Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Моделирование паводковых и прорывных волн для обоснования мероприятий по защите сельскохозяйственных земель от затопления

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Моделирование паводковых и прорывных волн для обоснования мероприятий по защите сельскохозяйственных земель от затопления"

На правах рукописи

СТЕПАНОВ КОНСТАНТИН АЛЕКСАНДРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАВОДКОВЫХ И ПРОРЫВНЫХ ВОЛН ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ЗАЩИТЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ ОТ ЗАТОПЛЕНИЯ

Специальность 06.01.02 Мелиорация, рекультивация и охрана земель

5 ДЕК 2013

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

005541656

Работа выполнена в Всероссийском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации им. А.Н.Костякова Россельхозакадемии

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Волынов Михаил Анатольевич

Официальные оппоненты: Снежко Вера Леонидовна,

доктор технических наук, доцент, Московский государственный университет природообустрой-ства, зав. кафедрой информационных технологий в строительстве

Головинов Евгений Эдуардович,

кандидат технических наук, Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н.Костякова Россельхозакадемии, зав. лабораторией мелиоративных систем

Ведущее предприятие: НИИ ВОД! ЬО

Защита состоится «23» декабря 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 006.038.01 в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н.Костякова Россельхозакадемии по адресу: 127550, Москва, ул. Большая Академическая, д. 44.

Автореферат разослан «23» ноября 2013 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИГиМ.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Актуальность темы:

В последние годы увеличилось количество чрезвычайных ситуаций, которые привели к значительному ухудшению качества земель и ущербу населенным пунктам. Так, например, наводнение в Амурской области в 2013 году привело к гибели посевов сельскохозяйственных культур на площади в 627,4 тыс. га. Эвакуировано 1727 человек из затопленных поселений. Летом 2012 года из-за наводнения в Крымске погибло 168 человек, пострадало 53107 человек, было разрушено 1200 домов, наводнение уничтожило около 150 га посевов, ущерб оценен в 70 миллионов рублей. Для восстановления разрушенных земель требуются огромные затраты, которые намного превышают средства, требуемые для проведения противопаводковых мероприятий. На ликвидацию последствий наводнения в Крымске было потрачено свыше 15 миллиардов рублей, в то время, как гидротехническая защита города от наводнения оценивается в 5 миллиардов рублей.

Наиболее распространенными способами защиты от затопления являются строительство дамб или создание польдерных систем. Ввиду значительной протяженности объектов защиты для определения параметров защитных сооружений перспективно применение численного гидродинамического моделирования. На его основе оценивается распространение паводковых и прорывных волн и проводится расчет зон затопления в речной долине.

Использование существующих программных средств для определения зон потенциального затопления в результате прохождения паводка или волны прорыва возможно только высококвалифицированными специалистами с использованием дорогостоящего оборудования, при этом их стоимость достаточно велика. В тоже время применяемые методики моделирования и программные продукты не предлагают оперативного решения для задач, связанных с оценкой последствий катастрофических паводков. Разработка экспресс-технологии моделирования паводковых и прорывных волн для обоснования мероприятий по защите сельскохозяйственных земель от затопления, является актуальным направлением научных исследований.

Целью исследований является обоснование мероприятий по защите сельскохозяйственных земель от затопления на основе оперативного компьютерного моделирования распространения паводковых и прорывных волн.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

— проведен анализ существующих способов борьбы с затоплением земель и связанных с ними гидротехнических мероприятий;

— обоснованы требования к исходным данным, необходимым для проведения исследований по определению типа и состава противопаводковых мероприятий; проведено исследование погрешностей, возникающих в различных методах расчета зон затопления в результате распространения паводка или волны прорыва и найдены упрощённые способы их учёта;

— разработаны алгоритм, метод, создана компьютерная программа для оперативного моделирования распространения паводковых и прорывных волн, основанная на современных геоинформационных технологиях; разработан способ калибровки гидродинамической модели;

3

- метод моделирования, позволяющий проводить расчеты распространения волны паводка или волны прорыва с использованием спутниковых данных о рельефе для определения территорий потенциально попадающих под затопление в результате чрезвычайной ситуации;

- теоретическое обоснование необходимых исходных данных, необходимых и достаточных для инженерного обоснования противопаводковых мероприятий на основе оперативного моделирования с использованием современных компьютерных технологий.

Практическая значимость проведенных исследований заключается в разработанной экспресс-технологии, на основе нового метода и созданной компьютерной программы для гидродинамического моделирования прохождения прорывных и паводковых волн по речной долине для обоснования необходимых инженерных мероприятий, защищающих сельскохозяйственные земли от затопления.

