Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Методы расчета и прогноза зажорных и заторных уровней воды

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Методы расчета и прогноза зажорных и заторных уровней воды"

?Г8 ОД

На правах рукописи

Бузин Владимир Александрович

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ПРОГНОЗА ЗА2СРННХ И ЗАТОРНЫХ УРОЗНЕЛ ВОДЫ

Специальность

11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертация на соискание, ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 1995

На правах рукописи

Бузин Владимир Александрович

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ПРОГНОЗА ЗАДОРНЫХ И ЗАТОРНЫХ УРОЗНЕЯ ВОДЫ

Специальность

11.00.07 - гидрология суии, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 1995

Работа выполнена в Государственном гидрологическом институте

Официальные оппоненты: доктор географических наук

Н.Б. Барышников, доктор технических наук В.К. Дебольский, доктор географических наук Б.Л. Соколов.

Ведуодя организация: Гидрометеорологический научно- исследо

вательский центр Российской Федерации.

Защита диссертации состоится " 5~ " 1995 г.

в ^ часов на заседании диссертационного совета Д 024.03.01 при Государственном гидрологическом институте г.о адресу: 1:>9053, Санкт-Петербург, 2-я линия В. 0., д. 23.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " _{ " НОЯ&рЯ 1295 г.

Заверенные печатью учреждения отзывы в двух экземплярах просим направлять в адрес института.

Ученый секретарь диссертационного

совета, канд.геогр.наук JjloM> H.A. Лемешко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБО'Ш

Актуальность темы. Формирование зажороз и заторов в процессах замерзания и вскрытия водотоков - опасное природное явление, хграктсрное для большинства рек России. Скопления льда в,русле представляют серьезную опасность главным образом в связи с наводнениями, которые они вызывают. Подъем уровня воды при заторе достигает 3 + 5 м, а иногда - дане 10 м. Максимальные заторные уровни воды на Северной Двине, Енисее, Лене, Амуре и других реках превышают наивысшие уровни весенних половодий и дождевых паводков. Заборные и заторные наводнения особенно опасны тем, что сну. имеют место в холодное время года, сопровождаются выходом льда на берега, который разрушает расположенные в пределах зоны затопления сооружения. Как правило, ущерб от зимних наводнений намного больше, чем от летних. Формирование замора часто приводит также к существенному снижению расхода воды ниже скопления щуги. При этом в результате обсыхания оголовков водозаборных сооружений прекращается водоснабжение промышленных предприятий и населенных пунктов, что накосит тоне определенный ущерб хозяйству страны. Следует заметить, что в некоторых случаях зажоры и заторы могут, быть полезными, например, если они обеспечивают обильное обводнение поймы и тем самым повышают урожайность пойменных'лугов.

Процесс образования скопления льда пока не поддается эффективному управлению. Поэтому при водохозяйственном строительстве на севере 21Р, территориях Сибири и Дальнего Востока важное значение приобретают вопросы расчета и прогноза зажорных и заторных явлений. Для решения этих вопросов необходимо хорошо знать механизм явления и причины его порождающие.

Состояние проблемы. Зажоры и заторы стали изучаться в начале XX века. К настоящему времени накоплено много данных о.причинах и условиях их образования. Вместе о тем, точность расчета и прогноза зажорных и заторных уровней воды пока невысока, что объясняется сложностью исслсдова-

ния процессов, протекающих в условиях переменного водного, теплового и ледового режима реки, и несоответствием действующей стационарной сети пунктов гидрометрических наблюдений на реках нуждам изучения зажорой и заторов. Существующие расчетные и прогностические решения не систематизированы. Многие различаются только по форме, а некоторые противоречат друг другу.

Ц ел ь и задачи исследования. Целью диссертации является решение актуальной с научной и практической точек зрения проблемы расчета и прогноза снижения водопропускной способности русел рек и наводнений, вызываемых зажорами и заторами. При этом основные задачи работы, тесно связанные между собой, сводились к следующему:

- обобщению и систематизации накопленных знаний в области гидрологии зажорных и заторных явлений;

- исследованию закономерностей процессов формирования и разрушения зажоров и заторов для выявления главных факторов этих процессов и их роли в тех или иных конкретных условиях;

- изучению условий и связей, предопределяющих развитие зажорных и заторных явлений в процессах замерзания и вскрытия рек; "'' А -

- усовершенствованию на основе результатов исследований существующих методов расчета и прогноза зажорных и заторных уровней воды, а при невозможности этого, -разработке новых расчетных и прогностических решений на базе современных представлений о процессах зажоро- и заторообразования.

Методика исследования. При изучении сложных многофакторных природных процессов, какими являются процессы зажоро- и заторообразования, возникает необходимость сведения всего разнообразия явлений к немногим простым схемам, выявления общего и исключения деталей процесса, не имеющих существенного значения. Именно такой методический подход использован при решении задач, поставленных в диссертации. Его особенность состояла в комплексности выполненных разработок, включавших рассмотрение двух групп факторов, под воздействием которых прбисходят процессы зажоро- и заторообразования: тепловых и механических.

В основу исследований положено представление о стохастическом характере гидрологических процессов. Поэтому в работе, наряду с изучением взаимосвязей гидрометеорологических и морфометрических показателей заторных и заторных явлений,использован аппарат математической статистики и теории вероятностей. Так, широко применялся корреляционный анализ с учетом динамической сущности физических процессов, происходящих, во льду и водном потоке в периоды замерзания и вскрытия рек.

Исходные материалы. Выполненные исследования проводились на основе данных наблюдений сети станций и постов Росгидромета, содержащихся в материалах Государственного' водного кадастра, метеорологических ежемесячниках к климатических справочниках. Эти данные обрабатывались с помощью методов математической статистики. К решению поставленных задач привлекались также результаты теоретических разработок, имеющихся в отечественной и зарубежной литературе, материалы экспедиционных исследований и данные моделирования зажоров и .заторов в лабораторных условиях. ' ; Предметом защиты является реяение вакиой для гидрометеорологического обеспечения хозяйства страны проблемы расчета и прогноза опасных ледовых явлений - зажоров и заторов. На защиту выносятся методы расчета и прогноза и следующие теоретические положения:

- образование зажоров.и заторов происходит при определенном соотношении механических характеристик ледяного материала и.расхода воды,.определяющего усилие со стороны водного потока;

- зажориые и заторные уровни зависят от расхода воды, ледо- й водопропускной способности.и местоположения очага скопления льда относительно расчетного.створа, гидравлического сопротивления нижней поверхности скопления, его толщины

и длины; . 1

,- связь между уровнен и расходом воды.'при зажоре и'заторе имеет коррелятивный харяктер;

-распределение вероятностей превышения зажорного или за-

торного максимума уровня есть сочетание частот (распределений) его составляющих: уровня, обусловленного расходом води и зажорного (заторного) подъема уровня над ним;

- расход води у верхней кромки скопления льда, помимо водных условий формирования стока, определяется ледовой обстановкой в речной сети;

- главным резервом совершенствования методов расчета и прогноза зажорных уровней воды является учет местных морфо-метрических и ледовых условий формирования скоплений льда.

Научная новизна работы. Диссертация опирается в основном на результаты и выводы исследований, выполненных ранее В.П.Берденниковым, С.Н.Булатовым, Я.Л.Гот-либом, Р.В.Донченко, И<Я.Лисером, Я.И.Марусенко, П.М.Мащуко-вым, ъ. имел ем, P.A. Некиховским, Д.Ф.Панфиловым, В.И.Сино-тиным, А.И.Чижовым и Л.Г.Шуляковским. Высказанные перечисленными исследователями идеи нашли в данной работе свое дальнейшее развитие, а по ряду вопросов получены новые результаты:

- выявлены закономерности развития зажорных и заторных явлений, обусловленные гидрометеорологическими факторами,

и гидравлические» особенности формирования зажорных и заторных минимумов и максимумов уровня воды;

- установлены расчетные зависимости для оценки зажорных и заторных уровней редкой повторяемости для неизученных в гидрологическом отношении участков рек;

- обобщены и систематизированы методы прогноза наводнений, визванных зажорами и заторами льда;

- разработаны методы прогноза максимальных зажорных и заторных уровней воды в случае отсутствия данных многолетних гидрометрических наблюдений;

- рассчитаны по данным сетевых и полевых наблюдений параметры теоретических моделей зажоров и заторов для "широких" рек.

