Поиск

Расчетные расходы регулируемых рек-водоприемников
17.08.2015

Расчетные расходы регулируемых рек-водоприемников при мелиорации заболоченных пойм определяют по данным водомерных наблюдений на них или по рекам-аналогам, а при отсутствии тех и других — по формулам. Данные наблюдений непосредственно на регулируемых реках наиболее надежны и заслуживают предпочтения перед другими способами.
Расходы влияют на размеры поперечных сечений русла, скорости течения и уровни воды в русле, стоимость и эффективность мелиоративных мероприятий. Расчетные расходы устанавливают с учетом использования пойм и требований сельскохозяйственного производства.
Несмотря на большое значение расчетных расходов, на многих регулируемых реках, имеющих заболоченные поймы, почти не ведутся систематические стационарные наблюдения до и после регулирования. Почти нет исследований влияния регулирования реки и осушения пойм на водный режим, деформацию русла и т. д. He изучается движение паводковых вод по поймам, их влияние на расходы, скорости, уровни и эрозию почвы. Это вынуждает проектные организации при регулировании водоприемников пользоваться формулами, которые имеют общий характер, недостаточно теоретически обоснованы, получены по эпизодическим наблюдениям на небольшом количестве гидрологических постов, не отражающих условий заболоченных пойм ни до мелиорации, ни после.
В настоящее время регулируемые реки-водоприемники и крупные каналы рассчитывают на расходы: бытовой, максимальный летне-осенний паводковый, предпосевной, максимальный весенний паводковый.
Выделение нескольких расчетных периодов появилось не сразу, а в результате более интенсивного использования пойменных земель и возросших требований сельскохозяйственного производства к водному режиму.
На максимальные весенние паводковые расходы реки и каналы рассчитывают при использовании пойм под полевые севообороты с озимыми зерновыми культурами. На них проектируют сооружения, а по графикам колебания уровней определяют площади, глубины и продолжительность затопления. По максимальному расходу находят предпосевной расход (по методу П.А. Дудкина).
В основу определения максимального расхода весеннего паводкового стока при расчете осушительных систем положена формула модуля стока А.Н. Костикова:

Расчетные расходы регулируемых рек-водоприемников

на основании которой, приведенной к виду q = A/Fa, получены зависимости модуля весеннего паводкового стока.
В Технических указаниях по расчету максимальных расходов талых вод при отсутствии или недостаточности гидрометрических данных приведены данные сравнительной проверки расчетов максимальных расходов по предлагаемой формуле, инструкции Минтрансстроя, нормам института «Росгипроводхоз» и формулам Л.Т. Федорова, Г.А. Алексеева и М.Ф. Срибного. На основании этой проверки сделан вывод, что пока ни одна из существующих формул не может быть рекомендована для расчета максимального стока талых вод без уточнения ее параметров.
Б.Б. Леонтьевский на основании материалов по 109 гидрометрическим пунктам, расположенным на территории европейской части России, выполнил сопоставимые расчеты максимальных расходов воды снеговых половодий и установил большие расхождения с натурными данными.
Характерно, что для малых водосборов связь между максимальным стоком и водосборной площадью резко уменьшается. По данным А. А. Соколова, в районе Нижнедевицкой стоковой станции среднесуточные модули максимального стока изменялись от 124 до 153 л/с с 1 км2 (на 12%) при изменении площадей водосбора от 0,18 до 7640 км2 (в 40 тыс. раз). Это значит, что другие факторы оказывают значительное влияние на сток и не позволяют выявить влияние на него площади водосбора.
Указания по определению расчетных максимальных расходов талых вод при отсутствии или недостаточности гидрометрических наблюдений (CH 356—66, Госстрой России, Гидрометеоиздат, 1966 г.) рекомендуют рассчитывать максимальный сток талых вод равнинных рек по формуле
Расчетные расходы регулируемых рек-водоприемников

