На правах рукописи ЧИСТЯКОВ Игорь Владимирович
РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО ОБОСНОВАНИЯ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ (05.23.11 – «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей», 05.23.16 – «Гидравлика и инженерная гидрология») А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Москва 2012 Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) на кафедре «Гидравлика» Научный консультант - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Геодезии» Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) Федотов Григорий Афанасьевич Официальные оппоненты: - доктор технических наук, Зам. директора ИВП РАН, зав. лаб. моделирования поверхностных вод Болгов Михаил Васильевич; - доктор технических наук, профессор кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция, водообеспечение и прикладная гидрогазодинамика» Саратовского гос. техн. университета Высоцкий Лев Ильич;
- доктор технических наук, профессор, Заведующий кафедрой Городского строительства Сочинского государственного университета
Макаров Константин Николаевич.
Ведущая организация: ОАО «ГИПРОДОРНИИ»
Защита состоится « » 2012 г. в часов
на заседании Диссертационного Совета Д 212.126.02 в Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) по адресу:
125319, Москва, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского автомобильно-дорожного государственного технического
университета (МАДИ).
Автореферат разослан « » 2012 г.
Ученый секретарь Совета,
профессор
Борисюк Н. В.
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Автомобильные дороги – это черезвычайно сложные, капиталоемкие, но в то же время высоко рентабельные инженерные сооружения. В связи с исключительной капиталоемкостью автомобильных дорог во все времена инженеры-дорожники искали пути снижения стоимости строительства, но не в ущерб правильности и качеству принимаемых проектных решений. А в условиях рыночных отношений вопрос о повышении обоснованности принимаемых проектных решений становится особенно актуальным.
Сооружения транспортного комплекса всегда создавались с учетом воздействия погодно-климатических факторов. Поэтому решение задач в области проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог возможно только путем более детального исследования этих явлений, оказывающих влияние на состояние транспортных сооружений. К таким факторам следует отнести и ливневой сток, рациональный расчет которого имеет важное значение.
О важности совершенствования методов расчета ливневого стока говорит тот факт, что существующие методы расчета максимальных расходов и объемов стока не всегда обеспечивают достаточную надежность. Это приводит к различного рода разрушениям и повреждениям автомобильных дорог в местах переходов через малые и временные водотоки. Если проанализировать количество разрушений, относящееся к переходам с малыми водопропускными сооружениями к переходам с мостами больших и средних отверстий, то получим следующее их распределение в %:
- переходы с малыми мостами и трубами – 49%;
- собственно земляное полотно – 32%;
- переходы с большими и средними мостами – 19%.
Как известно, в основе принимаемых проектных решений при назначении основных противоаварийных мероприятий и генеральных размеров малых мостов и водопропускных труб основными параметрами являются максимальный расход и объём стока ливневых вод. Исходя из выше приведенных данных, есть основание полагать о не вполне достаточной надёжности прогнозов их параметров.
Цель работы состоит в создании научных и научно-методологических основ прогноза параметров стока ливневых вод при проектировании водоотводящих систем на автомобильных дорогах и территорий транспортного комплекса.
Задачи исследования:
- Путём детального анализа системы дифференциальных урав-
нений неустановившегося потока с переменной массой по его длине дать научно-методологические основы возможности применения для описания данной системой уравнений поверхностного стока на водосборных бассейнах, имеющих гидрологическую сеть, состоящую из склонов водосборного бассейна и главного лога.
- Разработать и дать научно-методологическое обоснование для
представления поверхности водосборных бассейнов в виде математической модели местности на горизонталях для дальнейшего математического моделирования поверхностного стока.
- На основании выполненного анализа системы дифференци-
альных уравнений неустановившегося потока с переменной массой по его длине и разработанного научно-методологического обоснования применения данного математического обеспечения и представления поверхности водосборного бассейна в виде математической модели местности создать общую математическую модель стока ливневых вод с учетом направления и скорости прохождения ливневых фронтов относительно главного лога водосборного бассейна.
4. Используя натурные данные наблюдений о стоке ливневых
вод установить адекватность разработанной математической модели натурным парам «ливень-гидрограф».
5. Выполнить натурный эксперимент по массовому наблюдению
за прохождением ливневых фронтов в настоящий период времени и путем сравнения с ранее полученными данными установить основные закономерности изменений хода интенсивностей ливней во времени и закономерности прохождения ливней с учетом их направлений и скоростей прохождения ливневых фронтов.
6. Методом массового численного эксперимента с применением
разработанной математической модели стока ливневых вод установить основные закономерности формирования максимальных расходов и объёмов стока ливневых вод с учетом направления и скорости прохождения ливневых фронтов.
7. На основании результатов проведенного массового численного
эксперимента разработать современные научно-методологические основы формирования ливневого стока.
- Разработать методику расчета максимальных расходов и объ-
ёмов стока ливневых вод при проектировании водопропускных сооружений на автомобильных дорогах, основанной на неравномерном и неустановившемся режимах потока с переменной массой по его длине с учетом направления и скорости прохождения ливневых фронтов.
Объектом исследования является сток ливневых вод с поверхности водосборных бассейнов, пересекаемых трассой автомобильных дорог и территорий транспортных комплексов.
Предметом исследования являются теоретические и методологические основы прогнозирования максимальных расходов и объёмов стока ливневых вод для водоотводящих систем автомобильных дорог.
Теоретической основой диссертационной работы являются механика жидкости, дифференциальные уравнения, математическое и иммитационное моделирование, исследование операций, регрессионный и дисперсионный анализ, методы многомерного статистического анализа и другие.
Научную новизну работы составляет создание новых научных, научно-методологических и технико-производственных основ расчетов стока ливневых вод на основе неустановившегося и неравномерного характера движения ливневых вод с переменной массой по протяженности потока на поверхности водосборного бассейна. Следствием такого подхода при рассмотрении явления стока ливневых вод является формирование паводковой волны в русле водосборного бассейна.
На защиту выносятся:
- Методология расчета стока ливневых вод, основу которой сос-
тавляет система дифференциальных уравнений неустановившегося потока с переменной массой и представлении поверхности водосборных бассейнов в виде математической модели местности.
- Закономерности и положения о формировании ливневого стока
в виде паводковых волн.
3. Концепция интеграции новых, дополнительных метеорологиче-
ских параметров в расчеты максимальных расходов и объёмов стока ливневых вод, вызванных изменением направлений и скоростей прохождения ливневых фронтов.
4. Вероятностная модель учета дополнительных потерь стока лив-
невых вод после прохождения ливневого фронта над водосборным бассейном при наличии поверхностного стока на нём.
