Климатические факторы стока

2.2 Климатические факторы стока

Осадки

Распределение осадков по поверхности суши зависит от удаления местности от океана, рельефа местности и растительного покрова. По мере удаления от океана количество постепенно уменьшается. В горных районах склоны, обращенные к влагоносным ветрам, получают больше осадков, чем противоположные. Влияние рельефа сказывается в том, что с повышением местности количество выпадающих осадков обычно увеличивается. Увеличение количества осадков с высотой обычно происходит до отметок 3000 – 3500 м над уровнем моря, а выше эта зависимость уменьшается или прекращается.

Опираясь на карты источника, можно отметить большую увлажненность бассейна Кегеты осадками ввиду благоприятных условий географического расположения. Среднегодовые суммы осадков здесь на большей части территории на высотах от 1300–1400 м до 2300–2500 м превышают 1000 мм. Выше и ниже этих пределов осадков выпадает меньше, и при подъеме по юго-западному склону Кыргызского хр. до высот 3500 – 3800 м их количество уменьшается до 600 мм.

Испарение

Процесс испарения состоит в том, что вода из жидкого или твердого состояния переходит в газообразное. К факторам, увеличивающим испарение, относятся повышение температуры и увеличение скорости ветра, усиливающее турбулентное перемешиванию масс воздуха, соприкасающихся с испаряющей поверхностью. Кроме того, на интенсивность испарения влияет влажность почвы, солнечная радиация, которые обуславливают жизнь растений и их рост, парциальное давление (упругость) водяного пара в воздухе и др.

Температура в долине р. Кегеты в среднем уменьшаются с высотой от +20 до +10 °С в июле и от -4 до -14 °С в январе. Средняя влажность в июле составляет 40 – 55%, а в январе – 55 – 60%. Среднегодовая испаряемость в бассейне Кегеты равномерно уменьшается от низовий к верховьям от 1200–1300 мм до 600 мм. В целом, бассейн Кегеты по классификации В. Кеппена и А.В. Вознесенского относится к бореальному типу климата с ясно выраженной зимой и летом и достаточным увлажнением, и лишь высокогорные участки Кыргызского хребта имеют холодный тундровый тип климата.

3. Сток и его распределение

3.1 Определение нормы годового стока и его статистических характеристик

Нормой годового стока Q₀ называется среднее его значение за многолетний период такой продолжительности, при увеличении которой полученное среднее существенно не меняется, включающий несколько полных четных циклов колебаний водности реки при неизменных географических условиях и одинаковом уровне хозяйственной деятельности в бассейне реки. Норма годового стока, или средний многолетний сток, является основной и устойчивой характеристикой, определяющей общую водность рек и потенциальные водные ресурсы данного бассейна или района.

Согласно «Указаниям по определению расчетных гидрологических характеристик» (СН 435–72) /7,8,13/, продолжительность периода наблюдений считается достаточной для установления расчетных значений нормы годового стока, если рассматриваемый период репрезентативен и относительная средняя квадратическая ошибка многолетней величины e_Q0 не превышает 5…10%, а коэффициент вариации (изменчивости) eс_v – 10…15%.

Норма годового стока, как всякая средняя арифметическая величина статистического ряда, может быть определена по формуле:

, (17)

где Q_N- норма годового стока, Q_i – годовые значения стока за длительный период (N лет).

Среднегодовой расход воды р. Кегаты за 1927–1975

Вследствие недостаточной длины рядов наблюдений за годовым стоком (как правило не превышают 60…80 лет, составляя в основном 20…40 лет) норма годового стока, определенная по (17) отличается от истинного среднего значения Q_N на величину σ_Qn тогда:

Q_N=Q_0n±σ_Qn, (18)

где Q_0n – средний годовой сток за ограниченный период наблюдений; σ_Qn – средняя квадратическая ошибка n-летней средней.