За время выполнения исследований отдельные стороны проблемы разработки методов расчета и прогноза зажорных и заторных явлений изучались и другими исследователями: Г.И.Болот-

никовым,. С.Д.Винниковым, -М.А.Жуковой, В.Н.Карновичем, М.Г.Со-фером. В диссертации приводится ряд их выводов, что помогает сохранению целостности изложения и показу различия з исходных положениях и методике их анализа.

Практическая ценность и внедрение результатов исследований. Решение задачи расчета значений зажорных и заторных уровней воды заданной вероятности превышения повидает наде-кность проектирования хозяйственных объектов на берегах рек. Разработанные методы расчета нашли применение в проектных организациях для обоснованного назначения расчетных отметок при строительстве дамб, мостов, причалов и прочих сооружений, в частности, с их помощью определены отметки мостовых переходов на Колве, Мге, Инзер, Пур, 2мце, Даугаве, ¡Цучьей и ряда других рек. После выяснения границ применимосян отих методов в проектных условиях их предполагается использовать при подготовке раздела "Наивысшие уровни" СНиПа по определения расчетных гидрологических характеристик новой редакции.

Методы прогноза наводнений, .обусловленных зажорами и заторами льда, разработаны автором диссертации в общей сложности для 28 участков 10 рек. Они внедрены в практику региональных управлений Росгидромета (Северного, Иркутского, Дальнего Востока), а.также гмдрометслужб Молдавии, Украины и Латвии. При этом составлен ряд удачных прогнозов значительных наводнений на Северной Двине (1979 г.), Печоре (1581 г.), Амуре (1986 г.),'Днестре (1976 г.) и Даугаве (1980 г.). Методы рекомендованы для использования "Руководством по гидрологическим прогнозам". Опыт.прогнозов зажорных и заторных явлений показал, что' предупреждение о начале и размерах этих явлений с заблаговременностью 3 +6 суток позволяет сократить убытки до 40 * а самое главное, своевременно эвакуировать население-кх опасных районов.

А п р о бац и я. р а.б о. т ы. Результаты исследований докладывались и получили' одобрение на 1У. й У гидрологических съездах (Ленинград,.. 1973 -и 1986 гг.), Ученом, совете ГГИ . (1973,1975,1279, К80,1923 ,1937,19Ш .гг.), . семинаре

"Расчет прочности ледяного покрова рек и водохранилищ" (Горький, 1974 г.), международном симпозиуме "Реки и лед" • (Будапешт, 1974 г.). научно-техническом совещании "Ледо-термические явления и их учет при возведении и эксплуатации гидроузлов и гидротехнических сооружений" (Нарва, 1973 г.), научном совете по проблеме "Гидрология" (Ленинград, 1985 г.), 111 научной конференции по проблемам водных ресурсов Дальневосточного экономического района' и Забайкалья (Владивосток, 1935 г.), научно-техническом совещании "Исследования влияния сооружений гидроузлов на ледовый и термический режимы рек и окружающую среду" (Дивногорск, 1969 г.), Ш конференции "Динамика и термина рек, водохранилищ и окраинных морей" (Москва, 1989 г.), X конференции изыскателей Гидропроекта (Солнечногорск, 1990 г.), научно-техническом совещании "Ле~ дотермические аспекты экологии в гидроэнергетике" (С.-Петербург, 1593 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 научных статей, список которых приведен в заключительной части автореферата.

Объем и структура работы. В работе содержится 283 страниц машинописного, текста, включающего 43 таблиц и 33 рисунка. Список литературы насчитывает 262 источника, в том числе 30 иностранных.

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Во введении ставятся задачи исследований, излагаются основные положения работы, приводятся сведения о новизне и реализации результатов работы. В первой главе рассматривается состояние проблемы. Вторая посвящена общим теоретическим вопросам ледотермики и гидравлики закорных и заторных явлений. В последующих главах обосновываются и описываются предлагаемые методы расчета .и прогноза. В заключении подводятся итоги работы и намечаются пути дальнейших исследований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ ПО ГЛАВАМ

Глава I. Обзор исследований в области расчетов и

прогнозов зажорных и заторных уровней воды

В соответствии с запроса;.;» строительного проектирования в первую очередь разрабатывались кетодп расчета наипысшлх заторных уровней воды. Первые рекомендации по их расчету были даны в 1968 году А.А.Соколовым. Почти в неизменно!! виде они изложены в ныне действующем СНиПе по расчету гидрологических характеристик (2.01.14-53). Расчетные значение уровней при наличии данных многолетних гидрометрических наблюдений Соколов предложил определять- по эмпирической кривой распределения ежегодных вероятностей превышения максимальных срочных уровней воды за период от налгала подвилек дс окончания весеннего ледохода.

При отсутствии данных многолетних гздрометричоских наблюдений для расчета заторных уровней заданной обеспеченности рекомендуется использовать таблицу превышений искомого уровня над максимальным уровнем весеннего половодья той 'хе обеспеченности ( НцИК1р«А). Превышение определяется в зависимости от мощности затора. Существенным недостатком изложенного подхода к расчету наивысших заторных уровней является отсутствие количественного критерия того, какое скопление считать мощным затором, а какое слабым.

На основании анализа и обобщения данных "Каталога заторных и зажорных участков рек" в 1932 году Р.Б.Донченко дана оценка превышения максимального заторного уровня воды обеспеченностью над уровнем Нц^.^^в зависимости от уклона водной поверхности и глубины реки в период весеннего половодья, слабо связанными с мощностью затора. В последующем Р.В.Донченко разработаны еще два метода, предназначенных для расчета как заторных, так и зажорных уровней. Основные факторы одного,из.них выведены из теорзтической модели зажора (затора) при отноцечии толщины скопления льда к глубине у верхней кромк'1 льда, равном 0,3, а другого основана на

учете соотношений гидравлических характеристик водного потока при наличии скоплений в реке и без них. Недостатком этих методов является отсутствие рекомендаций по определению расхода воды под скоплением льда ( ).

■В 1973 г. М.Л.Жукова предложила метод расчета максимальных заторных уровней I% обеспеченности для случая отсутствия данных многолетних гидрометрических наблюдений, в основу которого положено условие гидравлического подобия процессов заторо образования. Основной исходной характеристикой является средний многолетний расход весеннего половодья, поэтому метод применю,1 только на реках с четко выраженным весенним половодьем. Соотношение между заторнйм расходом и расходом весеннего половодья по Дуковой зависит от гидравлического типа участка, определяемого ведом кривой числа Фруда ( F'L ). Метод дает существенные ошибки при промежуточном положении речных участков по их типу. Он мало пригоден и для рек с поймой.

Сопоставляя методы Вуковой и Донченко, можно отметить, что оба автора исходили при выводе своих формул из зависимости отношения глубины у верхней кромки скопления льда ( ЬЛ глубине при свободном ото льда русле от тесно связанных друг с другом величин: числа Фруда и уклона. В методах предполагается функциональная зависимость зажорного (заторного) уровня от расхода воды. Однако связь.между Нэ и коррелятивная. Коэффициент корреляции изменяется от 0,3 до 0,9, что указывает на необходимость учета при расчете максимальных зажорных и заторных уровней воды новых дополнительных факторов, например, места очага скопления относи-жльно расчетного створа и ряда других.

Максимальные зажорные и заторные уровни воды преимущественно прогнозируются в настоящее время для тех речных участков, где. скопления льда формируются ежегодно. В наибольшей степени развиты методы прогноза заторных уровней, так как зажоры редко обусловливают значительные наводнения.

Способы предсказания зажорных максимумов уровня имеются только для 7 рек. Авторами этих способов являются М.В.Ловей-

ко (1927 г.), К.Е.Иванов и Н.А.Колокольцев (1950 г.), О.П.'Чи-ясов (1956 г.), Е.А.Родина (1957 г.), В.В.Цветова и А.В.ыедя-никова (1963 г.), Р.А.Нежксговский (1970 г.), А.З.Щербак и Л.И.Солопенко (1972 г.). Большинством авторов предсказание максимального зажорного уровня осуществляется по связи его с водностью реки в предледоставный период. Другим фактором процесса зажорообразования, который учитывается при прогнозах зажоров льда является интенсивность теплообмена воды с атмосферой. В качестве численной характеристики этого фактора используются средняя за период замерзания температура воздуха и интенсивность изменения температуры. В методике П.И.Бухарицнна погодные условия замерзания характериузются длительностью ледохода-, которая тем больше, чем выше температура воздуха в период замерзания.