5. Новые аналитические зависимости для расчета параметров
стока ливневых вод, при проектировании водопропускных сооружений на автомобильных дорогах, основу которых составляют неустановившийся характер и переменная масса потока ливневых вод по гидрографической сети водосборного бассейна.
Достоверность рекомендаций, выводов и обоснованность научных положений, изложенных в работе, определяется корректным использованием современных математических методов, сравнительным анализом, согласованным с натурными наблюдениями. На основе экспериментальных расчетов стока ливневых вод выполнен анализ экспериментальных зависимостей, полученных на основе проведенного массового численного эксперимента.
Практическая ценность и реализация результатов работы, полученных в диссертации и доведенных до практического применения, заключается в следующем: разработан программный комплекс, позволяющий в интерактивном режиме использовать как оперативные метеорологические данные о ходе ливней над конкретным водосборным бассейном, так и данные, полученные по многолетним наблюдениям с заданной вероятностью превышения.
Разработана методика расчета стока ливневых вод, базирующаяся на принципе формирования паводковой волны. Данная методика учитывает неустановившийся и неравномерный режим поверхностного стока ливневых вод по поверхности водосборного бассейна с переменной массой по длине потока.
Реализация результатов исследования. Разработанные методы и алгоритмы прошли апробацию для практического применения в проектных отделах Управлений автомобильных дорог Москва - Санкт-Петербург, Москва-Волгоград, в ООО «ИНТЕРДОРПРОЕКТ», а также используются в учебном процессе МАДИ. Результаты внедрения подтвердили работоспособность и эффективность разработанных положений расчетов стока ливневых вод с водосборных бассейнов при проектировании водопропускных сооружений на автомобильных дорогах.
Содержание разделов диссертации докладывалось и получило одобрение:
- на республиканских и международных научно-технических конференциях, семинарах (1992-2008 гг.);
- на заседании кафедры «Гидравлика» (2005г.) Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ);
- совместном заседании (2007г.) кафедр «Изысканий и проектирования автомобильных дорог», «Гидравлика» и «Геодезия» Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ);
- на Международном конгрессе «Управление водными ресурсами в экстремальных условиях» (Москва, июнь 2007 г);
- на Международном дорожном конгрессе (Москва, МАДИ, 2008г).
Структура диссертационной работы соответствует списку перечисленных задач, содержит описание разработанных методов, методик и алгоритмов.
Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 31 - й работе, в том числе – в 1 - й монографии. В рекомендованных ВАК РФ изданиях опубликовано 10 работ. В опубликованных работах автору принадлежат основные идеи, теоретический и экспериментальный материал, выводы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы. Основной текст размещен на 258 страницах, включает 10 таблиц, 148 рисунков, 6 приложений. Список литературы включает 224 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы основные задачи исследований.
- Проблемы и противоречия методов расчета ливневого
стока транспортных сооружений
В главе проведен детальный анализ наиболее распространённых методов расчета стока ливневых вод, применяемых при проектировании водопропускных сооружений и систем водоотвода на автомобильных дорогах ранее и в настоящее время (по работам Долгова Н.Е., Николаи Л.Ф., Протодьяконова М.М., Бефани А.И., Соколовского Д.Л., Андреева О.Н., Журавлева М.М., Перевозникова Б.Ф., Большакова В.А., Кургановича А.А.), а также современных методов моделирования ливневого стока. Одним из наиболее перспективных является метод математического моделирования (работы Виноградова Ю.Б., Горошкова И.Ф., Калинина Г.П., Корня В.И., Кучмента Л.С., Лятхера В.М., Прудовского А.М., Федотова Г.А.).
Изложена эволюция методов прогнозирования максимальных расходов и объёмов стока, исходя из требований, предъявляемых практикой проектирования водопропускных сооружений на автомобильных дорогах. Рассмотрены достоинства и недостатки каждого из методов. На основании такого проведенного анализа обоснован выбор методов, сформулированы цели и задачи исследований.
- Методологические и экспериментально - теоретические
исследования процесса формирования ливневого стока
при гидрологическом обосновании проектных решений в
транспортном строительстве
Одной из задач, сформулированных в первой главе, является представление потока по поверхности водосборного бассейна как неравномерного, неустановившегося с переменной массой по протяженности. Основным из существенных допущений существующих в настоящее время методов расчетов стока о равномерном движении потока по поверхности водосборного бассейна как потока установившегося с постоянными параметрами по протяженности. Это не соответствует реальным условиям формирования максимальных расходов и объемов стока. С этой целью в главе 2 дано обоснование методологических и теоретических возможностей расчета неустановившегося и неравномерного движения жидкости на основе системы дифференциальных уравнений неустановившегося потока с переменной массой по длине.
Система дифференциальных уравнений описывающих движение вод поверхностного стока по склонам имеет вид:
уравнение динамического равновесия:
(1)
и уравнение неразрывности:
, (2)
где В – ширина элементарной площадки, а – интенсивность ливня, в – интенсивность впитывания.
Эта система уравнений решается в конечных разностях:
уравнение динамического равновесия:
; (3)
уравнение неразрывности:
. (4)
Система дифференциальных уравнений описывающих движение вод поверхностного стока по логу имеет вид:
уравнение динамического равновесия:
(5)
уравнение неразрывности:
, (6)
где 
- проекция скорости присоединяемого притока 
на направление скорости основного потока; 
- боковая приточность в единицу времени на единицу длины; 
– уклон трения.
Эта система уравнений решается в конечных разностях:
уравнение динамического равновесия:
, (7)
уравнение неразрывности:
, (8)
где hnj, h(n+1)j - глубина потока в n –м и (n+1) – м створах при j – м уровне времени, м; Vnj, V(n+1) j - соответственно средние скорости течения, м/с; Vn(j-1)ср, Vnjср- средние скорости течения на n - м расчетном участке лога соответственно при (j - 1) – м и j - м уровнях времени, м/с; ln - длина n - го участка склона, м; Jск - уклон склона; Qnjср, Knjср - соответственно расход и расходная характеристика сечения на n - м участке склона при j - м уровне времени, м3/с; njcp- средняя на n - м участке лога площадь живого сечения, м2; qnjcp, hnjcp - средний погонный расход на n - м участке лога и глубина соответственно, м2/с и м; i - угол притока погонного расхода; Qnj, Q(n+1)j - соответственно расходы в n - м и (n+1) – м створах при j - м уровне времени, м3/с; hnj, h(n+1)j - приращение глубины потока в соответствующих створах за время tj, м; Bn, B(n+1) - ширина потока в соответствующих створах, м.
