Анализ условий формирования и расчет основных статистических характеристик стока реки Куршаб - с. Гульча

      Рис.3. Схема речного бассейна.

1,4,7,8,9,10 – притоки и их водозборные площади; 2,3,5 – безприточные пространства; 6 – замыкающий створ.

      1.2.2. График нарастания площади бассейна по длине главной реки 

     Этот  график дает представление о характере  увеличения площади бассейна от истока к устью.

     Для построения графика необходимо иметь  площади водосборов основных притоков реки, площади межбассейновых пространств  и расстояния от устья по главной  реке до мест впадения притоков.

     На  графике в выбранном масштабе по горизонтальной оси откладывается  длина главной реки, по вертикали - площади. Для правого берега график нарастания строится вниз от линии  длины реки, для левого берега - вверх  от нее. Суммарный по двум берегам  график нарастания площади бассейна реки обычно строится на том же чертеже  вверху от линии длины реки.

     Суммарный график строится путем геометрического  суммирования ординат графиков нарастания площадей по правому и левому берегам. Суммирование площадей производится в  точках, соответствующих местам впадения по правому и левому берегу последовательно  всех притоков в направлении от истока к устью главной реки (рис.4).

     

 Рис.4. График нарастания площади водосбора реки по длине реки. 

График  нарастания площади водосбора реки Куршаб по ее длине представлен в

приложении 1. 
 

2. Физико-географические фактора стока

                  

      2.1. Факторы подстилающей поверхности 

     Под факторами подстилающей поверхности  понимаются элементы физико – географической среды , характеризующие особенности данного речного бассейна. Сюда могут быть отнесены географическое положение и орография бассейна, почвенно - геологические условия, средняя высота водосбора, степень облесенности, заболоченности, озерности и др.

      Средняя высота водосбора Н_ср вычисляется по формуле 

                                          (2) 

 где Н_ср – средняя высота водосбора, м; f₁, f_2, …f_n- частные площади водосбора, заключенные между горизонталями, км²; Н₁, Н₂, …Н_n- средние высоты между горизонталями, м; F- общая площадь водосбора, км².

          Для водосбора реки Куршаб Н_ср=2,990214 км.

       Среднюю высоту бассейна также можно определить по гипсографической кривой бассейна.

      Эта кривая дает наглядное представление  о распределении площади бассейна по высотным зонам. Для ее построения весь диапазон высот в бассейне разбивается  на 8 - 12 высотных ступеней и измеряются площади, расположенные между горизонталями  с отметками этих ступеней и ограниченные линией водораздела. Чем больше амплитуда  измерения высоты в бассейне, тем  большие интервалы высоты берутся  для отдельных ступеней. Для малых  бассейнов измеряются площади между  всеми горизонталями.

      По  данным измерений площадей и отметкам горизонталей вначале строится график распределения площадей по высотным зонам (рис.5), показывающий размеры площадей, лежащих между высотными отметками. По горизонтали откладываются площади, по вертикали - высотные отметки. Затем строится кривая нарастания площадей по высотным зонам. Кривая нарастания площадей по высотным зонам - гипсографическая кривая - может быть получена и путем суммирования данных первого графика. Точки гипсографической кривой откладываются на нижних границах высотных интервалов и соединяются плавной линией. На графике под масштабом площадей наносится шкала процентов из расчета, что общая площадь бассейна равна 100%. На рис.6 приведен пример построения гипсографической кривой.

 

      Рис.5. График распределения площадей по высотным зонам 

     

      Рис.6. Гипсографическая кривая.

        

3.Годовой сток и его распределение

        3.1. Характеристики годового стока 

            Сток - это движение воды по поверхности, а также в толще почв и горных пород в процессе ее круговорота в природе. При расчетах под стоком понимается количество воды, стекающей с водосбора за какой - либо период времени. Это количество воды может быть выражено в виде расхода `Q, объема W, модуля M или слоя стока h. 

      Объем стока W - количество воды, стекающей с водосбора за какой - либо период времени (сутки, месяц, год и т. п.), - определяется по формуле

      W=`Q×T [м³],  (3)

где `Q - средний расход воды за расчетный период времени, м³/с, T - число секунд в расчетном периоде времени.

      Модуль  стока М - количество воды, стекающей с единицы площади водосбора в единицу времени, - определяется по формуле

      М=10³`Q/F[л/(с×км²)],  (4)

где F - площадь водосбора, км².

      К безразмерным характеристикам относятся  модульный коэффициент и коэффициент стока.

           

      3.2. 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.

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

                                                       ,                                                         (5)

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

      Определяется  σ_Q по формуле

                            .                                                        (6)

      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

         .                                               (7)

      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.

        

                 Рис.7 Сокращенная интегральная кривая 

      3.3. Расчет и построение кривой обеспеченности годового стока 

      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.

      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; коэффициент изменчивости (вариации) C_v; коэффициент асимметрии C_s

      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. 

 

Рис.8 Аналитическая 1 и эмпирическая 2 кривые обеспеченности годового стока. 

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

    Таблица 1.

Р%	Ф P%	KP%	QP%
0,01	4,16	2,013411	36,39209
0,1	3,33	1,811216	32,73745
0,5	2,78	1,677231	30,3157
1	2,47	1,601713	28,95071
3	1,96	1,477472	26,70509
5	1,7	1,414134	25,56026
10	1,3	1,316691	23,79899
20	0,83	1,202195	21,72949
25	0,65	1,158345	20,93692
30	0,5	1,121804	20,27644
40	0,22	1,053594	19,04355
50	-0,03	0,992692	17,94275
60	-0,28	0,93179	16,84196
70	-0,55	0,866015	15,6531
75	-0,69	0,83191	15,03665
80	-0,85	0,792933	14,33214
90	-1,26	0,693053	12,52684
95	-1,58	0,615099	11,11782
97	-1,79	0,563941	10,19315
99	-2,18	0,468934	8,475908
99,9	-2,81	0,315461	5,701902