Одеський державний екологічний університет

Хоанг ТхІ Лан Ань

УДК 556.166”321”

Нормування характеристик максимального стоку

весняного водопілля річок Приазовя

11.00.07 – гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

Одеса-2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеському державному екологічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: | доктор географічних наук, професор

Гопченко Євген Дмитрович

Одеський державний екологічний університет,

проректор з навчально-методичної роботи, завідувач кафедри гідрології суші

Офіційні опоненти: | доктор географічних наук, професор

Іваненко Олександр Григорович,

Одеський державний екологічний університет,

завідувач кафедри гідроекології та водних досліджень

кандидат географічних наук, доцент

Андреєвська Галина Михайлівна,

Одеський національний морський університет,

доцент кафедри інженерних конструкцій та водних досліджень

Провідна установа: | Київський національний університет імені Тараса Шевченка, географічний факультет, кафедра гідрології та гідроекології

Захист відбудеться “10” березня 2005 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.090.01 в Одеському державному екологічному університеті за адресою: 65016, м. Одеса-16, вул. Львівська, 15, ОДЕКУ

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського державного екологічного університету за адресою: 65016, м. Одеса-16, вул. Львівська, 15, ОДЕКУ

Автореферат розісланий “3 “ лютого 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 41.090.01 А. В. Чугай

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Серед характеристик гідрологічного режиму річок максимальному стоку належить особливе місце, оскільки саме з ним пов’язане безпечність експлуатації гідротехнічних споруд, які будуються на річках (шосейних і залізничних мостів, гребель, водосховищ), затоплення населених пунктів, промислових об’єктів, сільськогосподарських угідь та ін. Наприкінці минулого сторіччя катастрофічно високі паводки змішаного (сніго-дощового) походження спостерігалось на річках Українських Карпат, наслідком чого були великі зруйнування господарських об’єктів і матеріальні збитки.

В Україні проблемі розрахунку максимального стоку завжди приділялась особлива увага. Визначні теоретичні і прикладні дослідження свого часу були виконані А.В. Огієвським (1945), В.І. Мокляком (1957), А.М. Бефані (1958), П.Ф. Вишневським (1964), Й.А. Железняком (1965) та іншими. Але до цього часу знайшли використання не ці формули, а напівемпіричні (до числа яких відноситься і діючий в Україні нормативний документ СНіП 2.01.14-83), які не відповідають вже сучасному рівню розвитку гідрологічної науки.

З метою удосконалення нормативної бази в галузі максимального стоку весняного водопілля річок Приазовя пропонується структура, що спирається на модель руслових ізохрон.

Зв’зок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи відповідає основним напрямкам наукової діяльності кафедри гідрології суші Одеського державного екологічного університету за проблемою “Максимальний та річний стік річок України” (1998 - 2000 рр.),

№ДР 0203U000353.

Дослідження виконувались у відповідності з Указом Президента України від 15.03.02 р. “Про заходи щодо забезпечення ефективного прогнозування повеней і паводків та ліквідації їх наслідків”, затвердженою Постановою Кабінету Міністрів України 26.07.00 р. “Комплексною програмою захисту від шкідливої дії вод сільських населених пунктів і сільськогосподарських угідь в Україні на 2001-2005 рр. та прогноз до 2010 р.”; Постановою Кабінету Міністрів України від 31.01.01 р. “Про порядок використання земель у зонах їх можливого затоплення внаслідок повеней і паводків”.

Мета і задачі дослідження. Головною метою дисертаційної роботи є обґрунтування більш досконалої науково-методичної бази для нормування розрахункових характеристик максимального стоку весняного водопілля. До завдання входило обґрунтування розрахункової схеми операторного типу і її практична реалізація на гідрологічних обєктах Приазовя.

Обєект дослідження – річки Приазовя.

Предмет дослідження складають характеристики максимального стоку весняного водопілля (їх статистичний аналіз, просторове узагальнення і розрахунки).

Методи дослідження. При виконанні досліджень дисертантом використовувались методи статистичного аналізу часових рядів максимальних витрат води і шарів стоку, їх географічне узагальнення. При визначенні тривалості схилового припливу талих вод до руслової мережі було використано чисельний засіб, що опирається на просту однокрокову ітерацію. Широко представлені у роботі різного роду графічні побудування.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у подальшому розвитку теоретичних ідей А.М.Бефані (1958, 1981), Н.Ф.Бефані (1977) і Є.Д.Гопченка (1999) стосовно обґрунтування науково-методичної бази для нормування розрахункових характеристик максимального стоку річок. Особисто дисертантом:

- обґрунтовано варіант операторної формули максимального стоку, раніше запропонованої Є.Д. Гопченком, але виходячи з дещо інших теоретичних передумов;

- встановлені вперше для досліджуваної території максимальні модулі схилового припливу під час весняного водопілля;

- на підставі стокових матеріалів спостережень визначений коефіцієнт нерівномірності схилового припливу води до руслової мережі, а шляхом використання коефіцієнтів перевищення миттєвих витрат води понад їх середньодобовими значеннями здійснена перевірка його стійкості;

- двома методами (в рамках формули А.М. Бефані і обємного типу), завдяки оберненим розрахункам вдалось встановити для території Приазовя тривалість припливу поталих вод до руслової мережі;

- встановлені числові значення трансформаційних коефіцієнтів максимального стоку (розпластування і русло-заплавного регулювання).