Задача представления рельефа водосборного бассейна в виде математической модели применительно к описанию процесса поверхностного стока системой дифференциальных уравнений неустановившегося потока с переменной массой по длине решается построением цифровой модели самой поверхности водосборного бассейна(рис.1).
При таком представлении рельефа водосборной площади представляется возможным моделировать продвижение ливневого фронта над водосборным бассейном в разных направлениях с различны-
Рис. 1. Представление поверхности водосбора в виде элементарных
площадок
ми скоростями.
Для учета потерь на впитывание поверхностного стока ливневых вод в подстилающий водосбор грунт также требуется схематизация в пределах, принятых в дорожном проектировании. В этом направлении известны работы Протодьяконова М.М., Болдакова Е.В. и других
авторов, которые доказали возможность принимать шесть видов грунтов по впитыванию. Каждому виду грунта соответствует своя стандартная кривая (рис. 2а). Для описания процесса формирования слоя стока на водосборе кривая хода ливня и кривая потерь объединялись методом «касания». Для применения этих данных в качестве исходной информации в разработанной математической модели кривые хода дождя H=f(t) и потерь на впитывание P=f(h) заменяются ступенчатым очертанием с шагом t (рис.2б).
Как видно из схем расчета (рис. 3а, 3б), вода, поступившая в виде осадков (аj t) на элементарный участок площади склона водосборного бассейна длиной x и шириной, полученными по данным мате-
а) б)
Рис. 2. Схематизация слоя стока: а) зависимость потерь стока
на впитывании для различных категорий грунтов по впитываемости
(I – VI); б) формирование слоя стока во времени
матической модели водосборного бассейна, частично впитывается в почву (bjt), частично стекает на следующий элементарный участок, а часть воды остаётся.
Сток ливневых вод по тальвегу водосбора описывается системой уравнений дифференциальных уравнений неустановившегося потока с переменной массой по длине (5,6).
Схема расчета по руслу аналогична схеме расчета по склону. Система уравнений решается последовательно для каждой пары створов, сверху вниз по логу (и по склону), начиная от водораздела, для
а)
б)
Рис. 3. Схема расчета стока со склоновых элементарных
площадок (а) и по руслу (б)
каждого интервала времени. При этом в створе на водоразделе глубина потока принимается равной нулю. На основе решения представленных систем уравнений и приемов схематизации разработан
новый алгоритм комплекса программ математической модели расчета стока ливневых вод с водосборных бассейнов, пересекаемых трассой автомобильных дорог.
- Комплексная оценка процесса формирования стока
ливневых вод методом математического моделирования
Проведены комплексные экспериментальные расчеты стока ливневых вод и представлены результаты проверки адекватности разработанной математической модели стока ливневых вод натурным данным, а также результаты данных наблюдений за реальными ливнями. По результатам наблюдений за ходом реальных ливней получена обобщенная кривая хода ливней для современного периода.
По сравнению с кривой хода ливней 50 – х годов прошлого столетия можно сказать, что максимальная интенсивность ливней на современном этапе наблюдается в начальный период хода, это приводит к более интенсивной водоотдаче поверхности водосборных бассейнов, пересекаемых трассой автомобильных дорог. Наблюдения проведены за 41 ливнем. По результатам наблюдений получена экспериментальная зависимость хода ливней
%. (9)
Для сопоставления рассчитанных гидрографов с натурными были взяты материалы наблюдений Подмосковной воднобалансовой станции, Центральной Высотной Гидрометеорологической обсерватории. Так как разработанная математическая модель стока ливневых вод предполагает сток по сухому водосбору, то для экспериментальных расчетов были взяты данные по логам Лызлово и Кулибин. Сведения о водосборах воднобалансовой станции приведены в табл. 1.
Натурные гидрографы ливневого стока сравнивались с рассчитанными на разработанной математической модели, реализованной по программе «LIVSTOK» для ПЭВМ.
Кривые хода дождей для экспериментальных расчетов взяты соответствующими реальному изменению хода дождя во времени. Таким образом, адекватность модели ливневого стока устанавливается на основе натурных пар «дождь-гидрограф» с реально существующих водосборных бассейнов. На рис. 4 приведены натурные и рассчитанные гидрографы ливневого стока с рассмотренных водосборов.
Результаты сравнения по критерию Фишера натурного и рассчитанного гидрографа приведены в табл. 2.
Таблица 1
Данные о водосборных бассейнах воднобаллансовых станций
| №п./п. | Название водотока | Площадь водосбора, км2 | Длина тальвега, км | Средняя ширина водосбора, км | Средний уклон тальвега, % | Площадь угодий (в % от площади водосбора) | ||
| Сельхоз. | Луг | Лес | ||||||
| 1. | Лог Лыз-лово | 1,76 | 1,3 | 0,7 | 16,1 | 20 | 0 | 1 |
| 2. | Лог Кулибин | 0,44 | 0,82 | 0,3 | 42,6 | 20 | 0 | 0 |
Таблица 2
Результаты проверки адекватности математической модели
| № п./п. | Гидрограф (лог, дата) | S2{y}ост. | S2{y}общ.опыт. | Fопыт. | Fтабл. |
| 1. | Лог Лызлово, 13.08.73г. | 153.76 | 980.47 | 0,157 | 2.1 |
| 2. | Лог Лызлово, 11.08.80г. | 92,2 | 893,52 | 0,103 | 2,1 |
| 3. | Лог Кулибин, 11.08.80г. | 0,153 | 4,85 | 0,03 | 2,1 |
| 4. | Лог Кулибин, 24.07.80г. | 0,15 | 7,7 | 0,02 | 2,1 |
| 5. | г. Кисловодск, водосбор №1 | 1,61 | 9,47 | 0,17 | 2,1 |
| 6. | г. Кисловодск, водосбор №2 | 4,57 | 35,15 | 0,13 | 2,1 |
Рис. 4. Натурные и рассчитанные гидрографы стока: 1 – гидрограф, полученный путем математического моделирования; 2 – реальный гидрограф стока; 3 – кривая хода дождя; 4 – кривая хода потерь стока на впитывание в грунт
Кроме названных водосборов для проверки адекватности математической модели стока ливневых вод, были использованы материалы наблюдений Кисловодской метеостанции, входящей в Ставропольский краевой центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Для проверки математической модели стока был взят ливень, прошедший над водосборными бассейнами в ночь на 21 июня 2001г. Согласно данным МС «Кисловодск», количество осадков, выпавших на поверхность водосборных бассейнов, составило 150,2 мм за 8 ч 15 мин. Наблюдения за ходом изменения глубин выполнялись с интервалом в 1 час. Реальный и моделированный график хода изменения глубин во времени представлены на рис. 5. Во всех сравниваемых гидрографах Fопыт. < Fтабл.. Следовательно, математическая модель ливневого стока с достаточной степенью достоверности описывает исследуемое явление.
