УДК 556.166/167:556,012
Методология расчетов экстремальных значений гидрологических характеристик
А. В. Рождественский*, В. А. Лобанов*, В. А. Бузин*, А. М. Владимиров**
Предлагается методология расчетов экстремальных значений гидрологических характеристик: максимального и минимального стока, а также максимальных и минимальных уровней воды разной обеспеченности. Рассматриваются два основных аспекта приложения гидрологических расчетов: для действующих и вновь проектируемых сооружений. Предлагается новая система определения расчетных гидрологических характеристик, включающая три уровня: основные обязательные положения расчетов (методология, реализованная в виде СНиПа), основные методы расчетов (свод правил) и конкретные региональные обобщения с целью определения расчетных гидрологических характеристик (территориальные строительные нормы). Рассмотрены основные проблемы создания автоматизированной региональной системы гидрологических расчетов на базе ГИС-технологий. Приводятся методологические особенности расчетов отдельных характеристик.
1. Введение
К категории экстремальных гидрологических характеристик прежде всего относят максимальные и минимальные уровни и расходы воды.
Максимальные и минимальные значения характеристик стока рек обусловливают катастрофические наводнения (например, наводнение на р. Лена в мае 2001 г.) или засухи (например, необычайное маловодье в центральных районах Европейской России летом 1972 г.) Проблемы гидроэкологии и охраны вод возникают прежде всего в период наименьшего стока рек.
Экстремальные гидрологические события, такие как катастрофические весенние половодья и дождевые паводки, резкие подъемы уровней воды от заторов льда, засухи, длительные перемерзания и пересыхания рек и другие явления, обусловлены, как правило, двумя основными группами причин:
— факторами, имеющими иной, в отличие от основной совокупности причин генезис происхождения, например, катастрофические дождевые паводки, сформированные тайфунами;
— редким сочетанием обычных факторов, приводящим к экстремальным природным ситуациям, например, выпадение жидких осадков большой интенсивности в период подъема половодья, когда фильтрация воды в почву практически отсутствует.
* Государственный гидрологический институт.
** Российский государственный гидрометеорологический университет.
Знание причин необходимо для выбора стратегии гидрологических расчетов. В случае разного генезиса гидрологических событий их распределение становится неоднородным, что обусловливает необходимость применения соответствующих методов: расчеты на основе неоднородного распределения путем выделения однородных распределений. Если события имеют одинаковый генезис, то их распределение является однородным, но для оценки редких вероятностей сочетания формирующих сток факторов это однородное распределение можно представить как композицию распределений факторов.
Вывод об однородности или неоднородности распределения экстремальных гидрологических событий основывается на учете генезиса их формирования. Вместе с тем для случаев, когда информация о генезисе событий отсутствует, или для получения количественных характеристик однородности применяются статистические методы оценки однородности и стационарности исследуемых данных. К этим методам относятся статистические критерии проверки резко отклоняющихся от общей совокупности экстремальных величин, оценка однородности выборочных средних, дисперсий и другие. Особенность большинства статистических критериев состоит в том, что они разработаны для нормального распределения и случайной независимой выборки, в то время как ряды экстремальных гидрологических характеристик, особенно минимального стока [9], имеют значительную внутрирядную связанность и их распределения являются асимметричными. Поэтому для корректного применения статистических критериев некоторые из них (критерии Диксона, Смирнова — Граббса, Колмогорова — Смирнова, Стьюдента, Фишера) были обобщены с учетом отмеченных особенностей гидрологических данных [10].
2. Основные приложения расчетов экстремальных гидрологических явлений
Расчеты характеристик экстремальных гидрологических явлений предназначены для определения их значений, соответствующих разной обеспеченности. Расчетные гидрологические характеристики используются практически во всех видах строительного проектирования: ГЭС и водохранилищ, защитных противопаводочных дамб, мостовых переходов, переходов трасс нефте- и газопроводов, линий электропередач, объектов промышленного, коммунального, жилищного строительства, тепловых и атомных станций, мелиоративных систем и т. д. Для территории России наибольшими стихийными бедствиями являются наводнения, от которых пострадало, например в 1997 г., по данным МЧС, до 100 тыс. человек.
