Раздел II 2. Хидрология на урбанизираните територии Тема 7 Измерване на дъждовните води • Оразмерително количество на отпадъчни води – общи бележки дъждовните • Дъждомери – видове , принципно устройство • Основни параметри на дъжда • Връзка между основните параметри на дъжда 1
Раздел II, Тема 7 7. 1. Оразмерително количество на дъждовните отпадъчни води – общи бележки • • • Дъждовното количество, което преминава през дадено сечение на канализационната мрежа, е променлива величина със стохастичен (вероятностен) характер. То зависи от редица фактори, които според своя характер и място на проявление, могат да бъдат групирани в следните основни групи: Валежно количество и неговото пространствено и времево разпределение Топография и размери на водосбора, повърхностни покрития (пропускливи, непропускливи, определящи загубата на дъждовна вода) и тяхното пространствено разпределение по пътя на дъждовния отток Пространствена конфигурация и геометрични параметри на канализационната мрежа, както и нейните хидравлични особености 2
7. 1. Оразмерително количество на дъждовните отпадъчни води – общи бележки • Първата група от горните фактори може да бъде изследвана чрез измерване на падащия дъжд и съответна обработка на данните и по-специално – чрез измерване и статистически изследвания на определени параметри на дъжда • Втората група фактори е обект на изследване чрез методите и подходите на хидрологията и по-специално – на т. н. “градска хидрология” или “хидрология на урбанизираните територии” (“Urban Hydrology”) • Третата група фактори е обект на изследване чрез методите и подходите на класическата хидравлика и по-специално - на хидравликата на безнапорни (в определени ситуации и на напорни), гравитационни, нестационарни, неравномерни водни потоци 3
Раздел II, Тема 7 7. 2. Дъждомери – видове, принципно устройство • • • Видове дъждомери Класически (обикновени) Самопишещи (омбрографи, плювиографи) Видове самопишещи дъждомери Тип “Helman” Тип “Преобръщаща се кофичка” (“Tipping bucket”) Тип “Капкомер” Метеорологични автоматизирани радари 4
7. 2. Дъждомери – видове, принципно устройство Обикновен (класически) дъждомер 5
7. 2. Дъждомери – видове, принципно устройство Схема на самопишещ дъждомер тип “Helman” 6
7. 2. Дъждомери – видове, принципно устройство Общ вид на самопишещ дъждомер тип “Helman” 7
7. 2. Дъждомери – видове, принципно устройство Първичен (необработен) запис от самопишещ дъждомер тип “Helman” (омброграма, плювиограма) 8
7. 2. Дъждомери – видове, принципно устройство Обработена (разчетена) графика на запис от самопишещ дъждомер тип “Helman” 9
7. 2. Дъждомери – видове, принципно устройство Самопишещ дъждомер тип “преобръщаща се кофичка” (“tipping bucket”) 10
7. 2. Дъждомери – видове, принципно устройство Схема на измерване на дъждове с радар 11
7. 2. Дъждомери – видове, принципно устройство Измерване на дъждовната интензивност в дадена точка с радар • Метеорологичните радари излъчват радиовълни с дължина 3 – 10 cm и честота 500 – 1000 Hz, които се отразяват от дъждовните капки и мощността на отразения сигнал се регистрира от радара. Радарната антена се върти с честота 0, 2 min-1 , облъчвайки цялото пространство около себе си до видимия хоризонт • Отразената от дъждовните капки мощност на сигнала – Pr зависи от плътността на отразяващия обект, разстоянието до него и оптичните съпротивления по пътя на сигнала, характеризирани от следните параметри, свързани чрез формулата: където С е константа на радара (служеща за неговото тариране) L 2(r) – фактор на разсейване (отчитащ отслабването на сигнала от оптичните съпротивления по пътя му до и от обекта) z’ – отразителна интензивност на сигнала, mm 6/m 3 12 r – разстояние от радара до точката на измерване, m
7. 2. Дъждомери – видове, принципно устройство • Връзката между отразителната интензивност на сигнала - и интензивността на дъжда – се определя чрез емпиричната формула на Marshall и Palmer: където А и α са емпирични константи; например A = 200 и α = 1, 6 i – физическа интензивност на дъжда, mm/h • Формулата на Marshall-Palmer може да бъде представена и във вида: или • Например за метеорологичния автоматизиран радар на НИМХ при БАН край с. Гелеменово, Пазарджишко, относно x важи израза: 13
