Определение расчетных гидрологических характеристик при недостаточности данных гидрометрических наблюдений

Практическая работа №6

Цель работы: изучить методы расчета годового, максимального и минимального стока при недостаточности данных гидрометрических наблюдений.

В практике гидрологических расчетов часто приходится иметь дело с короткими рядами наблюдений, продолжительность которых не обеспечивает получение результата требуемой точности (5 – 10%). В этих случаях ряды стока приводятся к расчетному многолетнему периоду по рекам-аналогам, которые имеют длинный ряд наблюдений, обеспечивающий требуемую точность, и колебания стока, соответствующие колебаниям его в расчетном створе.

В качестве аналогов для расчетной реки или створа выбирают расположенные вблизи водосборы, зонально-однородные по географическому и высотному положению и сходные в отношении факторов подстилающей поверхности, рельефа, подстилающих почвогрунтов, климатических характеристик и др. Учитываются также размеры водосборов и антропогенное влияние

При выборе рек-аналогов обязательно следует учитывать следующие условия:

- однотипность стока реки-аналога и исследуемой реки;

- географическую близость расположения водосборов;

- однородность условий формирования стока, сходство климатических условий, однотипность почвогрунтов и гидрогеологических условий, близкую степень озерности, залесенности, заболоченности и распаханности водосборов;

- средние высоты водосборов не должны существенно отличаться, для горных и полугорных районов следует учитывать экспозицию склона и гипсометрию;

- отсутствие факторов, существенно искажающих естественный речной сток (регулирование стока, сбросы воды, изъятие стока на орошение и другие нужды).

При выборе аналогов следует учитывать как возможно большую продолжительность наблюдений в этих пунктах, так и более тесные связи между стоком в приводимом к многолетнему периоду пункте и стоком в пунктах-аналогах.

Главными и наиболее объективными критерия правильности выбора аналога являются синхронность колебаний модулей стока и достаточно тесная коррелятивная связь за годы одновременных наблюдений. Соответствие или синхронность колебаний стока проверяется по совмещенным хронологическим графикам или интегральным кривым.

При выборе пунктов-аналогов необходимо учитывать пространственную связанность рассматриваемой гидрологической характеристики, которую количественно выражают через матрицу парных коэффициентов корреляции или пространственную корреляционную функцию, представляющую собой зависимость коэффициентов парной корреляции стока рек от расстояния между центрами тяжести водосборов.

Связь считается удовлетворительной и приемлемой для практических расчетов, если отклонения большей части точек не превышают 15% и коэффициент корреляции их r ≥ 0.8.

При приведении допускается использование гидрометрической информации, а также метеорологической и другой информации, период наблюдений за которой превышает период наблюдений за рассматриваемой гидрологической характеристикой.

При привлечении метеорологической и другой информации могут быть использованы региональные зависимости рассматриваемой гидрологической характеристики от факторов, ее определяющих.

Приведение к многолетнему периоду может быть выполнено по установленной графической или аналитической зависимости короткого ряда с длительным. Наиболее распространенным способом является построение графической зависимости связи значений модулей стока в двух разных створах. Поле рассеяния эмпирических точек апроксимируется аналитической зависимостью, благодаря которой рассчитываются недостающие данные в коротком ряду.

Приведение гидрологических рядов и их параметров распределения к многолетнему периоду в настоящее время, как правило, осуществляют аналитическими методами. Для предварительного приведения допускается использование графических и графоаналитических методов.

При расчете параметров распределения и значений стока за отдельные годы Q_i с использованием аналитических методов, основанных на регрессионном анализе, должны соблюдаться следующие условия:

(20)

где n' - число совместных лет наблюдений в приводимом пункте и пунктах-аналогах (n' ³ 6 при одном аналоге, n' ³ 10 при двух и более аналогах) или число пунктов-аналогов при восстановлении с привлечением кратковременных наблюдений (n' ³ 6);

R - коэффициент парной или множественной корреляции между значениями стока исследуемой реки и значениями стока в пунктах-аналогах;

k - коэффициент уравнения регрессии;

s_k - средняя квадратичная погрешность коэффициента регрессии;

R_кр - критическое значение коэффициента парной или множественной корреляции (обычно задается ³ 0,7);

А_кр, B_кр - критические значения отношений R/s_R и k/s_k соответственно (обычно задаются ³2,0).

Если хотя бы один из коэффициентов уравнения регрессии не удовлетворяет условию, то это уравнение не используют для приведения к многолетнему периоду.

В слабо изученном в гидрологическом отношении районе R_кр, А_кр и B_кр могут быть уменьшены, а в хорошо изученном – увеличены. При увеличении значений R_кр, А_кр и B_кр возрастает точность, но уменьшается объем восстановленных данных.

Задание:

1. Определить норму годового стока исследуемой реки при недостаточности данных гидрометрических наблюдений, рассчитать годовой сток вероятностью превышения Р=1, 25, 50, 75, 90, 95, 97% с определением параметров кривой обеспеченности методом наибольшего правдоподобия

2. Рассчитать максимальный сток исследуемой реки при недостаточности данных гидрометрических наблюдений вероятностью превышения Р = 0.01, 0.05, 0.1, 0.5, 1, 5, 10, 25 %

3. Рассчитать минимальный сток исследуемой реки при недостаточности данных гидрометрических наблюдений вероятностью превышения Р = 75, 90, 95, 99 %

4. Сравнить результаты расчетов с расчетами при длительных гидрометрических наблюдениях. Объяснить расхождения.

Ход выполнения работы:

Работа выполняется на тех же исходных данных, искусственно укороченных вдвое. Тем самым результаты расчетов работы можно сравнивать с данными практической работы №5.

1) Находится река-аналог с соблюдением всех условий, ряд наблюдений которой позволит привести ряд исследуемой реки к многолетнему периоду.

1) Ряд приводится к многолетнему периоду. Строятся графические и аналитические (чаще регрессионные) зависимости характеристик стока исследуемой реки и реки-аналога. По данным зависимостям исследуемый ряд приводят к многолетнему периоду.

2) После приведения ряда к многолетнему расчеты производят согласно алгоритму практической работы № 5.

Для определения годового, максимального и минимального стока требуется провести три независимых расчета на основе соответствующих исходных данных.

Ранжируются (располагаются в убывающем порядке) эмпирические данные о расходах воды (модульных коэффициентов стока).

2) Определяется обеспеченность (Р%) каждого ранжированного значения по формуле эмпирической кривой обеспеченности.

3) На клетчатке вероятности строится эмпирическая кривая обеспеченности.

4) По данным наблюдений вычисляются среднемноголетние значения годового, максимального, минимального стока с оценкой их точности.

5) Определяются коэффициенты вариации и асимметрии с оценкой их точности.

6) Подбирается соотношение Cs/Cv

7) Ординаты аналитической кривой обеспеченности определяются по таблице ординат трехпараметрического гамма-распределения для заданных значений обеспеченности.

8) На клетчатку вероятности наносится аналитическая кривая обеспеченности и проверяется ее совпадение с эмпирической кривой.

9) По ординатам кривой обеспеченности вычисляются значения стока воды заданной вероятности превышения, которые заносятся в таблицу.

Контрольные вопросы:

1.Можно ли вести расчеты при коротких рядах данных? Каким образом?

2. Что такое река-аналог? Для чего она нужна?

3. Каким образом находятся параметры аналитической кривой обеспеченности при недостаточности наблюдений за стоком?

4. Какие условия должны соблюдаться при выборе реки-аналога?