Практичне значення одержаних результатів. Перш за все практичну цінність має запропонований дисертантом варіант теоретичного обґрунтування структури формули операторного типу, що в свою чергу стало подальшим розвитком ідей А.М. Бефані і Є.Д. Гопченка в галузі максимального стоку. В методичному плані автором узагальнення редукційних коефіцієнтів максимального стоку виконане в залежності не від площ водозборів, а від так званого гідроморфологічного фактора, який визначається сполученням довжин і ухилів річок. Дисертантом також показано, що структура редукційної формули, у тому числі й варіанту, який використовується в нормативному документі СНіП 2.01.14-83, не є універсальною. Щодо запропонованої автором методики, то її можна рекомендувати для безпосереднього практичного використання при розрахунках максимального стоку весняного водопілля в басейнах річок Приазов’я.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати, що представлені в дисертації, належать особисто автору. Більшість публікацій дисертантом написані у співавторстві з науковим керівником і М.Є. Романчук, яка займається близькою проблематикою. При цьому науковому керівникові належать наукові ідеї, а співавторам – їх реалізація на теоретичному та регіональному рівнях.

Апробація результатів дисертації. Хід виконання дисертаційного дослідження та окремі результати автора щорічно обговорювались на наукових семінарах кафедри гідрології суші, а також на конференціях молодих вчених університету (березень 2003, березень 2004 рр.) і нараді-семінарі спеціалістів організацій гідрометеорологічної служби Міністерства охорони навколишнього природного середовища України (Ужгород, 21-25 червня 2004 р.)

Публікації. Результати досліджень автора опубліковані в 5 наукових працях, з них 4 входять до переліку, затвердженому ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел із 53 найменувань, додатків. Повний обсяг роботи становить 196 стор., містить 29 рисунків і 6 таблиць, 4 додатки на 38 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі надаються передбачені діючим положенням ВАК України відомості про актуальність дисертаційного дослідження, його зв’язок з науковими програмами, темами, про методи дослідження і наукову новизну, про теоретичне і практичне значення роботи, про апробацію одержаних результатів, особистий внесок дисертанта та його наукові праці.

У першому розділі наводяться відомості про об’єкт дослідження – територію Приазов’я, до якої відносяться порівняно невеликі за протяжністю і водністю річки, що стікають з південних схилів Приазовської височини і Донецького кряжу.

Ґрунтовий покрив регіону неоднорідний, в його просторовій зміні відзначається зональність. Північно-східна частина зайнята потужними малогумусними чорноземами. За ними в напрямку на захід і південний захід вздовж узбережжя Азовського моря розповсюджені чорноземи південні, які потім переходять в зону темно-каштанових і каштанових ґрунтів, що простягаються до Сівашу. Чорноземи звичайні малогумусні потужні розповсюджені на захід від гирла Дону і займають порівняно нешироку смугу, що простягнулась вздовж північного узбережжя Азовського моря.

До початку XX сторіччя майже вся територія Приазов’я була розорана і зайнята посівами різних рослинних культур, головним чином – пшеницею. Характерною особливістю можна вважати майже повну відсутність природних лісів.

Достатня віддаленість від океану, значні рівнинні простори, оточуючі регіон, суттєво змінюють характеристику повітряних мас, що надходять сюди, надаючи їм нові властивості. Це в свою чергу позначається на атмосферних опадах. Найбільша кількість річних опадів припадає на Донецький кряж (більше 500 мм) та Приазовську височину (450 мм), а найменша (понад 350-400 мм на рік) – на Приазов’я.

Живлення річок відбувається головним чином за рахунок сніготанення. Максимальні снігозапаси досягають 80-90 мм, а в окремі роки, навіть – до 120-160 мм. У річному ході рівнів води виділяються два майже однозначних максимуми (в період весняного водопілля і під час дощових паводків в літньо-осінні місяці) і два мінімуми (наприкінці літа – початку осені і взимку).

У роботі використані дані по весняному стоку 29 гідрологічних постів з періодом спостережень більш 15 років і водозбірними площами від 63.0 до

5780 км2. Майже половина часових рядів максимальних витрат води і шарів стоку мають тривалість спостережень понад 40 років.

У другому розділі наводиться аналітичний огляд сучасного стану в галузі розрахунку максимального стоку весняного водопілля річок України. Усі запропоновані розрахункові формули розглядаються після їх узагальнення за класифікацією Є.Д. Гопченка (1989). Вони поділяються на дві групи. До першої віднесені редукційні і об’ємні формули, а до другої – максимальної інтенсивності і ті, що безпосередньо виводяться з моделі руслових ізохрон.

