скоростей стока по скатам и по руслу. При этом скорости сто
ка по скатам принимаются пропорциональными скорости дви
жения воды по тальвегу.
Зброжек анализирует различные случаи соотношений меж-
ду временами добегания стока и временем выпадения дождя. Он находит для этих слу
чаев наибольшие площади одновременного стока и наибольшие секундные расходы, причем наиболь шие площади одновремен
ного стока |
выражаются |
|
|
||
через средние скорости те |
|
|
|||
чения воды по склонам. |
|
|
|||
Зброжек приходит к выво |
|
|
|||
ду, что «в предположении |
|
|
|||
дождя равномерной интен |
|
|
|||
сивности, плоских скатов |
|
|
|||
и таких средних скоростей |
|
|
|||
стока по скатам и тальве |
|
|
|||
гу, что отношение между |
|
|
|||
ними |
выражается число |
Схема водосборного бассейна в анализ |
|||
выми |
коэффициентами, |
||||
стока Ф. Г. Зброжека |
|||||
наибольший |
расход стока |
(Схема взята из статьи Ф. Г. |
Зброжека «Сток |
||
определяется вообще фор |
атмосферных осадков»; |
||||
мулою: |
|
|
|
|
|
|
|
?тах — Си0^ГН». |
|
||
В этой |
формуле С — коэффициент, получающий |
различные |
|||
значения в зависимости ототношения времени стока (добега ния) к времени выпадения дождя; ио—средняя скорость те чения воды по тальвегу; Т — продолжительность дождя в ми нутах; Н — слой осадков в мм.
В малых бассейнах, для которых условие одновременного стока со всей площади выражается неравенством /щах (время до бегания по наибольшему пути) < Т, максимальный расход
?шах = 1,953 ail# куб. саж. в секунду,
где коэффициент 1,953 — количество осадков в куб. саженях, выпадающих в 1 сек. на площадь в 1 кв. версту при интенсив ности ливня 1 мм/мин, a—коэффициент стока, Q — площадь бассейна в кв. верстах. Для определения расходов при других соотношениях между продолжительностью дождя и времена ми стока необходимо знать средние скорости движения воды по скатам и тальвегу. Эти скорости Зброжек получает из урав-
16 И. А. Федосеев |
077 |
нения Сен-Венана для неустановившегося медленно изменяю щегося движения, интегрируя его при следующих допущениях:
1) количество стекающей воды и потери воды па фильтра цию и испарение принимаются не зависящими от времени;
2)средняя скорость в живом сечении потока принимается
взависимости от расстояния до этого сечения от вершины тальвега:
v = v0 + В 5, |
|
|
где Vo — некоторое постоянное |
значение скорости; В — посто |
|
янная положительная величина; |
и = 2; S — расстояние |
от вер |
шины тальвега; |
|
прини |
3) линии продольных профилей скатов и тальвега |
||
маются в виде парабол. |
|
расхода |
В результате Зброжек находит для максимального |
||
общее выражение следующего вида: |
|
|
</тах = СТВР. |
|
|
Наконец, Зброжек рассматривает влияние па максималь ный расход неравномерности интенсивности ливня по площа
ди бассейна и по времени и окончательно получает следующую формулу:
<7max =сфДСГНа,
в которой ф — коэффициент, учитывающий неравномерность
интенсивности дождя по площади; Д — коэффициент умень шения расхода от неравномерности интенсивности дождя по времени; С и Т имеют прежние значения; Н—средневзвешен ная высота слоя выпавшего дождя. Зброжек замечает, что про
изведение фД всегда меньше единицы. Таким образом, в фор
муле Зброжека неполнота стока выражется коэффициентами Ф, Д и С.
Потерю воды на испарение и фильтрацию в почву за корот кое время ливня Зброжек считает ничтожно малой и поэтому принимает а = 1. В статье 1902 г. «О наибольшем расходе стока атмосферных осадков» одним из главных недостатков сущест вующих формул Зброжек считал именно то, что они «по апри
орным предположениям учитывают в преувеличенном разме ре потери дождевой воды на испарение и фильтрацию».
Надо сказать, что практическое применение формул Збро
жека представляло большие затруднения ввиду сложности вы
числения коэффициента С. Однако в теоретическом отношении статья Зброжека представляла определенный вклад в разра ботку методов расчета ливневых максимумов. Особенно ценным явился анализ вопроса о площади наибольшего стока в зависи
242
мости от соотношения между временами добегапия воды по скатам и тальвегу и временем выпадения дождя. Конечно, ря дом допущений, начиная со схемы бассейна, Зброжек сильно
упростил сложное явление дождевого стока. Но, несмотря на это, формула, примененная Зброжеком к вычислению шести лив невых максимумов Оки у Орла, дала результаты, близкие к полученным непосредственными измерениями. Для примене
ния своей формулы Зброжек сначала по известным данным определил необходимые коэффициенты, а затем на основании сведений о ливнях (II, Т) и полученных коэффициентов про извел вычисление максимальных расходов.
