Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Климатические параметры статических ледовых нагрузок

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Климатические параметры статических ледовых нагрузок"

Г5, ОД

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДИ ОРДЕНА ТРУДОВОМ КРАСНОГО ЗШШНИ

Главная геофизическая обсерватория им.А.И.Воейкова _^_

На правах рукописи

СЕМЕНОВ иРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

УЖ 551.52.521

КЛИМАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СТАТИЧЕСКИХ Л^ОВЫХ НАГРУЗОК

СШ&ДАШООТЬ. II. 00.09 - МЕТЕОРОЛОГИЯ, хОЪ'П ДАТОЛОГШ*, АГРОМдТЕОРО ЛОГИН

АШОРЕЙЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕНЕШ КАНДИДАТА ГЕОГРАФИЧЕСКИХ НАУК

Санкт-Петербург 1993

Работа выполнена в Главной геофизической обсерватории .Л.И.Воейкова.

Научный руководитель - доктор географических наук

Кобышева Н.В.

Официальные оппоненты - доктор географических наук,зав.лаб.

Мещерская A.B.

кандидат технических наук,зав.лаб. Шаталина И.Н.

Ведущее учреждение - Российский государственный гидрометеорологический институт. ;

Зашита диссертации соотоится № /¿¿llwaf 1УУЗ г. в "Ю " час. на заседании специализированного Совета Д. 024 .'06,01 по ходатайству о присуждении ученой степени доктора наук при Главной геофизической обсерватории им.А.И.Воейкова

Адрес: 1У4018, Санкт-Петербург, ул.Карбышева, 7.

С диссертацией мокно о накопиться в библиотеке Главной геофи-f зической-обсерватории

злен /Ж

Автореферат разослан "/Л" Уси^/^/и* 19аЗ г.

Ученый секретарь Специализированного Совета

доктор,професоор /С&ЗЪ^с-^-^ Н.В.Кобышева

X I

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тонн исследования. Катастрофические последствия воздействия статической ледовой нагрузки на гидротохничоскле сооружения указывают на необходимость ео учета как при проектировании, так и эксплуатации гидротехнических сооружений. Важность учета кодовой нагрузки возрастает по море увеличения количества гидротехнических оооруЕСНий, и особенно в суровых климатических условиях районов Сибири и Дальнего Востока.

В настоящее время расчет величины статической нагрузки регламентируется главой Строительных Норы и Правил: СНлП 2.06.04-82. Однако, в данной главе отсутствует районирование территории страна по величине нагрузки, что наиболее удобно для проектирования, а дается лишь методика расчета ее величины, т.е. в каждом конкретно« случае требуется обращение к первичный материалам и проведение весьма трудоемких расчетов. Большие затруднения возникают при расчете величины нагрузки для пунктов, по которым отсутствуют метеорологические и гидрологические данные. Использование м в качество параметров гидрометеорологических данных бликайших станций (особенно при редкой сети станций) могет привести к значительним едпбкам в определении величины нагрузки. Таким образом, разработка карт распределения величины нагрузки по территории страны явллотсл актуальной проблемой.

Основные задачи исследования:

- разработать алгоритм и программу расчета величины статической ледовой нагрузки;

- оценить величину ошибки расчета статической ледовой нагрузки из-за неточности определения исходных гидрометеорологических данных;

- разработать методику объединения рядов о целью получения статистически достоверных.расчетных величин нагрузок редкой повторяемости ;

- оценить точность расчетных величин нагрузок различной повторяемости, полученных аппроксимацией исходных рядов теоретическими функциями распределения ;

- установить климатические характеристики, связанные тесной корреляционной зависимостью с величинами статических ледовых нагрузок ;

- составить районирование территории страны по величине статических ледовых нагрузок.

Разработать методику автоматизированного расчета величины статических ледовых нагрузок на ЭВМ.

Построить карты пространственного распределения величин нагрузок по территории страны.

Создать методику косвенных расчетов величин нагрузок по климатический характеристикам.

Научная новизна. Впервие построены карты пространственного распределения расчетных величин статических ледовых нагрузок редко» повторяемости и найдены корреляционные уравнения связи, 'позволяющие оценить расчетную величину нагрузки по большому числу пунктов.