Схема построения формулы расчета максимальных расходов Указаний по определению расчетных максимальных расходов близка к другим формулам. Преимущество ее состоит в рекомендации единой методики расчета для всех зон России, но она не заменяет региональных формул.
Предпосевной расход относится к началу полевых работ, одному из ответственных периодов сельскохозяйственного производства. В то же время нет единых способов определения этого расхода.
Б.Д. Оношко впервые его определил как расход весеннего паводка на 8—25-й день после прохождения самого высокого пика весеннего паводка.
А.И. Ивицкий предложил определять предпосевной сток по сумме накопления положительных температур после схода снега, П.П. Кубышкин — по сумме перехода весенних температур воздуха через 0°. П.А. Дудкин предпосевной расход определял по гидрографу в зависимости от времени допускаемой продолжительности затопления земель водами весеннего паводка или умножением значений максимального расхода на коэффициент К, учитывающий допустимую продолжительность затопления T и характер водосбора. При водосборе с холмистым рельефом и глинистыми почвами
Расчетные расходы регулируемых рек-водоприемников

при водосборе с пологими склонами и песчаными почвами
Расчетные расходы регулируемых рек-водоприемников

Продолжительность допускаемого затопления T изменяется от 0 для севооборотов с озимыми и до 20—25 суток для лугов.
Учет времени допускаемого затопления земель весенними паводковыми водами в зависимости от сельскохозяйственного использований их явился значительным шагом вперед в приближении гидрологических расчетов к сельскохозяйственному производству. Поэтому формула П.А. Дудкина вошла в учебники, руководства и инструкции по осушению. Расчет на предпосевной расход проводят в том случае, если он больше расхода дождевых паводков.
Р.Я. Народецкой для бассейнов Верхней Волги и Оки установлено, что модули предпосевного стока в большинстве случаев не зависят от площади водосбора. По-видимому, здесь на предпосевной сток влияют не только размеры водосборных площадей, но и изменение условий стока к устью, превалирующих над влиянием водосборной площади, а также сама методика определения предпосевного расхода.
Способ определения расчетных предпосевных расходов по допустимой продолжительности затопления требует уточнения. Паводки проходят с разными уровнями и расходами, в разное время, с неодинаковой продолжительностью затопления, в разные сроки начала сельскохозяйственных работ (рис. 56), Особенно значительная разница в сроках начала сельскохозяйственных работ на пойме к внепойменных землях. Например, пики паводков р. Кудьмы за 20 лет (1935—1955) изменялись от 469 см (1947 г.) до 336 см(1949 г.). Наиболее ранняя дата прохождения пика паводка наблюдалась 28 марта 1936 г., а самая поздняя 27 апреля 1944 г. (разница в сроках 31 день).
Одной и той же допустимой продолжительности затопления в разные годы соответствуют различные уровни и расходы и неодинаковые сроки освобождения поймы от воды.
Пойма р. Кудьмы (для условно принятой продолжительности затопления 15 суток) в 1936 г. освободилась от воды 8 апреля при уровне 228 см, а в 1944 г. — только 2 мая при уровне 269 см. Разница в прохождении пиков паводков на- i блюдалась и на р. Дубне (рис. 56).
Расчетные расходы регулируемых рек-водоприемников

При выборе расчетных расходов водоприемников необходимо учитывать сроки начала сельскохозяйственных работ и сева, которые неодинаковы для разных культур. Следует учитывать не только время схода паводковых вод с поймы, но и время, необходимое для понижения уровня грунтовых вод на глубину 50—70 см для производства сельскохозяйственных работ, что коэффициентами (К) П. А. Дудкина не предусмотрено.
Нельзя не считаться с неодновременностью освобождения поймы от воды и производством сельскохозяйственных работ на одних и тех же участках поймы в разные сроки из-за чередования культур при севооборотах. Исследований, которые прокорректировали бы сроки прохождения предпосевных расходов, пока нет.
Расходы дождевых паводков приобретают для многих пойм и их водоприемников основное расчетное значение при проектировании мелиоративных мероприятий на интенсивно используемых поймах. Летне-осеннее паводковое затопление приводит к гибели или значительному снижению урожайности сельскохозяйственных культур, затрудняет уборку и вывозку продукции с поймы. Летне-осенние паводковые воды сносят стога сена, смывают почвенный слой или заиливают поверхность почвы, покрывая ее воздухонепроницаемой пленкой, быстрое разрушение которой практически невозможно из-за непроходимости, насыщенной водой поймы современными машинами. Есть, реки, которые не имеют выраженных паводков, или последние невелики по сравнению с весенними.
Для расчета максимальных расходов дождевых паводков методом аналогии используют районные формулы, параметры которых определяются на аналогах. При отсутствии районных формул применяют зависимость
Расчетные расходы регулируемых рек-водоприемников

