Для наиболее сильных дождей, одновременно зафиксированных на нескольких метеостанциях, строят схематические карты изолиний (изогиет). При недостаточности метеостанций или их редком расположении по территории района вместо карт нужно строить маршруты изолиний по направлению изыскиваемой дороги или по направлению нескольких метеостанций. В районах с недостаточней изученностью при проведении изолинии допускается линейная интерполяция между метеостанциями (рис. 6.3).
Рис. 6.3 Схема изолиний дождя, зафиксированного одновременно на трех метеостанциях
Для перехода от осадков в центре дождя к осадкам на различных площадях водосборов устанавливают переходные коэффициенты, для снижения расчетных величин осадков от увеличения площади одновременного орошения дождем. С этой целью для различных площадей Fi или длин маршрутов Li, ограниченных изолиниями Hi вычисляют средневзвешенные Hсв (по площади или длине маршрутов) суммы осадков Hсвi и строят зависимость (рис. 6.4):
Hсвi = f(Fi) или Hсвi = f(Li) (6.12)
Расчетной принимают верхнюю огибающую, характеризующую максимальный из наблюдавшихся ливней. При достаточных многолетних данных выполняют вероятностную оценку этой огибающей. Расчетные средневзвешенные слои осадков Hсв определяют для различных площадей или длин маршрутов. При недостатке наблюдений по плювиографам схематические карты или маршруты изолиний (изогиет) могут быть составлены по данным дождемеров.
Рис. 6.4 Кривые зависимости Hiсв = f(Fi, Li) дождей продолжительностью 24 ч.
Для перехода от расчетных осадков в центре ливня Ho к осадкам на различных площадях применяют коэффициенты редукции осадков по площади (KF) или по длине выбранного маршрута (KL), определяемые по формуле:
KF = Hсв : Hо (6.13)
Для определения слоя осадков в центре дождя принимают расчетный дождь. По вычисленным значениям коэффициента редукции строят зависимость KF = f(F) или KL = f(L) (рис. 6.5) и составляют таблицы расчетных значений коэффициента редукции осадков по площади в заданном районе изысканий.
Рис. 6.5 Зависимость коэффициента редукции осадков от площади (длины) одновременного распространения дождей.
В районах, где для установления коэффициента редукции были использованы маршруты изолиний, устанавливают переход от длин намеченных маршрутов к величинам площади:
F = B L;
где B - коэффициент, учитывающий форму площади одновременного выпадения дождя и определяемый в неизученных районах косвенными методами с учетом синоптической обстановки и географического положения района. При гидрометеорологических наблюдениях коэффициент B уточняют путем установления одновременности выпадения дождей между пунктами, расположенными перпендикулярно к расчетному направлению маршрута, и определяют как максимальное расстояние между этими пунктами.
Для установления зависимости максимальной интенсивности осадков от их продолжительности необходимо использовать все имеющиеся записи дождей самописцами или дождемерами. Предварительно производят их систематизацию по пунктам наблюдений, приводят к единой размерности (в мм/мин) и проверяют достоверность этих материалов. По данным статистической обработки для каждого интервала времени вычисляют интенсивности осадков a для требуемых ВП. По вычисленным значениям a строят зависимость интенсивности осадков от продолжительности a = f(T) по каждой метеостанции (рис. 6.6).
Рис. 6.6 Зависимость интенсивности дождя от его продолжительности:
1 - при C = 0; 2 - при C = 1; 3 - по материалам наблюдений.
Для аналитической оценки расчетной интенсивности осадков по продолжительности используют формулу ГГИ:
(6.14)
где a - расчетная максимальная интенсивность осадков, мм/мин; S - предельная интенсивность осадков при T = 1 мин, мм/мин; T - расчетная продолжительность дождя, мин; Пт - показатель степени редукции осадков по продолжительности; C - поправочный коэффициент, учитывающий уменьшение интенсивности в зоне малых продолжительностей.
Опыт применения зависимости (6.13) показывает, что значение показателя степени п, в интервале продолжительности более 1 ч изменяется сравнительно мало (в пределах 0,60 - 0,77) и остается постоянным для каждой метеостанции. В интервале от 1 до 60 мин показатель степени изменяется в пределах 0,25 - 0,60.
