Гидрологические расчеты

Перед тем как начнется планирование, а затем проектирование и строительство кого-либо крупного гидротехнического сооружения - гидростанции, оросительной системы, водохранилища,- гидролог должен уверенно сообщить проектировщикам и строителям, а ли нужно, то и доказать им с цифрами в руках, сколько воды можно ожидать в той реке, на которой планируется строительство. При этом, для того чтобы постройка осуществилась успешно, гидролог должен сообщить не просто "голую" цифру - среднюю величину расхода воды в реке, т. е. каков ее средний сток (при постоянных колебаниях расхода эта величина встречается редко, расход воды бывает обычно то больше среднего, то меньше); гидролог должен сообщить, какие крайние значения расхода - максимальные и минимальные - могут быть на реке, как распределяется речной сток в течение года, какие сезоны многоводны, какие маловодны и т. д. Словом, гидролог должен сообщить проектировщикам точные цифровые данные о водном режиме реки, причем еще охарактеризовать возможность и вероятность повторения того или иного элемента режима, например вероятность максимального расхода воды во время половодья различной высоты.

Получить эти данные можно с помощью гидрологических расчетов на основании многолетних непрерывных наблюдений за водным режимом реки, ее уровнями и расходами в месте будущего строительства. Ряды многолетних наблюдений представляют собой статистические ряды, поэтому гидрологи, определяя средние и крайние значения элементов гидрологического режима, обрабатывают эти ряды методами математической статистики и теории вероятностей.

Мы специально оговорили, что получить необходимые характеристики водного режима можно на основании многолетних наблюдений на реке в месте будущего строительства. А если в месте, выбранном для строительства, нет и не было гидрологической станции или поста, гидрологические наблюдения отсутствуют? Ведь заранее нельзя предугадать, на какой реке и в каком месте на ней соберутся строить гидротехнические сооружения.

В таком случае задача гидролога усложняется, но он так или иначе должен ее решить.

Дело облегчается тем, что гидрологические станции и посты опорной сети размещают с соблюдением определенных научных принципов, в частности так, чтобы между смежными (ближайшими) постами можно было бы легко и сравнительно точно интерполировать данные. Гидрологический режим часто рассчитывают по смежной станции или посту, расположенному на той же реке - выше или ниже места строительства. При этом гидрологу, разумеется, приходится тщательно учитывать все происходящее между местом строительства и выбранным пунктом наблюдений - водоносность впадающих притоков, их режим, площадь бассейна и т. п., чтобы ввести соответствующие поправки и "привязать" имеющиеся наблюдения к створу строительства. При этом, чтобы уточнить данные, в месте строительства открывают новый наблюдательный пункт и связывают его наблюдения с текущими данными смежного поста.

Если же пунктов наблюдений на реке, избранной для строительства, нет, необходимые гидрологические расчеты можно произвести, пользуясь метеорологическими данными, которых обычно бывает больше, чем гидрологических, в особенности данных об осадках (напомним основную формулу водного баланса: "Сток равен осадкам минус испарение").

Еще в период формирования гидрологии как науки были предложены формулы и графики, выражающие зависимость среднего годового стока от осадков и испарения.

Величину среднего годового стока с речных бассейнов, где гидрологические наблюдения не ведутся, можно определить по карте нормы стока, изображенного изолиниями. Средний рас-од и сток рек (больших и малых) различен, он зависит в основном от площади водосбора реки, поэтому наносить его на карту не имеет смысла: изолиний между средним расходом различных рек провести нельзя. При составлении карты стока поступают следующим образом. Берут данные о среднем годовом расходе рек, вычисленном за одинаковый многолетний период. Величину среднего расхода делят на площадь соответствующего водосбора и выражают ее в литрах в секунду с квадратного километра - получают модуль стока, вполне сравнимый для разных рек, мало зависящий от площади бассейна реки. Величины модуля стока отдельных рек наносят на карту (в центре соответствующего водосбора, а не в устье реки!) и проводят изолинии. Проведя на такой карте границы водосбора (водораздел) реки, для которой хотят определить норму стока, с помощью планиметра вычисляют средний модуль стока и по нему находят средний расход.

Другим важным элементом гидрологического режима для проектировщиков является максимальный расход воды в реках, вызванный весенним снеготаянием или ливнями. Заниженные величины максимального расхода в расчетах могут явиться причиной повреждения и даже разрушения сооружений, а завышенные - неоправданного удорожания строительства.

Грозным предупреждением о последствиях, которые возможны при неправильном расчете максимального стока, послужила железнодорожная катастрофа, происшедшая в ночь на 11 июля 1882 г. на Московско-Курской железной дороге около Тулы, на Кукуевском овраге. Катастрофа случилась от того, что высокую железнодорожную насыпь (21 м) размыло перед самым проходом пассажирского поезда скопившейся перед ней массой воды после сильного ливня, для пропуска которой служила труба со слишком незначительным диаметром (1,07 м). Поезд рухнул с насыпи. Это едва ли не самая страшная катастрофа за всю историю железнодорожного транспорта.

Многолетние наблюдения за максимальными расходами обрабатывают методами математической статистики (как при расчетах нормы стока), чтобы получить вероятные значения расходов различной повторяемости (1 раз в десять лет, 1 раз в 100 лет и т. д.). Если таких наблюдений нет (что обычно бывает на малых водотоках, в изобилии пересекающих железнодорожные и шоссейные пути), максимальные расходы вычисляют по формулам, которые учитывают площадь водосбора, интенсивность снеготаяния или ливня, коэффициент стока и другие факторы.