Найбільш прості – редукційні формули, використовуються в Україні головним чином у відомій базовій редакції нормативних документів СН 435-72 та СНіП 2.01.14-83, тобто

, (1)

де qm- максимальний модуль стоку;

Ym - шар стоку;

k0 - коефіцієнт “дружності” весняного водопілля;

F - площа водозборів;

B - додаткова площа для урахування уповільненої редукції модуля стоку в області невеликих водозборів.

У теоретичному відношенні найсуттєвішим недоліком (1) є те, що вона не відповідає фізичному значенню qm/qm=1,0 при F=0. Дійсно, з (1) при F=0

, (2)

де qm - максимальний модуль схилового припливу, який становить

. (3)

Обємні формули засновані на схематизації схилового і руслового (або тільки руслового) гідрографів у вигляді одномодальних трикутників. У загальній редакції вони мають вигляд

, (4)

де kф - коефіцієнт нерівномірності руслового стоку у часі;

Tn - тривалість повені (паводку).

За Д.Л. Соколовським (1968)

, (5)

де f і (tn - тривалість підйому, а tcn - спаду гідрографів) – параметри, що залежать від форми руслових гідрографів.

За Є.Д. Гопченком (1989)

, (6)

де m - показник степені у рівнянні редукційного гідрографу.

У формулі А.В. Огієвського 1938 і 1945 рр. параметр kф =2,0, тобто русловий гідрограф моделюється у вигляді лінійного трикутника, а В.І. Мокляком (1957), Д.Л. Соколовським і іншими авторами він нормується у вигляді убиваючої функції від розміру водозборів. Але значного поширення обємні формули не знайшли, головним чином через складність нормування тривалості Tn паводків та повеней.

До формул максимальної інтенсивності відносять методику, запропоновану В.І. Мокляком (1967)

, м3/скм2, (7)

де am - максимальна інтенсивність водовіддачі (мм/год);

- коефіцієнт редукції;

і r - параметри, за допомогою яких враховується вплив на максимальні модулі залісеності, заболоченості і озерної зарегульованості.

Оскільки визначається через співвідношення тривалостей схилового припливу T0 і руслового добігання tp, то (7) скоріше відноситься до редукційного типу формул, ніж до граничної інтенсивності. З іншого боку, введення у розрахункову схему погодинної інтенсивності, як показано у роботі є досить довільним трактуванням моделі руслових ізохрон. Відомо, що максимальні модулі повеней формуються не годинною інтенсивністю водовіддачі, а найбільшим шаром стоку за час tp (при tp<T0) або загальною його величиною за водопілля (при tpT0). І, наприкінець, формула (7) не відповідає верхньому граничному значенню qm/qm=1,0 при F=0.

Засновані на моделі руслових ізохрон розрахункові методики реалізуються двома шляхами: безпосередньо через так звану розгорнуту схему трансформації схилового припливу у русловий гідрограф (А.В.Огієвський, 1945, Й.А.Железняк, 1985, Є.Д.Гопченко і М.Є.Романчук, 2000) і шляхом рішення диференційного рівняння стоку (Г.А.Алексєєв, 1946, А.М.Бефані, 1958).

Г.А.Алексєєв диференційне рівняння стоку стосовно невеликих водозборів прийняв у вигляді

, (8)

де V- швидкість руслового добігання;

- площа водного перерізу річок;

qt - приплив води зі схилів до руслової мережі.

Інтегрування (8) дозволило йому обґрунтувати розрахункове рівняння

, (9)

де - коефіцієнт повного схилового припливу.

Пізніше А.М. Бефані (1958) у праву частину (8) включив параметр Bt, який характеризує форму водозборів, відмінну від прямокутної, завдяки чому одержав більш загальне рівняння для qm, а саме:

, (10)

де kг1,0 - гідрографічний коефіцієнт.

Тому формулу Г.А. Алексєєва слід розглядати як частковий випадок (10) при водозбірній площі у формі прямокутника.

Більше поширення у практичному використанні при розрахунках qm знайшло не рівняння (9), а формула

. (11)

У дисертації досліджено цей варіант і показано, що він є не досить коректною спробою перейти від (9) до більш простого шляхом довільного введення у знаменник (11) одиниці для забезпечення верхньої граничної умови qm/qm=1,0 при tp/T0=0.

За А.В. Огієвським

, (12)

де Tв - тривалість водовіддачі;

Qm - витрата води;

Fд<F - площа, яка формує максимальну витрату води;

k2 i k3 - коефіцієнти, за допомогою яких враховується нерівномірність водовіддачі між добами і на протязі доби.

Розрахункова формула (12) виявилася досить складною і з не зовсім чітким визначенням фізичного змісту параметрів k2 i k3. Зокрема, якщо прийняти T0>tp>1 доби, то (12) зводиться до виразу

. (13)

Порівнювальний аналіз формул (10) і (13), з деякими перетвореннями останньої, дозволив прийти до тотожності

. (14)

Для умов степової зони відповідні дані наведені у табл.1.