Практическая значимость работы. Проведенная работа создала методическую основу для картирования территории страны по величине статических ледовых нагрузок. Представленные впервые карты позволяют оценить пространственное распределение расчетных величин нагрузок редкой повторяемости.

Созданная методика косвенных расчетов дает возможность оценить' величину нагрузки по большому числу пунктов и уточнить данные, снятые с карт для пунктов, климатические характеристики кото рых резко отличаются от фоновых значений.

Предполагается внедрение карт распределения статических ледо вых нагрузок в главу СНиП "Нагрузки и воздействия, на гидротехнические сооружения".

Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы в четырех работах, докладывались на научных семинарах Отдела прикладной климатологии ГГО им.А.И.Воейкова и лаборатории ледо-терцики Института гидротехники ии.Б.Е.Веденеева.

Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Содержит 163 страницы, включая 29 рисунков, 13 таблиц и библиографию из 97 наименований.

Ь I

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Одним из видов воздействия ледяного покрова рек, озёр и водохранилищ на гидротехнические соору5:ения является статическое давление льда, вызванное изменением его температур». Под статическими ледовыми нагрузками понимается давление, развиваемое при повышении температуры льда, когда своОодним деформациям ледяного покрова препятствуют реакции сооружений и берегов.

Зо .введении обосновывается актуальность темы исследования, приведены примеры катастрофического воздействия статической ладо- • вой нагрузки на гидротехнические сооружения.

В первой главе дан обзор существущих методов определения статических ледовых нагрузок. Несмотря на наличие множества подходов к решении задачи,.единой, общепризнанной методики расчета этой характеристики к настоящему моменту нет. Расчет нагрузки от сплошного ледяного покрова при его температурном расширении в настоящее время регламентируется главой СНиПа 2.06.04-82. В основу расчетных формул данной главы СНиПа положена методика А.И.Яехови-ча для случая линейного закона повышения температуры воздуха. Ввиду трудоемкости расчетов рекомендуется проводить их лиаь для двух расчетных периодов: с минимальной начальной томпоратурой воздуха надо льдом и с максимальным градиентом ее повышения. Величина нагрузки, рассчитанная согласно рекомендациям данной главы СНиПа в значительной степени зависит от длины ряда наблюдений, являясь, по существу, экстремальной'характеристикой величины нагрузки.

В настоящее время наиболее широко используются расчетные ха-яактеристики нагрузок, возмоише один раз в заданное число лет, что особенво важно при проектировании сооружений различного класса надекности. Применяя ке методику данной главы СНиПа, определять такую характеристику невозможно. Получизь величины нагрузок различного периода повторения мокно, например, по рядам сезонных максимумов величин нагрузок, аппроксимируя эмпирические распределения одной из функций предельных распределений.

Так как величина ледовой нагрузки определяется комплексом параметров, то экстремальное значение- какого-либо из параметров не является необходимым и достаточным условием достижения максимума величины нагрузки. Поскольку априори нельзя указать период повышения температуры воздуха с максимальной величиной нагрузки,

го, для получения сезонных максимумов величины нагрузки, целесообразно проводить расчеты для каждого периода повышения температуры воздуха (а не двух, как в главе СНиПа) с выбором максимальной величины иагрузки за каадий сезон. 11

Для решения этой задачи были составлены алгоритм и программа расчета в сличит: нагрузки на ЭВМ ЕС-1022. Расчеты проведены по дапша: порядка 70 ■станции, расположенных вблизи крупных рек, за период 1966-80 гг. В качестве исходных данных использовались срочные дашш'о метеостанций по температуре воздуха и скорости ветра, а такко пентадные (декадные) данные по толщине льда и высоте снега на льду по измерениям на водомерных постах. . '-

В расчетные формулы для определения статических ледовых-нагрузок входах температура воздуха над ледовым покровом. Использо-ванис ко в качестве исходных данных температуры воздуха, измеренной на метеорологической площадке, ыокет привести к ошибке в определении величины нагрузки, т.к. температура воздуха над ледовый покровом реки монет отличаться от температуры воздуха на метеопло-* цадко, особенно для рек, протекающих в глубоких долинах, для районов с инверсионным распределением температуры (в основном районов Счбкри). Использование в качества исходных давних толщины ледяного покрова и высоты снега на льду по измерениям на водомерных постах (в одной точке на середине реки) также может привести к ошибке в определении величины нагрузки. В связи с большой изменчивостью толщины льда и высоты снега на льду по акватории рек, данные о них по измерениям в одной точке лишь прибликевво характеризуют средние величины этих элементов для данного участка реки.