7. 2. Дъждомери – видове, принципно устройство • Тъй като при реален дъжд стойностите на отражателната интензивност – z’ в отделни точки на валежното поле варират в много широк диапазон, различаващи се обикновено от 10 до 1000 пъти, възниква проблем при тяхното графично представяне и интерпретация в един общ мащаб • За избягване на това неудобство, отражателната интензивност – z’ се представя чрез своята логаритмувана и редуцирана 10 пъти стойност - параметъра z, наречен с термина “децибел-зет” или “ди-би-зет”, според неговата дименсия – d. Bz, съгласно израза: 14
7. 2. Дъждомери – видове, принципно устройство Графика от радар с цифров код (оцветен) относно пространственото разпределение 15 на дъжда върху речен басейн край Токио, Япония
7. 2. Дъждомери – видове, принципно устройство Графики от радар с цветови код относно пространственото и времево разпределение на дъжда 16
7. 2. Дъждомери – видове, принципно устройство Графики от радара на НИМХ при БАН край с. Гелеменово с цветови код относно пространственото и времево разпределение на дъжда 17
Раздел II, Тема 7 7. 3. Основни параметри на дъжда Основните елементи, характеризиращи дъждовете, са следните: • Времетраене • Интензивност • Повтаряемост Времетраене на дъжда • Определя се директно от плювиограмите (омброграмите) на • • • самопишещите дъждомери и се измерва в min За канализацията интерес представляват интензивните дъждове, чиято продължителност обикновено не превишава 60 min ( или по -рядко - 120 min) Често в плювиограмите се наблюдават интервали в които дъжда е престанал. Това поставя въпроса за броя на дъждовете и тяхната продължителност в рамките на един запис (плювиограма) Прието е условно прекъсвания с продължителност до 30 min да се считат като част от един валеж, но с нулева интензивност в този 18 интервал
7. 3. Основни параметри на дъжда Интензивност на дъжда • В хидрологията на урбанизираните територии се използват следите видове интензивност на дъжда: – Физическа интензивност (по воден слой) – i, mm/min – Техническа интензивност (по водно количество) – q, l/s. ha • Физическата интензивност се определя от отношението на валежната височина (височината на водния слой) – h към времето за неговото образуване (т. е. , времетраенето на дъжда) – t: • , mm/min Така определената физическа интензивност се нарича още средна интензивност на дъжда и се представя числено с тангенса на ъгъла, който сключва с хоризонта правата, свързваща началната с крайната точка на плювиограмата 19
7. 3. Основни параметри на дъжда • Интензивността в даден момент от валежа се нарича моментна • интензивност на дъжда и се отразява с тангенса на ъгъла, който сключва с хоризонта тангентата км дадената точка (дадения момент) на плювиограмата При разчитането (обработката) на плювиограмите обикновено се работи не с интензивността в даден момент, а с тази за определен интервал от време - ∆t, за който се е образувала междинна валежна височина (воден слой) - ∆h. Отношението ∆t / ∆h се нарича междинна интензивност на дъжда Техническа интензивност на дъжда • Изразява се с дъждовното водно количество, отнесено към единица • площ (1 ha) от водосбора – q, l/s. ha Връзката между физическата и техническата интензивност на дъжда се определя предвид на това, че 1 l дъждовна вода формира 1 mm валежна височина (воден слой) върху 1 m 2 от площта на водосбора, както следва: 20 , l/s. ha
7. 3. Основни параметри на дъжда Повтаряемост на дъжда • Този параметър на дъжда няма пряка връзка с физическата • • • същност на валежа, а представлява един вид негова статистическа характеристика Тъй като на регистриране и статистическа обработка подлежат конкретни величини с конкретен физически смисъл, то повтаряемостта на дъжда може да бъде определена по отношение на неговата продължителност (времетраене) или по отношение на интензивността му За оразмеряване на канализационната мрежа интерес представлява повтаряемостта на дъжда по отношение на неговата средна интензивност Ако разполагаме с данни за средната интензивност qi на m броя валежи, паднали (наблюдавани) за Т години и подредим тези интензивности в низходящ ред (по отношение на тяхната стойност) – q 1, q 2, q 3, q 4, …. . , qm, то повтаряемостта на даден валеж - n се определя от неговия пореден номер – N и периода на наблюдение – Т: n = N / T, [год-1] 21
