08 Учебное пособие МОГИ

Методы учета материалов кратковременных полевых гидрометеорологических изысканий (менее 6 лет) предусматривают предварительное приведение к многолетнему периоду погодичных значений, параметров и квантилей распределения речного стока рек исследуемого района, как при при n' (6-10). Определение значений стока за каждый год, норм и квантилей распределения речного стока осуществляют по методу отношений, основанному на приблизительном равенстве модульных коэффициентов в пункте с кратковременными наблюдениями и в пунктах-аналогах, по формуле

где Qi и Qia – наблюденные значения речного стока соответственно в пункте с кратковременными наблюдениями и в пунктах-аналогах с регулярными наблюдениями; Q и Qa – в зависимости от требуемых решений могут обозначать восстанавливаемые значения стока за конкретные годы, погодичные значения за пределами гидрометрических наблюдений в пункте проектирования, норму стока или значения стока заданной обеспеченности.

Метод отношений используют при выполнении условия R Rкр, где R определяют по пространственной корреляционной функции. Пункты-аналоги с регулярными гидрометрическими наблюдениями при расчетах по методу, основанному на равенстве модульных коэффициентов, обычно выбирают по наименьшему расстоянию между центрами тяжести водосборов проектируемого пункта и пунктов-аналогов. При наличии нескольких пунктов-аналогов расчеты осуществляют последовательно по всем аналогам и результаты осредняют (не более трех аналогов) с учетом случайных средних квадратических погрешностей.

Средняя квадратическая погрешность расчета значений стока за каждый год, нормы стока и квантилей распределения определяют по пунктам-аналогам. Для этой цели выбирают два пункта с гидрометрическими наблюдениями в однородном гидрологическом районе проектирования, один из которых условно принимают в качестве исследуемого пункта, а другой — в качестве пунктааналога. Расчетное значение стока определяют по формуле (31.4) столько раз, сколько имеется наблюдений в створе, принимаемом за исследуемый.

Среднюю квадратическую погрешность погодичного значения или нормы стока, или квантилей распределения по данным одного года наблюдений определяют по формуле

где Qн – наблюденное значение стока за каждый год или норма стока, или квантили распределения; Qр – рассчитанное значение стока за каждый год или норма стока, или квантили распределения.

В соответствии с методикой восстановления значений стока по уравнениям регрессии, когда имеется один год кратковременных наблюдений, строят уравнения между всеми наблюдениями за этот год и последовательно за все остальные годы, в которые имеются наблюдения в пунктах-аналогах, при

81

условии, что количество пунктов должно быть не менее 5-6. Уравнения имеют следующий вид:

где qij – значения стока в j-м пункте в i-й год за пределами кратковременных наблюдений; qk,j – значения стока в j-м пункте за k-й год, в который имеются кратковременные наблюдения; B1i, B0i – коэффициенты уравнений регрессий.

В общем случае, если кратковременные наблюдения проводят в течение нескольких лет, строят зависимости (31.6) для каждого года кратковременных наблюдений. При этом результаты восстановления стока за каждый год, полученные по нескольким уравнениям, соответствующим числу лет кратковременных наблюдений, обобщают в соответствии с формулой

где qi – значение рассматриваемой гидрологической характеристики,

определенное различными методами; i2 – абсолютные дисперсии погрешностей расчетных значений для каждого метода; k – число методов.

Предлагаемая схема восстановления погодичных значений стока может применяться не только для приведения к многолетнему периоду наблюдений за речным стоком от одного года до пяти лет, но и для более продолжительных наблюдений. Для предварительной оценки коэффициентов вариации и квантилей распределения речного стока может быть использован графический способ.

32 Расчетные расходы и уровни воды гидротехнических сооружений

Расчетные расходы и уровни воды гидротехнических сооружений устанавливаются Сводом правил [25] в зависимости от класса сооружений.