А.Н.Чихов подразделяет пространственную изменчивость распределения толщины льда по масштабам проявления на: зональную, районную (локальную), местную и мелкомасштабную. Наличие локальной неоднородности в распределении толщины льда и высоты снега на льду . ыохст привести к тому, что величива нагрузки, рассчитанная для данного пункта,ве будет характерна для соседних участков реки и ото приведет к затруднениям в картировании территории страны по величине нагрузки. В наибольшей степени это касается случая реальных значений толщины льда и высоты снега на льду. В меньшей степени локальная неоднородность сказывается для случая отсутствия снега на льду, особенно для районов, где наблюдается мощный ледяной покров (при большой толщине льда изменение его толщины мало сказывается на величине нагрузки).

С i

Величина нагрузки при отсутствии снега на льду является максимально возможной для данной станции. В главе СНиПа рекомендуется при отсутствии данных о высоте снега принимать се равной пула. Условная нагрузка, рассчитанная для случая отсутствия снега на льду (Hs =0) и постоянной в течение ледостава' толщины льда (Hl =100 см), не зависит от неоднородности в распределении толщины льда и высота снега на льду, т.е. гидрологических особенностей рек, а зависит только от метеорологических параметров, что позволяет наиболее корректно картировать территории страны по величине нагрузки. Поэтому, з данной работе расчет величин нагрузок производился для трех случаев: а) реальных значении IL и Hs ; 6)Hs =0; в) Hs =0 ; Пь =100 см.

Влияние местных и мелкомасштабных вариаций толщины ледяного Покрова и высоты снега на льду иоает привести к ошибке в определении величины нагрузки, рассчитанной по исходным данным, измеренным в одной точке. Зниду отсутствия необходимых материалов, невозможно провести реальную оценку погрешности расчета величины ледовой нагрузки вследствие неточного определения исходных данных. С другой стороны, представляется целесообразным оценить их верхние пределы для наперед заданных возможных погрешностей в определении какого-либо из исходных параметров. Баки о отметить, что величина оинбки расчета нагрузки зависит не только от погрешности определения исходного параметра, но к одновременно от величины зсех параметров. Построенные графики связи относительных ошибок расчета величины ледовой нагрузки от возможных ошибок в исходных данных позволяют наглядно представить пределы их изменения при различных ошибках исходного параметра и величин самих параметров»

Поскольку для расчета величин нагрузок использовались данные станций, находящихся вблизи рек, различия в- температурах воздуха на метеоплощадке и над ледяной поверхностью будут невелики (<5°С), то и ошибка в определении величины нагрузки для большинства станций не превысит I0-ISJ5 ее величины. Относительная ошибка определения величины нагрузки при использовании данных о высоте снега на льду, измеренной в одной точке акватории, уменьшается о увеличением толщины льда при одних и тех ке ошибках в определении высоты ■ снега. Для пунктов с относительно мощным -ледяным покровои (Н^бОсы), что имеет место для большей территории страны, величина ошибки не превысит 20-о0>.

Использование данных о толщине ледяного покрова, измеренной в одной точке, мояет привести к ошибке определения величины нагрузки в 30-40£ для пунктов с тонким ледяным -покровом ( <40 cu). Для пунктов с более мощным ледяным покровом относительная ошибка не превысит 10-20£.

Вторая глава посвящена получению расчетных величин статических ледовых нагрузок и изучении их пространственного распределения. Наиболее простой характеристикой ледовой нагрузки может служить средняя из её максимальных сезонных величин. Точность полученных средних величин нагрузок по 14-летним рядам оценивалась по форму-

Л8: xv 100- ' • .

Г ' >

где - погрешность средней / $ /, _ .