Рис. 5. Графики изменения глубин: 1 – рассчитанный; 2 – реальный
- Экспериментальные исследования процесса формирования стока ливневых вод методом математического моделирования
Расчет стока ливневых вод при проектировании водопропускных сооружений на автомобильных дорогах должен учитывать сложный процесс одновременного взаимодействия комплекса показателей, характеризующих водосборный бассейн, с одной стороны, и комплекса показателей, характеризующих гидрометеорологические процессы - с другой. К комплексу показателей, характеризующих водосборный бассейн, следует относить: степень развития гидрографической сети, уклоны склонов и русел, показатели гладкости склонов и русел, характеристики грунтов по впитывающей способности и другие параметры. К комплексу параметров, характеризующих гидрометеорологические процессы, относятся такие, как: слой выпавших осадков, продолжительность ливня, направление прохождения ливневого фронта относительно простирания главного тальвега водосбора, скорости прохождения ливневого фронта над водосбором и другие показатели, учитывающие пространственную неоднородность параметров.
| Процесс взаимодействия перечисленных параметров и учет влияния каждого из них на формирование максимальных расходов, объемов стока и уровней ливневых сточных вод устанавливались путем проведения экспериментальных расчетов с применением математической модели, представленной в главе 2 данной работы. Для проведения экспериментальных расчетов по установлению влияния метеорологических характеристик на формирование стока были взяты водосборные бассейны различной конфигурации и структуры (табл.3). А также были взяты два реальных ливня из полученных по результатам наблюдений – самый короткий и самый продолжительный. При выборе ливней учитывалась не только продолжительность, но и интенсивность, т.е. при всех прочих равных параметрах получался слой осадков максимальным. Так как в экспериментальных расчетах сток ливневых вод рассчитывается по реальным водосборным бассейнам, то и грунты по впитываемости приняты соответствующими реальным, подстилающим водосборные бассейны грунтам – суглинкам (рис. 6). В реальных условиях ливневой фронт передвигается над поверхностью водосбора в определенном направлении, поэтому в экспериментальных расчетах предполагалось выяснить влияние направления передвижения ливневого фронта относительно направления стока по главному логу водосбора на формирование максимальных расходов и объемов стока. Исходя из этих представлений, были взяты три основных направления движения ливневого фронта относительно направления стока по главному логу: первое направление «по стоку», второе на-правление «против стока» и третье направление «поперек стока» или ориентировочно перпендикулярно к основному направлению стока по главному логу. В первой серии экспериментальных расчетов было установлено влияние прохождения ливневых фронтов относительно направления стока по главному логу. Примером рассматриваемого экс- Таблица 3 Параметры экспериментальных водосборов | |||||||
| Номер п./п. | Длина водосбора по главному тальвегу, м | Ширина водосбора в средней части, м | Площадь водосбора км | Уклон по тальве- гу, ‰ | Шаг горизонталей, м | Отношение B/L | |
| 1. | 1460 | 600 | 0,74 | 1,1 | 0,5 | 0,4 | |
| 2. | 3000 | 300 | 1,00 | 0,5 | 0,5 | 0,1 | |
| 3. | 1000 | 850 | 0,75 | 1,0 | 0,5 | 0,85 | |
| 4. | 1340 | 1210 | 1,16 | 1,1 | 0,5 | 0,9 | |
| 5. | 1220 | 520 | 0,52 | 3,0 | 0,5 | 0,42 | |
| 6. | 3200 | 2010 | 4,76 | 8,5 | 5,0 | 0,62 | |
| 7. | 5400 | 2780 | 10,77 | 8,0 | 5,0 | 0,51 | |
а) б)
Рис. 6. Изменение расчетного слоя стока во времени
для: а) - самого короткого ливня; б) - самого продолжительного ливня
Рис. 7. Гидрографы стока ливневых вод с водосбора №1; в серии
экспериментальных расчетов при различном направлении прохождения ливневого фронта
Рис. 8. Формирование паводковой волны над водосбором №1, при прохождении ливневого фронта в направлении «по стоку по главному логу»
Рис. 9. Формирование паводковой волны над водосбором №1 при прохождении ливневого фронта в направлении «против стока по логу»
периментального расчета является расчет стока по водосбору № 1. Величина максимального расхода составила 9,37 м3/с. Результатом экспериментального расчета является гидрограф стока ливневых вод (рис. 7), глубины потока по главному логу водосбора (рис. 8, 9). С продвижением ливневого фронта над водосбором по изменению глубин потока в русле водосбора можно судить о продвижении паводковой волны. За каждый расчетный интервал времени (tj=2мин) ливневой фронт, двигаясь со скоростью 6 км/ч, проходит путь, равный 200м. За время ливня равное (по наблюдениям) 15 мин, ливневой фронт пройдет путь равный 1500м. Протяженность водосбора по длине главного лога составляет 1460 м, т. е. приблизительно равна протяженности ливневого фронта.
При движении ливневого фронта над водосбором в направлении «по стоку», начиная с седьмого уровня времени, т. е. по прошествии 14 мин от начала ливня, происходит полное перекрытие всего водосбора. Следовательно, ливневым фронтом перекрывался весь водосбор с одновременным ходом ливня над всей площадью. Но так как протяженность ливневого фронта почти равна протяженности водосборного бассейна, то продолжительность полного перекрытия площади водосборного бассейна во времени была незначительна.
Изменчивость параметров стока во времени отражает принятая в математической модели система дифференциальных уравнений. Это соответствует реальному процессу формирования стока ливневых вод, с реальных водосборных бассейнов, с максимальным учетом стокоформирующих факторов. Как видно из графика изменения глубин (см. рис. 8), максимальное значение расхода наступило в момент достижения «ядра» ливня завершающего створа водосбора. Это соответствует 26 мин хода стока. В то же время лог у водораздела, как видно из графика изменения глубин, уже освобождается от поверхностного стока ливневых вод (см. рис. 8). Далее с прохождением ливневого фронта над водосбором наступает спад паводка. Паводковая волна все далее уходит от водораздела к завершающему створу. Происходит постепенное уменьшение глубин и уменьшение расхода стока до полного осушения лога.
