При проведении инженерно-гидрометеорологических изысканий одной из ключевых задач, как правило, является расчет гидрологических характеристик неизученных и малоизученных рек. Чаще всего эту задачу приходится решать для малых рек и временных водотоков в силу большего их количества по сравнению со средними и большими реками на участке изысканий.
Главным отличием малых рек является их азональность. Местные геолого-геоморфологические, почвенно-ботанические, микроклиматические и другие особенности водосборов зачастую играют большую роль в формировании их режима, чем общие зональные закономерности, выявленные в целом для региона. Чем меньше размер водотока, тем сильнее проявляется роль азональных факторов. В связи с этим, реальные значения характерных расходов воды малых рек и особенно временных водотоков могут существенно отличаться от рассчитанных по действующим методикам, использующим региональные обобщения.
При проведении инженерных изысканий практически всегда требуется определить максимальные расходы воды водотоков, которые могут оказать влияние на проектируемые объекты. Они рассчитываются отдельно для половодья и паводков. Ряд параметров для расчета требуется определять по данным рек-аналогов. Так, например, максимальные расходы воды половодья в соответствии с СП 33-101-2003 определяются по редукционной формуле, в которой в первой степени присутствует коэффициент дружности весеннего половодья, определяемый обратным пересчетом с использованием данных рек-аналогов. По логике, это должно означать, что для близко расположенных гидрологических постов его значения не должны сильно отличаться. Однако, в реальности для малых рек, даже близкорасположенных, его значения могут различаться в разы. Так, например, для малых рек бассейна р. Оки значения коэффициентов дружности находятся в диапазоне от 0,005 до 0,034 и практически не подчиняются пространственным закономерностям.
Следует подчеркнуть, что бассейн р. Оки находится в центре Европейской части России и имеет относительно (других бассейнов) высокую концентрацию гидрологических постов, что позволяет подобрать хороший аналог. В ряде других регионов РФ освещенность рек гидрологическими наблюдениями значительно слабее. Хуже всего ситуация обстоит именно с малыми реками. Если взять в качестве примера бассейны рек Северного склона европейской части России, то на нем протекает 7 больших, 114 средних и более 8 тыс. малых рек. На этих реках находится 175 действующих гидрологических постов. Из них 22 расположены на больших реках, 85 – на средних, а 68 – на малых. Несложные арифметические операции позволяют сделать вывод, что на каждой большой реке расположен как минимум один, а чаще два и более гидрологических поста. Это позволяет провести для них расчет гидрологических характеристик с относительно высокой точностью. На средних реках гидрологический мониторинг охватывает более половины из них. Это дает возможность провести региональные обобщения, с помощью которых можно оценить характеристики стока остальных средних рек. Что же касается малых рек, то здесь один гидрологический пост приходится более чем на сто рек. Очевидно, что это не позволяет выявить азональные особенности многих из них.
Еще одной из важных проблем является доступность данных наблюдений по гидрологическим постам. Очевидно, что для наиболее точного определения характеристик стока неизученных рек необходимо использование данных как можно большего числа гидрологических постов для выявления, как четких зональных закономерностей, так и возможных азональных отклонений. В открытом доступе данные гидрологических постов имеются лишь до середины – конца 1980-х гг., а по некоторым характеристикам, в частности слою стока весеннего половодья, также входящего в расчетную редукционную формулу, только до 1980 г. С учетом происходящих современных климатических изменений, этих данных чаще всего бывает недостаточно для оценки характеристик стока рек. Подтверждением этому служат катастрофические паводки, прошедшие на реках России в XXI веке, когда были превышены исторические максимумы расходов воды ряда рек. Недоучет их значений при проведении гидрологических расчетов приведет к явному занижению искомых характеристик максимального стока.
Данные гидрологических постов за период с конца 1980-х гг. предоставляются органами Гидрометслужбы России на коммерческой основе. Стоимость данных может существенно отличаться в разных территориальных органах. Часто стоимость приобретения гидрологических данных по 2 – 3 гидрологическим постам оказывается сопоставимой с полной сметной стоимостью инженерно-гидрометеорологических изысканий. Поэтому, лишь при выполнении изысканий по крупным проектам есть возможность приобретения современной гидрологической информации по относительно большому количеству гидрологических постов. При выполнении небольших проектов, приобретение гидрологических данных зачастую сводится к одному посту, поскольку большее количество оказывается неподъемным для бюджета проекта. Вышеприведенный пример для бассейна р. Оки показывает, что значения коэффициента дружности весеннего половодья для этого поста могут оказаться в несколько раз меньше, чем для соседних постов, данные по которым отсутствуют. Отсутствие данных при этом может быть не только стоимостным вопросом в рамках бюджета проекта, но и отсутствия самих наблюдений в фонде данных органов Росгидромета на участке изысканий или участке-аналоге. Это приведет к аналогичному по кратности занижению или завышению расчетных характеристик максимального стока и, как следствие, ошибочное принятие проектных решений.
В большинстве случаев, при подготовке рекомендации в рамках подготовки отчета по инженерно-гидрометеорологическим изысканиям исполнитель придерживается наиболее консервативных значений исходных параметров, и как следствие получаемых результатов гидрологических расчетов. Данных подход находит одобрение экспертов при рассмотрении проектной документации и материалов изысканий с точки зрения безопасности эксплуатации проектируемого объекта. Однако, более безопасные решения предполагают и более затратные проектные решения как для строительства, так и для эксплуатации объектов. Точность и достаточность исходных параметров для гидрологических расчетов может позволить (иногда в разы) сократить капитальные затраты на комплекс сооружений для водоотведения, а также сократить риск последующего негативного воздействия на проектируемые объекты.
Так для расчета максимальных расходов воды дождевых паводков небольших водотоков используется формула предельной интенсивности (ФПИ), представляющая зависимость максимальных расходов воды от суточного максимума осадков. Из названия формулы следует, что она, по сути, представляет не зависимость, а скорее ее верхнюю огибающую. В итоге получается, что, например, при проектировании нагорных канав для отведения стока с прилегающих склонов использование ФПИ может привести к необходимости увеличения габаритов данного сооружения в 2,5 – 3 раза. В условиях действующих промышленных предприятий, размещенных на застроенных территориях, данное решение также предполагает значимый вопрос земельного отвода для размещения сооружения для водоотведения, что в комплексе увеличивает капитальные затраты и сроки реализации такого решения.
Из вышеизложенного следует, что при проведении инженерно-гидрометеорологических изысканий необходимо организовывать временные гидрологические посты. Количество таких постов должно определяться в зависимости от конкретных условий района проведения работ. Не возможно организовать их на всех водотоках, включая временные, находящихся в зоне потенциального влияния на проектируемые объекты. Поэтому, в каждом случае следует определить оптимальный их набор. На этих постах следует вести фиксацию уровней воды в автоматическом режиме, а несколько раз в год при разных значениях уровней проводить измерения расходов воды для получения их зависимости от уровней. Далее с использованием синхронных наблюдений на временных гидрологических постах и действующих постах Гидрометслужбы России, можно будет привязать полученные данные к многолетним рядам наблюдений и более точно оценить расчетные гидрологические характеристики водотоков, оказывающих потенциальное влияние на проектируемые объекты.
Косицкий А.Г., к.г.н., доцент кафедры гидрологии суши МГУ им. М.В Ломоносова
Добрякова Е.А., зам. генерального директора по инженерным изысканиям АО «ГК ШАНЭКО»
http://izyskateli.info/2020/07/sezonnyj-vestnik-7-46/