Необходимость учета теплообмена при прогнозе задорных явлений менее очевидна, чем бодности, и авторы существующих методик прогноза нередко приходят к противоречивым выводам относительно его влияния на уровень Н3. Разночтение, по-ввдкмому, объясняется двоягкой ролью теплового фактора зажорообразования. С одной стороны, при сильных морозах образуется много льда, с другой,из-за быстрой смерзаемости его не происходит значительного накопления ледяного материала у кромки.

Основы существующих методов прогноза, максимальных заторных уровней воды были изложены в 1947 * 52 гг. Л.Г.Шуляков-ским. Им-'было установлено, что высоту уровня воды выше затора определяют в основном следующие факторы: характер русла и долины реки на участке затора, толщина ле,фшого покрова в. районе заторообразования, прочность льда, расходы воды в период заторообразования. и интенсивность нарастания паводка, мощность сохранившихся с осени зажорных скоплений льда,; разница между временем вскрытия основной реки и ее крупных притоков на рассматриваемом участке, расстояние от места образования затора до расчетного створа. В качестве количественных показателей перечисленных факторов Шуля-ковский предложил величины, легко определяемые по данным сетевых наблюдений гидрометслужбы. В дальнейшем его пред-

локения нашли развитие в работах А.А.Пасторса, Л.К.Гринберг-са, П.П.Ангелопуло по Даугаве, Головиных по Лене, З.Н.Карно-вича по Днестру, Ангаре, Северной Двине и Нижней Хунгуске, И.Я.Лис ера по рекам Сибири.

Большинство упомянутых авторов методик прогноза в качестве характеристики усилий, развиваемых в зоне торошения льдин, принимают интенсивность подъема уровня воды в верхнем по течению створе, которая является малопоказательной характеристикой процесса заторообразования на участке между створами, так как зависит в основном от местных ледовых условий. Кроме того, число дополнительных аргументов прогностических зависимостей велико, что делает полученные решения неустойчивыми. Поэтому в 1971 * 74 гг. Р.А.Нежиховский предложил метод прогноза максимальных заторных уровней для мест ежегодного образования заторов, в котором интегральным показателем процесса заторообразования является только расход воды у кромки ледяного покрова по пути ее перемещения вниз по течению в пределах ледосборного участка. Выполненные разработки для рек Днестра, Северной Двины, Немана, Великой и 1£нисея дали положительный результат. Однако дальнейшая практическая проверка методик прогноза, разработанных Нежиховским и его сотрудниками, показала, что ими недооценена роль факторов, учитывающих ледовые условия реки накануне вскрытия, в результате чего в отдельные годы имели место большие ошибки прогноза заторных максимумов уровня воды.

Глава 2. Закономерности процессов зажоро- и заторообразования, положенные в основу предлагаемых методов расчета и прогноза

<

Закори формируются у кромки ледяного покрова в процессе перемещения ее вверх по течению в период замерзания реки. Кромка непрерывно перемещается по реке, если уклон водной поверхности меньше й

3'« 0,0154 И-£) , (I)

где ^ - ускорение свободного падения, С - коэффициент Шези, £. - пористость шугоэых ковров, которая изменяется от 0,25 до 0,55 при изменении температуры воздуха от -10 до -2°С. Если уклон больше У , непрерывное перемещение кромки прекращается, шуга начинает вовлекаться под кромку и формируется закорное скопление. Толщина его определяется равенством сил динамического воздействия потока и сопротивления щугового слоя на срез и сжатие.

Заторы образуются в процессе торошения ледяного покрова, потерявшего сплошность при вскрытии реки. Торошение происходит у кромки ненарушенного покроза в результате сжатия ледяных полей силой влечения -их водным потоком. Количественным показателем этой силы может служить расход вода у кромки. ( Окр).

Сила сжатия, создающая торошение ограничивается потенциальной энергией нагромождающихся льдин. При этом предельное горизонтальное напряжение сжатия ( &х ) зависит от толщины скопления льда

= к* $ дл • (I - £) I ск ,

где к^ - коэффициент, зависящий от угла внутреннего трения ( У. ) и изменяющийся от 0 до 0,6, рл и - плотности льда и воды, ~ЬСк - толщина скопления. Дели напряжение сжатия вдоль потока превысит предельное, затор прорывается.

Мощность ледяных скоплений в том или ином года на конкретном участке реки определяется сочетанием тепловых факторов, которые обусловливают интенсивность образования и таяния льда, его толщину и прочность, и механических, под действием которых происходит взлом и нарушение целостности ледяного покрова, транспортирование льда внкз по реке, то-' роавние и подсовы льда у кромки (рисЛ и 2).

Косвенным критерием, отражающим мощность зажора, также как ^к затора, может служить максимальный подъем уровня воды (лИз) над бытовым уровнем , соответствующим максимальному зажорному (заторному) расходу воды ( 0.2,) в уело-

я м_

Ъ 5 сГ

о,о8 0,16 с,гм о;ьг

Ркс. I. Изменение тешературц воздуха (8 ) и отношения удельного расхода води ( С^ ) к ширине реки" ( Ь ) при мощной (линия АВ) и слабой (линия СД) зажорах.

, км с^Хд,м

А. л "В"» с

0,08 0,<6 0>ги 0,32 0,40

Рис. 2. Изменение произведения прочности льда ( <зь ) на его толщину ( ^ ) и отношения ^ при мощном (линия АВ) и слабом (линия СД) заторах.

виях свободного ото льда русла. Зажорнып и заторный подъемы уровня воды всегда вше подъема при сплошном однослойном скоплении льдин, который рассчитываемся по формуле

+ . О)

где - глубина реки, сответствующая расходу 03 в условиях открытого русла, оС - отношение коэффициента шероховатости нижней поверхности льда к коэффициенту шероховатости русла, tл - толщина льдин.

Водопропускная способность русла характеризуется свя?ъи между уровнем и расходом водьг. Ледовые явления изменяет гидравлические соотношения водного потока и том самим наруиагт функциональную связь между уровнем и расходов воды, существующую при открытом русле. Ледяные образования уменьшает площадь низого сечения и увеличивает гидраздичесое сопротивление. Последнее зависит от шероховатости нижней ледяной поверхности и сотношения скоростей движения льда и течения воды. Результатом стеснения русла и повышенного гидравлического сопротивления является переменный подпор.

Ледовые явления в периоди замерзания и вскрытия рек, как правило, развиваются на фоне волн паведкев, в связи с чей зодннй поток подо льдои есть неравномерный поток с неустановившимся. режимом. Для расчета уровней в этон случае используются уравнения Сен-Зенана, которые позволяют рассчитать при заданных начальных и граничных условиях кривую подпора на любой момент времени Т с начала формирования скопления льда.

Гидравлические характеристики зажеров и заторов из меняется-во времени относительно медленно. Поэтому часто рассматривает квазистационарную задачу, т.е. поток под ледяным скоплением описывается уравнением неравномерного дзц-некия.

'Доя зажоров и заторов характерны значительные пространственные изменения.живого сечения и уклона водной поверхности. В пределах закорккх и-заторных участков могут быть

выделены две зоны односторонних изменений скорости течения воды, глубины потока и уклона. Под ледяным скоплением на-бллдается ускоренное течение с формированием кривой спада (зона I). Выше верхней кромки скопления имеет место явно выраженное замедленное течение, а поверхность воды принимает- форму кривой подпора (зона П).

При расчете отметок зажорных и заторных уровней по схеме неравномерного потока предполагается, что линейные потери напора являются преобладающими, а местные потери, концентрирующиеся на участке выхода водного потока из стес-" ненноя части русла, незначительны, так как в зажорах и заторах нет резких переломов продольного профиля скоплений льда.

Соотношение гидравлических характеристик свободного ото льда водного потока и потока под скоплением можно определить, исходя из уравнения сохранения массы воды. После образования скопления дьда глубина потока изменяется на величину

где - удельный расход води, др - коэффициент шероховатости русла, р> - отношение-уклона ?одной поверхности при зажоре Сзаторр.) к уклону при свободном ото льда русле.

