До побудування нової нормативної бази в галузі максимального стоку на річках України

На сьогодні в країнах колишнього союзу, в тому числі й в Україні, діє нормативний документ по розрахунках максимальних витрат води на річках, який було запропоновано ще в 1972 році, а потім дещо змінено в 1983 році. Фахівцями неодноразово на авторитетних конференціях і симпозіумах приверталася увага розробників на невідповідність у багатьох випадках розрахункових максимумів паводків і повеней матеріалам спостережень, особливо у випадках, коли місцеві особливості формування стоку суттєво відрізняються від фонових. Удосконалення діючої нормативної бази не можливо в принципі – через емпіричний підхід при її створенні. Досить звернутися до відомих базових структур БНіПу, щоб переконатися в цьому.

Так, для весняної повені (без наведення поправок) використовується формула [7]:

, (1)

де qm – максимальний модуль повені, ko – коефіцієнт “дружності” повені, Ym – розрахунковий шар стоку, F – площа водозбору, Fo – додаткова площа, за допомогою якої ураховується зменшення інтенсивності редукції на малих водозборах.

Згідно з дослідженнями [4], чисельник є максимальний модуль схилового стоку q¢m, тоді

. (2)

Коефіцієнт редукції максимального модуля qm/q¢m дорівнює

. (3)

Його верхньою фізичною границею повинно бути qm/q¢m=1.0 при F®0. Але якщо з цього боку розглянути (3), то легко переконатись, що при F®0

, (4)

за винятком, коли Fо=1.0.

З структури (1) не ясно, до котрого з параметрів (ko чи Ym) відносяться поправки на залісеність та заболоченість. При розрахунках дощових паводків в залежності від розмірів водозбірних площ використовується не одна, а дві формули (зауважимо, що їх “склеювання” не забезпечується:

а) при F>100-200 км2

; (5)

б) при F<100-200 км2

, (6)

де - ординати кривих редукції середньої інтенсивності опадів у часі, Н1% - добовий максимум опадів, h - коефіцієнт стоку.

У теоретичному відношенні (5) взагалі ну відповідає фізичним вимогам до граничних значень qm, бо qm/q¢m дорівнює одиниці не за умови F®0, а при F=200 км2. Вважаємо, що більш обгрунтованим було б (5) записати у загальному вигляді

. (7)

Щодо функції , то вона використовується помилково, бо як показано в [3], замість неї в (6)повинна входити інша величина, а саме:

, (8)

де (n+1)/n – коефіцієнт нерівномірності схилового припливу, То – тривалість схилового припливу, tp – час руслового добігання паводкових хвиль.

Таким чином, використана (майже безпідстевно) в СНіПі функція тотожня осередненому в межах tp коефіцієнту повноти схилового припливу

. (9)

Наведене вище дає змогу прийти до висновку про суттєві недоліки структурного плану в діючому БНіПі 2.01.14-83 і необхідність розробки більш досконалої нормативної бази, яка б відповідала світовим досягненням сучасної гідрології, а саме головне – достовірно описувала процеси трансформації схилового припливу в русловий стік.

Як на думку авторів, побудувати розрахункову схему для визначення максимальних витрат води під час паводків чи повіней досить надійно можна, виходячи із рівняння руслових ізохрон

, (10)

де fi – міжізохронні площі, eі – коефіцієнти русло-заплавного регулювання в межах міжізохронних ділянок.

Максимальна витрата води буде дорівнювати:

а) за tp<To

, (11)

де - шар стоку, найбільший у межах tp, тобто

, (12)

k1 – гідрографічний коефіцієнт, який співпадає з раніше запропонованим А.М.Бефані [1]

; (13)

б) за tp³To

, (14)

де V – швидкість руху паводкових хвиль в руслах, k2 – гідрографічний коефіцієнт

. (15)

Вирази (11) і (14) можна узагальнити у вигляді

. (16)

Рівняння (16) вперше було отримано А.М.Бефані [1], який реалізував модель руслових ізохрон, виходячи з передумов що: 1)коефіцієнт щільності руслової мережі залишається незмінним в межах річкових водозборів; 2)русло-заплавне регулювання відбувається однаково на різних ділянках річкової мережі. Але, як відомо, це не зовсім так – на малих водозборах і розгалужених річкових системах процеси регулювання паводків мають свої особливості. Вони полягають в тім, що при зростанні водозбірних площ відбувається закономірне і поступове збільшення відношення ширини річки до її середньої глибини.