При проектировании постоянных речных гидротехнических сооружений расчетные максимальные расходы воды принимают исходя из ежегодной вероятности превышения (обеспеченности), устанавливаемой в зависимости от класса сооружений для двух расчетных случаев – основного и поверочного по таблице 32.1. При этом расчетные гидрологические характеристики следует определять по [24].

Для постоянных гидротехнических сооружений в период их временной эксплуатации в ходе строительства ежегодные вероятности превышения расчетных максимальных расходов воды следует принимать по таблице 32.1 в зависимости от класса сооружений пускового комплекса.

Таблица 32.1 Ежегодные вероятности P, %, превышения расчетных максимальных расходов

82

* С учетом гарантийной поправки в соответствии с СПОГ.

Учитывая ограниченную длительность временной эксплуатации гидротехнических сооружений, расчетные максимальные расходы воды, принятые для пускового комплекса, при надлежащем обосновании допускается понижать, при этом вероятность превышения максимального расхода воды для этого периода допускается принимать в соответствии с таблицей 32.2.

Таблица 32.2 Вероятность превышения расчетных максимальных расходов воды для периода

временной эксплуатации постоянных сооружений

При проектировании временных гидротехнических сооружений расчетные максимальные расходы воды следует принимать исходя из ежегодной вероятности превышения (обеспеченности), устанавливаемой в зависимости от класса и срока эксплуатации сооружений для основного расчетного случая. При этом для временных гидротехнических сооружений IV класса ежегодную расчетную вероятность превышения расчетных максимальных расходов воды следует принимать равной 10% (при сроке эксплуатации до 10 лет) и 5 % (при сроке эксплуатации более 10 лет); для временных гидротехнических сооружений III класса – 10% (при сроке эксплуатации до двух лет) и 5 % (при сроке эксплуатации более двух лет).

При проектировании речных гидротехнических сооружений, особенно размещаемых в районах активной циклонической деятельности, рекомендуется в качестве расхода поверочного расчетного случая принимать расход, определенный по методике вероятного максимального паводка.

Расчетный расход воды, подлежащий пропуску в процессе эксплуатации через постоянные водопропускные сооружения гидроузла, следует определять исходя из расчетного максимального расхода с учетом трансформации его

83

создаваемыми для данного гидротехнического сооружения или действующими водохранилищами и изменения условий формирования стока, вызванного природными причинами и хозяйственной деятельностью в бассейне реки.

Пропуск расчетного расхода воды для основного расчетного случая должен обеспечиваться, как правило, при НПУ через все эксплуатационные водопропускные сооружения гидроузла при полном их открытии. При количестве затворов на водосбросной плотине более шести следует учитывать вероятную невозможность открытия одного затвора и исключать один пролет из расчета пропуска паводка.

Учет пропускной способности гидроагрегатов в пропуске паводочных расходов должен быть обоснован при проектировании каждого конкретного гидроузла в зависимости от количества агрегатов гидроэлектростанции, условий ее работы в энергосистеме, вероятности аварийных ситуаций на ГЭС, а также фактического напора на ГЭС.

Для средне- и низконапорных гидроузлов при снижении напоров на агрегаты ниже допустимых по характеристикам турбин или по данным заводаизготовителя пропускную способность турбин в расчетах пропуска максимальных расходов воды не учитывают.

Пропуск поверочного расчетного расхода воды должен осуществляться при наивысшем технически и экономически обоснованном форсированном подпорном уровне (ФПУ) всеми водопропускными сооружениями гидроузла, включая эксплуатационные водосбросы, турбины ГЭС, водозаборные сооружения оросительных систем и систем водоснабжения, судоходные шлюзы, рыбопропускные сооружения и резервные водосбросы. При этом, учитывая кратковременность прохождения пика паводка, допускается:

-уменьшение выработки электроэнергии ГЭС;

-нарушение нормальной работы водозаборных сооружений, не приводящее к созданию аварийных ситуаций на объектах — потребителях воды;

-повреждение резервных водосбросов, не снижающее надежности основных сооружений;

-пропуск воды через водоводы замкнутого поперечного сечения при переменных режимах, не приводящий к разрушению водоводов;

-размыв русла и береговых склонов в нижнем бьефе гидроузла, не угрожающий разрушением основных сооружений, при условии, что последствия размыва могут быть устранены после пропуска паводка.

