Основные характеристики половодья

Одной из основных характеристик течения рек является расход - объем воды, проходящий через поперечное сечение русла в единицу времени. При половодье имеет место плавное, относительно медленное изменение параметров потока (квазистационарное течение). Из­менение расхода во времени в период половодья (гидрограф) представлено на рис. 3.3.2.

Рисунок 3.3.2. Гидрограф половодья

Наибольший подъем уровня воды в реке при половодье определяется максимальным расходом Q_m, который зависит от ряда факторов: характеристик гидрографической сети в бассейне реки, запасов снежной массы в бассейне реки, температуры воздуха и скорости ее повышения, выпадения осадков, ускоряющих сход снежного покрова. Продолжительность половодья зависит от запасов снежной массы в бассейне реки и скорости схода снежного покрова.

Максимальному расходу Q_m соответствует максимальный подъем уровня воды в реке. Скорость распространения расхода Q_m по руслу реки приблизительно равна скорость потока V_m при максимальном подъеме уровня воды.

Бытовой (обычный) расход воды в реке определяется выражением:

, м³/с, (3.3.3)

где: Q₀ – бытовой расход воды в реке, м³/с;

V₀ – скорость потока при бытовом расходе воды, м/с;

S₀ – площадь поперечного сечения русла при бытовом расходе воды, м².

Максимальный расход воды при половодье Q_m в общем случае определяется выражением:

, м³/с (3.3.4)

где: Q_m – максимальный расход воды в реке при половодье, м³/с;

Q₀ – бытовой уровень расхода воды, м³/с;

k – коэффициент стока, учитывающий относительную долю стока талых вод в реку 0 < k≤ 1 (в приближенных расчетах используется значение k=0,9);

J – интенсивность таяния снега с образованием талых вод в бассейне реки, мм/час;

F – площадь снежного покрова в бассейне реки, км².

Для вычисления расхода воды необходимо вычислить среднюю скорость потока в поперечном сечении реки и площадь поперечного сечения.

Средняя скорость потока определяется по формуле Шези:

м/с, (3.3.5)

где: C – коэффициент Шези;

R – гидравлический радиус реки, м;

i – уклон дна реки.

Под уклоном дна реки понимается отношение падения реки на каком-либо её участке к длине этого участка. Уклон дна реки может принимать следующие значения:

– равнинные реки i = (5·10^-5…5·10^-4);

– предгорные реки i = (5·10^-4…5·10^-3);

– горные реки i > 5·10^-3.

Для широких русел можно принять R≈h, где h – высота потока в метрах. В этом случае коэффициент Шези определяется выражением:

, (3.3.6)

где: C – коэффициент Шези;

h – высота потока, м;

𝝉 – коэффициент шероховатости русла реки.

Средние значения коэффициента шероховатости τ для естественных
русел зависят от засоренности русла, неровностей в рельефе дна, извилистости русла. Значения коэффициента шероховатости для естественных русел рек приведены в табл. 3.3.1.

Таблица 3.3.1

Значения коэффициента шероховатости русла реки для видов русла рек

После преобразования получаем выражение для средней скорости потока:

, м/с, (3.3.7)

где: V – средняя скорость потока, м/с;

h – высота потока, м;

i – уклон дна реки;

𝝉 – коэффициент шероховатости русла реки.

Скорость потока при бытовом расходе воды определяется выражением:

, м/с, (3.3.8)

где: V₀ – скорость потока при бытовом расходе воды, м/с;

h₀ – высота потока при бытовом расходе воды, м;

i – уклон дна реки;

𝝉 – коэффициент шероховатости русла реки.

Площадь поперечного сечения русла реки при бытовом расходе S₀ вычисляется по формуле:

, м², (3.3.9)

где: S₀ – площадь поперечного сечения русла при бытовом расходе, м²;

h₀ – уровень воды от дна русла при бытовом расходе, м;

b₀ – ширина русла по урезу воды при бытовом расходе, м;

m – параметр, характеризующий форму русла.

Форма поперечного сечения русла реки задается параметром m, который может принимать значения:

– для прямоугольного русла m=1;

– для параболического русла m=1,25;

– для треугольного русла с сильно выпуклыми сторонами m=1,25;

– для треугольного русла с выпуклыми сторонами m=1,75;

– для треугольного русла m=2;

– для треугольного русла с вогнутыми сторонами m=2,5;

Различные формы русла реки приведены на рис. 3.3.3.

Рисунок 3.3.3. Формы русла реки

Максимальный подъем уровня воды при половодье вычисляется по формуле:

(3.3.10)

где: ∆h – максимальный подъем воды от бытового уровня при половодье, м;

h₀ – уровень воды от дна русла при бытовом расходе, м;

Q_m – максимальный расход воды в реке при половодье, м³/с;

Q₀ – бытовой уровень расхода воды, м³/с;

m – параметр, характеризующий форму русла.

Скорость потока V_m при максимальном подъеме уровня воды (h₀+∆h) при половодье вычисляется по формуле:

, м/с, (3.3.11)

где: V_m – скорость потока при максимальном подъеме уровня воды, м/с;

V₀ – скорость потока при бытовом расходе воды, м/с;

∆h – максимальный подъем воды от бытового уровня при половодье, м;

h₀ – уровень воды от дна русла при бытовом расходе, м.