Одновременно с расчетами максимальных расходов математическая модель предоставляет возможность установить влияние неустановившегося и неравномерного режима потока жидкости с изменяющейся массой потока по длине на время добегания «условной элементарной частицы» жидкости от водораздела до завершающего створа (см. рис. 3). Учитывая, что в каждый расчетный интервал времени tj, на каждом расчетном интервале длины лога водосбора lnj известна скорость потока воды vnj, то «условная элементарная частица» воды пройдет путь за расчетный интервал времени, который определится как
(м). (6)
Таким образом, начиная от водораздела, т.е. на первом расчетном шаге по длине русла (n=1) и на первом уровне времени (j=1) определяется расстояние, пройденное «условной элементарной частицей» воды S1=S1. При переходе на следующий уровень по времени (j=2) математической моделью определяется место положения «условной элементарной частицы» в соответствии с расстоянием, пройденным на предыдущем уровне времени. Тем самым определяется индекс расчетного шага по длине русла – n, и значение скорости потока воды в русле принимается в соответствии с индексом – Vn. Далее определяется отрезок пути, пройденный «частицей» воды на втором уровне времени 
. Затем определяется суммарный путь, пройденный частицей воды от водораздела за два уровня времени и т. д., т.е.
. (7)
Аналогично определяются расстояния, пройденные «условной частицей» ливневой воды на всех последующих уровнях времени до тех пор, пока она не достигнет завершающего створа. За время добегания принимается момент достижения частицей завершающего створа, т.е.
, мин, (8)
где j - число уровней времени до момента достижения «условной частицей» завершающего створа; 
- расчетный интервал времени, мин.
В рассматриваемом экспериментальном расчете время достижения «условной» частицей завершающего створа наступило на 7 – м уровне времени или на 14 мин паводка. В то же время продолжительность ливня составляет 15 мин. Основываясь на принципе «предельных интенсивностей», можно сказать, что данный ливень является расчетным для данного водосбора по продолжительности, т. е. время добегания «условной элементарной частицы» равно продолжительности ливня. Но пик паводка наступил несколько позже, на 22 мин стока. В данном случае можно сказать, что добегание «условной элементарной частицы» в сочетании с достижением завершающего створа водосбора паводковой волны дает максимальный расход стока с данного водосбора.
Следующий экспериментальный расчет выполнен при прохождении ливневого фронта в направлении «против стока» над тем же водосбором, при орошении его тем же ливнем. Гидрограф стока, полученный в результате этого экспериментального расчета, представлен на рис. 7. Максимальное значение расхода стока ливневых вод составляет 6,36 м3/с. Поскольку в данном экспериментальном расчете имеет место продвижение ливневого фронта «против стока», т. е. в направлении от завершающего створа к водоразделу, то в этом случае контролировать в процессе расчета стока время добегания «условной элементарной частицы» воды теряет смысл, так как заранее видно, что сток начинается с той части площади, которая перекрыта ливневым фронтом, а эта часть значительно меньше всей площади водосбора, и процесс формирования ливневого стока в рассматриваемом экспериментальном расчете происходит по другой схеме, в отличие от прохождения ливневого фронта по направлению стока. Кривые свободной поверхности глубин потока в этом случае представлены на рис. 9. Разность величин максимальных расходов в данных экспериментальных расчетах составляет 3,01 м3/с. Это объясняется недостаточной концентрацией выпавших ливневых осадков на поверхность водосбора в завершающем створе водосборного бассейна, так как при перемещении ливневого фронта над водосборным бассейном в направлении «против стока», до того как ливневой фронт достигнет границ водосбора, т.е. водораздела, значительная часть ливневых осадков стекает с уже перекрытой ливневым фрон-
Рис. 10. Формирование паводковой волны над водосбором №1 при прохождении ливневого фронта в направлении «перпендикулярно главному логу»
том площади водосбора, тем самым ослабляя концентрацию стока ливневых вод на водосборной площади, в отличие от прохождения
ливневого фронта в направлении «по стоку», и как бы выключая часть водосборной площади из процесса формирования максимального расхода стока.
Пик паводка в данном случае наблюдается на 10 – м уровне времени, что соответствует 20 мин от начала ливня и от начала хода процесса стока. При этом следует отметить, что спад паводка происходит более стремительно, чем подъем. Это объясняется опять же меньшей концентрацией стока на водосборном бассейне, в отличие от прохождения ливневого фронта «по стоку», где интенсивность спада паводка условно можно считать совпадающей с интенсивностью подъема, т. е. гидрограф стока практически симметричен относительно вертикали с максимальным значением расхода стока.
При прохождении ливневого фронта поперек стока, т. е. в направлении перпендикулярном стоку, максимальный расход имеет значение 7,64 м3/с на 22 – й мин паводка. В данном случае имеет место влияние ширины водосбора. В средней части она составляет 600 метров, что более, чем в два раза меньше протяженности лога (см. табл. 3). Поэтому сказывается влияние на формирование величины максимального расхода стока формы водосборного бассейна, а именно соотношение длины лога водосбора и его ширины. О процессе формирования стока при прохождении ливневого фронта можно судить по изменению глубин стока по склонам водосбора (рис. 10). На склонах водосбора происходит формирование паводковой волны при продвижении ливневого фронта. Причем на склоне 1 паводковая волна формируется в направлении «по стоку», а на склоне №2 паводковая волна формируется в направлении «против стока». Поэтому, как и в случае прохождения ливневого фронта в направлении «против стока» по логу водосбора, склон №2 в процессе формирования стока участвует частично вследствие того, что часть стока успеет достичь лога водосбора прежде, чем ливневой фронт достигнет линии водораздела на склоне №2.
Форма водосбора, в которой преобладающее влияние на форми-
рование стока оказывают склоны водосбора, должна иметь лог значительно короче склонов. Такая форма естественных водосборов встречается очень редко и, как правило, имеет искусственное происхождение, например, сток с придорожной полосы отвода. Преобладающее количество водосборов в рельефе при пересечении их трассой проектируемой автомобильной дороги имеет протяженность лога водосбора от приблизительно равной суммарной протяженности склонов до вытянутой в направлении протяженности лога. Кроме того, в процессе прохождения ливневого фронта в направлении по протяженности лога («по стоку» или « против стока») в формировании максимального расхода стока принимают участие одновременно оба склона водосбора. Это является основной причиной того, что при прохождении ливневого фронта в направлении по протяженности лога значение максимального расхода больше, чем при прохождении ливневого фронта поперек водосборного бассейна.
Результаты массового численного эксперимента показали, что формирование стока ливневых вод происходит аналогично рассмотренным, т.е. на поверхности водосборного бассейна происходит формирование паводковой волны.
В следующей серии экспериментальных расчетов выявлено влияние скорости прохождения ливневого фронта на величину максимального расхода и объема стока.
Параметры ливня и водосборного бассейна были приняты аналогично применяемым в экспериментальных расчетах при анализе влияния направления прохождения ливневого фронта. Серия экспериментальных расчетов проводилась при прохождении ливневого фронта как «по стоку», так и «против стока».