На реках с каскадным расположением гидроузлов расчетные максимальные расходы воды для проектируемого гидроузла следует назначать с учетом его класса, но не ниже значений, равных сумме расходов пропускной способности вышерасположенного гидроузла и расчетных максимальных расходов боковой приточности на участке между гидроузлами, определяемых для основного и поверочного случаев в соответствии с классом создаваемого гидроузла.

Расчетный наивысший судоходный уровень воды в бьефах судоходных сооружений, за исключением шлюзов при гидроузлах с судоходными плотинами устанавливается по максимальным расходам воды с расчетной вероятностью

84

превышения на основе многолетних наблюдений. Расчетная обеспеченность для определения наинизшего судоходного уровня и вероятность превышения для наивысшего уровня в зависимости от категории водного пути приведены в таблице 32.3.

Таблица 32.3 Расчетная обеспеченность в зависимости от категории водного пути

При установлении расчетных наинизших судоходных уровней необходимо учитывать понижения уровня воды вследствие: многолетней глубинной эрозии русла; разработок русловых карьеров, путевых дноуглубительных работ; ветрового сгона; предпаводочной сработки водохранилища за период навигации с учетом перспектив ее продления; отливных явлений; неустановившегося движения воды, вызываемого суточным регулированием на ГЭС и ГАЭС, работой насосных станций и шлюзов.

Для шлюзов, имеющих системы питания со сбросом воды вне подходного канала, следует учитывать также перепад уровня от места выпуска воды до конца подходного канала. На участках канала между судоходными сооружениями (закрытый канал) за расчетный наинизший судоходный уровень надлежит принимать расчетный минимальный статический уровень, уменьшенный на запас на волнение от судов, с учетом расхода воды на шлюзование судов, понижения уровня при работе насосных станций и ГАЭС.

При установлении расчетных наивысших судоходных уровней воды необходимо учитывать повышение уровня, вызываемого: ветровым нагоном; образованием заторов и зажоров; неустановившимся движением воды вследствие работы ГЭС, ГАЭС, насосных станций, шлюзов, холостых сбросов; приливными явлениями. Для шлюзов при гидроузлах с судоходными плотинами расчетным наивысшим уровнем воды считается судоходный уровень, при котором предусмотрен пропуск судов через шлюз (при более высоких уровнях судоходство осуществляется через плотину).

Гидротехнические сооружения в зависимости от их высоты и типа грунтов основания, социально-экономической ответственности и последствий возможных гидродинамических аварий подразделяют на классы. Назначать класс гидротехнического сооружения следует в соответствии нормативным документом [25]. Заказчик проекта гидротехнического сооружения вправе своим решением повысить класс сооружения по сравнению с указанным в [25].

85

33 Строительная климатология (СП 131.13330.2012)

Cвод правил «Строительная климатология» (далее СПК) [23] устанавливают климатические параметры, которые применяют при проектировании зданий и сооружений, систем отопления, вентиляции, кондиционирования, водоснабжения, при планировке и застройке городских и сельских поселений.

Климатические параметры СПК представлены в виде таблиц и схематических карт. Таблицы составлены для населенных пунктов всех регионов Российской Федерации, а также государств, входивших в СПГ к моменту утверждения СПК (Азербайджан, Армения, Беларусь, Грузия, Казахстан, Киргизия, Молдова, Туркменистан, Узбекистан, Украина).

Таблица СПК «Климатические параметры холодного периода года» содержит следующие параметры:

Температура воздуха наиболее холодных суток, °С, обеспеченностью 0,98; 0,92; Температура воздуха наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,98; 0,92; Температура воздуха обеспеченностью 0,94; Абсолютная минимальная температура воздуха;

Средняя суточная амплитуда температуры воздуха наиболее холодного месяца; Продолжительность (в сутках) и средняя температура воздуха (°С) периода со средней суточной температурой воздуха не выше 0 С, 8 С, 10 С; Средняя месячная относительная влажность воздуха наиболее холодного месяца; Количество осадков за ноябрь-март, мм; Преобладающее направление ветра за декабрь-февраль;

Максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь, м/с; Средняя скорость ветра, м/с, за период со средней суточной температурой воздуха не выше 8 С.