Су - коэффициент вариации исследуемой характеристики, и - число лет наблюдений в ряду. • '

В климатологической практике принято, что величина ошибки не должна превышать IOS¡. Проведенные оценки показали, что данное условие выполнено для всех станций. Таким образом, средние из максимальных величин нагрузок определяются достаточно точно по имеющимся рядам наблюдений.

В процессе расчета статических нагрузок определялись и параметры периодов повышения температуры воздуха, во время которых наблюдались максимальные величины нагрузок: начальная температура воздуха Тн , градиент повышения температуры воздуха CR , толщина льда Ht и высота снега на льду Hs , а, также, их средние значения для каждой станции за весь расчетный период: Тн ,64 , Нь , Hs • Выявлена хорошая корреляционная зависимость средних величин нагрузок ох средних значении этих параметров по всем станциям и хорошая корреляционная зависимость средних значений параметров от некоторых климатических характеристик. Так, параметр Тн связан с такими климатическими характеристиками, как: а) средняя из абсолютных годовых минимумов температуры воздуха, б) средняя температура воздуха по минимальному термометру за период декабрь-карг, в) средняя температура воздуха за период декабрь-март. Лучшая связь параметра Тн оказалась со средней из абсолютных годовых минимумов;температуры воздуха. Коэффициент корреляции между этими характеристиками для случая реальных значений толщины льда и высоты снега на льду равен 0.90, а для случая отсутствия снега на льду

г

I

- 0.97. В качестве характеристик параметров Нь , Н* и && лучпе всего подходят соответственно: средняя из максимальных толщин льда за периода ледостава, средняя высота снекного покрова на льду, средняя из максимальных величин градиента повышения температуры воздуха. . __ _ _

При использовании вместо параметров 7 и , б Я , Нь , Н5 значений климатических характеристик получеиы корреляциошше уравнения зависимости средних величин нагрузок от этих характеристик. При этом, для случая реальных значений толщины льда и высоты енота на льду коэффициент множественной корреляции: 0.87^ = 0.916 ^ 0.96, для случая отсутствия снега на льду: 0.97^ #„=0.98^0.99. Таким образом, средняя величина нагрузки тесно связана с климатическими характеристиками.'Все эти климатические характеристики, кроме среднего из максимальных градиентов повышения температуры воздуха, могут быть получены из климатических и гидрологических справочников. Для косвенных расчетов величины нагрузки возможно использование вмосто средних из максимальных градиентов повышения температуры воздуха характеристик изменчивости температуры, имеющихся в климатических справочниках.

Важно отметить неплохую корреляционную связь между различными климатическими характеристиками. Так, существует достаточно тосная связь между средними из абсолютных годовых минимумов температуры воздуха и'средними из максимальных градиентов повышения температуры ( г =0.56), между средней температурой воздуха за периода ледостава и средней толщиной льда ( £ =0.77), средней высотой снега на льду и средней из абсолютных годовых минимумов температуры воздуха (1 =0.66).

Наибольший интерес представляют величины нагрузок редкой повторяемости. Такие характеристики получают на основе аппроксимации эмпирических распределений сезонных максимумов нагрузок теоретическими функциями распределения экстремальных величин. Однако, в отличив от средней величины, нагрузки редкой повторяемости, полученные по короткий рядам, являются недостаточно надежными. В этой случае желательно увеличение объема выборки. Это возможно осуществить путей объединения однородных рядов, полученных по отдельным станциям, в один большой рад. Необходимый условием объединения нескольких станций является выделение районов со сходными условиями формирования данных характеристик.

Имей гея несколько подходов к формированию объединенных рядов. Условием объединения рядов в истоде Крицкого-!.1!енкеля является общность типа функции распределения исходных выборок, общность параметров, отсутствие тесной корреляции между станциями / 1 <0.5/. Метод Алексеева (метод годопунктов) - метод доверительных границ, оконтуриаасцнх объединенную кривую распределения, которые определяются как пределы практически возможных значении эмпирической ве-поятно.стк данной величины (обычно 95£ пределы). За эти пределы не должно выходить свыао /V ( 1-Р ) точек, где:

Д/ - общее число годопунктов,

Р - доверительная вероятность. ' -

Применение этого метода возможно при наличии лм>ой корреляции между объединяемыми рядами и, кроме того, он позволяет получить число независимых годопунктов и меру эффективности объединения рядов.