7. 3. Основни параметри на дъжда • Следователно, повтаряемостта – n изразява броя на дъждовете с • • • дадена интензивност и с по-голяма от нея, които ще се случат за една година Параметърът повтаряемост на дъжда – n дава представа за вероятността от появата на валеж с дадена интензивност (или такъв с по-голяма от нея), но не изразява пряко тази вероятност в математическия смисъл на това понятие Вероятността на такова събитие - p, в строго математическия смисъл на това понятие, се определя с границата на отношението N / m (дефинирано като честота – nч), когато T → ∞ и е бездименсионна величина Например, ако приемем, че у нас годишно се случват средно по k = 50 бр. /год. (т. е. , дименсията е год. -1) дъждовни валежи и разполагаме с период на наблюдение Т = 20 г. , за целия този период общият брой на дъждовете е m = k. T = 50. 20 = 1000 бр. Ако при това приемем N = 5, за повтаряемостта получаваме n = N / Т = 5 / 20 = 0, 25 год-1, а за честотата nч = N / m = 5 / 1000 = 0, 005 или nч ~ p = 0, 5 % 22
7. 3. Основни параметри на дъжда • Надеждни стойности на повтаряемостта – n се получават при достатъчно дълъг период на наблюдение – Т > 40 г. (или поне Т > 20 г. ) • Между параметрите на дъжда времетраене - t , интензивност – i (или q) и повтаряемост – n (или честота – nч) съществува корелативна връзка, изразяваща се в общата тенденция поинтензивните дъждове да имат по-малко времетраене и по-малка повтаряемост • В англоезичната специализирана литература тази връзка е известна под името (абревиатурата) DIF (Duration – Intensity – Frequency) 23
7. 4. Връзка между основните параметри на дъжда • Най-общата тенденция, изразяваща зависимостта между средната • интензивност - qср и времетраенето на дъжда - t, може да се изследва статистически на базата на данни от наблюдения От дългогодишни наблюдения в различни страни в умерения климатичен пояс е установено, че данните от наблюденията, представени като точки в координатна система log qср – log t, се подреждат приблизително в права линия (т. е. , корелират линейно): • Уравнението на изравнителната права има следната структура: lg qср = lg A – n. lg t, където A и n са емпирични параметри 24
7. 4. Връзка между основните параметри на дъжда • За канализацията обаче представлява интерес не точно горната • • зависимост, съставена по отношение на средната интензивност на дъжда, а такава, валидна за всеки момент от времетраенето на дъжда (т. е. относно моментните интензивности - q) Графично представени, зависимостите q = f(t) се наричат “хиетографи” При хронологичното подреждане на моментните интензивности, обаче се получават графики с разнообразна форма, които не могат да бъдат подреждани и сравнявани по единни числови показатели Унифицирани по формата си графики могат да бъдат получени чрез т. н. “разчитане на плювиограмите” – процес на обработка на първичните записи (плювиограми), при който всеки от тях се трансформира в графика с определена (предварително избрана) форма При тази процедура се елиминира факторът “форма” на плювиограмите, (който в класическата статистика не може да бъде определен числено), което позволява тяхната статистическа обработка само чрез критериите “интензивност” и “времетраене”, които имат 25 определено числено изражение
7. 4. Връзка между основните параметри на дъжда • Процесът “разчитане на плювиограмите” изисква предварителен • • избор на формата на разчетените (трансформираните) пювиограми, към която да бъдат отнесени всички първични записи При това възниква въпросът коя е тази форма и как тя може да бъде обоснована По принцип плювиограмите на наблюдаваните в умерения климатичен пояс валежи могат да бъдат отнесени към някоя от следните стилизирани форми: a) б) в) г) д) е) 26
7. 4. Връзка между основните параметри на дъжда • Във връзка с това е важно да се знае, при равни параметри на сравняваните дъждове (обща валежна височина, времетраене), дъжд с каква форма на плювиограмата (и на съответстващия й хиетограф) ще предизвикат максимално възможно водно количество в разглежданото сечение • Както е известно, графичната зависимост между водното количество в дадено сечение от потока - Q и времето - t се нарича “хидрограф” • От представените по-долу сравнителни графики (виж следващия сайд), получени чрез компютърни симулации на хидрографи в определено сечение на канализационна мрежа, се вижда, че при равни други условия (обща валежна височина и времетраене), дъждът с форма на плювиограмата от вида д) (виж предишния слайд) предизвиква хидрограф с най висок пик (най-голямо водно количество) 27
7. 4. Връзка между основните параметри на дъжда Сравнителен анализ на хидрографи, предизвикани от дъждове с различна форма на плювиограмите при равни параметри – обща валежна височина и времетраене (плювиограмата 1 предизвиква хидрографа 1 с максимален пик, следвани от двойките съответстващи си графики с номера 2, 5, 7, 4, 9, 6 и т. н. ) 28