Для выявления влияния скорости прохождения фронта экспериментальные расчеты выполнялись при скоростях прохождения ливневых фронтов 3 км/ч и 10 км/ч.
Гидрографы стока данной серии экспериментальных расчетов (рис.11) выполнены при скорости прохождения ливневого фронта 3 км/ч.
Рис. 11. Гидрографы стока ливневых вод с водосбора №1; в серии экспериментальных расчетов при различном направлении прохождения ливневого фронта со скоростью 3 км/ч
Рис. 12. Формирование паводковой волны над водосбором №1 при прохождении ливневого фронта в направлении «по стоку в главном логу»
со скоростью 3 км/ч
Рис. 13. Формирование паводковой волны над водосбором №1 при прохождении ливневого фронта в направлении «против стока в главном логу» со скоростью 3 км/ч
Рис. 14. Гидрографы стока ливневых вод с водосбора №1; в
серии экспериментальных расчетов скорость 10 км/ч
Рис. 15. Формирование паводковой волны над водосбором №1 при прохождении ливневого фронта в направлении «по стоку в главном логу» со скоростью 10 км/ч
Рис. 16. Формирование паводковой волны над водосбором №1 при прохождении ливневого фронта в направлении «против стока в главном логу» со скоростью 10 км/ч
Величина максимального расхода стока при движении ливневого фронта в направлении «по стоку» составила 5,98 м3/с, а против стока - 5,45 м3/с. Время наступления максимального расхода стока при движении ливневого фронта «по стоку» составило 33 мин, а при движении ливневого фронта в направлении против стока 30 мин. Следует обратить внимание на отличие формы гидрографа при движении ливневого фронта в направлении «по стоку» и «против стока».
Ветвь подъема гидрографа при движении фронта «по стоку» имеет вогнутый вид, а при движении ливневого фронта «против стока» - выпуклый, что указывает на то, что интенсивность притока к проектируемому водопропускному сооружению во втором случае значительно выше. Но в то же время ветвь сброса гидрографа стока при движении ливневого фронта в направлении «по стоку» имеет выпуклый
вид, в отличие от ветви сброса при движении «против стока». Это указывает на то, что приток ливневой воды к сооружению проходит более интенсивно, но менее продолжительно. Формирование паводковой волны в данной серии экспериментальных расчетов представлено на рис. 12 и 13. Характер формирования максимальных расходов стока указывает на волновую природу формирования стока ливневых вод. При прохождении ливневого фронта против стока максимальный расход стока наступает в тот момент, когда начинается спад глубин потока и возрастают скорости движения ливневых вод по поверхности водосбора. В экспериментальных расчетах, результаты которых представлены на рис. 14, 15 и 16, ливневой фронт продвигался над водосборным бассейном со скоростью 10 км/ч. Характер формирования гидрографа стока аналогичен процессу формирования стока при скорости движения ливневого фронта 3 км/ч, т.е. вогнутость и выпуклость соответствующих ветвей подъема и спада
гидрографа аналогичны предыдущим экспериментальным расчетам. Но величины максимальных расходов как при движении «по стоку», так и «против стока», превышают величины максимальных расходов при движении ливневого фронта со скоростью 3 км/ч. Величина максимального расхода при движении ливневого фронта по стоку равна 10,11м3/с, а при движении ливневого фронта против стока 9,25 м3/с.
В результате увеличения скорости прохождения ливневого фронта над водосборной площадью при фиксированной длительности ливня слой выпавших осадков на поверхность водосборного бассейна также возрастает. Объясняется это тем, что при движении ливневого фронта со скоростью 3 км/ч и продолжительности ливня 25 мин протяженность самого ливневого фронта составит 1,25 км. А при движении ливневого фронта со скоростью 10 км/ч при той же продолжительности ливня 25 мин протяженность ливневого фронта составит уже 4,17 км. При прохождении ливневого фронта над водосбором, слой выпавших осадков следует определять исходя из времени прохождения ливневого фронта над водосборным бассейном (рис. 17), которое определится как
, мин, (9)
Рис. 17. Схема формирования расчетной продолжительности ливня при прохождении ливневого фронта над водосбором
где 
– полное время прохождения ливневого фронта над водосбором, от начала ливня до его окончания, мин; 
– полный путь, проходимый ливневым фронтом над водосборным бассейном за время ливня, начиная с фронтальной его части от водораздела, заканчивая его тыловой частью над створом проектируемого сооружения автомобильной дороги, определяемый как 
, км, где 
– протяженность лога водосбора, определяется по материалам топографической съемки местности, км; 
– протяженность ливневого фронта, определяемая как 
, км.
Анализ влияния метеорологических параметров на процесс стока ливневых вод, выполненный в ранее представленных сериях, показывает, что момент наступления максимального расхода в створе проектируемого водопропускного сооружения на автомобильной дороге непосредственно имеет связь с достижением этого створа паводковой волной. На водосборном бассейне имеет место перемещение створа с максимальным расходом по главному логу, т.е. перемещение паводковой волны.
Из экспериментальных расчетов следует, что за время достижения паводковой волной створа проектируемого водопропускного сооружения следует принимать время достижения сечения с максимальным расходом, движущимся по главному логу водосбора, указанного створа
,мин, (10)
где 
- число уровней времени до момента достижения паводковой волной завершающего створа.
При известном времени достижения паводковой волной завершающего створа водосбора и известной длине главного лога водосбора скорость достижения паводковой волной завершающего створа определится как
, км/мин. (11)
Для выявления степени влияния поверхностных характеристик водосборов на скорость достижения паводковой волной завершающего створа и получения экспериментальных зависимостей были выполнены экспериментальные расчеты путем математического моделирования на ПЭВМ.
На основании полученных данных было установлено, что скорость формирования паводковой волны является одной из основных величин, влияющих на формирование максимального расхода, и исследовались следующие факторы на 
: величины уклона лога - Iлога ; коэффициента шероховатости лога - mлога ; длины лога - Lлога; скорости прохождения ливневого фронта (тучи):
. (12)
Графически изменения 
представлены на рис. 18. По результатам многочисленных экспериментов на ПЭВМ для определения 
была получена следующая зависимость:
, км/мин. (13)
где 
- коэффициент, представляющий собой отношение скорости паводковой волны при конкретных параметрах русла к скорости паводковой волны при минимальных параметрах русла и скорости движения тучи, т. е. при 
минимальная скорость паводковой волны, полученная в экспериментальных расчетах, имеет значение 
.
Из этих данных следует, что коэффициент 
- есть функция от частных коэффициентов, т.е. Kv=f(vтучи/vтучи min, Lлога/Lл min, Iлога), и, следовательно, должен учитывать влияние этих коэффициентов, т.е. 