Таблиця 1

Розрахункові параметри тотожності (14)

Параметри | 0 | 0,2 | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 1,0 | k22,50 | 2,11 | 1,77 | 1,47 | 1,22 | 1,0 | k2(tp/T0) | 0 | 0,42 | 0,71 | 0,88 | 0,98 | 1,0 | kг0 | 0,54 | 0,89 | 1,13 | 1,32 | 1,45 | 0 | 0,48 | 0,73 | 0,89 | 0,98 | 1,0 |

З цієї таблиці видно, що тотожність (14) за умови tpT0 не виконується, але ж k2(tp/T0) майже повністю співпадає з формул (9) і (10).

Коефіцієнт схилового припливу відображає суто ж лише перехід від загального шару стоку Ym за повень чи паводок до його значення , утворюючого максимальну витрату води Qm. Таким чином, у формулі А.В.Огієвського (12) форма водозборів фактично моделюється у вигляді прямокутників, що безумовно не відповідає дійсності, особливо для порівняно великих водозборів.

Й.А.Железняк (1985) модель руслових ізохрон стосовно qm реалізував у вигляді

, (15)

де kмгм - збірний параметр, який, порівнюючи (10) і (15), відображає нерівномірність у часі схилового припливу та його тривалість. Оскільки він є розмірним, то виникають ще й додаткові труднощі, пов’язані з нормуванням kмгм. Крім того (15) не враховує ефектів русло-заплавного регулювання.

Є.Д. Гопченко і М.Є. Романчук (2000), розглядаючи класичну розгорнуту схему руслових ізохрон, обґрунтували розрахункову структуру операторного типу

, (16)

де (tp/T0) - трансформаційна функція розпластування повеневих і паводкових хвиль під впливом часу руслового добігання;

F - функція русло-заплавного регулювання.

Автором дисертації диференційне рівняння (8) розглядається з урахуванням русло-заплавного регулювання і обґрунтованої А.М. Бефані (1958) умови, що при визначенні максимальних витрат води схиловий приплив можна розглядати у розгортці від найбільшої ординати. Таким чином, (8) можна записати у редакції

. (17)

Допоміжна система рівнянь для рішення (17) набуває вигляду

. (18)

Максимальна площа водного перерізу m в залежності від співвідношення між tp i T0 буде представляти визначений інтеграл:

а) при tp<T0

; (19)

б) при tpT0

. (20)

Кінцеві рівняння зводяться до (16) з урахуванням того, що . Параметр (tp/T0) є:

а) при tp<T0

; (21)

б) при tpT0

. (22)

Модуль схилового припливу qm визначається за рівнянням

. (23)

Якщо криву ізохрон Bt при малозмінній по довжині річки швидкості руслового добігання V прийняти в редакції А.М.Бефані (1958), то (8) в узагальненому варіанті набуде вигляду

. (24)

Інтегрування (24) по tp (при T0>tp) і (при tp>T0) приводить до операторного рівняння (16), у якому:

а) при tp<T0

; (25)

б) при tpT0

. (26)

Таким чином, використаний дисертантом варіант вирішення диференційного рівняння стоку фактично співпадає з результатами, які були одержані Є.Д. Гопченком і М.Є. Романчук (2000), але в рамках дещо іншої вихідної моделі.

Рівняння (16) з визначенням відповідно до (25) і (26) у подальшому використане для нормування розрахункових характеристик максимального стоку весняного водопілля річок Приазов’я.

У третьому розділі наводяться результати статистичного аналізу часових рядів максимальних витрат води і шарів стоку весняного водопілля.

При визначенні оцінок статистичних параметрів розподілу використані методи моментів і найбільшої правдоподібності. Слід відзначити, що часові ряди як шарів стоку, так і витрат води весняного водопілля на території Приазов’я характеризуються досить високими коефіцієнтами варіації – до 1,5-2,0 і більше. Встановлені обернені залежності коефіцієнтів варіації Cv від середніх максимальних модулів і шарів стоку , тобто при збільшенні зволоженості території Cv зменшуються. З іншого боку, отримані за допомогою методів моментів і найбільшої правдоподібності значення Cv в діапазоні до 0,8 суттєво між собою не різняться. При Cv >0,8 правдоподібні оцінки дещо менші за моментні і знаходяться у такій взаємозалежності:

. (27)

Параметр b для витрат води становить 0,51, а для шарів – 0,67. Співвідношення між коефіцієнтами асиметрії Cs і варіації Cv для рядів витрат води і шарів стоку становить 2,0, що робить не актуальним питання про використання біноміального чи трипараметричного гама-розподілу. За опорну автором прийнята забезпеченість p=1,0 %, а для переходу до інших значень запропонована таблиця перехідного коефіцієнту p.

Середня квадратична похибка обчислених витрат води 1%-вої ймовірності перевищення на 5%-му рівні значущості, стосовно трипараметричного гама-розподілу, становить 21,3%.