Таблица СПК «Климатические параметры теплого периода года» содержит: Барометрическое давление, гПа;

Температура воздуха, С, обеспеченностью 0,95; Температура воздуха, С, обеспеченностью 0,98;

Средняя максимальная температура воздуха наиболее теплого месяца, С; Абсолютная максимальная температура воздуха, С; Средняя суточная амплитуда температуры воздуха наиболее теплого месяца;

Средняя месячная относительная влажность воздуха наиболее теплого месяца, %; Количество осадков за апрель-октябрь, мм; Суточный максимум осадков, мм; Преобладающее направление ветра за июнь-август;

Минимальная из средних скоростей ветра по румбам за июль, м/с. Другие таблицы СПК:

Средняя месячная и годовая температура воздуха, °С:

Максимальная суточная амплитуда температуры воздуха в июле, °С; Максимальная амплитуда температуры воздуха – разность между максимальным и минимальным значениями температуры воздуха в течение суток за многолетний

86

период (приведены данные для пунктов со средней суточной температурой воздуха в июле не менее 21°С); Среднее месячное и годовое парциальное давление водяного пара, гПа;

Климатические параметры для проектирования отопления, вентиляции и кондиционирования; Помесячная суммарная солнечная радиация (прямая и рассеянная) на

горизонтальную поверхность при безоблачном небе, МДж/м2 ; Помесячная суммарная солнечная радиация (прямая и рассеянная) на вертикальную поверхность при безоблачном небе МДж/м2 с указанием ориентации.

Средние значения климатических параметров (средняя месячная температура и влажность воздуха, среднее за месяц количество осадков) представляют собой сумму среднемесячных значений членов ряда (лет) наблюдений, деленную на их общее число.

Крайние значения климатических параметров (абсолютная минимальная и абсолютная максимальная температура воздуха, суточный максимум осадков) характеризуют те пределы, в которых заключены значения климатических параметров. Эти характеристики выбирались из экстремальных за сутки.

Температура воздуха наиболее холодных суток и наиболее холодной пятидневки рассчитана как значение, соответствующее обеспеченности 0,98 и 0,92 из ранжированного ряда температуры воздуха наиболее холодных суток (пятидневок) и соответствующих им обеспеченностей за период с 1925 по 1980 гг. Хронологический ряд данных ранжировался в порядке убывания значений метеорологической величины. Каждому значению присваивался номер, а его обеспеченность определялась по формуле

где m — порядковый номер; n — число членов ранжированного ряда. Значения температуры воздуха наиболее холодных суток (пятидневок)

заданной обеспеченности определялись методом интерполяции по интегральной кривой распределения температуры наиболее холодных суток (пятидневок), построенной на вероятностной сетчатке. Использовалась сетчатка двойного экспоненциального распределения.

Температура воздуха различной обеспеченности рассчитана по данным наблюдений за восемь сроков в целом за год за период 1966-1980 гг. Все значения температуры воздуха распределялись по градациям через 2 °С и частота значений в каждой градации выражалась через повторяемость от общего числа случаев. Обеспеченность рассчитывалась путем суммирования повторяемости. Обеспеченность относится не к серединам, а к границам градаций, если они считаются по распределению.

Температура воздуха обеспеченностью 0,94 соответствует температуре воздуха наиболее холодного периода.

Для теплого периода принята расчетная температура обеспеченностью 0,95 и 0,99. В этом случае необеспеченность температуры воздуха, превышающая

87

расчетные значения, соответственно равна 440 и 88 ч/год. Средняя максимальная температура воздуха рассчитана как среднемесячная величина из ежедневных максимальных значений температуры воздуха. Средняя суточная амплитуда температуры воздуха рассчитана независимо от состояния облачности как разность между средней максимальной и средней минимальной температурой воздуха.