Поскольку расчет величии нагрузок проводился по ограниченному числу станций, то невозможно подобрать достаточно большое'число станций, находящихся в сходных условиях формирования нагрузок. Поэтому, для исключения влияния азональных условий формирования нагрузок, объединение рядов по отдельный станциям производилось • не по самим величинам нагрузок, а по их модульным коэффициентам, т.е. нормированным на среднюю величину сезонным максимумам нагрузок. Так как средние значения рядов модульных коэффициентов равны I, то мояно предполагать, что они принадлеаат к одной генеральной совокупности при однородности их стандартов. Среди критериев для оценки однородности стандартов наиболее часто используется критерий Фишера (Р ) в виде: г ' ,

р в -, Гдв

С» и С^ - стандарт выборок.

Анализ построенных карт распределения стандартов додульных коэффициентов (Ср ) показал их закономерное изменение по территории страны при наличии тесной корреляционной зависимости их пространственного распределения от климатических характеристик, комплекс которых и определяет условия их формирования. Подбор станций в. группы с однородными значениями Ср производился с помогаю критерия Фишера при 10£ уровне значимости. Правильность подбора станций в группы контролировалась с помощью методов Крицкого-Левкеля, Алексеева и непараметрического критерия Крускала-Уоляиса, что позволило более объективно и достоверно судить о правильности образо-

вания объединоиних рядов.

Для аппроксимации объединенных рядов использовались два из предельных распределений: Гуибеля' (первое распределение), Взйбул-ла (третье распределение), а, также, распределение Джеикипсона, который представил три предельных распределения в общей форме:

* Р60-- ехрс- и-& )"*J гак>о

Знак параметра К определяет тип распределения: К < О - второе распределение, К > О - третье распределение, К » О - первое распределение. Степень согласия эмпирических данных и функций распределен ния определялась при помовд критерия, согласия пи?2, который записывается в виде:

псог= tlP'M-PM?

где ifyc) и Р(х) - соответственно эмпирическая и теоретическая функции распределения; П - число членов ряда. Распределение Дкенкинсона, по оцонке с помощью критерия tiu¡^f дам при уровне значимости 30£ хоропо согласуется со всеми эмпирическими рядами, в то вреия как для распределений ¡5еИбулла и, особенно, Гумбеля уже при 5$ уровне значило«« в некоторых случаях значения критерия hu:^ больше критических значений. Поэтоиу, в качестве расчетных приняты величины нагрузок, полученные аппроксимацией исходных рядов функцией распределения Дкенкинсона.

На рис.1 представлена карта пространственного распределения величин нагрузок, возиоасных I раз в IOO лет, для случая отсутствия снега на льду. Ход изолиний величин нагрузок хороао согласуется с ходои изолиний средних из абсолютных годовых минимумов температуры воздуха, однако очаг максимальных величин нагрузок не совпадает с очагом минимальных температур, а приходится на район максимальных градиентов повышения температуры воздуха. Дяя случая реальных значения толцины льда я высоты снега на льду четкой зависимости пространственного распределения величины нагрузки от средней из абсолитных годовых минимумов температуры воздуха и среднего из максимальных градиентов повышения температуры воздуха не наблюдается ввиду сильной зависимости величины ледовой' нагрузки от высоты снега на льду.

В третьей главе дана методика косвенных расчетов величины статической.ледовой нагрузки различной повторяемости по климатическим и гидрологическим характеристикам зимнего периода.

