Гидро расчеты сельских ГЭС - Внутригодовое распределение стока

Глава VII
ВНУТРИГОДОВОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СТОКА

Расчет внутригодового распределения стока является одной из наиболее важных и сложных задач гидрологического обоснования проектов сельскохозяйственных ГЭС.
Факторы, обусловливающие характер внутригодового распределения стока, оказываются более многочисленными и их влияние на внутригодовой сток менее изучено, чем условия, определяющие, например, годовые колебания стока.
При достаточной гидрологической изученности реки задача установления внутригодового распределения стока обычно решается сравнительно просто.
Для рек же, не изученных в гидрологическом отношении или изученных слабо, расчет распределения стока представляет сложную задачу. Особые затруднения возникают при расчете внутригодового распределения стока для малых неизученных рек. Это объясняется влиянием местных физико-географических условий рассматриваемого бассейна, которые вызывают значительные изменения в условиях питания бассейна и в распределении стока по сравнению с распределением стока средних и больших рек, расположенных в одной и той же климатической зоне.
К числу таких местных физико-географических условий следует отнести наличие озер, болот, леса, вызывающих естественное регулирование стока и перераспределение его в течение года.
Поскольку на внутригодовое распределение стока оказывает влияние изменение климатических условий как внутри года, так и из года в год, результаты расчетов внутригодового распределения стока получаются с меньшей точностью, чем при вычислении нормы стока или средних годовых расходов. При расчетах внутригодового распределения стока обычно ставится задача определения характера распределения стока по сезонам (весна, лето, осень, зима), месяцам и в отдельных случаях по декадам.
Распределение стока по сезонам в течение года может быть определено несколько точнее, чем распределение стока по месяцам и более мелким интервалам, в силу относительно большей устойчивости характеристик стока в течение длительных периодов и возможности их пространственного обобщения в виде карт изолиний стока по сезонам.
Распределение стока малых неизученных рек по месяцам может быть установлено в каждом отдельном случае методом гидрологической аналогии или по типовым схемам внутригодового распределения стока.
При расчете сезонного распределения стока обычно рассматриваются период весеннего половодья и период межени. Меженный период в свою очередь обычно разбивается на летне-осеннюю межень и зимнюю межень. Продолжительность каждого сезона устанавливается по среднесуточным температурам воздуха. Так, за начало весны принимается дата перехода среднесуточной температуры воздуха от отрицательной к положительной; за начало лета — дата повышения средней суточной температуры воздуха более 10°, за начало осени — дата понижения температуры воздуха ниже 10° и за начало зимы — дата перехода средней суточной температуры воздуха от положительной к отрицательной.
В различных климатических зонах продолжительность отдельных сезонов различна и в расчетах округляется до целых месяцев. Начало сезонов обычно отсчитывается от начала месяца.

§ 29  Расчет внутригодового распределения стока при наличии материалов наблюдений

Для водноэнергетических расчетов ГЭС необходимо располагать данными о внутригодовом распределении стока в среднем по водности году, в маловодном и многоводном различной обеспеченности.
При наличии сведений о внутригодовом распределении стока расчет производится следующим образом.
По данным о среднемесячных расходах в пределах периода иабл’юдений строятся эмпирические кривые обеспеченности среднемесячных-расходов за каждый месяц. Затем с этих кривых снимаются значения среднемесячных  расходов разной обеспеченности (25, 50, 75% и т. д.) и заносятся в таблицу. Полученные результаты сравниваются с фактическим распределением среднего по водности года, маловодного и многоводного годов, корректируются в соответствии с особенностями распределения стока по годам и принимаются в качестве расчетных.
Порядок производства расчетов рассмотрим на примере внутригодового распределения расходов р. Шелони у д. Заполье за период наблюдений с 1924 по 1952 г. Среднемесячные и среднегодовые расходы воды р. Шелони у д. Заполье приведены в табл. 47.
Средний месячный расход для каждого месяца за весь период наблюдений получен как среднее арифметическое значение из всех средних месячных расходов за данный месяц. По данным о среднемесячных величинах стока р. Шелони за все годы наблюдений вычислены ординаты точек эмпирических кривых обеспеченности среднемесячных расходов воды. В табл. 48 приведены результаты вычислений для трех зимних месяцев: декабря, января и февраля и на рис. 36 — кривые обеспеченности средних месячных расходов воды за эти месяцы.
По кривым обеспеченности находим величины средних месячных  расходов воды нужной нам обеспеченности, например 50 и 75%, и заносим в табл. 49. Так, среднемесячные расходы воды р. Шелони •обеспеченностью 50% равны: в декабре — 26,5 м8/сек., в январе — 9,00 м³/сек. и в феврале — 9,00 м³/сек. Аналогично получаем по соответствующим кривым обеспеченности среднемесячные расходы для остальных месяцев. На кривых обеспеченности (рис. 36) нанесены величины среднемесячных расходов, полученных как средние арифметические из наблюденных за период измерений.
Внутригодовое распределение стока по месяцам выражается в процентах от годового стока или в долях от среднегодового расхода. Для нахождения распределения в процентах подсчитывается сумма средних месячных расходов данного года, принимаемая за 100%, и вычисляется в процентах от этой суммы доля каждого среднемесячного расхода.
Например, сумма среднемесячных расходов воды за 1950 г. равна 709 м³/сек. и средний месячный расход воды в июне 1950 г. (табл. 47) равен 39,3 м³/сек. Выражая в процентах, получим сток за июнь равным
Делением каждого среднемесячного расхода на среднегодовой расход получим внутригодовое распределение, выраженное в долях от среднего годового расхода.