7. 4. Връзка между основните параметри на дъжда • От сравнителния анализ, представен гарафически по-горе (виж предишния слайд) следва да бъде избрана формата на плювиограмата № 1 като меродавна при разчитането на всички регистрирани плювиограми • Доколкото обаче при хидравличното оразмеряване на канализационните мрежи се взимат под внимание само интензивните дъждове, при избора на подходяща форма за разчитането на плювиограмите, възниква и въпросът за обезпечеността (вероятността за проявление - р) на дъждове с определени форми на плювиограмите и по-специално – каква е формата на плювиограмите на интензивните дъждове • Отговорът на този въпрос става ясен при анализа на следната фигура (виж следващия слайд), където са представени плювиограми на дъждове с различна вероятност на проявление р, наблюдавани в умерения климатичен пояс (Балкански полуостров): 29
7. 4. Връзка между основните параметри на дъжда Обобщени плювиограми на дъждове с различна вероятност на проявление - р 30
7. 4. Връзка между основните параметри на дъжда • От горната фигура (виж предишния слайд) се вижда, че плювиограмата с форма, близка до тази с номер 1 или форма д (виж съответно слайд 28 и слайд 26) е характерна за дъждове с голяма вероятност на проявление (р = 80 %) и малка интензивност, докато плювиограмата с форма, близка до тази с номер 7 или форма а е характерна за дъждове с малка вероятност на проявление (р = 10 %) и голяма интензивност • От примера на слайд 22 се вижда, че обичайните оразмерителни интензивни дъждове за които се оразмеряват канализационните мрежи са с още по-малка вероятност на проявление - р = 0, 5 % • Това обстоятелство, предвид и показана на горната фигура тенденция на изменение на формата на плювиограмите с намаляване на вероятността р, категорично показва, че интензивните дъждове по правило имат плювиограми с форма, подчертано близка до тази с номер 7 или форма а (виж съответно слайд 28 и слайд 26) 31
7. 4. Връзка между основните параметри на дъжда • От направения анализ става ясно, че меродавната форма за • • разчитане на плювиограмите на интензивните дъждове е тази с много стръмна начална част, последвана от период с плавно и постепенно намаляване на наклона Това дава основание разчитането на плювиограмите на интензивните дъждове за нуждите на канализацията да се извършва по т. н. “метод на максималната интензивност” (с максимална интензивност, явяваща се задължително в началото на кривата), познат от курса по дисциплината “Инженерна хидрология” Чрез така трансформираните (разчетените) плювиограми на действителните дъждове могат да бъдат построени и съответните им хиетографи – q = f(t), които са с форма, близка до хиперболичната и в координатна система log q – log t могат да се апроксимират с права линия с уравнение q = log A – n. log t, подобно на по-общата зависимост qср = f(t) (виж слайд 24) 32
7. 4. Връзка между основните параметри на дъжда → плювиограма хиетограф • Предвид зависимостта q = log A – n. log t, аналитичният израз на горния хиетограф има следния вид, известен като формула на Montana (в САЩ) или формула на Белов (в Русия): 33
7. 4. Връзка между основните параметри на дъжда • В руския Правилник “Строительные нормы и правила” –СНи. П 85 относно емпиричния параметър А се препоръчва следната формула: където q 20 е техническата интензивност на дъжд с t = 20 min и P = 1 г. m – средния брой дъждове в годината за даден район γ – константа, зависеща от географския район (за Русия γ = 1, 33 – 2, 2) n – емпиричната константа от формулата на Белов – Montana (n = 0, 5 – 0, 7) • Горната формула ще бъде използвана по-нататък при разглеждането на Тема 20 34
7. 4. Връзка между основните параметри на дъжда • Подобна трансформация на плювиограма от типа на тази с номер 7 или форма а (виж съответно слайд 28 и слайд 26) в съответен хиетограф има следния вид, известен като “хиетограф тип Чикаго”: → плювиограма хиетограф • В световната практика е известна и все още се използва в определени случаи и следната зависимост, известна като формула на Talbot (1891): 35