Puc.I

( <

I1

Для пунктов, по которым отсутствуют данные непосредственных расчетов, величину нагрузки можно получить с йоновых карт распределения величин нагрузок по территория страны. Однако, необходимо принять во вникание следующие замечания.. Во-первых, эти карты построены по данным ограниченного числа станций и проведение изолиний на них носит в некоторой степени субъективный характер. Во-вторых, при построении карт не могли быть учтены гидрологические и метеорологические особенности как отдельных участков рек, так и различных рек, хотя даже для бликайших пунктов одной реки различия в толщине льда и высоте снега на льду могут бить значительными в силу неоднородности распределения этих элементов по акватории. Метеорологические условия такке в значительной степени зависят от местных условий.'В третьих, после возведения гидротехнического сооружения гидрологический рехим данного участка роки мокет значительно измениться, что приведет к изменению величины нагрузки по сравнению со снятой с карт. Для уточнения данных о величине нагрузки, снятой с карт, предлагаются косвенные методы оценки ее величины, заключающиеся в нахождении уравнений связи мекду величинами нагрузки и климатическими и гидрологическими характеристиками зимних сезонов, данные о которых имеются по значительному числу станций. Особенно вакное значение косвенные методы расчета величины нагрузки имеют для районов с большой пространственной изменчивостью гидрометеорологических характеристик (для районов со сложным рельефом),

В результате работы были получены множественные корреляционные уравнения зависимости величины нагрузки различной повторяемости (С^п ) от климатических и гидрологических параметров. Для случая отсутствия снега на льду в качестве параметра Т, эквивалентного начальной температуре воздуха, использовались: средние из абсолютных годовых минимумов температуры воздуха; минимальные температуры воздуха, возможные I раз в заданное число лет; начальные температуры воздуха за периоды ее повышения обеспеченностью 99$. В качестве параметра $Я , эквивалентного градиенту повышения температуры воздуха, использовались: максимальные значения из средвих квадратических отклонений средней суточной температуры воздуха \ максимальные значения среднего квадратического отклонения температуры воздуха по срокам; максимальные значения среднего квадратического отклонения средней суточной температуры воздуха за декаду; наибольшая суточная амплитуда температуры воздуха,

возможная I раз в заданное число лат j градиенты повышения температуры воздуха обеспеченностью 9953. В качество параметра Н , описывающего толщину ледяного покрова - средняя из максимальных толщин льда за периода ледостава. Получены множественные корреляционные уравнения зависимости величины нагрузки Cj.n от параметров вида:

c¡» - Г(т,GR,Hl )

где в качестве параметров Т, 6R , Hl использовались приведенные выше климатические и гидрологические характеристики. Коэффициенты множественной корреляции оказались высокими для величин нагрузок различного периода повторения ( R0 ?-0.92). Все аргументы значимы. Относительные ошибки определения,величин нагрузок по уравнениям связи невелики (для большинства станций менее-Щб). При этом, точность' расчетов при использовании различных климатических характеристик примерно одинакова. Благодаря наибольшему вкладу температуры воздуха в уравнения регрессии, а также тесаоИ корреляционной зависимости характеристик изменчивости температуры и толщины льда от.-температуры воздуха (коэффициенты корреляции соответственно больше 0.70 и 0.63) возможно оценить, в первом приближении, величину нагрузки только от одного параметра -температуры воздуха. Относительные ошибки определения величины нагрузки в этой случае относительно невелики (менее 20¿).

Для случая реальных значений толщины льда и высоты снега на льду, кроме перечисленных выше, в качество параиетра высоты снега на льду Н использовалась средняя высота, смежного покрова за все периоды ледостава. Унохествонние корреляционные уравнения имеют вид: , ^ . ■ , ( ч

cj,»*F(T,GR,Ни,Hs)

Полные коэффициенты множественной корреляции в этом случае ока-гакись несколько.хуке, чем для случая отсутствия снега на льду, однако и сами нагрузки для этого случая рассчитываются менее точно. Для периода повторения один раз в 20 лет, при использовании i качестве параметров различных климатических характеристик, коэффициенты множественной корреляции (Je>0.86, а для периода повторения один раз в 100 пет /?0 * 0.60> т.е. достаточно высокие. При этом, использование в качестве аргумента G И в корреляционных уравнениях таких климатических характеристик, как максимальное значение из средних квадратических отклонений средней

суточной температуры воздуха и максимальное значение из средних квадратических отклонений средней суточной температуры воздуха за декаду, лииь в незначительной степени улучцрет величину полного коэффициента множественной .корреляции. Использование в качестве аргументов корреляционных уравнений климатических данных о температуре воздуха, толщине льда и высоте снега на льду позволяет довольно точно оценить величину статической ледовой нагрузки. Относительные ошибки определения величины нагрузки по уравнениям связи для большинства станций не превосходят 15-20£.