Закорниа и заторный подъем уровня воды складывается из двух генетически .разнородных составляющих: подъема, обусловленного гидравлическим сопротивлением со стороны скопления и подъела за счет вытеснения воды льдом. Первая составляющая зависит от длины скопления и шероховатости его нижней поверхности, а вторая от толщины. Так как между толщиной и коэффициентом шероховатости существует'прямая зависимость, то обе составляющие довольно тесно связаны между собой для зажоров и заторов, сформированных за счет льда, пришедшего с верховьев реки. Эта связь нарушается на участках с местными дополнительными источниками ледяного материала.

Наибольшие зажорные и заторные подъемы, соответствующие тому или иному расходу водь*, наблюдаются только на бьопо'Л-менных участках рек с крутыми берегами. 3 этом случае распорные силы целиком расходуются на Еыжимание раздробленного льда - кверху, что способствует непрерывному повелении уровня, который ограничивается лишь максимальным значением расхода воды в период формирования скопления. При наличии широкой поймы в пределах закорного или заторного подъема вышедшая из берегов вода' течет в обход скопления льда и приращение подпорного уровня замедляется, а затем и еовсс прекращается. Вместе'с водой в обход скопления устремляется ■л лед, что способствует его распространению по пойме. При этом уровень воды отражает не только расход потока и степень стеснения русла льдом, но и объем льда в пойме.

■ Расход воды в пределах участка активных .подвижек льда и переформирования однослойного скопления в многослойное (Зкр), с одной стороны,является главным фактором, обусловливающим мощность зажора или затора и вызванный шли подпор воды, с другой стороны,он определяет базовый уровень на фоне которого развиваются подпорные язлония. Этот расход близок по значению к расходам замерзания и вскрытия и обусловлен теми же (в основном'тепловыми) факторами. При отсутствии значительной фильтрации- через скопление льда

Глава 3. Методы расчета экстремальных значений

зажорных и заторных уровней при наличии и недостатке данных многолетних гидрометри-- . ■ чесних наблюдений *

В диссертации предлагаются приемы сценки экстремальных заборных и заторных уровней, основанные на учете специфи- . ческих условий их формирования.

Сведения о каинизшем зажорном уровне необходимы для -проектирования водозаборных сооружений. Падение уровня ,воды ниже отметок оголовков этих сооружений приводит к .прекращению их"работы. Образование забора сопровождается

обычно двумя минимумаым уровня воды в расчетном створе. Первый минимум связан с уменьшением стока воды в результате нарушения взаимодействия подземных и поверхностных вод при образовании донного льда и забора части воды на форыирова- • нис льда других еидов. Второй минимум обусловлен забором водь' на ¡формирование призм подпора от зажоров, образовавшихся выше, расчетного створа. При наличии данных многолетних (П^ 20 лет) наблюдений минимальный зажорный уровень 90, 25 и 97% обеспеченности определяется по кривой Н (р ). Перенос первого минимума уровня от створа к створу осуществляется с помощью модуля стока Ир у. , соответствующего зажорному уровню заданной вероятности превышения по кривой М (Н) в • условиях свободного ото льда русла, так как первый минимум наблюдается всегда при ледоходе, когда искажения связи' • М (Н) за счет ледовых явлений еще незначительны. Координаты кривой И (Н) в расчетном створе определяются с помощью площадей живого сечения потока и средних скоростей течения." Кривая площадей устанавливается путем,промеров русла и поперечной нивелировки берегов. Для расчета кривой скоростей -' применяется формула Иези. - ;

Второй (ледоставный) минимум уровня наинизоим бывает только на рекех, вытекающих из крупных озер (Нева, Ангара).-, и ниже участков перелома продольного профиля этих рек от больших уклонов к мальм (отношение уклонов больше 2). В' месте перелома обычно образуется ледяная'перемычка, выше которой'начинает формироваться зажор. Наибольшее снижение уровней воды будет иметь место нигде зажора на участке от . места перелома-продольного профиля до кромки ледяного пок-. рога на дату образования ледяной перемычки. Перенос уровня воды в расчетный створ в этом случае осуществляется также с помощью кривых К(Н). Предварительно определяются ежегодные значения минимальных модулей стока (л/с км^) ниже зажора по формуле '

где л Н„, - максимальный заборный подаем в верхнем óbofo яажора (м), ' В - ширина реки на г нечетком участке (м), VK|-i - скорость перемещения кромки льда выше перемычки (м/с), F - площадь водосбора (км^). Расе'штанные значения И„н ранжируются и строится кривая обеспеченности. 2 расчетном створе иокскай уровень веды устанавливается по криво* М(Н) , построенной для условий ледостава, если кромка льда, перс-ме^аа-щяс.ч с нижних участков реки, подходит к расчетному створу на дату наибольшего развития зажора и по летней кривой, если по подходит .

Кривые распределения вероятностей превышения ааксюдзльнчх уровней воды, обусловленных зажорами и заторами, жею'.' ¡значительную положительную ассиметрлм по.сравнении о криыл::* распределения вероятностей превышения при свободном 0':0 льда русле, однако при выходе воды на пойлу и значительно:,! увеличении ширины водного потока они уке характеризуются небольшими положительными и даже отрицательными когфи'мцентами ассиметрии. Для учета'морфомзтрических особенностей русла реки при экстраполяции кривых распределения'за пределы отметок наивысших наблюденных уровней обычно рекомендуется графический (визуальный) способ, который носит качественный характер и не гарантирует высокой точности опрэделенил искомой величины. В работе показано, что более надеано экстраполируется кривая обеспеченности площадей поперечного сечения ( ) , соответствующих максимальны:» зажорным (заторным) уровням. Для экстраполяции этой кривой можно использовать аналитические (функции распределения вероятностей, лучше трехпарамеэпическое гамма-распределение, так как может быть меньше 2. Параметры кривой распределения еле,дует определять графоаналитическим способом Г.А.Алексеева по трем опорки.: точка:.!, соответствующим с учетом усеченности кривой со(р) значениям вероятностей рх= p¿= и Рз" Последнее значение равно повторяемости зажоров (заторов).

■Перелое наивысших зажорных и заторных уровней из створа наблюдений' в расчетный створ в работе рекомендуется производить по графику соответственных уровней. Колее грубым являзт-

ся перенос по уклону водной поверхности. Его допустимо выполнять только в преде.чах участка длиной

( - Чь - . , се)

где СН4> - среднее квадратическое отклонение уровня от среднего значения в створе опорного гидрологического поста.

Максимальные заборные, заторные и ледоход¡ше уровни нельзя объединять в един ряд, так как они определяются разными факторами. Если закорниз (заторные) уровни зависят от расхода воды, мздтоположенин очага зажора (затора) относительно расчетного створа, гидравлического сопротивления нижней ледяной поверх-ноет и и длины скоплений льда, то ледоходные - от расхода воды, толщина льдин и степени покритости'ими ,водной поверхности. Существенно-различии между собои'такке процессы и факторы формирования зажорных и заторных уровней. Таким образом, обобщенна я кривая ежегодных вероятностей превышения наивысших зимних уровней води должна устанавливаться но однородным совокупности!-. I) заторных, 2) весечких ледоходных, 3) зажорных и 4)осеа-тх ледоходных уровней воды.

Поскольку скопления льда формируются в ходе замерзания и вскрытия рек неежегодно, то статистические совокупности максимальных зажорных .и заторных уровней воды чартс ограничивавт-.ся 10 -5- 30 членами (годами наблюдений). Определение параметров кривых распределения по коротким .статистическим рядам ведет к большим сшибкам. .

Максимальный заиорния (заторный) уровень воды - это композиционная величина, представляющая собой сумму двух слагаемых: уровня, определяемого зажорным (заторным) расходом воды в условиях свободного ото льда русла и подъема над ним, обусловленного стеснением русла льдом и дополнительным гидравлическим сопротивлением. В связи о этим одним из перспективных подходов ' к установлению координат кривой обеспеченности при коротких рядах зажорных и заторных максимумов уровня является метод композиции, состояний в процедуре установления кривой распределения вероятностей переменной величины с помощью кривых распределения вероятностей ее компонентов. Итоговое распределение : определяется как произведение вероятностей слагаемых в случае

некоррелированности компонентов или с учетом добавки на цек-рядную корреляции в случае их связанности.

