Расход и объем стока талых вод

При выборе схемы отведения и очистки поверхностного стока необходимо знать его количественные и качественные характеристики. А сток талых вод является не менее важной составляющей, чем дождевой, в общем объеме поверхностного стока.

Снежный покров является накопителем влаги. Запас воды в нем определяется толщиной слоя воды (мм), который образовался бы на горизонтальной поверхности в результате таяния снежного покрова при отсутствии стока, просачивания и испарения. Наибольших значений запас воды достигает в конце сезона. В холодный период года (с октября по апрель, особенно в период предзимья - октябрь и ноябрь) в зависимости от климатических особенностей возможны оттепели, когда осадки выпадают в виде дождя и мокрого снега, а снег оседает и иногда полнос­тью сходит. Средний ( h₀) из наибольших запасов воды за зиму может

быть взят по климатическому Справочнику. Так, в Санкт-Петербурге среднегодовой слой атмосферных осадков за холодный период равен 239 мм. Однако во время зимних оттепелей и смешанных осадков слой талого стока составляет 166 мм. В конце сезона средний из наибольших запасов воды в снеге к началу весеннего снеготаяния достигает h₀=73 мм.

Среднегодовой объем W_Т (м³) талого стока в период весеннего снеготаяния будет

W_Т = 10 ∙ h₀ ∙ F ∙ ψ_т ∙ k_y ,                                       (3.3)

где ψ_т - коэффициент стока талых вод; k_y- коэффициент, учитывающий частичный вывоз и уборку снега; F - площадь водосбора, га. Эту площадь следует брать равной всей площади бассейна независимо от его конфигу­рации и характера.

Для приближенных расчетов средний многолетний слой талых вод с водосборных бассейнов площадью F > 100 км² может быть принят по карте изолиний (рис. 3.1). Для малых бассейнов ( F < 100 км²) вводятся поправочные коэффициенты: 1,1 -при холмистом рельефе и глинистых почвах; 0,9- при равнинном рельефе и песчаных почвах; 0,5 - при особо больших потерях стока (сосновые деревья на песках).

Коэффициент вариации С_v может быть принят по карте изолиний (рис. 3.2), при этом при площади бассейна F = (0-50) км² необходимо вводить коэффициент 1,25, а при площади F = (51 -100)км²- 1,2.

Коэффициент асимметрии С_s, принимают: для равнинных водо­сборов - 2С„; для водосборов на северо-западе, северо-востоке России – ЗС _v; для водосборов в горной местности России - (3-4)C_v. Значения ординат ф принимаются по биноминальной кривой обеспеченности (прил. 3).

Средний расход (л/с) из максимальных стоков при весеннем снеготаянии с застроенных территорий площадью F (га) может быть определен по формуле

Q = 2,8 ∙ i_сн ∙ F ∙ k_y ∙ ψ_т ∙ φ ,                                   (3.4)

где i_сн - максимальная интенсивность снеготаяния средней обеспе­ченности, мм/ч (рис. 3.3); ψ_т  - коэффициент стока; φ - коэффициент, учитывающий неравномерность снеготаяния и зависящий от площади бассейна.

На застроенных территориях максимальная интенсивность снегота­яния не может быть отнесена ко всей площади стока; очистка крыш от снега, наличие зданий, не допускающих проникновения солнечных лучей на некоторую часть площади, более быстрое таяние на проездах и т.п. делает невозможным одновременное участие в интенсивном снеготаянии всей площади стока. Эти уменьшающие общий сток обстоятельства компенсируются большей интенсивностью снеготаяния на застроенных территориях из-за значительного содержания в снеге аэрозолей и в связи с большим прогреванием воздуха. Коэффициент к_у приближенно равен

k_y = 1 ∙ F_y / F ,                                           (3.5)

где F_y - площадь, очищаемая от снега (включая площадь кровель, оборудованных внутренними водостоками). Обычно принимают k_y ∙ φ ≈ 0,5-0,8.

Для малых водосборов (F = 1 -10 км²) решающим будет не весь запас воды в снеге, который постепенно поступает на водосбор в течение 3-10 сут, а один наибольший из дневных расходов в середине периода снеготаяния. Если считать, что интенсивное снеготаяние начинается в 10 ч утра и заканчивается в 8 ч вечера, т.е. весь интенсивный процесс стока продолжается около 10 ч, а наибольшая интенсивность снеготаяния наступает в 2 ч дня, то исходя из треугольного гидрографа стока получается следующая формула для максимального расхода (л/с) талых вод:

                                    (3.6)

где Т_Т - продолжительность стекания воды от геометрического центра водосбора до расчетного сечения (ч), т.е. время запаздывания пика гидрографа стока против 2 ч дня (времени наступления пика снеготаяния). При этом принимается, что конец стока вечером сдвигается на f.