На розподіл по території шарів стоку Y1% суттєво впливають географічне положення і середня висота водозборів. В основному ж вони підкоряються широтній закономірності. У напрямку з північного сходу і півночі на південь і південний захід Y1% поступово зменшуються від 120 до 50 мм. Області підвищеного стоку відзначаються у верхів’ях р. Кальміус (Y1% =136 мм) і р. Ольховатка (Y1% =142 мм).

Четвертий розділ присвячений обґрунтуванню розрахункових характеристик гідрографів схилового припливу (коефіцієнтів нерівномірності і тривалості надходження поталих вод до руслової мережі), які перш за все визначають модуль схилового припливу в формулі (23). За відсутністю безпосередніх спостережень за схиловим припливом в системі Державної служби України характеристики і T0 визначались за допомогою матеріалів стаціонарної гідрологічної мережі. Попередньо були обчислені коефіцієнти нерівномірності руслового стоку , причому

. (28)

Як відомо, при F=0 співпадає з шуканим значенням коефіцієнта нерівномірності схилового припливу , тобто задача полягає практично в екстраполюванні залежності на вісь ординат. Оскільки матеріали спостережень охоплюють у межах Приазовя головним чином середні за розмірами водозбори, а залежність є нелінійною, то її екстраполяцію об’єктивно здійснити досить складно. Тому автором для перевірки надійності визначення використано аналіз коефіцієнтів перевищення миттєвих значень витрат води над середньодобовими (Є.Д.Гопченко):

, (29)

де - середньодобова витрата води.

Перехідні коефіцієнти підтвердили аналітичну залежність (29) при і T0=100 год.

Розрахункова тривалість схилового припливу T0 визначалась двома способами (у межах формули А.М. Бефані, 1981 і обємної формули). У першому випадку T0 визначалось за комп’ютерною програмою, розробленою на кафедрі гідрології суші (2003), відповідно до рівняння

. (30)

Рівняння (30) вирішувалось методом простої однокрокової ітерації при m1=1,0 і n=0,095. Перевірка поля отриманих значень T0 за допомогою критерію Гауса / ==1,25 дозволила осереднити його у межах усієї території Приазов’я і прийняти рівним 100 год.

Об’ємна формула була прийнята у вигляді (4) і урахуванням (6)

. (31)

Її можна досить легко привести до рівняння

, (32)

де - коефіцієнт, обумовлений русло-заплавним регулюванням. Задаючись у першому наближенні kn=1,0, знаходяться для кожного водозбору орієнтовні значення T0. Після їх узагальнення в залежності від розміру водозборів на наступному етапі визначаються kn, а потім уточнюються і значення T0. Як і у попередньому випадку, розрахункову тривалість схилового припливу поталих вод у Приазов’ї можна прийняти на рівні 100 год.

У п’ятому розділі наводиться реалізація розрахункової схеми на прикладі річок Приазов’я. Базове рівняння має вигляд (16).

Максимальний модуль схилового припливу q1% визначався при і T0=100 год. за рівнянням

. (33)

По території Приазов’я q1% змінюється від 4,57 м3/скм2 (р. Ольхова – пмт Олексієво-Орловка) до 1,52 м3/скм2 (р. Молочна – с. Терпіння). Добре простежується залежність q1% від широтного і висотного положення водозборів.

Трансформаційна функція (tp/T0), враховуючи порівняно невеликі розміри річок, повсюдно розраховувалась за рівнянням (25), яка при n=0,095, T0=100 год. і m1=1,0 має вигляд:

. (34)

Верхнє граничне значення (tp/T0), як видно з (34), дорівнює одиниці при tp=0. Для річок Приазов’я (tp/T0) характеризується досить низькими значеннями (від 0,17 до 0,37), що свідчить про суттєву трансформацію повеневих хвиль на річках описуваної території під впливом часу руслового добігання.

Русло-заплавне регулювання в (16) ураховується за допомогою параметра F, який можна виразити з тієї ж формули, а саме

, (35)

де - коефіцієнт загальної редукції.

Опираючись на (1), та приймаючи до уваги (3), його можна представити рівнянням (при b=1,0)

. (36)

Для річок Приазов’я q1%/q1% змінюється від 0,097 (балка Полкова–с.Кременівка, F=63,0 км2) до 0,035 (р.Міус – р.п.Матвіїв Курган, F=5700 км2). Верхньою границею для цього коефіцієнта є одиниця. У розрахункових формулах максимального стоку як паводків, так і повеней звичайним вважається наявність лінійного зв’язку між qm і F, представлених у логарифмічних координатах. Але при цьому подібні залежності не контролювались з точки зору їх відповідності верхньому граничному значенню q1%=q1% при F=0. Зокрема, для річок Приазов’я редукційна структура у вигляді (36) виявилась не придатною. Тому у роботі залежність коефіцієнту загальної редукції q1%/q1% від співвідношення (де L- довжина річки, а I - її ухил) представлена у табличному вигляді (табл..2).