При расчете наивысиих заторных уровней в верхнем бьефе гидроузла следует учитывать, что заторный подъем уровня воды на I * 1,5 м увеличивается в зоне выклинивания кривой подпора • водохранилища. 3 самом водохранилище подъемы могут быть меньше, чем в естественных условиях речного участка, из-за недостаточной степени стеснения русла льдгм на больших глубинах. Повторяемость заторов возрастает по сравнению с естественными условиями на 10 * 40 % в пределах всего верхнего бьефа ГЭС. В нишшх бьефах ГЭС формируются только зажоры. Наивысшие за-жорние уровни в этом случае зависят от объема попусков, определяемых режимом работы ГЭС.

Глава Методы расчета максимальных зажорных и заторных уровней воды редкой повторяемости при кратковременности и отсутствии гидрометрических наблюдений

В настоящей главе изложены два метода расчета, которые применяется для определения расчетных значений максимальных зажорных и эатЬрных уровней в зависимости от имеющегося состава и объема исходных данных и требуемой точности вычисления.

Основные расчетные уравнения первого метода выведены путем анализа уравнений неравюмерного водного потока в зонах стеснения и подпора. Они позволяет рассчитать площадь поперечного сечения русла С ел, ), соответствующув искомому уровни Из . Поскольку точность подсчета стока воды в периоды замерзания и вскрытия реки весьма низкая, особенно зажорно- заторных участков, то, чтобы уменьшить случайную'ошибку, расход воды под скоплением льда С Оз ) заменен средним многолетним расходом при замерзании С ) и вскрытии С Ое, ) реки. Для пег>-? о р нехода к площади заданной вероятности превышения введен переходный коэффициент кр . В итоге получены следующие формулы:

р^.ПрГ-В0'* С7)

для расчета площади поперечного сечения русла, соответствующей максимальному. зажорному уровню Н^р^ и

СОЛ|Р5ь=» 2,31 Кр Г| (ПГ)°'4 В4" ( 8 )

для расчета площадл, соответствующей заторному уровню. '

3 формулы (?) - ( 8} входит коэффициент эапорности (затор-кости) речного участка ( 1| ). Он зависит от в ада ледяного образования (затор, зазор), относительной длины и толщины скопления льда, ледо- и водопропускной способности счага зажора (затора) . Б саою очередь, например, длина скопления зависит от размеров ледосборного участка, интенсивности процессов таяния к образования льда. Ледопрспускная способность очага определяется егс морфометрическими особенностями.

В работе показано, что от года к году на отдельном речном участке значение изменяется незначительно и не зависит от расхода воды, что позволяет рекомендовать для его определения 2 - х г 4 - х годичные полевые исследования, в ходе которых на временном гидрологическом посту организуются и ведутся учащенные наблюдения з? ледовой обстановкой, уровнем воды и, скоростью перемещения льдин. Летом измеряются уклоны водной поверкости и устанавливается зависимость площади поперечного сечения русла от ур°вня воды. В конце каздого полевого сезона рассчитывается коэффициент эажорности (заторности), а по окончании всех работ его среднее .значение»

• При оценке средних многолетних расходов замерзания и вскрытия могут встретиться такие ситуации.

Ситуация!. Пункт, для которого ведется расчет, находится поблизости от створа стационарных гидрометрических наблюдений. Разница в сроках замерзания (вскрытия) реки не превышает 1*2 суток. Ледовые и гидравлические условия протекания водного потока сходные. Тогда для створа гидрологичееко- . го поста рассчитывается влекущее,усилие водного потока подо льдом, соответствующее среднему многолетнему расходу при за- . мерзании или вскрытии

Значение этого усилия переносится з расчетный створ и по кривой я; (Р ) определяется искомый расход воды. Подобная ситуация чаде всего встречается на небольших и средних реках в районах с плотной гидрометрической сетью.

Ситуация 2. Выше и ниже расчетного створа имеются гадрологические посты, но на большом расстоянии от него. Разница а сроках замерзания (вскрытия) ггрезышает 2 суток. Тогда, если есть совместные кратковременные наблюдения в течении 2 + 4-х лет в расчетном створе гидрологического поста (створе-аналоге) , устанавливается переходный коэффициент

^ = 0^н,в>]Р (10)

который затем используется для расчета влекущего усилия, соответствующего среднему многолетнему расходу замерзания (вскрытия) . 2сли расчетный створ находится между двумя гидрологическими постами, то влекущее усилие в расчетном створе определяется путем интерполяции. Описанная ситуация чаще всего имеет место на больших реках. _ _

СитуацияЗ. Расход О^м или почему-либо невоз-

можна определить способом аналогии по ближайшим створам гидрометрических наблюдений. В этом случае средние многолетние значения расходов воды при з шерзании и .вскрытии реки вычисляются по формулам ■ _-

- .0,00843(1-е)2• &0,г- ("З^)0''5" , (II)

= (¿-„Д^Л^6 • [щт^Ш^Щв] / ~|г (12)

путем подстановки в них средних многолетних значений комплексов С1~8)2 и (с, где - сумма средних суточных значений температуры воздуха со дня появления плавучего льда . до даты'замерзания реки на расчетном участке, - прочность льда, которая рассчитывается по методике С.Н.Булатова. Для расчета последней необходимы данные о температуре и влажности воздуха, скорости ветра и облачности за период таяния льда.

Ситуация 3 характерна для речных участков, на которых ведутся лноголетние метеорологические наблюдения, а многолетние гидрологические - только на соседних реках.

Второй способ расчетов позволяет рассчитать координаты всей кривой распределения вероятностей максимальных зажорных и заборных уровней води и определить повторяемость зажоров и заторов. В основе его лежит метод определения кривей обеспеченности зуммы в зависимости от параметров кривых обеспеченности слагаемых: H^iMC6; - уровня воды, соответствующего в условиях свободной это льда реки расхода воды при замерзании (вскрытии) и З'Нл -превышения зажорного (заторного) уровня над уровнем Mqjh£W, характеризующего влияние льда на гидравлику водного потока, Для определения среднего многолетнего значения превышения 5" Н3 рекомендуется формула .

где J - коэффициент, зависящий от,тангенса угла наклона бе- ' регового откоса к горизонту в пределах подъема уровня,'К -параметр зажоро- или затороопасности участка, учитывающий местные условия, дН'- подъем уровня при среднем многолетнем. . расходе рассчитанный по выражению

дН'--ССо^МИ3** . (I4) '

Значение параметра ^ предлагается устанавливать по дан- -ным полевых исследований на расчетном речном участке в течение нескольких сезонов.; В работе имеется также таблица для определения "X в зависимости от характеристик местных условий фор- . мирования заторов льда.

Другие параметры кривой обеспеченности подъемов j?H3 устанавливаются с помощью■графиков связей между Gsh^ и , "ct ■■ и 3 . Параметры кривой, обеспеченности слагаемого Н(цмСМ' » построенной путем перехода по кривой , (Н) от расходов к уровням, определяются графоаналитически: методом Г.а.Алексеева. Необходимое для построения кривой обеспеченности расходов значение Qi>,CQ) рассчитывается по формулам (II) и (12). Для определения коэффициента вариации расходов. вод.': С установлена следующая зависимость:

Су0в= - 0,2 ЕдР+ 0.02Х + 1,5 . (15)

Коэффициент ассиметрии ( С^) равен в большинстве рассмотренных случаев 2Су0в.

Средняя квадратическая ошибка расчета максимального зажор-ного уровня заданной вероятности превышения по изложенным методам равна 0,6 м, заторного --1,4 м. Оценка эффективности этих методов выполнялась также путем определения числа случаев с относительной ошибкой вычисления уровня более 20%. Число таких случаев невелико от 6 до_. 20%, что свидетельствует об эффективности разработанных методов.

: Глава 5. Эмпирические методы прогноза зажорных и

заторных явлений

Эмпирический метод заключается в установлении по данным гидрометрических наблюдений прогностических зависимостей между максимальными зажорными и заторными уровнями и факторами, их обусловливающими. Эти зависимости, имеющие, как правило, 2*3 аргумента применяются после накопления достаточного количества данных наблюдений за гидрологическим режимом водного потока. Прогнозы составляются для пунктов, расположенных у постоянных мест образования скоплений льда, число которых на каждой реке невелико (от I до б). 1

При прогнозе зажорны: явлений наиболее устойчивое прогностическое решение дают зависимости максимальных зажорных уровней воды от трех показателей процесса замерзания рек:

а) расхода воды у перемещающейся вверх по течению кромки ледяного покрова ( Окр ), •

■ б) длительность осеннего ледохода (дугохода) (7^<), в) средней за период замерзания температуры воздуха ( 8ЗМ), характеризующей интенсивность теплообмена- воды с атмосферой. Температура и длительность ледохода тесно связаны, поэтому при прогнозе учитывают, как правило, два показателя. Примером может служить прогностическая зависимость для р.Северной Двины у д.Звоэ

Н3 = 0,226 ( Окр-Тм)0'* +Ю0 , (16)

где Qkp- в м°/с, а Тм- в сутках.