Достоверность результатов исследований подтверждается теоретическими положениями гидравлики, гидродинамического моделирования, опытом практического применения численного моделирования для решения задач, связанных с прохождением паводков. Результаты, полученные по разработанной технологии моделирования, согласуются с данными, полученными с использованием известного программного комплекса MIKE IIb одномерной постановке, требующего существенно больших временных, организационных и финансовых затрат.

Апробация результатов исследований. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы были доложены на Международной научно-практической конференции «Роль мелиорации и водного хозяйства в инновационном развитии АПК» (Московский государственный университет природообустройства, г. Москва 16-20 апреля 2012 г.); V-ой Международной конференции молодых ученых и специалистов "Инновационные технологии и экологическая безопасность в мелиорации" (ВНИИ "Радуга" г. Коломна 17-19 октября 2012 г.); Международной научно-практической конференции «Мелиорация и проблемы восстановления сельского хозяйства России» (Костяковские чтения) (ВНИИГиМ Россельхозакадемии, г. Москва 20-21 марта 2013 г.); Международной научно-практической конференции «Проблемы комплексного обустройства техноприродных систем», (Московский государственный университет природообустройства, г. Москва 16-18 апреля 2013).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах, в том числе 2 работы из списка изданий, рекомендованных ВАК.

Структура, объем и содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, общих выводов, библиографии и приложений; изложена на 125 страницах машинописного текста, иллюстрирована 39 рисунками, содержит 15 таблиц, список литературы включает 117 наименований, в том числе 34 зарубежных авторов.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цели и задачи исследований, определены научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе приведены результаты анализа зарубежной и отечественной литературы по изучаемому вопросу. Обозначены способы обоснований противопаводковых мероприятий вследствие разрушения напорных фронтов гидротехнических сооружений с образованием волн прорыва или во время крупномасштабных паводков. Рассмотрены значительные чрезвычайные происшествия последнего времени, а также их катастрофические последствия для населения, экономики и экологии в различных странах мира.

Проанализированы работы выдающихся отечественных и зарубежных учёных: А. Н. Костякова, А. А. Измаильского, В. В. Подырева, П. А. Витте, Б. А. Шумакова, А. Д. Брудастова, И. А. Шарова, С. Ф. Аверьянова, Б. Сен-Венана, П. Бредшоу, А.Н. Милитеева, С.Я. Школыгакова, М.Т. Гладышева, Д.В. Штерн-лихта, Д. Монтеса, С. А. Христиановича, ДЖ. Стокера, Н.М. Евстегнеева, В.В. Беликова по способам мелиорации пойм и затопленных низменностей, охраны земель от затопления, по проблемам использования гидродинамического моделирования для обоснования защитных гидротехнических сооружений. Исходя из результатов анализа, показаны достоинства, недостатки и диапазоны применимости существующих методов моделирования распространения паводковых и прорывных волн. Показано, что определить параметры распространения паводковых и прорывных волн можно только с применением численного компьютерного моделирования. Проведен анализ существующих программных комплексов, предназначенных для решения поставленных задач. Показано, что для одномерного и двумерного моделирования волн существуют такие программные комплексы, как MIKE 11, MIKE 21; для трехмерного моделирования вязкой несжимаемой жидкости с сильно изменяющейся свободной поверхностью возможно применение Flow3D и ANSYS CFX (FLUENT). Из разработанных в России программных продуктов применяется FlowVision, позволяющий решать трехмерные уравнения динамики жидкости.

Показано, что все рассмотренные программные продукты не позволяют оперативно получать исходные данные для обоснования противопаводковых мероприятий и требует значительных материальных и временных ресурсов. Таким образом, очевидна необходимость создания упрощённой технологии инженерных обоснований противопаводковых мероприятий, сопоставимой по надежности получения результатов с существующими, но при этом обладающей преимуществом в скорости проведения моделирования и простоте реализации. Технология должна при минимальном наборе исходных данных позволять проводить моделирование распространения волны паводка или волны прорыва, по результатам которого получать двумерную карту исследуемой местности с зонами затопления, ранжированными по глубине, а также другие параметры характеризующие распространение волн.

Во второй главе были теоретически обоснованы и сформулированы требования к исходным данным, необходимым для проведения выбора типа и со-

става противопаводковых мероприятий. Проведено исследование погрешностей получаемых различными методами распространения волны прорыва или паводка.

В большинстве случаев базовой системой для гидродинамического моделирования служит трехмерная система эволюционных уравнений Навье-Стокса, которая в векторной форме записывается в виде:

V' v = 0, (1)

dv _ 1 -

— = -(y.V)v + vLv--Vp + f, (2)

at р

где: V - оператор набла; А - оператор Лапласа; t - время, с; v - коэффициент кинематической вязкости, м2/с; р - плотность, кг/м3; р - давление, Па; v = (v1,... , vn) - векторное поле скоростей, / - векторное поле массовых сил.