Таблиця 2

Коефіцієнти редукції максимального стоку річок Приазов’я

L/ | 0 | 0,5 | 1,0 | 2,0 | 5,0 | 10,0 | 20,0 | 50 | 100 | 150 | 200 | 300 | (tp/T0) | 1,0 | 0,73 | 0,62 | 0,50 | 0,36 | 0,33 | 0,30 | 0,26 | 0,23 | 0,21 | 0,19 | 0,18 | F | 1,0 | 0,66 | 0,52 | 0,37 | 0,25 | 0,23 | 0,22 | 0,22 | 0,22 | 0,21 | 0,21 | 0,21 | q1%/q1% | 1,0 | 0,48 | 0,32 | 0,19 | 0,09 | 0,076 | 0,066 | 0,058 | 0,051 | 0,044 | 0,040 | 0,038 |

Розраховані на підставі (35) і наведеної вище таблиці (маються на увазі q1%/q1%) значення F змінюються приблизно у тому ж діапазоні, що й (tp/T0), тобто внесок руслового добігання і русло-заплавного регулювання у загальну редукцію майже однаковий. Узагальнення редукційних коефіцієнтів q1%/q1% і F за допомогою комплексного показника (гідроморфологічного фактора) , замість F, дозволяє більш повно відобразити природні особливості цих коефіцієнтів, як характеристик трансформації повеневих і паводкових хвиль.

Виконані за розробленою методикою перевірні розрахунки (на матеріалах 29 обєктів) свідчать в цілому про задовільні результати. Середнє відхилення розрахункових модулів q1% від вихідних даних становить 17,0% при середній квадратичній похибці останніх на рівні 21,3%. Викладене дозволяє запропоновану розрахункову схему рекомендувати для визначення характеристик максимального стоку весняного водопілля річок Приазов’я, замість СНіП 2.01.14-83 і регіональних формул.

ВИСНОВКИ

В дисертації знайшли подальший розвиток теоретичні дослідження в рамках моделі руслових ізохрон з метою удосконалення наукової бази для нормування характеристик максимального стоку весняного водопілля річок Приазов’я.

При цьому відзначається, що:

1.При відсутності матеріалів спостережень по невеликих водозборах не можна визнати обґрунтованими для території Приазов’я методики, розроблені на структурній базі редукційних формул (включаючи і діючий в Україні нормативний документ СНіП 2.01.14-83), граничної інтенсивності та обємного типу.

2.Автором шляхом узагальнення математичної моделі А.М.Бефані (1981) обґрунтовано варіант операторного рівняння стосовно максимальних витрат води, яке раніше було запропоноване Є.Д. Гопченком і М.Є. Романчук (2000), але виходячи з дещо інших вихідних передумов. Основу цього рівняння становлять модулі схилового припливу qm і дві трансформаційні функції – розпластування (tp/T0) і русло-заплавного регулювання F.

3.Статистичний аналіз часових рядів максимальних витрат води і шарів стоку вказує на їх високу мінливість (Cv досягають по окремих водозборах 1,0-1,5 і більше), співвідношення між Cs і Cv прийняте на рівні 2,0. Середня квадратична похибка вихідних даних по максимальних витратах води (при p=1%) на 5%-му рівні значущості становить 21,3%. Шари стоку Y1% по території узагальнені у вигляді карти і змінюються у напрямку з півночі і північного сходу на південь і південний захід від 120-140 до 50 мм.

4.Характеристики гідрографів схилового припливу (коефіцієнтів часової нерівномірності і тривалості схилового припливу T0), стосовно до розрахунку повеней 1%-ої ймовірності перевищення установлені по даних мережі гідрологічних постів, які розташовані на території Приазов’я.

4.1.Коефіцієнт схилового припливу одержаний шляхом екстраполяції на вісь ординат залежності коефіцієнта нерівномірності від площі водозборів, і він дорівнює 11,5. Для контролю цього значення в роботі автором використана методика, в якій використовуються , і співвідношення між миттєвими і середньодобовими максимумами стоку.

4.2.Тривалість схилового припливу T0 визначалась двома методами – чисельним шляхом в рамках формули А.М. Бефані і в структурі обємної формули, запропонованої Є.Д. Гопченком. В обох випадках одержані практично співпадаючі результати при T0 =100 год.

5.При розробці розрахункової методики максимального стоку весняного водопілля:

5.1.Вперше для території Приазовя обґрунтовані модулі схилового припливу q1%, які змінюються від 4,57 до 1,52 м3/скм2. Прослідковується чітка широтна закономірність в зміні q1% при градієнтах близько 2 м3/скм2 на

1о півн. ш.

5.2.Трансформаційна функція (tp/T0) при n=0,095 характеризується дуже високою асиметричністю зі зниженням її значень до 0,35-0,30 вже при tp/T0=0,05-0,10. В діапазоні tp/T0 від 0,1 до 0,6 вони знижуються з 0,30 до 0,17.