Размер зоны затопления при половодье зависит от подъема уровня воды в реке и топографических особенностей прилегающей к руслу местности. Поражающее действие половодья определяется глубиной затопления и временем затопления.

Расчет параметров половодья

3.3.2.2.1 Расчет параметров половодья выполняется для одного или нескольких расчетных створов в русле реки. Расчетные створы выбираются в районе расположения промышленных объектов или населенных пунктов для прогнозирования влияния половодья на промышленные объекты и населенные пункты.

3.3.2.2.2 Исходными данными для расчетов параметров половодья являются:

– уровень воды от дна русла при бытовом расходе в рассматриваемом створе – h₀, м;

– ширина русла по урезу воды при бытовом расходе в рассматриваемом створе – b₀, м;

– параметр, характеризующий форму русла реки в рассматриваемом створе (смотри рис. 3.3.3) – m;

– коэффициент шероховатости русла реки в рассматриваемом створе (смотри табл. 3.3.1) – 𝝉 ;

– уклон дна реки в рассматриваемом створе – i;

– площадь снежного покрова в бассейне реки до рассматриваемого створа – F, км²;

– интенсивность таяния снега с образованием талых вод в бассейне реки до рассматриваемого створа – J, мм/час;

– коэффициент стока, учитывающий относительную долю стока талых вод в реку – k (в приближенных расчетах используется значение k=0,9).

3.3.2.2.3 В процессе расчета параметров половодья формируются следующие результаты:

– скорость потока при бытовом уровне воды в рассматриваемом створе – V₀, м/с;

– расход при бытовом уровне воды в рассматриваемом створе – Q₀, м³/с;

– максимальный расход воды при половодье в рассматриваемом створе – Q_m, м³/с;

– максимальный подъем воды от бытового уровня при половодье – ∆h, м;

– скорость потока при максимальном подъеме уровня воды при половодье – V_m, м/с;

– границы зоны возможного затопления местности в районах расположения расчетных створов.

3.3.2.2.4 Расчет параметров половодья в рассматриваемом створе выполняется в нижеприведенной последовательности.

1. Определение скорости потока при бытовом уровне воды в рассматриваемом створе V₀ :

, м/с, (3.3.12)

где: h₀ – высота потока при бытовом расходе воды, м;

i – уклон дна реки;

𝝉 – коэффициент шероховатости русла реки.

2. Определение расхода при бытовом уровне воды в рассматриваемом створе Q₀ :

, м³/с, (3.3.13)

где: V₀ – скорость потока при бытовом расходе воды, м/с;

, м², (3.3.14)

где: S₀ – площадь поперечного сечения русла при бытовом расходе, м²;

h₀ – уровень воды от дна русла при бытовом расходе, м;

b₀ – ширина русла по урезу воды при бытовом расходе, м;

m – параметр, характеризующий форму русла.

3. Определение максимального расхода воды при половодье в рассматриваемом створе Q_m:

, м³/с (3.3.15)

где: Q₀ – бытовой уровень расхода воды, м³/с;

k – коэффициент стока, учитывающий относительную долю стока талых вод в реку 0 < k≤ 1 (в приближенных расчетах используется значение k=0,9);

J – интенсивность таяния снега с образованием талых вод в бассейне реки до рассматриваемого створа, мм/час;

F – площадь снежного покрова в бассейне реки до рассматриваемого створа, км².

4. Определение максимального подъема воды от бытового уровня при половодье в рассматриваемом створе ∆h:

(3.3.16)

где: h₀ – уровень воды от дна русла при бытовом расходе, м;

Q_m – максимальный расход воды в реке при половодье, м³/с;

Q₀ – бытовой уровень расхода воды, м³/с;

m – параметр, характеризующий форму русла.

5. Определение скорости потока при максимальном подъеме уровня воды при половодье в рассматриваемом створе V_m:

, м/с, (3.3.17)

где: V₀ – скорость потока при бытовом расходе воды, м/с;

∆h – максимальный подъем воды от бытового уровня при половодье, м;

h₀ – уровень воды от дна русла при бытовом расходе, м.

6. Расчет границы зоны возможного затопления местности в районе расположения рассматриваемого створа выполняется в следующей последовательности:

- для рассматриваемого створа вычисляется максимальная высота уровня воды при половодье относительно уровня моря, равная сумме максимальнго подъема воды от бытового уровня при половодье и высоты бытового уровня воды в реке относительно уровня моря;

- для рассматриваемого створа выбираются участки местности в районе расположения створа, которые будут находиться в зоне затопления, по следующему критерию – участки местности будут находиться в зоне затопления, если их высота над уровнем моря будет ниже максимальной высоты уровня воды при половодье относительно уровня моря;

- для рассматриваемого створа выбираются участки местности в районе расположения створа, которые будут находиться на границе зоны затопления, по следующему критерию – участки местности будут находиться на границе зоны затопления, если их высота над уровнем моря будет равна максимальной высоте уровня воды при половодье относительно уровня моря.