:
. (14)
Определение коэффициента 
с учетом показателя гладкости русла целесообразно разделить на три характерных для встречающихся в практике проектирования автомобильных дорог пересекаемых русел и логов временных водотоков, группы: первая группа – сильно заросшее русло в завалах и валунах - 
; вторая группа – русла, покрытые невысокой луговой растительностью, выгон, пашня, ровный луг с редкой травой - 
; третья группа – русла и поверхности с гладкой, спланированной, хорошо укатанной поверхностью, асфальтобетон, цементобетон - 
>30.
Частные коэффициенты характеризуют влияние отдельных параметров на формирование паводковой волны:
- влияние скорости перемещения ливневой тучи над водосбором; 
- влияние длины лога; 
- влияние уклона лога.
По экспериментальным данным формирования паводковой волны были получены следующие зависимости коэффициента скорости
при различных показателях гладкости водосбора:
для 
, (15)
Рис. 18. Графики скоростей паводковой волны в зависимости от параметров водосборного бассейна при различных скоростях прохождения ливневого фронта
для 
, (16)
для 
. (17)
Таким образом, скорость движения паводковой волны в зависимости от скорости прохождения ливневой тучи, длины лога, уклона лога и показателя гладкости лога представляется возможным определить по зависимости (13).
5. РАСЧЕТ СТОКА ЛИВНЕВЫХ ВОД ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ВОДОПРОПУСКНЫХ СООРУЖЕНИЙ НА ДОРОГАХ
В данной главе выполнен анализ результатов экспериментальных расчетов, из которых следует, что длительность ливневого паводка состоит из двух основных периодов: первый период – время подъема паводка, второй период – время спада паводка. Продолжительность периода подъема паводка определяется временем, за которое паводковая волна проходит путь от водораздела до расчетного створа (створа проектируемого сооружения на автомобильной дороге) по руслу главного лога. Второй период – время от момента достижения паводковой волной расчетного створа до полного осушения водосборного бассейна от ливневой воды.
Первый период формирования стока уже рассмотрен. Для него характерно совместное стекание ливневых вод по склонам и руслу водосбора по мере открытия ливневым фронтом площади водосборного бассейна.
Для определения времени спада паводка после прохождения тыловой границы ливневого фронта путем экспериментальных расчетов были получены значения коэффициента времени спада 
. Коэффициент 
- есть отношение времени спада паводка после прохождения ливневой тучи над водосборным бассейном ко времени подъема:
. (18)
Анализ данных экспериментальных расчетов показал, что основным фактором, влияющим на значение коэффициента 
, является отношение длины лога к ширине водосборного бассейна в средней части 
. По полученным осредненным экспериментальным значениям 
был установлен вид эмпирической зависимости, т.е. установлен 
.
Для невпитывающей поверхности
имеет вид:
. (19)
Таким образом, время спада паводка с учетом коэффициента спада паводка 
определится как
. (20)
С целью учета влияния на время спада паводка потерь на впитывание в подстилающий поверхность водосборного бассейна грунт были выполнены экспериментальные расчеты при различных грунтах по степени впитываемости. При этом потери стока на впитывание, а следовательно, и объем стока изменяются от 10 % до 70% в зависимости от рода подстилающих поверхность водосборного бассейна грунтов.
Анализ материалов математического моделирования стока ливневых вод показывает, что процесс потерь фактически прекращается после прекращения стока и не заканчивается на момент прекращения ливня. Так как сток по поверхности водосборного бассейна направлен от водораздела к расчетному створу, то и осушение поверхности водосборного бассейна происходит в том же направлении. Следовательно, определение слоя стока необходимо выполнять по схеме, представленной на рис. 19.
Рис. 19. Схема учета потерь на впитывание при формировании слоя стока
По результатам экспериментальных расчетов получены эмпирические зависимости для определения коэффициента спада паводка 
для каждого вида грунтов:
Категория II, грунт – глины
. (21)
Категория III, грунт – суглинки
. (22)
Категория IV, грунт - супесь
. (23)
Категория V, грунт – пески
. (24)
Таким образом, определив время спада и далее полное время формирования гидрографа, представляется возможным определить величину потерь стока на впитывание для каждого вида грунтов, подстилающих конкретный водосборный бассейн до полного осушения водосборного бассейна.
Существующая в настоящее время методика расчета параметров ливневого стока основана на принципе предельных интенсивностей. Такой подход к решению данной пространственно-временной задачи в то время был оправдан, так как охватить наблюдением обширнейшие территории, на которых необходимо установить закономерности процесса формирования ливневого стока, не представлялось возможным из-за пространственно – временного фактора исследуемого явления. Расчет величины максимального расхода стока выполняется по формуле
, м3/с, (25)
где 
- площадь водосборного бассейна, км2; 
- интенсивность ливня часовой продолжительности (мм/мин), в зависимости от ливневого района и вероятности превышения паводка (ВП%); 
- коэффициент потерь стока, учитывающий впитывание и смачивание растительности, принимается по таблицам нормативных документов; 
- коэффициент редукции, учитывающий неравномерность выпадения осадков по площади водосбора, принимается в зависимости от величины площади водосборного бассейна; 
- коэффициент приведения интенсивности ливня часовой продолжительности к интенсивности ливня расчетной продолжительности.
При исследовании процесса стока ливневых вод с применением математической модели было установлено, что основным параметром наступления момента максимального расхода является время формирования паводковой волны при прохождении ливневых фронтов над водосборной площадью. Следовательно, для перехода от ливня часовой интенсивности к ливню расчетной интенсивности для конкретного водосборного бассейна представляется возможным применить время формирования паводковой волны, которое можно определить по формуле
(мин.), (26)
где 
- протяженность главного лога водосборного бассейна, считая от самой удаленной точки на водоразделе до створа проектируемого водопропускного сооружения на автомобильной дороге, (км); 
- скорость паводковой волны, движущейся по главному логу водосбора во время прохождения ливневого фронта над водосборным бассейном в направлении по стоку (км/мин).
В расчетах коэффициента перехода от ливня часовой интенсивности к ливню расчетной интенсивности необходимо применять скорость движения паводковой волны по главному логу водосборного бассейна, т. е.
. (27)
Скорость прохождения паводковой волны следует определять по эмпирической формуле (13).