Попытку теоретического исследования ливневого стока мы
находим в опубликованной в 1902 г. статье А. Бушмана «Сток дождевых вод в сухих оврагах» 91 и в критических замечаниях на эту статью В. Вислоцкого92, указавшего на ошибочность
некоторых допущений в анализе Бушмана.
Как уже указывалось, нормы Кестлина и Николаи, а так же теоретические работы по ливневому стоку были подверг
нуты критическому анализу Н. Е. Долговым в его обширном труде «О нормах Кестлина и несоответствии этих норм резуль татам наблюдений над ливнями па Екатерининской железной дороге». В вышедшем в 1908 г. первом выпуске этого труда Долгов приводит несколько случаев разрушений на Екатери нинской железной дороге во время ливней вследствие того, что водопропускные сооружения были рассчитаны по преумень
шенным, по мнению Долгова, нормам Кестлина. Эти случаи
заставили при постройке в 1902—1904 гг. 2-й Екатерининской
железной дороги отказаться от норм Кестлина' и для правиль ного определения расчетных расходов организовать наблюде ния за ливнями в районе дороги. В результате изучения пре дельная интенсивность ливней была принята от 1 до 3 мм в минуту вместо 0,96 мм в минуту по Кестлину.
Рассматривая теоретические исследования ливневого сто ка, принадлежащие австрийскому инженеру О. Люгеру (1884), Ф. Г. Зброжеку и А. А. Бушману, Долгов указывает на непра вомерность принятия Люгером и Бушманом скорости стекания ливневых вод как скорости равномерного движения жидкости и отмечает ценность исследования Зброжека, исходившего из
предположения, что стекание происходит по закону неравно мерного движения. Отмечая сложность выводов Зброжека, он
вместе с тем считал, что «с практической стороны выводы чрез
91 А. Бушман. Сток дождевых вод в сухих оврагах. «Известия Собрания инженеров путей сообщения», 1902, № 10; 1903, № 5.
92 В. В и с л о ц к и й. По поводу статьи инженера А. А. Бушмана «Сток дождевых вод в сухих оврагах». «Известия Собрания инженеров пу тей сообщения», 1903, № 5.
243 |
16* |
|
вычайно интересны» 93. Долгов замечает по поводу формулы Кестлина, что она является лишь частным случаем формулы Зброжека для малых бассейнов.
Главным недостатком рассмотренных формул и теоретиче ских решений Долгов считает содержащиеся в них упрощения сложного природного явления, каким является сток. Поэтому он приходит к выводу о необходимости организации изучения факторов стока в реальных условиях. «Только обширные на блюдения и опыты,— пишет Долгов,—...могут вполне осветить задачу о стекании воды с тальвега, которую не может до сих
пор разрешить теория. Систематические опыты чрезвычайно
желательны в большом размере, так как при отсутствии опре деленной теории они одни только могут указать на те эмпири ческие формулы, которыми следует руководствоваться при назначении искусственных сооружений. Вместе с тем опыты могут создать гипотезу, а гипотеза послужит временным мос тиком для постройки сложной и стройной теории через ту про пасть, которая отделяет от нас скрытый пока закон природы о стекании вод по тальвегу» 94. Он детально излагает программу и методику изучения интенсивности дождей, поглощения воды почвой, скоростей стекания воды по скатам и тальвегам.
Будучи начальником участка пути в районе ст. Пологи Екатерининской ж. д., Долгов организует здесь в 1904—1912 гг.
систематические наблюдения за факторами ливневого стока. Данные, полученные Пологовской дождемерной сетью, позво лили Долгову установить основные положения, определяющие характер выпадения осадков и зависимости стока от ливней 95. В частности, наблюдения подтвердили неравномерное изменение интенсивности ливней по времени и по площади, уменьшение интенсивности ливней с возрастанием их продолжительности, уменьшение площади распространения дождей с увеличе
нием их интенсивности. Особенно важным явилось установле ние того минимального значения интенсивности и общего коли чества выпавшего дождя, при которых возможно образование
стока. «Сток ливневой воды при летних обычных условиях впи тывания,— констатирует Долгов,— появляется, когда дождь достигает критической силы 0,50 мм в минуту и когда обще го количества дождя для заполнения пор в земле расходуется не менее 15 мм» 96. При этом Долгов зам'ечает, что число 15 мм не является абсолютным и может изменяться в ту или дру
93 Н. Е. Долгов. О нормах Кестлина и несоответствии этих норм результатам наблюдений над ливнями на Екатерининской железной дороге, вып. 1. Екатеринослав, 1908, стр. 81.