Рис. 36. Кривые обеспеченности среднемесячных расходов воды р. Шелони у д. Заполье за зимний период.
1 — среднемесячный расход, 2 — средний расход по среднемесячным данным.

Средний месячный расход за июнь 1950 г. в этом случае будет составлятьот среднего годового расхода. В практике расчетов внутригодовое распределение среднемесячных расходов обычно выражается в долях от среднегодового расхода.

Среднемесячные и среднегодовые расходы воды р. Шелони у д. Заполье (в м³/сек.)

Таблица 48
Обеспеченность среднемесячных расходов воды р. Шелони у д. Заполье за декабрь, январь, февраль

В табл. 49 указаны среднемесячные расходы воды р. Шелони у д. Заполье для лет обеспеченностью 50 и 75%, полученные по кривым обеспеченности средних месячных расходов.
Средние годовые расходы воды за эти годы должны иметь величины, соответствующие расходам обеспеченностью 50 и 75%, полученным по кривой обеспеченности средних годовых расходов. Средние годовые расходы воды, полученные осреднением средних месячных расходов, снятых с кривых обеспеченности среднемесячных расходов, равны Q50 % = 34,7 м³/сек. и Q75 %= 20,8 м³/сек.; расходы, полученные по кривым обеспеченности средних годовых расходов, равны О,№, = 45,8 м³/сек. и Q75% =37,1 м³/сек. Исходя из этого, необходимо, сохранив общий характер распределения стока в расчетные сезоны года, откорректировать средние годовые расходы.
Поскольку водноэнергетический расчет ГЭС ведется с учетом использования стока главным образом в период межени, корректировку среднего годового расхода производим с некоторой осторожностью — за счет среднего месячного расхода апреля, т. е. периода половодья, когда избыток стока обычно сбрасывается из-за отсутствия регулирования.
Внутригодовое распределение стока по месяцам в долях от среднегодового расхода и в м³/сек. с откорректированными раcходами за апрель приведено в табл. 49.
В соответствии с полученным в табл. 49 распределением для средневодного (Р=50%) и маловодного (Р=75%) годов подбираем годы примерно с такими же расходами, наблюденными в период 1924—1952 гг., и месячным распределением, близким к распределению, полученному по кривым обеспеченности. Такими годами являются: 1931 г. со стоком, близким к медианному, и 1938 г. обеспеченностью 75%.
Анализируя распределение стока по месяцам в средневодном году, полученное осреднением среднемесячных расходов и по кривым обеспеченности среднемесячных расходов, а также характер фактического распределения стока в 1931 г., можно заметить, что среднеарифметическое распределение показывает повышенные расходы в период межени по сравнению с фактически наблюденными и вычисленными по кривым обеспеченности (табл. 50).
Распределение, стока в 1931 г. и установленное по кривым обеспеченности среднемесячных расходов для года 50%-ной обеспеченности показывают довольно близкое совпадение, за исключением сентября и ноября (наблюдалось повышение расходов в 1931 г. по сравнению с расходами в эти месяцы за многолетний период).
Распределение стока маловодного 1938 г. и года обеспеченностью 75%, установленное по кривым обеспеченности, также достаточно близко совпадают, хотя и имеется некоторое расхождение в распределении стока февраля, марта и апреля.