Далее для расчета необходимо определить время спада паводка. Оно определяется по зависимости (20). Зная время спада паводка, можно определить коэффициент потерь стока после прекращения ливня - 
. Коэффициент 
следует определять по зависимостям, полученным для разных видов грунтов с учетом времени спада:
для глин
, (28)
для суглинков
, (29)
для супеси
, (30)
для песков
. (31)
Объем ливневого стока следует определять по формуле
(м3). (32)
С целью установления возможности применения полученных зависимостей и методики для расчета стока ливневых вод на основе формирования паводковой волны были выполнены расчёты стока по двенадцати водосборным бассейнам с различными параметрами. По полученным результатам расчета стока были приняты основные раз- меры водопропускных сооружений на автомобильных дорогах в соот-
ветствии со СНиП 2.05.03-84 «Мосты и трубы».
Предполагаемая экономическая целесообразность применения методики расчета стока ливневых вод на основе формирования паводковой волны при проектировании водопропускных сооружений на автомобильных дорогах оценивалась по строительной стоимости. Расчеты показали, что при протяженности лога водосборного бассейна до 1,5 км величины максимальных расходов меньше, чем по традиционной методике. Отличие составляет в отдельных случаях до 40 – 45%. В то же время при протяженности главного лога водосборного бассейна более указанной величины наблюдается увеличение величин максимальных расходов в отдельных случаях до двух раз. Это же имеет место и при моделировании стока на математической модели. Получение больших значений максимальных расходов заставляет применять большие размеры водопропускных сооружений, т.е. принять более обоснованные проектные решения с позиции повышения надежности их работы. В то же время пониженные величины максимальных расходов стока позволяют исключить необоснованные затраты.
Волновой характер формирования стока ливневых вод особенно проявляется при более протяженных логах водосборных бассейнов. Наблюдается также ситуация, когда максимальные расходы стока имеют незначительное отличие. При этом объемы стока отличаются значительно. В сравнительных расчетах, при относительно равных типоразмерах назначаемых водопропускных сооружениях имеет место уменьшение либо увеличение отметки насыпи земляного полотна за счет изменения величины подпора перед сооружением, а также укрепительных мероприятий в нижнем бьефе водопропускного сооружения. Все водопропускные сооружения запроектированы на безнапорный режим работы.
Анализ данных стоимости водопропускных сооружений показывает, что даже при одинаковых диаметрах труб экономический эффект составляет до 1,5%. Максимальный экономический эффект составил 36,7 %.
Заключение
Гидрологическое обоснование проектных решений автомобильных дорог должно предусматривать, в конечном итоге, создание надежных и долговечных водопропускных сооружений, способных противостоять высоким паводкам, а также принимать целесообразные решения плана и продольного профиля автомобильных дорог в местах пересечений водотоков, с целью обеспечения функциональной надежности всех конструктивных элементов дороги, включая воздействие ливневого стока непосредственно и с полосы отвода автомобильной дороги.
Полученные автором результаты позволяют впервые представить процесс формирования стока ливневых вод максимально приближенный к реальному, с позиций исключающих целый ряд допущений, свойственных современному мнению и существенно изменить представление о формировании ливневого стока в виду следующих причин:
в настоящее время неудовлетворенность положения в теории и практике гидрологических расчетов при проектировании водопропускных сооружений на автомобильных дорогах все более подчеркивает насущную необходимость их модернизации и совершенства;
выполненные автором наблюдения за процессом прохождения ливней показывают на нестационарность гидрологических данных. Создалась ситуация, когда методы расчетов стока ливневых вод, при наличии используемых в настоящее время наблюдений (получение эмпирических и аналитических зависимостей, кривых распределения на материалах гидрометрических данных), теряют свою состоятельность из-за антропогенных изменений в атмосфере, литосфере, биосфере и т.д. В качестве основы для создания методов гидрологических расчетов нового поколения должно служить математическое моделирование всего комплекса процессов составляющих в конечном результате формирование стока ливневых вод. В данной работе впервые сформулированы и определены новые наиболее целесообразные компоненты комплекса гидрологических изысканий и расчетов в транспортном строительстве как новое научное направление.
Исходя из выше сказанного, следуют следующие основные выводы:
1. В настоящее время назрела острая необходимость детально исследовать процесс формирования стока ливневых вод. Таким образом, проблема заключается в методологических аспектах технологии моделирования ливневого стока при расчетах системы водоотвода и водопропускных сооружений на автомобильных, железных дорогах и аэродромах
2. В данной работе представлены и обоснованы новые методологические основы технологии математического моделирования стока ливневых вод на основе представления поверхности водосборного бассейна в виде математической модели на горизонталях, которая в принципе позволяет моделировать водосборы с любой степенью детализации.
3. Автором разработана новая математическая модель ливневого стока с водосборов на горизонталях в виде криволинейной ортогональной плавной решетки, составленной из горизонталей и линий склонового стока.
4. В работе впервые представляется возможность исключить ранее сделанные допущения, характерные для существующей ныне технологии гидрологических изысканий и расчетов стока ливневых вод, а именно: движение поверхностных вод допускалось равномерным; ход ливня постоянным во времени; ход потерь на впитывание в подстилающий поверхность водосборного бассейна грунт, также постоянным во времени; поток по своей протяженности рассматривался как поток с постоянной массой по длине; не учитывались новые значимые факторы, такие как скорость и направление прохождения ливневых фронтов. Следовательно, существующие методы расчета параметров стока не могли дать результат, который бы максимально учитывал реальный процесс. Что, в свою очередь, влияло на принятие надежных и качественных решений при проектировании водопропускных сооружений на автомобильных и железных дорогах.
5. По результатам выполненных исследований впервые установлено, что величина максимального расхода зависит от скоростей и направления прохождения ливневых фронтов относительно направления стока в русле водосборного бассейна.
6. Обнаружено новое явление в гидрологии - процесс формирования максимального расхода имеет волновой характер, и величины максимальных расходов при прохождении ливневых фронтов над водосборными площадями формируются независимо от времени добегания «условной элементарной частицы жидкости» от водораздела до створа проектируемого водопропускного сооружения. Сам процесс добегания имеет неустановившийся характер и, следовательно, является частным случаем при определенных условиях, свойственных отдельным регионам территорий земной поверхности.
7. Впервые установлено, что потери стока ливневых вод на впитывание в подстилающий поверхность водосборного бассейна грунт не заканчиваются с окончанием ливня, а продолжаются до полного освобождения поверхности водосборного бассейна от поверхностного стока, что также имеет нестационарный характер.
8. На основании данных результатов моделирования стока ливневых вод получены экспериментальные зависимости для определения величин максимальных расходов и объемов стока в зависимости от времени формирования паводковой волны, параметров водосборного бассейна, скорости и направления прохождения ливневого фронта над водосборным бассейном. Получены зависимости для определения потерь стока на впитывание до полного осушения поверхности водосборного бассейна;