94 Там же, стр. 94.
93 Там же, вып. III, 1915, стр. 18. 93 Там же, стр. 20.
244.
гую сторону в зависимости от конкретных условий (степень сухости и состав почвы, интенсивность дождя и др.).
При рассмотрении метеорологических факторов ливневого стока Долгов указывает на то, что, вследствие изменения интенсивности ливней в пределах бассейна, следует считать не правильным, что в существующие формулы входит множите
лем первой степени вся площадь бассейна, а не только пло щадь стока, как неправильно при нимать высоту слоя выпавших
осадков и расчетное время их вы падения для всего периода дождя,
а не только для периода стока.
Рассматривая явление стока дождевых вод в природных усло виях, Долгов выясняет влияние на
сток, кроме метеорологических или, как он говорит, руководящих факторов, еще и целого ряда дру гих факторов, в том числе топогра
фических, морфометрических, гид
ромеханических, почвенных, ра стительных и др. Долгов устанав
ливает, что реальные топографиче ские условия и размываемость грунтов обусловливают стекание воды по скатам не ровным слоем, как допускается в существующих
теориях, а в виде бесчисленного
множества отдельных стремнин,
бороздок, естественное направле ние которых по склону часто из
Кривая связи между интенсив ностью и продолжительностью
ливней
меняется вследствие иного направления распашки. Относитель
но уклона бассейнов Долгов считает достаточным деление их на равнинные, холмистые и горные, так как заметное изменение стока при прочих равных условиях «может обнаружиться толь ко при резком различии уклонов скатов по всему бассейну» 97. При этом Долгов обращает внимание на задержание воды в естественных углублениях равнинных пространств, вследствие чего даже при очень сильных ливнях сток может оказаться не значительным. В связи с этим он указывает на уменьшение
максимального стока болотами.
Возвращаясь в третьем выпуске своего труда к теориям и формулам Люгера, Зброжека, Бушмана, Кестлина, Николаи и Риппаса, Долгов подвергает их критике в свете полученных им
97 Там же, стр. 147.
245
выводов из наблюдений за стоком в естественных условиях.
В результате детального анализа он приходит к общему заклю чению, что исходные уравнения стока, принятые авторами тео
ретических работ, а также упрощения, допущенные при реше нии этих уравнений и при построении расчетных эмпирических формул, совершенно не соответствуют действительному явле нию и могут отвечать лишь идеальному стоку, «которого в при
роде никогда не бывает».
Нельзя не заметить резкого изменения оценки Долговым ра боты Зброжека. Если в первом выпуске своего труда ои считал, что исследование Зброжека выясняет вопрос во всей его пол ноте п что формула для малых бассейнов имеет практическое значение, то в третьем выпуске отношение к работе Зброжека, при справедливости критики ее, страдает явной недооценкой работы, представлявшей во многих отношениях успешную по пытку аналитического исследования явления ливневого стока.
Относительно формулы Кестлина Долгов считал, что пользо вание ею может принести только вред, так как природный при
ток воды может превосходить приток по Кестлину в 10 раз. Во обще, утверждал Долгов, от дождя в 9,6 мм за 10 минут никогда не будет стекать ни одной капли. «В настоя щее время,— писал Долгов,— пет никаких оправданий для же лезных дорог подвергать опасности движение по ним из-за при менения норм Кестлина, т. е. делать недопустимые ошибки в 1000%» 98. В первом выпуске труда Долгов приводит пример расчета одного канала на Екатерининской ж. д., в котором рас
четный максимальный расход был принят в 3,40 м3/сек, |
тогда |
|||
как |
формула Кестлина давала |
1,62 м3/сек. Однако |
в |
свете |
того, |
что выше говорилось о |
нормах Кестлина |
и |
Кест |
лина — Николаи, а также имея в виду, что при введении в 1928 г. новых норм величина стока с единицы площади для юго-запада
СССР была увеличена лишь в полтора раза , а для центра и вовсе оставлена без изменения, можно сказать, что, правильно критикуя принципиальную несостоятельность формул Кестлина и Кестлина — Николаи, Долгов преувеличивал занижеппость единичного стока в этих формулах и их непригодность вслед ствие этого.
В опубликованной в 1916 г. статье «Основные положения теории стока ливневых вод и зависимость величины отверстий искусственных сооружений па железных дорогах юга Европей ской России от максимальной напряженности стока, определен ной непрерывными наблюдениями Пологовской дождемерной
сети на Екатерининской железной дороге» Долгов дает краткое изложение главнейших выводов из своего труда о стоке ливне
98 Н. Е. Долгов. О нормах Кестлина, стр. 200.
246