Поправочный коэффициент C определяют индивидуально для каждой метеостанции по эмпирическим точкам, полученным в результате обработки рядов осадков для интервалов продолжительности менее 1 ч (см. рис. 6.6). В случае отсутствия данных для оценки зависимости (6.13) в интервале малых продолжительностей значение C принимают равным единице. Это допущение позволяет определять величины интенсивностей осадков с некоторым запасом, что может быть оправдано для неизученных районов. Учитывая, что в интервале времени от 1 ч до 3 суток зависимость a = f(T) имеет прямолинейный характер, имея только сведения по осадкомерам можно построить указанную зависимость в этом интервале и путем графической экстраполяции определять величины интенсивностей дождя для времени 1 ч. Для этой цели производят статистические расчеты максимальных сумм осадков продолжительностью 1, 2 и 3 суток и строят зависимости a = f(T) (рис. 6.7). При недостаточности исходных данных по этим графикам могут быть вычислены (с некоторым запасом) интенсивности осадков для интервалов 20, 30 и 45 мин.
Рис. 6.7. Зависимость интенсивности дождя от продолжительности в интервале от 1 ч до 3 сут.
Одновременно с вычислением интенсивностей по зависимостям (рис. 6.6 и 6.7) устанавливают показатель редукции осадков П, по продолжительности, который определяют как тангенс угла наклона кривой a = f(T). Величина показателя редукции может изменяться не только по каждой метеостанции, но и в зависимости от различных значений ВП расчетных осадков. Для практических расчетов принимают одно значение показателя редукции осадков для каждой метеостанции, оценивая его величину в диапазоне возможных ВП (0,3 - 3 %), рекомендуемом для дорог.
Поскольку вычисленные расчетные интенсивности и показатели редукции осадков имеют различные значения на исходных метеостанциях, производят их районирование для заданного района или направления проектируемой дороги. В качестве районируемых принимают интенсивности за 30, 60 мин в 1 сутки.
Если невозможно составить карты по территории всего района, производят обоснование выбора расчетной метеостанции или группы метеостанций, которые могли бы надежно характеризовать ливневые условия для расчета максимального стока в районе проектирования или на отдельных участках дороги.
Для установления репрезентативных количественных ливневых характеристик в конкретном регионе необходимо выявить зависимости расчетных максимумов осадков от местных орографических и других условий. С этой целью строят графики зависимостей расчетных ливневых характеристик от высоты местности и географических координат.
Анализ этих зависимостей помогает выявить влияние орографических факторов на величину расчетных осадков и определить методы их учета. Необходимо выполнить районирование территории на зоны, где орографические и метеорологические факторы резко различны. При построении зональных карт изогиет расчетных ливневых характеристик в районах с орографическими осадками изолинии должны учитывать фактические контуры рельефа. Орографические осадки могут увеличиваться с высотой до гребня хребта. На высоких хребтах максимальные осадки на наветренном склоне могут быть больше, чем на гребне, а на подветренных склонах в некоторых районах наблюдается резкое сокращение осадков от гребня по склону.
Для районов с недостаточным количеством исходных метеостанций необходимо рассматривать вопрос о возможности географической интерполяции расчетных максимумов осадков из районов изученных в районы неизученные. Встречаются два наиболее характерных случая: когда неизученный район распложен внутри контура метеостанций или примыкает одной или несколькими из своих сторон к нескольким метеостанциям. В зависимости этого применяют (4) методы географической интерполяции внутрь контура или с внешней его стороны. В обоих случаях границы географической интерполяции следует определять конкретными условиями проектирования. Эти методы являются более обоснованными, чем методы отдаленных аналогий с другими физико-географическими районами.
В некоторых районах наблюдения за осадками ведутся (или производились) только осадкомерами, поэтому возникает необходимость определения осадков продолжительностью 1 ч по данным о суточных максимумах. Слой осадков часовой продолжительности рекомендуется определять по формуле:
Hч = Кч · Hсут, (6.14)
при (6.15)
где Кч - переходный коэффициент от суточной суммы осадков к часовой; П1 - показатель степени редукции осадков по продолжительности.
В муссонных районах переходный коэффициент Кч может изменяться по территории в пределах 0,30 - 0,45 для дождей 1 - 2 % повторяемости. Среднее значение этого коэффициента для условий Европейской части может быть принято равным 0,33.