Расход воды Qkр прогнозируется по связи его с расходом в начале замерзания ( Q.„ ). При появлении первых осенних ледяных образований питание реки переходит на грунтовое, вследствие чего имеет место уменьшение стока воды. Если это уменьшение устойчивое, то расход Qtp предвычисляется по формуле

где к8 - коэффициент, зависящий от погодных условий в период замерзания.

Для рек, сток которых зарегулирован крупными озерами,(Нева, Ангара) можно получить удовлетворительные зависимости.расхода Q.*p от среднего уровня воды в озере (или на реке в истоке озера) в одном из предшествующих замерзанию месяцев. Такие зависимости обеспечивают больщую заблаговременность прогноза, обычную для долгосрочных гидрологических прогнозов. V Значение Tax рассчитывается по выражению

+ . (13)

где - период между датами начала ледостава в нижнем створе (у кромки) и ледохода в верхнем по течению створе (у гидрологического поста), U - расстояние от гидрологического поста до кромки ледяного покрова в день составления прогноза, скорость перемещения кромки по течению, которая находится по зависимости

VKp - -i Y > . (19)

где *t - эмпирический коэффициент, 0 - температура воздуха, прогнозируемая синоптическими методами, . V - скорость течения на участке между расчетным створом и кромкой. Для прогноза зажорных явлений используются пятидневный и месячный прогнозы погоды. :'

Наиболее оптимальньми при прогнозе заторных максимумов уровня являются следующие показатели процесса заторообразования: , ■

а) расход воды у перемещающейся вниз по' течению кромки . ледяного покрова ( Qk^), который является ^гйктеристикой

усилий, развиваемых водным потоком п зоне торошения льда,

б) максимальный уровень в начале ледостава ( НЛС)» характеризующий мощность скопления шуги в русле, у верхней границы которого весной'формируется затор,

в) глубина предпаводочной сработки водохранилища (для зон выклинивания кривых подпора уровней водохранилищ).

Влияние второго фактора заторообразования велико на реках, замерзающих по зажорному типу. На некоторых водотоках (Амур, Ангара, Селенга, Сухона) имеют место настолько тесные связи между Н3 и Нас » что они могут использоваться для долгосрочного прогноза заторного максимума с эаблаговременностью в несколько месяцев.

Расход воды у кромки предвычисляется по связи соответственных по ледовым фазам расходов с учетом их изменения по длине.реки, т.е.

где (¡}*р>н- расход воды при вскрытии реки у расположенного выше по течению гидрологического поста, Опр- расход крупного притока ( 0.пр/0 > 0,4), вскрывающегося раньше основной реки, ц, - рассредоточенный приток с частного бассейна между створами верхнего и нижнего постов, 2 - отметка уровня воды в центральной части водохранилища или у плотины.

Верхний (информационный) гидрологический пост выбирается с учетом необходимой.точности и достаточной заблаговремен-ности прогнозов. Заблаговременность предсказания расхода у кромки и, следовательно, максимального заторного уровня' (дТ ) зависит от скорости перемещения кромки ледяного покрова между постами, которая в свою очередь определяется скоростью перемещения фронта потепления (\/в ) и длитель- ■ ностью периода таяния льда в верхнем и нижнем створах (г2>), т.е.

дТ=-^- + .2>й+,£>в • . (21)

Расход воды ОкР>а определяется по одной из кривых расходов, соответствующих различным ледовым условиям стока воды весной. Выбор кривой при прогнозе осуществляется по.информации о ледовой обстановке или об' интенсивности подъема уровня еоды на день вскрытия реки у верхнего гидрологического поста. .

Затороформирующий расход воды на участках, вскрывающихся одновременно на всем своем протяжении за счет половодья с частного бассейна* предвычисляется в день максимума бокового притока по данным о распределении воды в русловой сети. При этом объемы и время добегания воды определяются с учетом наличия льда в русле.

Кроме расхода Окр показателями водности реки в период вскрытия язляются также уровень воды, соответствующий расходу в условиях свободного ото льда русла, максимальные снегозапасы в бассейне или характеристика потенциальной сопротивляемости ледяного покрова.вскрытию .

• При отсутствии данных многолетних гидрометрических наблюдений ожидаемый максимальный зажорный или заторный уровень предлагается оценивать по летней кривой расходов через расход воды

= ' • ; С22)

где - зимний коэффициент. ' ;

Исходя из подобия условий замерзания рек на различных участках, при прогнозе, зажорных уровней коэффициент устанавливается с помощью зависимости со следующими коор- ■ дкнатами:

■ о 0,00005 0,00010 ■ 0,00015 0,00020 0,00025, 0,59 '0,44 0,36 0,30' 0,26 0,24 ,

где. уклон водной поверхности при свободном ото

льда русле, 3' - критическое значение уклона* рассчитанное по формуле (I). . . ; ^ - ' • Расход воды Цкр в период замерзания предвычисляется по выражению (17). При этом продолжительность осеннего ледохода

определяется с помощью следующей формулы, полученной из условия начала ледостава:

Для прогноза заторных уровней выявлена зависимость коэффициента К^ от относительных характеристик ледяного покрова на речном участке при вскрытии

где V - отношение прочности льда в последний день ледостава к прочности льда в начале его таяния, К^,.- значение зимнего коэффициента при максимальном уровне воды в начале ледостава.

Для предвычисления расхода воды (Зкр при прогнозе максимального заторного уровня рекомендуются два способа. В случае, когда выше по течению имеет место бесприточный участок, в верхнем створе которого ведутся стационарные гидрометрические наблюдения, прогноз этого расхода составляется по методу соответственных по ледовым фазам расходов воды, т.е. •

где Kq1(J- значение зимнего коэффициента, рассчитанное на дату затора в верхнем створе, Q«p.a- расход воды в верхнем створе, определенный но летней кривой Q (Н) через уровень Нза , - FH и Fb - площади водосбора соответственно в никнем и верхнем створах, лсли расстояние между створами больше допустимого (200 км) или на участке впадает крупный' раньше вскрывающийся приток, существенно изменяющий характер процесса заторообразования, то прогноз расхода Q.¡¿p лучше составлять другим способом. Этот способ основан на предпосылке, что формирование скопления льда довольно длительный процесс, имеющий продолжительность несколько дней. . Для прогноза, который приурочивается ко дню начала вскрытия

(24)

- KQlj0- Qkp.B* р^ ?

Fh

(25)

в расчетном створе, предлагается следующая формула

г-де А , Иа , - параметры летней кривой расходов, К^ -зимний коэффициент по последнему измерению расхода воды накануне вскрытия, НСр - средний за период д Т до вскрытия уровень воды, - средняя суточная интенсивность подъема уровня за А Т дней перед вскрытием реки.

Оценка эффективности методов прогноза зажорных и затонных максимумов уровня воды производилась по критериям и , где - средняя квадратическая ошибка прозерочных прогнозов, - среднее квадратическое отклонение предсказываемого уровня от нормы, С50ы- отклонение от нормы величины изменения предсказываемого уровня за период заблаговременное™ прогноза. Значения этих критериев для методик • прогнозов на отдельных реках изменяются от 0,35. до 0,72. Обеспеченность прогнозов больше природной обеспеченности на 10 т 20%.

Результаты оценки методов прогноза максимальных.зажорных уровней несколько хуке, чем методов прогноза заторных уровней. Основная причина этого в том, что предсказание зажоров в значительной степени опирается на недостаточно точный •прогноз погоды.

Наиболее достоверную оценку дают прогнозы, составленные после разработки методов. Испытания методов прогноза максимальных зажорных и заторных уровней воды в оперативных условиях показали, что в целом .оправдываемость прогнозов, составленных по данным независимого ряда.несколько ниже, особенно для "езежих" методик. По мере увеличения числа лет испытаний оправдываемости прогнозов, составленных по исходному раду и ряду наблюдений после разработки методик,сближаются. Анализ данных испытаний показал,-!что надежно, о методе можно судить только после 7 -г 10 лет его испытаний в оперативных условиях.