7. 4. Връзка между основните параметри на дъжда • Във връзка с оразмеряването на канализационните мрежи, в практиката се използва още един параметър, наречен “период на еднократно претоварване (препълване) на мрежата” – Р (return period), известен още и като “обезпеченост на канализационната мрежа” • Връзката между параметрите “период на еднократно претоварване (препълване) на мрежата” – Р и “повтаряемост на даден валеж – n” е реципрочна: P = 1 / n , [год. ] 36
7. 4. Връзка между основните параметри на дъжда • Периодът на еднократно претоварване на канализационната • • мрежа (обезпечеността на канализационната мрежа) - Р се дефинира като период от години в който се очаква да падне дъжд с дадена (избрана) интензивност или с по-голяма от нея По наложила се исторически традиция, оразмерителният дъжд за канализационната мрежа се определя не чрез параметъра повтаряемост – n, (който по дефиниция е пряко свързан с дъжда с определена/избрана интензивност), а чрез параметъра период на еднократно претоварване (препълване, обезпеченост) – Р Така, при избора на определена стойност на параметъра “период на еднократно претоварване” – Р, на практика се избира дъжд с определена средна интензивност, който се приема за оразмерителен за канализационната мрежа. Това дава основание параметърът “период на еднократно претоварване” да бъде означаван още и с термина “обезпеченост на канализационната мрежа”, който всъщност не е коректен от гледна точка на дефиницията на този термин в математиката 37
7. 4. Връзка между основните параметри на дъжда • Различните администрации по света използват и множество други • зависимости за аналитично описание на оразмерителните хиеографи, които могат да бъдат класифицирани в следните две групи: – Формули, съдържащи в явен вид параметъра “период на еднократно претоварване” – Р – Формули, съдържащи в неявен вид параметъра “период на еднократно претоварване” – Р Първата група зависимости имат вида: или където а 1, а 2, а 3, . . . а 8 са емпирични константи, някои от които могат да имат стойност 0 или 1 • Втората група зависимости имат вида: или 38
7. 4. Връзка между основните параметри на дъжда • В Наредба № РД-02 -20 -8 от 17 май 2013 г. “Правила и норми за проектиране, строителство и експлоатация на канализационни системи” към Закона за устройство на териториите (ЗУТ), относно оразмерителните хиетографи се препоръчват следните аналитични изрази: – За първа териториална зона (виж картата на следващия слайд) – За втора териториална зона или където Параметърът φt, P се отчита от таблица в зависимост от t и P 39
7. 4. Връзка между основните параметри на дъжда Схема с двете териториални зони в България, определени в зависимост от интензивността на дъждовете 40
7. 4. Връзка между основните параметри на дъжда • Оразмерителният дъжд с желан период на еднократно • • претоварване – Р може да бъде определен и чрез директна обработка на плювиограми, регистрирани в непосредствена близост до съответното населено място За целта всички плювиограми, наблюдавани в достатъчно дълъг период - Т, трябва да бъдат представени в координатна система log q – log t като начупени линии с приблизително линейна тенденция на развитие (виж фигурата на следващия слайд) От получения сноп от начупени линии трябва да бъде определена една нова начупена линия, чиито точки за всеки времеви момент имат за ордината дъждовна интензивност с определен периода на еднократно претоварване – P, респективно повтаряемост – n = 1/Р Например, при избрана стойност на Р = 5 г. , респективно n = 1/5 = 0, 2 г-1, ординатата (интензивността – q) на всяка точка от оразмерителния дъжд трябва да има петата по ред отгоре надолу стойност, отчетена по графиката (виж фигурата на следващия слайд) Тези точки определят една нова начупена линия с приблизително линейна тенденция на развитие, която дефинира оразмерителен дъжд с еднакви стойности на периода на еднократно претоварване – Р за всеки момент от времето 41
7. 4. Връзка между основните параметри на дъжда Графично определяне на оразмерителен дъжд с даден период на еднократно претоварване - Р 42
7. 4. Връзка между основните параметри на дъжда • Параметрите А и n на аналитичния израз на така избрания оразмерителен дъжд могат да бъдат определени по “метода на наймалките квадрати” чрез следните формули: където m е броят на анализираните точки от оразмерителния дъжд А - антилогаритъм от стойността на отреза от ординатната ос на изравнителната права n – наклон на изравнителната права (тангенса от ъгъла между нея и абсцисната ос) 43
Скачать презентацию Раздел II 2 Хидрология на урбанизираните територии Тема
75631ab81be69a05c2e1af423477031d.ppt