Ледовые нагрузки для случая постоянной в течение ледостава толщины льда (Н(. =100 см) и отсутствия снога на льду (Н* =0) представляют особый интерес, поскольку не зависят' от гидрологичос-ких особенностей водоемов, а являются функцией только метеорологических параметров, что дает возможность построения карт пространственного распределения величин нагрузок для всех рек без учета их гидрологических особенностей. При этом, величина нагрузки для этого случая рассчитывается более точно по сравнению со случаями реальных значений гидрологических параметров. Возможны ошибки ее расчета обусловлены только различиями термических характеристик на метеоплощадке и над ледовым покровом, которые могут бить сведевы до минимума путем выбора метеостанций, расположенных в -непосредственной близости от акваторий рек. Поскольку термические характеристики данных станций хорошо согласуются с данными фоновых карт, то и карты распределения величин вагрузок для этого случая могут служить в качестве фоновых, при этом определение величины, нагрузки косвенным методом, по климатическим характеристикам, производится наиболее точно. Величина нагрузки для данного случая, снятая с карты, может служить аргументом для определения величины нагрузки при реальных значениях гидрологических параметров.

Для случая реальных значений толщины ледяного покрова и отсутствия снега на льду в качестве аргументов в уравнениях связи могут служить: величина нагрузки данной повторяемости для случая постоянной толщины льда (^л^.юо ) и средняя из максимальных толщин льда (Н|. то* ). Корреляционные уравнения связи имеют вид:

Не тех)

Полные коэффициенты множественной корреляции для всех периодов повторения велики ( >0.99). Относительные ошибки определения величин нагрузок по уравнениям связи не превышают ДО.

Для случая реальных-значений толщина льда к снсга на льду, кроме перечисленных вша аргументов, использовались также средняя высота снега на льду (11$ )_и средняя из абсолютных годовых минимумов температуры воздуха (Т>шп ). Уравнения связи в этой случае кмеит вид:

Полные коэффициенты мпокестванной корреляции оказались несколько хуже, чем для случая отсутствия снега на льду, однако достаточно велики: от =0.94 для периода повторения один раз в 10 лет до

=0.89 для периода повторения один раз в 100 лет. Относительные ошибки определения С^юо по уравнениям связи для большинства станций кенее 20^. Для меньших периодов повторения эти ошибки не превышают ДО. При отсутствии данных о высоте снега на льду, в первом приближении, мокно оценить величину нагрузки по уравнениям связи без учета этого аргумента, поскольку существует корреляционная зависимость между Т™;« и (г =0.67).

Таким образом, в результате выполненной работы для оценки величины нагрузки в любом пункте на территории страны предложены и доведены до практического применения три метода:

1. Получение величины нагрузки заданной обеспеченности интерполяцией между изолиниями равных величин нагрузок по данным соответствующих карт.

2. По данным карт для случая постоянной в течение всего периода ледостава толщины льда. Используя уравнения регрессии, связывающие величину нагрузки, снятую с этих карт, с величиной нагрузки для случаев реальных значений толщины льда, а такке.высоты снега на льду, шшю достаточно точно оценить величину нагрузки различной повторяемости для этих случаев, особенно точно при отсутствии снега на льду. Для пунктов, где ожидаются значительные изменения гидрологических характеристик после возведения гидротехнического сооружения, следует использовать прогнозируемые величины этих характеристик.

3. Оценка величин нагрузок по уравнениям связи'их с климатическими и гидрологическими характеристиками. При этом, для случая

реальных значении толщины льда и высоты снега на льду для приближенной оценки величины нагрузки возможно исключение характеристик изменчивости температуры воздуха.

В заключении приводятся основные результаты проделанной работы и делаются следующие выводы:

1. Величина статической ледовой нагрузки, зависящая от комплекса метеорологических и гидрологических параметров, не всегда достигает своего максимума при экстремальных значениях одного из параметров. Так как без предварительных расчетов новозьллю точно указать период повышения температуры воздуха с максимальной величиной нагрузки, более корректно проводить расчеты величины нагрузки для каадого периода повышения температуры воздуха при значениях параметров, ичеваих место в течение именно этих периодов.