5.3.Русло-заплавне регулювання в діапазоні площ річок F<1500 –

2000 км2 впливає на трансформацію максимального стоку весняного водопілля дещо більше, ніж руслове розпластування. Узагальнення коефіцієнтів русло-заплавного регулювання F здійснено в залежності від гідроморфологічного фактору .

6.Перевірні розрахунки по сукупності 29 водозборів на території Приазов’я свідчать про задовільну збіжність розрахункових модулів q1% і вихідних. Середнє відхилення склало при середній квадратичній похибці 21,3%. Все це дозволяє розроблену дисертантом методику рекомендувати для розрахунків максимального стоку весняного водопілля річок Приазов’я замість застарілих регіональних формул і СНіП 2.01.14-83.

7.Для переходу від опорної 1%-ої ймовірності перевищення до інших (забезпеченістю p%) запропонована таблиця відповідного коефіцієнта p.

Список опублікованих наукових праць

за темою дисертації

1. Романчук М.Е., Хоанг Тхи Лан Ань. Об особенностях трансформации максимальных расходов воды паводков и половодий под влиянием времени руслового добегания // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - 2001.- Вип.44.- С.163-169.

2. Гопченко Е.Д., Хоанг Тхи Лан Ань, Романчук М.Е. Операторная структура формулы максимального стока с малых водосборов // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - 2002.- Вип.46.- С.412-419.

3. Гопченко Е.Д., Романчук М.Е., Хоанг Тхи Лан Ань. Операторная структура формулы максимального стока в рамках модели А.Н. Бефани // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - 2003.- Вип.47.- С.209-219.

4. Романчук М.Е., Хоанг Тхи Лан Ань. Расчетный слой стока весеннего половодья в бассейнах рек Приазовья // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - 2004.- Вип.48.- С.448-455.

5. Хоанг Тхи Лан Ань, Гопченко Е.Д. Расчетная продолжительность притока талых вод со склонов в русловую сеть на территории Приазовья // Матеріали IV наукової конференції молодих вчених. – Одеса, Одеку. - 2004. - С.70-72.

АНОТАЦІЇ

Хоанг Тхі Лан Ань. Нормування характеристик максимального стоку весняного водопілля річок Приазов’я. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук. – Спеціальність 11.00.07 – гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія. – Одеський державний екологічний університет, Одеса, 2005.

Автором продовжені теоретичні дослідження формування максимального стоку, започатковані Г.А.Алексеєвим, А.В.Огієвським, А.М.Бефані, Й.А.Желез-няком. На підставі дещо видозміненого диференційного рівняння стоку, запропонованого А.М.Бефані (1981), обґрунтований варіант операторної структури формули максимального стоку. Її основу становлять модуль схилового припливу і дві трансформаційні функції – розпластування і русло-заплавного регулювання. Свого часу Є.Д.Гопченком і М.Є.Романчук (2000) аналогічна структура розрахункової формули була одержана в рамках так званої розгорнутої моделі руслових ізохрон. Операторна структура була реалізована на даних 29 річкових водозборів, що находяться в межах території Приазовя. По цих же матеріалах були визначені характеристики припливу води зі схилів до руслової мережі (коефіцієнти нерівномірності і тривалість схилового припливу). Причому, тривалість схилового припливу визначалась шляхом обернених розрахунків в рамках двох типів формул – А.М.Бефані і обємної. Одержані практично співпадаючі результати. Визначено також ступінь впливу на максимальний стік ефектів русло-заплавного регулювання.

Ключові слова: теорія руслових ізохрон, характеристика схилового припливу, трансформація повеней, гідроморфологічний фактор.

Хоанг Тхи Лан Ань. Нормирование характеристик максимального стока весеннего половодья рек Приазовья. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук. – Специальность 11.00.07 – гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия. – Одесский государственный экологический университет, Одесса, 2005.

Диссертация посвящена совершенствованию научной базы в области нормирования характеристик максимального стока. Опираясь на анализ современного состояния по данной проблеме, автором продолжены исследования основоположников теоретической гидрологии – Г.А. Алексеева, А.В. Огиевского, А.Н. Бефани, И.А. Железняка и др., которые в основу положили модель русловых изохрон. Громоздкость базовых структур, трудоемкость их реализации привели к тому, что на протяжении многих лет в расчетной практике получили распространение фактически только формулы редукционного типа. Причем, их научно-методическую основу, несмотря на простоту расчетных схем, нельзя признать безупречной. Как показано в работе, и сама структура редукционных формул не является универсальной.

