. Что касается непараметрических критериев, то следует иметь в виду, что они разработаны для иных целей.

Пример 2. Рассмотрим ряд уровней ленинградских наводнений. Допустим, что наблюдения здесь начаты в 1935 г., но имеются надежные данные об известном наводнении 1824 г. Можно утверждать, что, имея только эти данные, уровень 1824 г. был бы по статистическим критериям признан неоднородным и явился бы кандидатом для исключения. Возьмем теперь имеющийся ряде 1691 г. [30] :

1824 г........ 423    см    1955 г.......... 273    см

1924 г........ 357    см    1890 г.......... 249    см

1691 г........ 340    см    1937 г.......... 243    см

1777 г........ 320    см

Если принять во внимание наблюдения за последние 40 лет и выдающийся уровень 1824 г., то получится ряд 423, 273, 243 и т.д. Применяя любой критерий статистической однородности, уровень 423 будет признан подлежащим исключению. Когда же мы берем почти 300-летний ряд (с 1691 г.), то здесь между значениями 423 и 273 имеются величины

8

357, 340 и 320, т.е. численная последовательность упорядочена, и этот ряд уже не считается неоднородным. Имеется гидрологическое обоснование проекта ленинградской дамбы, составленное группой институтов, в котором всякие предположения о неоднородности ряда отсутствуют. Не возникает никаких сомнений и относительно какой-то особой синоптической обстановки.

В настоящее время на гидрологической станции Темрюк (Азовское море) имеется ряд нагонных уровней за 56 лет, причем один уровень составляет 400 см, а 55 остальных — от 75 до 150 см. И опять возникает вопрос о неоднородности и особенностях синоптической обстановки.

В свете только что разобранного ряда уровней ленинградских наводнений следует считать, что ’’вакуум” между выдающимся экстремумом и всеми остальными стечением времени заполняется. В непродолжительных рядах наличие выдающегося экстремума создает кажущуюся неоднородность.

1.8.    При определении расчетных гидрометеорологических величии требуется наличие выделяющихся по величине экстремумов, одного или нескольких, являющихся обязательной и весьма ценной информацией, способствующей более надежному расчету гидрологического (климатического) параметра, который будет положен в основу проекта сооружения. Эти экстремумы могут находиться в рядах наблюдений, вне рядов или быть обнаружены в историческом прошлом. По мнению СЛ.Крицкого [20], ’’Совершенствование методов выражения колебания стока должно в основном заключаться в уточнении представлений о повторяемости редко наблюдающихся экстремумов стока, в особенности максимального”.

Определить повторяемость редких экстремумов крайне трудно. Поэтому в этом вопросе следует принять какую-то основную предпосылку. Такой предпосылкой должна быть надежность проектируемых сооружений. Критерием повторяемости расхода является его приемлемость и обоснованность при строительном проектировании.

Нет и не может быть никаких оснований для риска — принимать без специального гидрологического обоснования тысячелетним тот расход, который наблюдался в течение, например, 40 лет наблюдений.

1.9.    Для обеспечения надежности следует предусматривать необходимость назначения расчетных параметров, определяющих работу сооружения.

Степень надежности определяет класс того или иного вида сооружения и запасы, применяемые в сооружении.

При назначении степени надежности исходят из того материального и морального ущерба, который может быть нанесен народному хозяйству и обществу. Поэтому назначение расчетных гидрологических параметров следует считать логической необходимостью.

1.10.    В тех случаях, когда имеющиеся натурные измерения в рассматриваемом пункте недостаточны и требуется их дополнение или проверка, применяются методы:

объединения наблюдений по нескольким пунктам (годопункты);

привлечения аналогов с более длительным рядом наблюдений, если этот аналог имеет выдающийся экстремум;

композиционный, основанный на установлении генетической связи рассматриваемого параметра с обусловливающими факторами.

9

1

Расчеты на ЭВМ для данных Рекомендаций выполнены в Лаборатории математических методов ПНИИИС инж. Клюхиной Е.В.

12