в которой параметр Ар определяют по данным гидрометрических наблюдений на реке-аналоге путем обратного хода вычислений
Расчетные расходы регулируемых рек-водоприемников

или по районным картам изолиний или таблицам, а при отсутствии аналога и районных значений по формулам:
Расчетные расходы регулируемых рек-водоприемников

При определении расчетных расходов рек-водоприемников расчет ведут на дождевые расходы, если они больше предпосевных.
Расчетные расходы регулируемых рек-водоприемников

Бытовой расход — это наиболее продолжительный расход за вегетационный период, определяемый на кривой повторяемости наибольшим значением абсциссы (по А.Д. Брудастову).
Бытовые расходы обычно невелики по сравнению с другими расходами, но имеют большое значение при проведении мелиоративных мероприятий на пойменных землях.
С бытовыми уровнями водоприемника сопрягаются донья впадающих каналов, по ним проверяют действие осушительной сети и водоприемника на понижение уровня грунтовых вод на пойме и высоту крепления каналов в слабоустойчивых грунтах. При бытовых расходах определяют скорости течения воды в вегетационный период, с которыми связаны зарастание и заиление русла. Имеются формулы для определения модуля бытового стока (А.Н. Костякова, Г.А. Алексеева, Р.Я. Народецкой), составлена карта бытовых модулей стока для рек бассейнов Верхней Волги и Оки.
Бытовые расходы зависят от подземного питания рек и местных гидрогеологических условий. Бытовые модули стока имеют общую тенденцию к снижению с уменьшением площади водосбора, но ясно выраженной связи между ними не установлено. Они уменьшаются с севера на юг (от 3 до 1,5 л/с с 1 км2). Наибольшие значения средних модулей стока относятся к бассейнам pp. Костромы, Унжи и северо-западных районов (4,5—6,5 л/с с 1 км3) и к центральной части европейской территории России (2,4—4,0 л/с с 1 км2).
Для ориентировочных расчетов можно принимать в среднем 3 л/с/км2 независимо от площади водосбора.
Для определения модуля бытового стока рекомендуется следующая зависимость:
Расчетные расходы регулируемых рек-водоприемников