Продолжительность и средняя температура воздуха периодов со средней суточной температурой воздуха, равной и меньше 0°С, 8°С и 10°С, характеризуют период с устойчивыми значениями этих температур; отдельные дни со средней суточной температурой воздуха, равной и меньше 0°С, 8°С и 10°С, не учитываются.

Относительная влажность воздуха вычислена по рядам средних месячных значений. Средняя месячная относительная влажность днем рассчитана по наблюдениям в дневное время (в основном в 15 час.).

Количество осадков рассчитано за холодный (ноябрь–март) и теплый (апрель–октябрь) периоды как сумма среднемесячных значений; характеризует высоту слоя воды, образовавшегося на горизонтальной поверхности от выпавшего дождя, мороси, обильной росы и тумана, растаявшего снега, града и снежной крупы при отсутствии стока, просачивания и испарения.

Суточный максимум осадков выбирается из ежедневных наблюдений и характеризует наибольшую сумму осадков, выпавших в течение метеорологических суток.

Прямая и рассеянная солнечная радиация на поверхности различной ориентации при безоблачном небе рассчитана по методике, разработанной в лаборатории строительной климатологии НИИСФ При этом использованы фактические наблюдения прямой и рассеянной радиации при безоблачном небе с учетом суточного хода высоты солнца над горизонтом и действительного распределения прозрачности атмосферы.

Климатические параметры для Российской Федерации рассчитаны за весь период наблюдений до 1980 г., для других стран СНГ – за период 1961–1990 гг. При разработке ТСН уточнение климатических параметров может производиться с учетом метеорологических наблюдений за период после 1980 г.

При отсутствии в таблицах данных для района строительства, значения климатических параметров следует принимать равными значениям климатических параметров ближайшего к нему пункта, приведенного в таблице и расположенного в местности с аналогичными условиями. Для пунктов, не указанных в таблицах, расположенных в прибрежных районах морей и крупных водохранилищ и в местности с абсолютной отметкой более 500 м, а также удаленных от метеостанции более чем на 100 км, климатические параметры следует определять по запросам в Главную геофизическую обсерваторию или в территориальные управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Росгидромета.

88

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Аргучинцева, А.В. Методы статистической обработки и анализа гидрометеорологических наблюдений: учебное пособие / А.В. Аргучинцева. – Иркутск: Иркутский государственный университет, 2007. – 105 с.

2.Берникова, Т. А. Гидрология с основами метеорологии и климатологии: учебник / Т. А. Берникова. – М.: МОРКНИГА, 2011. – 600 с.

3.Гидрологический ежегодник 1974 г. – Т. 1. – Бассейн Балтийского моря / Под ред. О.Д. Жукаускене. – Вып. 5, 6.– Вильнюс: Гидрометеоиздат, 1976. – 277 с.

4.ГИС-портал Центра регистра и кадастра [Электронный ресурс]. Режим доступа – по паролю. URL: http://gis.waterinfo.ru/ (дата обращения: 09.05.2014).

5.Картвелишвили, Н.А. Стохастическая гидрология / Н.А. Картвелишвили. – Л.: Гидрометеоиздат, 1981. – 167 с.

6.Климатический монитор. [Электронный ресурс]. Режим доступа – свободный. URL: http://www.pogodaiklimat.ru/monitor.php (дата обращения: 22.05.2014).

7.Кобзарь, А.И. Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работников / А.И. Кобзарь. – М.: Физматлит, 2006. – 816 с.

8.Кремер, Н.Ш. Теория вероятностей и математическая статистика: учебник /

Н.Ш. Кремер. – М.: Юнити, 2010. – 551 с.

9.Методические рекомендации по определению расчетных гидрологических характеристик при наличии данных гидрометрических наблюдений. – СПб.: Гидрометеоиздат, 2007. – 124 с.