Глава 5. Применение теоретических и физических моделей

зажоров и заторов для целей расчетов .и прогнозов зажорных и заторных уровней воды

Теоретические модели зажоров и заторов используются в тех случаях, когда ряды наблюдений за ледовым и водным режимом реки недостаточны, например, в первые годы после ввода в строй гидроузлов. На основе моделей рассчитываются координаты связи между зажорными(или заторными)уровнем и расходом воды.

Большинство авторов существующих моделей зажоров и заторов рассматривает скопление льда как несплошную сыпучую среду. Модели представляют собой систему нескольких уравнений: уравнения.равновесия сил, действующих на скопление льда, уравнений гидравлики водного потока подо льдом и уравнения баланса льда на участке реки. Совместное решение этих уравнений позволяет рассчитать глубину реки у верхней кромки зажора (затора) и по кривой связи между глубиной и уровнем определить искомый уровень воды. Для расчета нужны сведения о расходе воды под скоплением льда ( ), критическом напряжении сжатия вдоль водного потока ( ), при котором происходит подвижка ледяной массы, коэффициентах трения льда о лед ( £ ), 6окоеэго давления ( £ ), начального сцепления льдин (с ), шероховатости нижней поверхности скопления льда ( Пл ), уклоне водной поверхности ( ), пористости скопления и ряде других характеристик зажоров и заторов.

Наибольшие трудности представляет измерение в натурных условиях величин физико-механических характеристик скоплений льда. Поэтому их устанавливают в ходе моделирования процессов зажоро- и заторообразования в лабораториях или исходя из теоретических соображений, что при расчете максимальных зажорных и заторных уровней вносит значительные систематические ошибки. В диссертации сделана попытка оценить значения интегральной характеристики физико-механических свойств зажорного и заторного льда - прочности ледяных

масс на срез

= + С (27)

по данным гидрометрических наблюдений за уровнем, расходом воды, продольным уклоном водкой поверхности и толщиной скопления льда (для случаев за:корообразования, после которых делалась ледомерная съемка). Прочность, равная в условиях равновесия скопления на "широкой" реке {-¡^ > 0) касательному напряжению на границе с берегом, рассчитывалась по Формулам 3,

З.-Х0,1 &Ы+ Усх!^6и +1 )1 , '2Я) **= 1)

* (Оа-плтсА^ ^ " СсОь-Оё&Ъ)"/* *

3 расчете расход воды под зажором (затором) принят равным расходу выше его, т.е. сделано допущение, что расход воды через скопление льда мал. Коэффициент шероховатости нижней поверхности зажоров и заторов определен по зависимости Р.А.Некиховского.

Установлено, что-значение яг* для зажоров изменяется от 0,01 до 6 кПа, а для заторов - от 3 до 53 кПа. Большие значения сс* имеют место на устьевых участках крупных рек, текущих с юга на север, маленькие характерны для водотоков верхней части речных бассейнов и для рек, текущих в широтном направлении или с севера на юг. Наиболее тесно прочность масс битого льда на срез связана с шириной реки, косвенно отражающей размеры льдин, от которых зависят значения коэффициентов £ , | и с . Коэффициент корреляции между и & равен 0,62. Другими факторами, обус-" ловливающими значение .являются: осенью - средняя за период зажорообразсвания температура воздуха, ■ весной - ' прочность льдин. 'л ■

В результате выполненных расчетов виявлечг -связь между силой сопротивления, скоя/зния льда сдвигу /' ' . ; ) и'моду- :

лем, характеризувцим усилие со стороны водного потока,•

' N = ^(оСг-Ц*)2-, Сзо)

где с/г - морфометрический коэффициент В.Г. Глушкова, наличие которого в формуле свидетельствует о зависимости- интенсивности заиоро- и заторообразоватеяьных процессов от типа руслового процесса С зааоры и заторы свойственны преимущественно меандрирувщим участкам рек и участкам с русловой много» рукавиостьп). Изолинии на графике этой связи (рис.3) соответствуют той или иной крутизне берегового откоса. При крутых берегах развивается большие распорные силы, что находит отражение в больших значениях Ту toc. Линии отражают условие равновесия скопления. Правее их располагается зона нестабильного состояния скопления, левее - зона стабилизации.

Данные расчетов и полевых измерений показывает, что ук-лои водноа поверхности при зажоре и заторе является переменной величиной и по длине скопления и от года к году. Наибольший уклон имеет место в голове скопления и превышает'уклон свободной ото льда реки в 3 * 20 раз. Допущение равенства этих уклонов искажает модель и ведет к большим систематическим сшибкам расчета уровней воды.

При расчете максимальных заторных уровней воды по модели следует учитывать наличие на участке реки запорных скоплений льда, сохранившихся к моменту вскрытия, т.е. расчетная толщина скопления определяется, исходя из условия

tiK При MÎi4<-tcK

t - -

** ~ J.'1 л.4 v +'

/4Хск При J-tlt* > W

где i.'o<. - толщина заторного скопления, определяемая по связи между tr^t^ и NI , ttk - толщина эанорного скопления в начале ледостава, ja - коэффициент, характернаувщий степень размыва зажора в течение ледостава.

В настоящее время в теоретических моделях зажоров и заторов не учитывается местные морфометрические и ледовые условия образования скопления льда. Реальный путь их учета -

с з,1)

»

к.н

1000 г-

0,к ЛЬ 0,2.

шо )ооои N1» тт.

Рис. 3- График связи силы сопротивления сдвигу скопления льда (ч^Дск) с модулем М и тангенсом угла берегового откоса к горизонту ("Цр>г).

Цифры у линий - значения . I - зажоры, 2 - заторы.

0,05 0,10 0,15* -0,20 Гъ

СЬ

сО,

Рис. 4. Кривые зависимости отношения. от числа фруда при свободном ото льда русле ( . Р»^^;). ;

.. Цифры у линии. - значения . , ..

это выполнение лабораторных экспериментов на пространственных гидравлических моделях исследуемых речных участков. Воспроизведение основных параметров, определяющих условия образования зажоров и заторов, осуществляется через масштабные коэффициенты, устанавливаемые с помощью критериев подобия по форме русла, гидравлике водного потока и процессам взаимодействия между потоком и льдом. Наиболее трудно воспроизвести на гидравлической модели механические характеристики битого льда, которые не измеряются в натурных условиях, в связи с чем значения масштабных коэффициентов для их величин приобретают условный характер. Поэтому перспективным при оценке'влияния на уровни местных условий является использование в качестве аналогов малых рек и изученных участков средних и больших рек. Многообразие естественных русловых форм рек дает возможность всегда найти такой участок, который если не в точности, то во всяком случае в основных чертах подобен по морфологии исследуемому. Учитывая, что подобие взаимодействия льда и воды обеспечивается выбором в качестве модели естественного водото- ' ка, условие однозначности, протекания процессов'в рассматриваемом случае может быть сведено к выполнению только условий геометрического и гидравлического подобий, и тогданапример, для расчета наивысшего заторного уровня воды может быть использована зависимость, график которой приведен на рис.4.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненная работа содержит обобщение основных достижений в области расчетов и прогнозов зажорных и заторных уровней воды, тем самым решив важные для гидрометеорологического обслуживания хозяйства страны задачи надежного проектирования объектов, сооружаемых на берегах рек, и своевременного предупреждения опасного ледового явления.

Б диссертации изложены методы расчета и прогноза, базирующиеся как на локальных эмпирических зависимостях, так и на общей гидравлической основе. Преимуществом гидравлических методов является возможность экстраполяции харак-

теристик водопропускной способности русла, стесненного скоплением льда, для получения оперативных данных об уровнях при ограниченном числе лет наблюдений на исследуемом участке. Проверка этих методов как авторская, так и на независимом материале показала их достаточную универсальность и надежность при расчете и прогнозе, точность которых зависит от полноты учета местных морфометрических и гидрологических особенностей бодного объекта и точности вычисления и предсказания стока воды в периоды замерзания и вскрытия реки. , С внедрением в практику территориально общих методов прогноза зажорных и заторных уровней воды появится возможность составления прогнозов по многочисленным мало исследованным ' и неизученным в гидрологическом отношении рекам.