Озера и болота увеличивают бытовые расходы, причем при одинаковой озерности и заболоченности влияние озер в 20 раз сильнее, чем болот.
Приведены карты изолиний параметра mк для бытовых расходов 25-и 50%-ной обеспеченности.
Минимальные расходы необходимо знать при проектировании увлажнительных мероприятий на пойменных землях в вегетационный период для определения обеспеченности водой и регулирования весеннего стока водохранилищами.
По этим расходам целесообразно определять минимальные скорости, при которых наиболее интенсивно зарастает русло. В Указаниях по определению расчетных минимальных расходов воды рек при строительном проектировании рекомендуется определять минимальные расходы рек за зимний (от появления льда на реках до начала весеннего половодья) и летне-осенний (от конца весеннего половодья до начала ледовых явлений) периоды по данным фактических наблюдений, включая расходы воды средние за сутки, календарный месяц (или 30 дней) с наименьшим стоком за этот период, или по рекам-аналогам, или по картам изолиний, которые приведены в Указаниях. Последние охватывают всю территорию России и дают возможность определять минимальные расходы разной обеспеченности отдельно за летний и зимний периоды при отсутствии или недостаточности наблюдений, с чем чаще всего приходится встречаться при проведении мелиоративных работ.
При определении расчетных расходов регулируемых рек-водоприемников заболоченных пойм очень важно установить их расчетную обеспеченность, которая не одинакова для разных расходов.
Реки-водоприемники нужно рассчитывать на летние паводковые расходы 1—5%-ной обеспеченности, чтобы гарантировать поймы от летнего затопления. На такую же обеспеченность следует рассчитывать дамбы обвалования, насосные станции и всю осушительную сеть. При использовании пойм под многолетние травы расчетную обеспеченность можно понизить до 5—10%. Все это определяют путем экономических расчетов.
Бытовые расходы рек должны иметь обеспеченность He менее 50%, чтобы впадающие в водоприемник каналы работали без подпора.
При проведении увлажнительных мероприятий нужно определять минимальные расходы 90—95%-ной обеспеченности и с учетом их устанавливать дополнительную подачу воды в реку из водохранилищ или других бассейнов.
Обеспеченность расчетных предпосевных и посевных расходов должна быть не более 5—10%, чтобы пойма своевременно освобождалась от паводковых вод и понижались уровни грунтовых вод для работы сельскохозяйственных машин. Ввиду того что выбор расчетных расходов реки влияет на стоимость мелиоративных работ и сроки окупаемости, более целесообразно для конкретных пойм выбирать расчетную обеспеченность расходов при разных вариантах с учетом всех затрат на мелиорацию, получаемых доходов, эффективности мероприятий и сроков окупаемости. Методику таких расчетов при осушении лугов в естественном состояний разработал С.Ф. Аверьянов.
П.Б. Свиклис разработал методику определения расчетных обеспеченностей максимальных расходов путем сравнительной экономической оценки разных агрономических и технических вариантов решения мелиорации земельных площадей в конкретных природных и экономических условиях объекта.
Для условий Латвии он предлагает расчетные обеспеченности максимальных расходов весенних паводков принимать на пойменных землях и ровных низинах при использовании их под пахотные земли и культурные пастбища <5%-ной и культурные луга — 15—25%-ной обеспеченности. Расчетную обеспеченность расходов крупных объектов рекомендуется определять индивидуально для" основных и перспективных вариантов их использования.
В зависимости от стоимости и окупаемости мелиоративных работ можно изменить направление использования пойм по сравнению с первоначально намечаемым или выявить необходимость перехода на осушение с механическим водоподъемом или на комбинацию самотечного и механического отвода воды с пойм. Эффективность мелиоративных мероприятий при современных осушительных системах на поймах, оснащенных сооружениями, дорогами, дренажами и т. д., далеко не всегда определяется только стоимостью одного регулирования реки.
Итак, при отсутствии наблюдений на самих осушаемых объектах и аналогов расчетные расходы осушительных систем можно определять следующим образом:
- максимальные расходы талых вод при помощи Указаний по определению расчетных максимальных расходов талых вод при отсутствии или недостаточности гидрометрических наблюдений;
- минимальные расходы вегетационного периода при помощи Указаний по определению расчетных минимальных расходов воды рек при строительном проектировании;
- предпосевные расходы, расходы дождевых паводков и бытовые расходы для бассейнов Верхней Волги и Оки по Расчетным нормам стока при проектировании осушительных систем в центральной части нечерноземной полосы России, для северной и северо-западной европейской части России по нормам Гидрологического института и Ленгипроводхоза.
Это не значит, что формулы для зональных условий не должны применяться при расчете расходов регулируемых водоприемников при отсутствии данных наблюдений. Однако существующие формулы для определения максимальных, предпосевных и других расходов А.Н. Костикова, А.Д. Дубаха, О.Т. Машкевич, П.А. Дудкина, полученные более 30 лет назад, требуют значительных корректив.
Все способы определения расчетных расходов можно применять только как первое приближение к регулируемым рекам-водоприемникам заболоченных пойм и крупным каналам на них из-за специфических особенностей условий стока, влияния на него самой поймы.
Приходится констатировать, что теория расчета поверхностного стока осушительных систем за последние 30—40 лет не претерпела каких-либо принципиальных изменений. По существу только корректируются и уточняются отдельные компоненты формул для определения расчетных расходов на основании дополнительно полученных данных.
Следует обратить внимание на то, что новые более высокие требования к мелиорации требуют и более совершенных способов определения расчетных расходов.