Cогласно теории ошибок, величина σ_Qn, на которую отличается среднее значение годового стока за n лет от истинной нормы Q_N за N лет при N®∞, равна

 (19)

где σ_Q – среднее квадратическое отклонение единичных значений годового стока Q_iот среднего за n лет.

Определяется σ_Q по формуле

. (20)

Для сравнения точности определения нормы стока рек различной водности пользуются относительным значением средней квадратической ошибки. Так, выражая σ_Q в процентах от Q_0n получим среднюю, квадратическую ошибку нормы стока, вычисленную по ограниченному ряду n лет,

, (21)

где  – коэффициент вариации ряда годовых значений стока за n лет.

Коэффициент вариации C_V характеризует колебания годовых значений стока относительно их средней величины. Он является безразмерной характеристикой изменчивости годового стока, удобной для сравнения нескольких рядов наблюдений, различающихся своими средними значениями. При выражении отдельных членов ряда в безразмерных модульных коэффициентах K_i коэффициент вариации определяется по формуле

. (22)

Поскольку в колебаниях годового стока наблюдается определенная цикличность, проявляющаяся в последовательной смене групп многоводных и маловодных лет, то среднеарифметическое из многолетнего ряда наблюдений считается нормой только в случае, если ряд состоит из полных циклов колебаний водности.

Цикл – это сочетание многоводных, маловодных и средних по водности лет. Включение в расчетный период наблюдений одной многоводной фазы дает преувеличение, только маловодной фазы – преуменьшение нормы стока.

Расчетный (репрезентативный) период устанавливается во всех случаях, когда продолжительность наблюдений не превышает 50–60 лет. Он включает наибольшее число законченных циклов, состоящих из групп многоводных и маловодных лет. Принимаются во внимание лишь основные продолжительные циклы, распространяющиеся на большие территории и охватывающие все реки данного района.

Цикличность колебаний стока и расчетный период для определения нормы стока устанавливают с помощью разностных суммарных кривых годового стока. Наиболее удобно строить суммарные кривые в относительных величинах – модульных коэффициентах К.

Расчеты по определению нормы стока, коэффициента вариации C_V и для построения суммарной кривой удобнее свести в таблицу 7.

По выше приведенным формулам и по данным таблицы 7 определяют Q₀ и C_v. По значениям графы 6 строится зависимость S(k-1)=f(t). Пример такой кривой приведен на рисунке 9.

Таблица 7

При водохозяйственном планировании, строительном и энергетическом проектировании, которые предусматривают естественный или видоизмененный режим речного стока, необходимо знать не только среднюю величину (норму) стока, но и сток маловодных и многоводных лет, а также пределы возможных колебаний годового стока в будущем многолетнем периоде.

Если бы колебания стока имели определенную периодичность и был бы известен закон колебаний, то по имеющимся данным наблюдений можно было бы установить хронологический ход стока на заданный будущий период времени и определить, когда будет наблюдаться та или иная величина стока или сколько раз за это время годовой сток превысит то или иное значение. Но такая задача пока неразрешима. Поэтому расчеты годового стока и других его характеристик представляются в виде количественной оценки отвечающей той или иной заданной обеспеченности или повторяемости – в среднем один раз в N лет без указания срока наступления расчетной величины.

Обеспеченностью гидрологической величины называется вероятность того, что рассматриваемое ее значение может быть превышено. При этом различают:

-  вероятность превышения для явлений, наблюдаемых только один раз в году;

– вероятность превышения среди совокупности всех возможных значений для явлений, которые могут наблюдаться несколько раз в году;

– вероятность превышения в рассматриваемом пункте или на рассматриваемой территории в любом пункте.

Вероятность служит мерой оценки достоверности появления того или иного значения рассматриваемой характеристики или явления.

Различают теоретическую вероятность (lim m/n=p) и эмпирическую вероятность или частность (m/n), выявляемую из наблюдений частоты появления благоприятных случаев, составляющих очень длинный ряд.