Автором в качестве исходной модели послужила теория формирования максимального стока, разработанная А.Н. Бефани (1958, 1981). Применительно к поставленной задаче осуществлено интегрирование дифференциального уравнения стока для условий, когда tp<T0 и tpT0 (где tp - время руслового добегания, T0 - продолжительность притока воды со склонов в русловую сеть). В результате получена структура операторного типа, основу которой составляют модуль склонового притока и две трансформационные функции – распластывания волн половодий под влиянием времени руслового добегания и русло-пойменного регулирования. Ранее аналогичная структура была обоснована Е.Д. Гопченко и М.Е. Романчук, но в рамках несколько иной исходной модели – развернутой схемы русловых изохрон. Модули склонового притока талых вод 1%-ной вероятности превышения изменяются по территории Приазовья в весьма широких пределах – от 1,52 до 4,57 м3/скм2 и определяются в первую очередь величиной слоя стока за половодье.

Трудоемкость реализации полученной структуры состоит, главным образом, в отсутствии материалов наблюдений за склоновым притоком. Поэтому автором, используя имеющийся опыт кафедры гидрологии суши Одесского государственного экологического университета, и коэффициенты неравномерности склонового притока, и сама продолжительность притока были установлены на основе данных стационарной гидрологической сети станций.

Обоснование нормативного значения коэффициента неравномерности склонового притока в русловую сеть во времени производилось в рамках модели типовых гидрографов весеннего половодья рек, для которых по средним значениям слоев стока, максимальных (срочных) расходов воды и продолжительности половодья, были вычислены их индивидуальные величины. Обобщение коэффициентов неравномерности руслового стока по территории было выполнено в зависимости от размеров водосборных площадей. Экстраполяция зависимости на ось ординат контролировалась данными о соотношении между срочными и среднесуточными максимумами половодного стока. В свою очередь и продолжительность склонового притока для большей достоверности вычислялась не одним, как это делается обычно, а двумя различными методами. Первый из них базируется на модели операторного типа, а второй – в рамках объемной формулы, структура которой выводится из геометрической схематизации руслового гидрографа. В результате установлено, что коэффициент склоновой неравномерности притока талых вод к русловой сети составляет для всей территории 11,5, а продолжительность притока – около 100 час. Трансформационная функция распластывания определяется соотношением между временем руслового добегания и продолжительностью склонового притока. Но на малых реках существенную роль играет и форма гидрографа склонового притока. С увеличением размера водосборов начинает все больше влиять на формирование максимальных расходов воды форма речных бассейнов. По степени воздействия на трансформацию максимального стока половодья на реках Приазовья с русловым распластыванием вполне сопоставимо русло-пойменное регулирование. Обычно принято его обобщать по территории в виде зависимости от площади водосборов. По мнению диссертанта, площадь водосбора недостаточно характеризует степень русло-пойменного регулирования, поскольку регулирующая способность гидрографической сети в большей степени связана с длиной русел рек и их уклонами. Опыт использования для этой цели комплексного параметра (гидроморфологического фактора) , где L - длина реки, а I - ее уклон, оказался весьма положительным. Зависимость коэффициента русло-пойменного регулирования от лучше выражена, чем от площади водосбора.

Расчетная методика проверена по материалам 29 водосборов, находящихся в пределах территории Приазовья. Она рекомендуется для практического использования вместо устаревших региональных формул и СНиП 2.01.14-83. Точность методики находится на уровне 20%.

Учитывая то обстоятельство, что основатели нормативного документа СНиП 2.01.14-83 Российского государственного гидрологического института фактически приостановили его действие, утвердив Сп33-101-2003, неотложной задачей в Украине является также обновление устаревших нормативных документов, однако на более современной научно-методической базе. Успешная реализация расчетной формулы максимального стока операторного типа на речных объектах Приазовья свидетельствует о возможном варианте распространения ее и на другие регионы Украины.

Ключевые слова: теория русловых изохрон, характеристики склонового притока, трансформация половодий, гидроморфологический фактор.

Huynh Thi Lan Anh. Normalization of spring flood maximum runoff characteristics for the rivers in the Azov Sea region. Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree by speciality 11.00.07 – Land hydrology, Water resources, Hydrochemistry. – The Odessa State Environmental University, Odessa, 2005.

The author evolves the theoretical research into the maximum runoff formation which was originated by G.A.Alexeiev, A.V.Ogiyevskiy, A.N.Befani, J.A.Zhelezniak. On the basis of somewhat changed runoff differential equation suggested by A.N.Befani (1981) a variant of operator structure for maximum runoff formula has been substantiated, overland runoff module and two transformational functions – the flattening out and channel-and-flood plain storage ones - being its basis.

An analogous structure of the design formula was devised by E.D.Gopchenko and M.E.Romanchuk (2002) within the framework of the so-called expanded model of channel travel isochrones. The operational structure implemented the sets of data from 29 river drainage basins in the Azov Sea region. Characteristics of overland runoff to channel net (the irregularity coefficient and overland runoff duration) were calculated by the agency of the same data base. The overland runoff duration was determined by means of inverse calculations in the context of two kinds of formulae – the one by A.N.Befani and the solid. Essentially analogous results were obtained. The degree of influence of channel-and-flood plain storage effects upon maximum runoff is evaluated.

Key words: channel travel isochrones theory, overland runoff characteristic, flood transformation, hydromorphological factor.