Исследования по разработке методов расчета-зажорных и . заторных уровней воды для строительного проектирования показали, что интенсивность зажоро- и заторообразовательных . процессов существенно изменяется по длине рек. Она зависит не только от. уклона и водности реки, но и от термических .и ледовых условий образования ледяного материала, формирующего скопление льда, а также тех форм русла, которые за- , держийают плывучий лед и определяют характер распределения льда выше очага зажора или затора. Интегральными показателями- последних являются коэффициенты закорности и заторнос-'ти. Пока их значения рекомендуется определять в ходе.полевых исследований, сложность и трудоемкость проведения которых .вызывает необходимость установления в дальнейшем зави- ■ скыостей коэффициентов., зажорности и 'заторности от количественных "характеристик ледопропускной способности участков, где формируются скопления, льда.. Наиболее реальный, путь, к установлению этих .зависимостей - это параллельное выполнение лабораторных экспериментов на пространственных гидрав-, лич.ескиХ моделях характерных речных участков и многолетних исследований ледохода в зонах очагов формирования.скоплений на речных участках - полигонах. ; ^ ' -

Направление, будущих исследований, в области .прогнозов зажорных и заторных явлений определяется - еще. неравен-..'

ных задач. К ним относится задача разработки метода прогноза места образования скопления льда в зависимости от гидрометеорологических условия замерзания или вскрьггия реки. Пока в ее решении использованы в основном возможности подхода, базирующегося на данных наблюдений стационарной сети гидрологических постов. Эти возможности ограничены и в настоящее время почти исчерпаны. Плохо изучена также взаимосвязь факторов, определяющих скорость перемещения кромки ледяного покрова, без знания которой невозможно предсказание дат образования зажоров и заторов. Отсутствуют методы прогноза периода затор ообразования и недостаточно разработаны методы учета влияния противоэаторных мероприятий на высоту заторного уровня. Невелика заблаговременность прогноза зажора, которую можно увеличить через учет закономерностей атмосферной циркуляции в летний и осенний синоптические сезоны.

Дальнейшее совершенствование методов расчета и прогноза максимальных зажорных и заторных уровней воды наиболее перспективно вести на основе теоретических моделей процессов зажорсн и заторообразования. При этом расчеты должн.ы.развиваться по пути анализа законов распределения вероятностей природных факторов, определяющих закорные и заторные явления. ,

Обширный круг вопросов я большой объем исследований, связанных с разработкой методов расчета и прогноза зажорных и заторных уровней воды, не позволил в пределах данной работы рассмотреть с одинаковой детальностью все стороны 'изучаемых явлений. Это предопределяет необходимость в последующем дополнений, уточнений и корректировки некоторых из выдвинутых в диссертации положений. Отдельные положения могут быть восприняты как дискуссионные, что представляется вполне закономерным на современном этапе изученности зажорных и заторных явлений.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Вскрытие р.Днестра и формирование заторсв льда. Труды ГГИ, 1974, вып.219, с.3-17 (в соавторстве с И.Е.Козицким и

А.Н.Чижовым).

2. Исследование прочности ледяного покрова р.Днестра в весенний период. - Труды ГГИ, 127-1, вып.219, с.27-32

( в соавторстве с И.¿.Козицким).

3. Гидрометеорологические условия формирования затора льда на Днестре и прогноз максимальных заторных уровней. -Сб.докладов международного симпозиума "Реки и лед", Будапешт, 1974, т.2, с.34-90 (в соавторстве с Л.Н.Чижовым).

4. Прогноз максимальных заторных уровней Днестра с учетом гидрометеорологических условий в период вскрытия реки-Труды ГГК, 1975, вып.227, с.55-69.

5. Исследования заторов льда на реках. - Труды ЗУ Всесоюзного гидрологического съезда, 1975, т.7, с.349-360

(в соавторстве с ¿.Г.Дерюгиным и А.П.Чижовым).

6. Условия образования и прогнозы заторов льда на.ре- -ках. - Метеорология и гидрология, 1977, У? 5, с.70-75 (в-соавторстве с Р.Л.Нежиховским).

7. Прогнозы заторов льда на крупных реках Сибири и Дальнего Востока. - Труды ГГИ, 1978, вып.243, с.98-124

(в соавторстве с Г.В.Ардашевой, Р.А.Нежиховским и Н.П.Са-ковской).

Б. Факторы, определяющие максимальный заторный уровень воды. - Труды ГГИ, 1930, вкп.270, с.33-39.

9. Методика оценки изменений сроков вскрытия реки при изъятии части стока. - Труды ГГИ, 1930, вып.270, с.20-32 (в соавторстве с В.И.Лазаревской).

10. 0 возможности применения метода соответственных уровней для прогноза заторных максимумов.на р.Лене. - Труды ГГИ, 1932, вып.237,' с.54-97 ( в соавторстве с С.В.Ванечкиным) .

11. Оценка вероятных значений прочности льда при вскрытии. - Труды ГГИ, 1932, вып.207, с.42-47.

12. Прогноз ледового режима главного канала переброски части стока сибирских рек в Среднюю Азию и Казахстан. - Труды ГГИ, 1982, вып.267, с.65-94 (в соавторстве с Р.В.Дончен-ко и А.А.Киселевым).

13. Временные методические рекомендации по прогнозу максимальных заторных уровней воды. - Л.: изд.ГГИ, 1563. - 22с.

14. Прогнозы максимальных заторных уровней воды рек Амура и Уссури. - Труды ГГИ, 1935, вып.309,' с.44-52 (в соавторстве с С.В.Шаночкиннм);

15. Прогнозы максимальных зажорных к заторных уровней воды рек Северной и Западной Двины. - Труды 1ТИ, 1935, вып.323, с.19-27 ( в соавторстве с Н.С.Чачиной и С.В.Шаноч-киньзл).

16. Исследований в области расчетов заторных уровней воды. - Метеорология и гидрология, 1939, № 3, с.95-101.

17. Критический обзор и пути совершенствования методов расчета наивысших заторных уровней воды. - Труды ГШ, 1939, вып.345', с.23-41.

1о. Результаты расчета зажора в состоянии равновесия. -Труды ГГИ, 1332, вып.345, с.54-52.

19. Прогноз расходов воды Верхнего Амура в период вскрытия. - Труды ГТК, 1989, вып.345, с.31-36.

20. Повышение надежности и оценка точности прогноза ледовых явлений, основанных на статистических зависимостях.-Труды ГГИ, 1939, вып.3-15, с.86-95 (в соавторстве с'С.З.Ша-ночкиным).

21. Методы прогноза заторных и зажорных явлений. - Труды У Всесоюзного гидрологического съезда, 1939, т.7, с.312-319.

22. Методы изучения, расчета и прогноза заторов и зажоров. - Сб.: Проблемы современной гидрологии, Л.: Гидрометео-издат, 1939, с.220-231 (в соавторстве с Г.К.Болотниковым и А.Ы.Филипповым).

23. Методика прогноза максимальных заторных уровней воды при отсутствии данных многолетних гидрометрических измерений. - Сб.работ по гидрологии, 1990, № 21, с.132-137..

24. Состояние и перспективы развития методов прогноза максимальных заторных и закорных уровней воды рек Забайкалья и дальнего Востока. - В сб. Материалы научной конференции по проблемам водных ресурсов Дальневосточного экономического района и Забайкалья. Л.: Гидрометеоиздат, 1551, с.42-50.

25. Условия образования и количественные характеристики зажора, сформировавшегося зимой 1983-89 гг. в нижнем бьефе Нижне-Камской ГЭС. - В сб. Исследование влияния сооружений гидроузлов на ледовый режим рек и окружающую среду, Л.: Знергоауомиздат, 1991, с.96-102 (в соавторстве с А.А.Киселевым) .

26. Результаты расчета параметров теоретических моделей заторов льда по данным гидрометрических наблюдений. - Труды гга, 1991, вып.354, с.3-11. •

27. Пространственно-временная изменчивость заторных явлений на Амуре и Лене. - Труды ГШ, 1991, вып.354, с.17-23 ; (в соавторстве с С.В.Шаночкиным).

23. Расчет максимальных заторных уровней воды заданной вероятности превышения при недостатке и отсутствии данных наблюдений.' - Метеорология и гвдрология, 1992, №3, с.73-82. .

29. Применение теоретической модели затора льда для прогноза максимальных заторных уровней воды рек севера. -Сб. работ по гидрологии, 1995, № 23 (в печати).

РотаААНИИ.За*.65-100 Уч.взвл1Л 18.10.95