Для установления эмпирической обеспеченности членов ограниченного ряда, которая бы в большой мере отвечала теоретической обеспеченности, предложено несколько формул, среди них формулы:

С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля /4/

p=(m/(n+1)) 100% (23)

Н.Н. Чегодаева

p=((m-0.3)/(n+0.4)) 100% (24)

Формула (23) выведена в предположении, что используемый в расчетах ряд, охватывающий n_i – летний период, среди других n – летних периодов, составляющих генеральную совокупность, характеризуется повышенной водностью высоких расходов и пониженной низких. Она дает некоторый запас (завышение) в верхней части кривой обеспеченности и рекомендуется для расчетов максимальных расходов.

Формула (24) основана на предположении, что рассматриваемый n_i – летний период по своей водности занимает медианное положение среди других n – летних периодов. Эта формула дает запас (занижение) в нижней части кривой обеспеченности и рекомендуется при расчетах годового, сезонного и минимального стока.

Для построения теоретических кривых обеспеченности, которые соответствовали бы эмпирическим кривым, необходимо по данным наблюдений вычислить значения параметров их дифференциального уравнения и произвести его интегрирование.

Практически достаточно установить три основных параметра теоретической кривой распределения – среднюю многолетнюю величину (норму) Q, которая, будучи выражена в относительных единицах – модульных коэффициентах K, равна единице; коэффициент изменчивости (вариации) C_v; коэффициент асимметрии C_s, по которым могут быть построены теоретические кривые обеспеченности годового стока по формуле /2,4/:

K_р%=Ф_р%×C_v+1 (25)

где Ф_р% = – Ф_р% (C_s, p_%), функция Фостера принимается по табл.

Теоретическую кривую обеспеченности необходимо сопоставить с данными непосредственных наблюдений, вычисленными по формулам 23 или 24. Если точки эмпирической обеспеченности, нанесенные на график теоретической кривой обеспеченности, осредняют последнюю, значит она соответствует действительности. Несоответствие эмпирических точек и теоретической кривой обеспеченности указывает на неправильность определения параметров кривой, в первую очередь на неточность определения коэффициента асимметрии C_s. В этом случае необходимо изменить соотношение C_s и C_v и вновь построитьтеоретическую кривую обеспеченности.

Кривая обеспеченности стока, построенная в простых координатах, имеет большую кривизну в верхних и нижних частях. Это затрудняет пользование кривой и графическую экстраполяцию крайних участков кривой, представляющий наибольший интерес при гидрологических расчетах. Поэтому для построения кривой обеспеченности применяют специальную клетчатку вероятностей. Основное свойство клетчатки вероятностей состоит в том, что на ней кривая обеспеченности с коэффициентом асимметрии C_s=0 получает вид прямой. При других значениях C_s кривые обеспеченности, построенные на клетчатке вероятностей, имеют вид плавных линий, причем кривизна их увеличивается с увеличением коэффициента асимметрии.

На рисунке 10 приведена аналитическая и эмпирическая кривые обеспеченности годового стока на клетчатке вероятности с обычной вертикальной шкалой.

Для построения эмпирической кривой обеспеченности расчеты удобнее выполнять, в форме табл. 8.

Таблица 8

Для построения теоретической кривой обеспеченности необходимо определить величины расходов, имеющих обеспеченность Р = 0,01%, 0,1%, 1%, 5%, … 99,9% по формуле 25. Полученные значения удобнее свести в табл. 9

Таблица 9

В работе необходимо вычислить значения расхода с вероятностью Р = 0,05%, 0,2%, 1%, 50%, 75% и 90%.

Похожие работы

Проблемы управления экологической ситуацией на горных территориях

Скачать

366812

5

19

... предыдущего чрезмерного стравления, в восстановлении будут преобладать разновидности сорняков.   Глава 3. Проблемы горных территорий и возможные способы их решения. Природные и антропогенные катаклизмы. Природные катаклизмы в горах представляют результат геотектонической природы гор и их экологических характеристик. Однако катаклизмы зачастую вызываются деятельностью человека. Перед ...