РОЗДІЛ 2
ОГЛЯД ІСНУЮЧИХ МЕТОДІВ РОЗРАХУНКУ
ВЕСНЯНОГО СТОКУ
Згідно класифікації, запропонованої у [43] і викладеної у [45], всі сучасні методи, формули та розрахункові схеми максимального стоку поділяються на дві групи. До першої входять структури, засновані на геометричній схематизації схилових і руслових гідрографів, тобто редукційні та об'ємні формули. До другої - ті, що отримані в результаті математичного моделювання процесів формування паводків і водопіль та спираються на теорію руслових ізохрон (генетичні та формули граничної інтенсивності.)
2.1. Формули, що засновані на схематизації гідрографів стоку
Редукційні формули засновані на емпірично обґрунтованому факті зменшення максимумів водопілля зі збільшенням площі водозбору чи часу руслового добігання. Для структури формул редукційного типу характерним є невелика кількість невідомих параметрів, які в інтегральних показниках враховують руслову трансформацію в річковій мережі.
Об'ємні формули побудовані на геометричній схематизації схилового і руслового (чи тільки руслового) гідрографів весняного стоку. У загальному вигляді вони виражають максимальні витрати як функцію об'єму стоку водопілля, його тривалості та геометричної форми гідрографа.
2.1.1.Редукційні формули. Вихідні положення редукційних формул були сформульовані ще в тридцятих роках минулого століття Д.І.Кочеріним, який на основі обробки наявного об'єму гідрометричних даних запропонував для розрахунку максимальних витрат формулу [72]
, (2.1)
де qm - модуль максимального стоку, м3/с*км2,
Аm - максимальна інтенсивність водовіддачі з водозбору площею F =1 км2,
В, n1 - деякі районовані параметри,
F- площа водозбору, км2.
По мірі накопичення фактичних стокових даних виявилися основні недоліки (2.1): розрахунки в багатьох випадках призводили до суттєвого перебільшення розрахункових максимумів, так як даною структурою не враховувався вплив заболоченості, залісеності, озерності; а в окремих випадках, в зоні великих площ, вона давала від'ємні модулі стоку, що протирічить фізичній природі річкового стоку. Разом з тим, формули Д.І.Кочеріна визначили напрямок подальших досліджень у галузі розвитку структур даної групи.
Найбільш відомою серед редукційних є формула Д.Л.Соколовського, яким у 1937 р. були відмічені основні недоліки структури (2.1) і запропоновано розрахункове рівняння (воно враховувало зарегульованість стоку болотами, озерами, лісом та спиралося на результати узагальнення даних спостережень 600 гідрологічних постів) наступного виду [131]
, (2.2)
де Аm - максимальний модуль стоку, приведеного до площі водозбору F=0,
n1-- показник степеня редукції максимального стоку,
- поправочний коефіцієнт який враховує зарегульованість максимального стоку болотами та озерами,
- поправочний коефіцієнт на вплив лісистості.
Надалі Д.Л.Соколовським (на основі схематизації графіків водоутворення та стоку у вигляді одномодальних трикутників за умов рівності шарів притоку до руслової мережі і стоку за водопілля (паводок), а також однаковості коефіцієнтів нерівномірності схилового і руслового гідрографів) був обгрунтований редукційний коефіцієнт у вигляді [131]
(2.3)
де - час руслового добігання,
- тривалість притоку води зі схилів до руслової мережі.
Сама ж розрахункова структура в рамках схематизації гідрографів за формою трикутника набула вигляду (без поправочних коефіцієнтів)
(2.4)
Тим самим, як би була підтверджена структура редукційної формули (2.2), отриманої раніше суто емпіричним шляхом. Вираження (2.3) розкриває причину редукції, з одного боку, внаслідок розпластування паводкової хвилі зі зростанням , а з другого - показує редукційний вплив на максимуми збільшення площі водозбору.
Але формула Д.Л.Соколовського, при всій своїй простоті й широті використання, мала недоліки (зокрема, методичного характеру) в частині узагальнення параметрів Аm і нижньої границі площі водозборів, де редукція проявляється слабо. Добавка до площі одиниці, продиктована необхідністю збереження фізичного смислу розрахунків максимумів для малих площ, приводить до припущення існування деякої нередукованої площі Fн=1км2. Чисельні ж регіональні дослідження показали, що така площа існує, але за розмірами вона відрізняється від одиниці й змінюється у досить широких межах [39].
Усуненням недоліків структури Д.Л.Соколовського в різні роки займалися К.П.Воскресенський [32], О.О.Соколов [130]. Запропоновані ними розрахункові формули були близькими за структурою та параметрами і намагалися вирішити питання оцінювання стоку на малих водозборах. Зокрема, О.О.Соколовим у 60-тих роках минулого століття під час розробки у ДГІ нормативної бази розрахунку максимальних витрат водопілля була отримана наступна формула [130]
(2.5)
де kо - коефіцієнт дружності водопілля,
-шар весняного стоку р%-ої забезпеченості,
, -поправочні коефіцієнти, якими враховується вплив озер, боліт, лісів на зниження максимумів.
Параметри формули О.О.Соколова (2.5) були визначені з використанням даних спостережень 1800 гідрологічних постів, а сама структура була прийнята як базова в "Указаниях по определению расчетных максимальных расходов талых вод СН 356-66" [141].
К.П.Воскресенський [32] для врахування нелінійного характеру кривої зв"язку між максимумами та площею водозбору в межах 5-15 км2 запропонував ввести до площі водозбору постійну добавку С.
У середині минулого століття досить поширеною була формула Г.О.Алексєєва [2, 3], яку від