Расчетные гидрологические характеристики необходимы в двух случаях: при проектировании новых сооружений и для обеспечения безопасности уже функционирующих. Необходимость перерасчета проектных гидрологических характеристик для существующих объектов обусловлена следующими причинами:
— изменением параметров многолетних рядов и расчетных значений гидрологических характеристик в связи с увеличением продолжительности наблюдений, включающих в настоящее время как относительно короткий период наблюдений за гидрологическими характеристиками, исполь-
зованный при проектировании, так и достаточно длительный период эксплуатации гидротехнических сооружений (в среднем около 30—50 лет);
— созданием новых более эффективных методов расчета экстремальных значений гидрологических характеристик.
Кроме того, стабильность расчетных гидрологических характеристик может нарушиться в связи с влиянием хозяйственной деятельности и возможным региональным изменением климата. Все эти особенности приводят к тому, что необходима постоянная система слежения (мониторинга) за экстремальными значениями расчетных характеристик, а при необходимости — их пересчет, что влечет за собой конкретные работы по изменению правил эксплуатации и реконструкции действующих сооружений.
Подобные работы по пересчету максимальных расходов воды в настоящее время проводятся во многих странах мира: США, Канаде, Великобритании, Австралии и других. В России необходимость решения данной проблемы определяется принятием Федерального закона "О безопасности гидротехнических сооружений", который вступил в действие с 21 июля 1997 г., и разработкой ведомственных нормативных документов по его реализации. Кроме того, в настоящее время подготовлена первая редакция проекта ГОСТ Р 22 "Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Мониторинг и прогнозирование состояния водоподпорных гидротехнических сооружений. Общие требования".
Конкретным примером может служить выполненная в 1999—2000 гг. в ГГИ работа по пересчету максимальных расходов воды сливного фронта каскада днепровских ГЭС. Полученные результаты убедительно свидетельствуют о повышении максимальных расчетных расходов воды по сравнению с проектными данными на 30—40% (табл. 1), что значительно увеличивает риск разрушения плотин и обусловливает необходимость изменения правил пропуска воды и реконструкцию гидротехнических сооружений в целях повышения их безопасности. Очевидно, что выполнение подобной работы необходимо для оценки безопасности каскадов крупных российских ГЭС, особенно Волжского каскада, так как разрушение даже одного из сооружений каскада или его части может привести к национальной катастрофе.
Кроме того, безопасная работа действующих гидротехнических сооружений должна быть основана на комплексной системе прогнозирования притока воды в водохранилища, включающей в себя долгосрочные прогнозы объема стока весеннего половодья и максимальных расходов воды и
Таблица I
Результаты сравнения проектных максимальных расходов воды н полученных в результате пересчета для каскада днепровских ГЭС
Пункт наблюдений на р. Днепр Максимальный расход воды обеспеченностью 0,01%, тыс. м}/с Разность, %
проект 1 пересчет
г. Вышгород 21,3 29,3 38
г. Киев 30,8 43,0 40
г. Кременчуг 34,0 44,4 31
п.г.т. Лоцманская Каменка 36,0 47,;5 32
краткосрочные прогнозы ежедневных расходов воды в период весеннего половодья.
3. Новая система определения расчетных
гидрологических характеристик
В настоящее время определение расчетных гидрологических характеристик для всех видов строительного проектирования базируется на использовании официального нормативного документа СНиП 2.01.14-83 [12].
Госстроем Российской Федерации в настоящее время принята новая система нормативных документов в строительстве — СНиП 10-01-94 [13], предусматривающая разработку федеральных нормативных документов — "Строительных норм и правил Российской Федерации" (СНиП) и "Сводов правил по проектированию и строительству" (СП), а также подготовку нормативных документов субъектов Российской Федерации — территориальных строительных норм (ТСН). В соответствии с этой системой методология определения расчетных гидрологических характеристик, в том числе их экстремальных значений, также будет основываться на документах этих трех уровней.
В СНиПе приведены самые общие обязательные положения по определению основных расчетных гидрологических характеристик. В настоящее время новый СНиП находится на утверждении в Госстрое России.
"Свод правил" раскрывает и детализирует положения СНиПа. Для реализации методов, изложенных в СП, представлен большой табличный и графический материал, а также даны многочисленные примеры, демонстрирующие их применение. В "Своде правил" приводятся общие для всей территории страны, апробированные и наиболее распространенные методы [10, 11].
Все региональные обобщения, направленные на определение расчетных гидрологических характеристик, предполагается осуществлять в "Территориальных строительных нормах", представляющих собой главный документ для конкретных субъектов Российской Федерации или для любой другой территории, например бассейнов больших рек и т. д. При разработке ТСН будет использована вся имеющаяся гидрометеорологическая информация с учетом последних лет наблюдений.
В процессе создания первых ТСН будут разраб
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.