До недоліків методичного плану при використанні (16) слід віднести й те, що при tp®0, маємо невизначеність у вигляді 0/0. Крім того, у структурному відношенні рівняння (16) не відображає основних факторів трансформації паводків. Тому автори пропонують відозмінити базове рівняння (16), надавши йому операторний вигляд. З цією метою в (16) підставляються алгебраїчні значення j та kг [1]. Тоді:

, (17)

де - трансформаційна функція, яка обумовлена, головним чином, русловим добігання паводків:

а) за tp<To

, (18)

m – показник степені в рівнянні кривої ізохрон;

б) за tp³To

, (19)

r – коефіцієнт зарегулювання паводків ставками, озерами, водосховищами.

Спроби реалізувати схему руслових ізохрон відносно максимальних витрат води робились і раніше. З них найбільш відомі авторські пропозиції П.Ф.Вишневського [2], В.І.Мокляка [8] та Й.А.Железняка [5]. Зокрема, П.Ф.Вишневський і В.І.Мокляк, використавши за вихідне рівняння (10), представили його у вигляді:

, (20)

де аm – максимальна середня інтенсивність припливу води за 10 хв. (по П.Ф.Вишневському) або за 1 год. (по В.І.Мокляку), j1 – редукційний коефіцієнт, який у розрахунковому варіанті залежить від співвідношення між tp i To, а в загалі

, (21)

де а1, а2 … - ординати графіків схилового припливу.

Відзначимо, що така інтерпретація моделі руслових ізохрон є дещо вільною трактовкою основних її положень в залежності від співвідношення між tp i To. Незалежно від розрахункового кроку в часі (тобто 10 хв., 1 годин чи щось інше) рішення моделі ізохрон повинно збігатися з виразами (11) або (14).

По іншому до моделі руслових ізохрон підійшов Й.А.Железняк. Він замість двох функцій fi та ei, які до того ж з великими труднощами піддаються визначенню, запровадив один - їх добуток під назвою “функція впливу” Pi.

Результатом розгляду цього варіанту моделі ізохрон стало рівняння

, (22)

де - метеоролого-гідравліко-морфометричний параметр

. (23)

У такому записі (23) відповідає коефіцієнту повноти схилового припливу j помноженому на Рср, тобто

. (24)

Приблизно [6]

. (25)

Тоді, з урахуванням (24) і (25), формула (22) запишеться у вигляді

. (26)

Порівняння (16) і (26) свідчить про те, що формула Й.А.Железняка відповідає лише одному випадку, коли tp<To і крім того вона відноситься тільки до малих водозборів, які можна моделювати у вигляді прямокутника з одним водотоком посередині.

Запропонована авторами для нормування характеристик максимального стоку формула (17) перевірена на даних по паводках і повенях декількох регіонів України. Результати в цілому задовільні. Позитивними сторонами (17) є те, що:

1.Формула годиться в рівній мірі як для паводків, так і для повеней.

2.Вона охоплює весь діапазон водозбірних площ – від окремих схилів до разгалужених річкових систем, причому у випадку розрахунків схилового стоку

; ,

а максимальний модуль

. (27)

3. Є можливість оцінити вклад в загальну редукцію qm/q¢m окремих її складових - y(tp/To) та eF.

4. Через параметри q¢m i y(tp/To) представляється можливим враховувати вплив на характеристики максимального стоку залісеності, закарстованості, заболоченості та інш.

Автори вважають, що настав той час і можливість, коли є всі підстави для розробки в Україні нового нормативного документу замість БНіПу 2.01.14-83. Це тим більш важливо, що прийняті й урядові рішення по здійсненню протипаводкових заходів захисту населення.

Список літератури

1.Бефани А.Н. Основы теории ливневого стока // Труды ОГМИ, 1958. –Вып.14.-Ч.2.- 302 с. 2.Вишневський П.Ф. Зливи та зливовий стік. – Київ, “Наукова думка”, 1964. – 291 с. 3.Гопченко Е.Д. Некоторые проблемные вопросы расчета максимального паводочного стока. – ДАН СССР, 1988. – Т.302.-№4.-С.955-957. 4. Гопченко Є.Д., Гушля О.В. Гідрологія суші з основами меліорації. – Київ, 1994. – 195 с. 5. Железняк И.А. К расчету характеристик паводочного стока на основе функции влияния // Труды УкрНИГМИ, 1984. – Вып.200. – с.12-25. 6.Овчарук В.А. Исследование структуры формулы максимального стока весеннего половодья И.А.Железняка // Метеорология, климатология и гидрология, 2000. – Вып.40. –С.137-142. 7.Пособие по определению расчетных гидрологических характеристик. – Л.: Гидрометеоиздат, 1984. – 447 с. 8.Ресурсы поверхностных вод СССР. Западная Украина и Молдавия. – Т.6. –Вып.1.- Л.: Гидрометеоиздат, 1969. – 884 с.