10.Методические рекомендации по определению расчетных гидрологических характеристик при недостаточности данных наблюдений. – СПб: Гидрометеоиздат, 2007. – 69 с.

11.Михайлов, В.Н. Гидрология: учебник / В.Н. Михайлов, А.Д. Добровольский, С. А. Добролюбов. – М.: Высшая школа, 2008. – 463 с.

12.Музылев, С.В. Стохастические модели в инженерной гидрологии / С.В. Музылев, В.Е. Привальский, Д.Я. Раткович. – М.: Наука, 1982. - 184 с.

13.Наумов, В.А. Прикладная математика: учебное пособие по решению профессиональных задач в среде Mathcad / В.А. Наумов. – Калининград: Изд-во ФГБОУ ВПО КГТУ, 2014. – 160 с.

14.НПО «Гидротехнологии» [Электронный ресурс]. Режим доступа – свободный. URL: http://www.hydrotec.ru/ (дата обращения: 05.01.2012).

15.Овчаров, Е.Е. Практикум по гидрологии, гидрометрии и регулированию стока / Е.Е. Овчаров, Н.Н. Захаровская, И.В. Прошляков и др.; под ред. Е.Е. Овчарова. – М.: Агропром, 1988. – 224 с.

16.Пособие по определению расчетных гидрологических характеристик. – Л.: Гидрометеоиздат, 1984. – 448 с.

17.Расписание погоды [Электронный ресурс]. Режим доступа – свободный. URL: http://rp5.ru/Архив_погоды_в_Калининграде (дата обращения: 31.05.2014).

18.Рождественский, А.В. Оценка точности гидрологических расчетов / А.В. Рождественский, А.В. Ежов, А.В. Сахарюк. – Л.: Гидрометеоиздат, 1990. – 276 с.

89

19.Рождественский А.В. Оценка точности кривых распределения гидрологических характеристик. – Л.: Гидрометеоиздат, 1977. – 269 с.

20.Рождественский, А.В. Статистические методы в гидрологии / А.В. Рождественский, А.И. Чеботарев. – Л.: Гидрометиздат, 1974. – 424 с.

21.Сванидзе, Г.Г. Математическое моделирование гидрологических рядов / Г.Г. Сванидзе. – Л.: Гидрометеоиздат, 1977. – 296 с.

22.Сикан А.В. Методы статистической обработки гидрометеорологической информации: учебник / А.В. Сикан. – СПб: Изд-во РГГМУ, 2007. – 279 с.

23.СП 131.13330.2012. Свод правил. Строительная климатология. Утвержден приказом Министерства регионального развития Российской Федерации от 30 июня 2012 г., № 275 и введен в действие с 1 января 2013 г.

24.СП 33-101-2003. Свод правил. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. Одобрен для применения в качестве нормативного документа постановлением Госстроя России № 218 от 26 декабря

2003 г.

25.СП 58.13330.2012. Свод правил. Гидротехнические сооружения. Основные положения. Утвержден приказом Министерством регионального развития Российской Федерации от 29 декабря 2011 г., № 623 и введен в действие с 1 января 2013 г.

26.Термограф: архивные данные температуры воздуха и количества осадков [Электронный ресурс]. Режим доступа – свободный. URL: http://thermograph.ru/mon/ (дата обращения: 22.05.2014).

27.Фролов А.В. Дискретная динамико-стохастическая модель многолетних колебаний речного стока // Водные ресурсы. – 2011. – Т. 38, № 5. – С. 538-547.

28.Шелутко, В.А. Численные методы в гидрологии: учебник / В.А. Шелутко. – Л.: Гидрометеоиздат, 1991. – 239 с.

29.International Hydrological Programme [Электронный ресурс]. Режим доступа

–свободный. URL: http://webworld.unesco.org/water/ (дата обращения: 09.05.2014).

30.Global Runoff Data Centre [Электронный ресурс]. Режим доступа – свободный. URL: http://www.bafg.de/ (дата обращения: 08.03.2012).

90