2. Максимально возможная ошибка определения величины нагрузки в связи с измерением температуры воздуха на метеоплощадке, а не над ледяным покровом, монет достигать 30? ее величины (в реальных условиях - 10-15?). Максимальная, ошибка определения во личины нагрузки при использовании данных о высоте снега на льду, измеренной в одной точке акватории, мокет достигать 50-605$ для пунктов

с очень тонким ледяным покровом (Ни < 40 см) и большой высотой снега на льду, для пунктов с более мощным ледяным покровом ошибка не превысит 20-30?. Использование данных о толщине ледяного покрова, измеренной в одной точке, может привести к ошибке в 30-40? для пунктов с тонким ледяным покровом (1к * 40 см)- Для пунктов с мощным ледяным покровом ошибка не превысит 10-20?.

3. Средние из максимальных величин нагрузок но данным за 14-летний период определяются достаточно точно (с погрешностью менее 10?). Границы 95? доверительного интервала-на превосходят

0.04 МН/м, для большинства станций эти границы значительно ухе. Средние величины таких характеристик, как толщина льда, высота снега на льду, градиенты повышения температуры воздуха определяются также с погрешностью менее 1С$. Проведено картирование территории страны по средний из максимальных величин нагрузок.

.4.Обнаружена тесная корреляционная зависимость между средними из максимальных величин нагрузок и средними значениями параметров за периоды повышения температуры воздуха^ когда они наблюдались. Выявлены климатические и гидрологические характеристики периодов ледостава, определяющие величину нагрузки. Обнаружена тес-

к к

ная корреляционная зависимость средних из максимальных величин нагрузок от этих характеристик по .всем станциям, вошедшим в расчеты, а также между этими характеристиками.

5. Для получения устойчивых величин расчетных нагрузок редкой повторяемости произведено удлинение рядов путем объединения модульных коэффициентов нагрузок по отдельным станциям в однородные ряды при помощи критерия Фишера. Показана закономерность распределения средиих квадратичэских отклонений модульных коэффициентов нагрузки по территории страны, их зависимость от климатических и гидрологических характеристик периодов ледостава. Проверка

с помощью методов Крицкого-Ыенкеля, Алексеева и критерия Крускала-Уоллиса показала правомерность такого объединения. Число независимых годопунктов в таких рядах оказалось достаточным для получения устойчивых величин нагрузок редкой повторяемости.

6. Показано, что аппроксимация объединенных рядов модульных коэффициентов нагрузки функциями ВеКбулла и Дкенкинсона во многих случаях дает близкие результаты. Распределение Гумбеля дает завышенные величины нагрузок.

7. Получены расчётные величины 'статических ледовых нагрузок различной повторяемости. Оценка величины доверительных интервалов покдзала, что границы 95£ доверительного интервала для нагрузки любой повторяемости по подавляющему числу станций не превосходят 0.03 МН/м (во многих случаях меньше этой величины) и лишь для нескольких станций (объединенные ряда по которым относительно коротки) могут быть больше этой величины. Проведено картирование территории страны по величине нагрузки, возможной I раз в 20,50, 100 лет.

8. Предложены косвенные методы оценки величины нагрузки по климатическим характеристикам, взятым из "Научно-прикладного справочника, по климату СССР", а также по значениям величины нагрузки, рассчитанной для.случая постоянной в течение всего периода ледостава толщины льда (Не» 100 см), которая определяется с меньшей погрешностью и в меньшей степени зависит от местных условий станций.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Уточненный метод раочета нагрузок на гидротехнические) сооружения // Труда ГГО. - 1986. - Вып.501. - С.35-40.

2. Нагрузки от сплошного ледяного покрова на гидротехнические сооружения на Верхней и Средней Волге // Труды ГГО. - 1988.

- Вып.520. - С.165-171.

3. Влияние толщины ледяного покрова на нагрузку от сплошного ледяного покрова при его температурном расширении // Труда ГГО. - 1990. - Вып.532. - C.97-I0I. ,

4. О применении функции распределения Дхенкинсона для получения расчетных скоростей ветра // Труды ГГО. - 1990. - Вып.532.

- С.16-25.(в соавторстве с Н.С.Семеновой)

РтпЛТ0.19.10.93.8ак271.Т.100.Беоп*атно