Слой стока талых вод за 10 дневных часов с 1 км² (100 га) с учетом дождей, проходящих обычно при весеннем стоке, для четырех районов приведен в табл. 3.1.

В табл. 3.1 принята следующая классификация районов нашей страны в зависимости от климатических условий:

1 - северная граница: Великие Луки, Москва, Нижний Новгород, Казань, Екатеринбург, Тюмень, Новосибирск, южная часть Байкала, район Яблонового и Станового хребтов, побережье Охотского моря, Камчатка; южная граница: южная часть Урала, Саяны, Алтай, хребет Хамар-Дабан;

где Т_т - продолжительность стекания воды от геометрического центра водосбора до расчетного сечения (ч), т.е. время запаздывания пика гидрографа стока против 2 ч дня (времени наступления пика снеготаяния). При этом принимается, что конец стока вечером сдвигается на f.

Слой стока талых вод за 10 дневных часов с 1 км² (100 га) с учетом дождей, проходящих обычно при весеннем стоке, для четырех районов приведен в табл. 3.1.

В табл. 3.1 принята следующая классификация районов нашей страны в зависимости от климатических условий:

1 - северная граница: Великие Луки, Москва, Нижний Новгород, Казань, Екатеринбург, Тюмень, Новосибирск, южная часть Байкала, район Яблонового и Станового хребтов, побережье Охотского моря, Камчатка; южная граница: южная часть Урала, Саяны, Алтай, хребет Хамар-Дабан;

2 - к северу от района 1 до устья р. Мезень и далее на восток, примерно по Северному полярному кругу. Сюда относится Северо-Западная ЕТР;

3 - к северу от устья р. Мезень и далее к востоку, примерно по

Северному полярному кругу;

4 - Сальские и Астраханские степи, южная часть Сибири. В гранич­ных районах шириной до 20 км принимают среднее значение h₀ для двух

смежных районов.

Для Заволжья можно брать среднее значение слоя между района­ми 1 и 4.

Годовое количество талого стока можно определить по сумме зимних атмосферных осадков. Годовое количество осадков, в том числе жидких и твердых, может быть принято по метеорологическим справочникам. Процентное содержание твердых осадков (а следовательно, и жидких) в среднемесячном количестве всех атмосферных осадков ориентировочно можно выразить через среднемесячную температуру воздуха t°_ср.мес (для климатической зоны Атлантики):

                                            (3.7)

Коэффициент стока от снеготаяния ц/_т зависит от условий инфиль­трации воды в грунтах. При промерзании фунтов не вся вода, находящаяся в порах грунта, превращается в лед. Содержание в грунтах разных пс степени связанности категорий воды существенно сказывается на процессе ее замерзания в грунтах. Часть воды всегда остается в мерзлых грунтах при любой их отрицательной температуре в незамерзшем состоянии. По опытам Центральной лаборатории Института мерзлотоведения АН (Цытович Н. А. Механика грунтов. М., 1956), образцы подмосковного суглинка при общей их влажности 21% имеют 57% незамерзшей воды при t = -17°С. Таяние льда в порах грунта, как показывают результаты опытов, происходит при температуре ниже 0°С. В январе и феврале ночные температуры - в среднем -14 °С, а в дневное время - (-6 °С). Если принять влажность грунта w_вл=21%,то при объемном весе грунта γ_об = 1,84 г/см³ и удельном весе γ_гр⁼ 2,65 г/см³ его пористость будет

При данной влажности объем пор, занятый водой, равен п_в= 0,32 = 32%, объем пор, свободный от воды, n_св = 0,11 = 11%. Если считать, что 57% воды не замерзает при t = -17°С, то объем пор, закупоренных льдом в результате замерзания 43% воды, будет n_л =0,43-0,32 = 0,14 = 14%, а остальная пористость грунта n_св.з = 0,43 - 0,14 = 29%> свободна от льда и обладает фильтрационной способностью. По опытам В. С. Истоминой, коэффициент фильтрации пропорционален коэффициенту пористости грунта. Значит, замерзший грунт уменьшит фильтрационную способность только на 1 – n_з.гр / n_гр =1-0,29/0,43 = 0,33 = 33%. Поэтому можем принять, что слой суточного задержания воды в замерзшем грунте будет не менее Н₀/2.