В некоторых методах расчета максимальных расходов применяют ливневой параметр Sp, величины которого приведены в различных литературных и инструктивных материалах. Для его определения используют следующую формулу:
Sp = Кч Hсут : 60 1 - П1 (6.16)
Применение формулы (6.16) предполагает непрерывную длительность дождя в течение 60 мин, что характерно для территорий как с затяжными, так и короткими дождями. Для районов, где максимальные расходы формируются от обложных дождей продолжительностью сутки и более, величину Sp определяют по формуле:
Sp = Hсут : 1440 1 - П1 (6.17)
Если в качестве исходных используют наблюдения по осадкомерам, в расчетные величины суточных осадков должны вводиться поправочные коэффициенты, учитывающие разницу в величине суточных максимумов за метеорологические сутки (с 19 ч по 19 ч последующих календарных суток) и фактического количества осадков, которое может выпасть за любые 24 часа, не совпадающие со сроками наблюдений на метеостанциях.
6.8. При разработке линейно-региональных норм максимального стока признано недопустимым применять методы косвенных аналогий с отдаленными физико-географическими районами, а также применение формул без обоснования их параметров данными наблюдений и без сопоставления результатов расчета с натурными расходами.
При отсутствии данных гидрометеорологических наблюдений непосредственно в районе изысканий обоснование предварительных региональных зависимостей максимальных расходов дождевых вод может быть произведено методом географической интерполяции, который предусматривает использование натурных данных по группе обследованных водосборов для установления основных параметров региональной формулы в заданном районе по интерполяции между этими водосборами. За пределами этих водосборов возможна экстраполяция расчетных параметров. Границы экстраполяции следует определять индивидуально и с обязательным обоснованием их положения.
Метод географической интерполяции правомерен в пределах одного физико-географического района, характеризующегося одинаковыми климатическими условиями и рельефом. На территории изучаемого района должны быть установлены опорные водосборы, на которых имеются натурные наблюдения за расходами воды (или осадками) и составлена карта-схема их расположения (рис. 6.8).
Рис. 6.8 Схема географической интерполяции элементарного модуля максимального стока:
1 - центры тяжести опорных бассейнов; 2 - изолинии элементарного модуля максимального стока; 3 - центр тяжести и границы (4) расчетного водосбора; 5- расстояние между соседними изолиниями.
На опорных створах по вычисленным расходам по формуле (2.17) определяют элементарные модули максимальных расходов. Районирование вычисленных величин Aв производят путем проведения на карте-схеме (см. рис. 6.8) изолиний по интерполяции, между центрами тяжести опорных бассейнов с известными значениями модуля. Интерполяцию следует производить перекрестным способом по направлениям прямых линий, связывающих каждую точку замкнутого опорного полигона со всеми другими точками.
Расчетные элементарные модули Aв максимальных расходов для водосборов, пересекаемых трассой изыскиваемой дороги, определяют интерполяцией по изолиниям, между которыми лежат центры тяжести этих водосборов:
(6.18)
где Ап, Ап+1 - числовые значения соседних изолиний элементарных модулей максимальных расходов, между которыми находится центр тяжести расчетного водосбора (см. рис. 35); lп, lп+1 - расстояния от центра тяжести расчетного водосбора до ближайших изолиний с числовыми значениями соответственно Ап и Ап+1; п - порядковый номер изолиний.
Максимальные расходы определяют по вычисленным расчетным модулям Ав с использованием формулы (2.17). Расходы, получаемые методом географической интерполяции, могут иметь весьма ориентировочные значения, точность определения которых составляет в ряде районов ±40 - 60 % от действительных. Это обстоятельство следует учитывать при оценке принимаемых проектных решений.
Таким же методом можно районировать и другие параметры расчетных формул, в том числе и метеорологические характеристики максимального стока, для которых в качестве опорных используют пункты метеорологических наблюдений.
6.9. Применение линейно-региональных норм, инженерно-гидрометеорологических изысканий максимального стока с определением натурных расходов по следам прошедших паводков обеспечивают: вполне определенную направленность изыскательских работ; гарантирует качество принимаемых проектных решений и объективную гидрометеорологическую обоснованность проектов автомобильных дорог; наиболее полно обеспечивает равновероятность решений при технико-экономическом сравнении объектов, находящихся в различных физико-географических условиях; увеличивает ответственность проектно-изыскательских организаций за обоснованность расчетных максимумов дождевых расходов.