Таблицa 49

Внутригодовое распределение стока р. Шелони у д. Заполье по кривым обеспеченности среднемесячных расходов

Внутригодовое распределение стока р. Шелони у д. Заполье для средневодного и маловодного годов

Примечание. В первой строке — в м³/сек., во второй строке — в долях от среднегодового.

Поскольку внутригодовое распределение стока по кривым обеспеченности среднемесячных расходов в общем правильно отражает распределение и вместе с тем свободно от случайных нетипичных отклонений, его можно принять за расчетное.
Расчет распределения стока по декадам или другим интервалам в течение какого-либо месяца производится аналогично определению внутригодового распределения стока по месяцам.
В этом случае по материалам наблюдений предварительно устанавливается фактическое распределение стока выбранного месяца по декадам за весь период наблюдений. По этим данным затем строятся эмпирические кривые обеспеченности расходов за каждую декаду.
Желая найти среднедекадные расходы заданной обеспеченности в выбранном месяце, поступают далее следующим образом.
По кривым обеспеченности среднедекадных расходов находят их величины нужной обеспеченности; осреднением среднедекадных расходов получают среднемесячную величину расхода той же обеспеченности и вычисляют подекадное распределение стока в долях от среднемесячного.
Величина среднемесячного расхода, полученная ^к средняя из среднедекадных расходов, снятых с кривых обеспеченности среднедекадных расходов, может несколько отличаться от величины среднемесячного расхода, найденной при расчете внутригодового распределения стока по месяцам. В этом случае, сохраняя полученное подекадное распределение стока, корректируют среднедекадные расходы с учетом среднемесячного расхода, найденного по кривой обеспеченности среднемесячных расходов.
Полученные значения стока принимаются в качестве расчетных.
В соответствии с изложенным методом найдем распределение стока р. Шелони у д. Заполье по декадам за март маловодного года обеспеченностью 75%. В табл. 51 приведены среднедекадные расходы воды р. Шелони у д. Заполье, наблюденные в марте 1938—1940 и 1945—1952 гг. и расположенные в убывающем порядке. Там же указаны ординаты кривой обеспеченности среднедекадных расходов, вычисленные по формуле (44).
Среднедекадные расходы за март, обеспеченные на 75%, найденные по кривым обеспеченности (рис. 37), оказались равными: в I декаду — 3,18 м³/сек., во II декаду — 3,07 м³/сек. и в III декаду — 9,50 м³/сек.
Среднемесячный расход за март по этим данным равен QIII== 5,25 м³/сек.
Вычислим далее распределение стока за март по декадам в долях от полученного среднемесячного расхода (см. табл. 52). Полученный по кривой обеспеченности средних месячных расходов с учетом корректировки внутригодового распределения расход за март в маловодном году обеспеченностью 75% (по табл. 49, 50) равен

Таблица 51
Среднедекадные расходы воды р. Шелони у д. Заполье и ординаты кривой обеспеченности среднедекадных расходов за март месяц

QIII 75%= 4,50 м³/сек. По этому расходу и найденному подекадному распределению стока вычислены среднедекадные расходы воды в расчетном створе за март маловодного (75%) года, которые могут быть использованы в дальнейшем в качестве расчетных.

Рис. 37. Кривые обеспеченности среднедекадных расходов р. Шелони у д. Заполье за март.
Таблица 52
Распределение стока р. Шелони у д. Заполье по декадам за март маловодного года (обеспеченностью 75%)

Следует отметить, что изложенный метод выбора расчетного внутригодового распределения стока по равнообеспеченным месячным величинам стока с корректированием разности между суммой месячных величин и годовым стоком той же обеспеченности является наиболее простым и наиболее правильным методом расчета внутригодового распределения стока. В равной мере это относится и к расчету внутримесячного распределения.
Теоретическое обоснование этого метода, впервые предложенного Д. И. Кочериным (без учета корректировки), дано Г. А. Алексеевым.