Для решения задач гидродинамики в одномерной или двумерной постановке возможно использование редуцированной формы системы уравнений (1) -(2) в виде уравнений Сен-Венана.

Основными трудностями при реализации моделей, основанных на системе уравнений (1) - (2), является учет трения и свободной поверхности, а также подбор адекватной модели турбулентности. В работе обосновано создание оперативной методики моделирования волны прорыва с использованием упрощенных зависимостей для поиска параметров волн без учета сил трения с последующим введением в окончательные результаты расчетов специальной калибровочной функции.

Для оценки влияния трения на параметры распространения паводковых и прорывных волн были выполнены исследования в программном комплексе Ап-sys Fluent 14 с применением модели турбулентности «к-epsilon» по уравнениям:

дк _ дк дй. д (/ цл дк\

де _ де £ дщ е2 д (( fit\ д£\

PJi + pUj^j = C£lkTiJ^j~C£2T + Jxj\y+^)dXjJ' (4)

где: fi = 0.001 - коэффициент динамической вязкости, кг/м- с; к» 0,39 -постоянная Кармана; й - вектор скорости; е - скорость диссипации турбулентной кинетической энергии, м2/с3; к - турбулентная кинетическая энергия, м2/с2.

Было установлено, что погрешность в задании отметок дна для сухого русла в размере 0,1 м не влияет на точность моделирования волны паводка. При таких условиях можно не учитывать шероховатость подстилающей поверхности. Была установлена зависимость скорости волны от глубины воды в нижнем бьефе. При решении реальных задач по прогнозированию масштабов затоплений, вызванных прохождением паводка, проводится моделирование при различных уровнях воды в нижнем бьефе. Анализируя полученные с использованием модели «к-epsilon» данные был сделан вывод о возможности оценки скорости распространения волны прорыва в зависимости от уровня воды в нижнем

бьефе по упрощенным формулам, без применения моделирования, без снижения надежности получаемых результатов:

— для случая распространения волны по сухому (не заполненному водой) руслу:

С, = 2 (5)

где: С5 - скорость волны прорыва или паводка, м/с; с10 - начальная глубина в верхнем бьефе, м;

— для случая распространения волны по водной поверхности:

г 0.63 + 0.3286 ■ (41)0 65

^__"О ((Л

"7= = -^-~ (А)

л/М 0.0025 + (Д*)0-65

о. о

где - глубина в нижнем бьефе, м.

На основании доказанных возможных допущений, моделирование паводковых и прорывных волн можно проводить по спутниковым данным о рельефе и гидрологическим характеристикам водного объекта, не прибегая к дополнительным изысканиям, при этом будут получены достоверные результаты.

Проведенные исследования показали, что для получения инженерного обоснования противопаводковых мероприятий, включая прежде всего обоснование местоположения и параметры защитных дамб (трассировка, отметки гребней и оснований, материал крепления напорных откосов дамб) требуются следующие исходные данные:

— цифровая модель рельефа в виде матрицы с координатами (X, У,

— координаты места задания начальных условий;

— гидрология водного объекта (отметка нормального подпорного уровня (НПУ), м; объем при НПУ, млн. м3; высота плотины, м; длина по гребню плотины, м).

В результате анализа влияния качества картографических материалов на результаты расчетов установлено, что их использование возможно с шагом основных горизонталей 2 — 5 м. В этом случае, как показало моделирование с помощью разработанной экспресс-технологии можно достоверно рассчитать зоны затопления с ранжированием их по глубине. Исследованные методы моделирования речного потока позволяют найти решения для многих прикладных задач. Так, разработанный подход позволяет проводить моделирование речного потока в оперативном режиме для крупных речных долин, например, при неблагоприятном метеорологическом прогнозе и реальной угрозе затопления населённых пунктов и сельскохозяйственных земель.

В третьей главе предложена технология обоснования мероприятий для обеспечения безопасности сельскохозяйственных земель при развитии паводка на основе компьютерного моделирования. Изложен новый метод моделирования речного потока при прохождении экстремальных расходов для обоснования противопаводковых мероприятий.

Блок-схема алгоритма получения инженерного обоснования противопаводковых мероприятий приведена на рисунке 1.

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата технических наук, Степанов, Константин Александрович, Москва

Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н.Костякова Россельхозакадемии

СТЕПАНОВ КОНСТАНТИН АЛЕКСАНДРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАВОДКОВЫХ И ПРОРЫВНЫХ ВОЛН ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ЗАЩИТЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ ОТ ЗАТОПЛЕНИЯ

Специальность 06.01.02 Мелиорация, рекультивация и охрана земель

На правах рукописи

04201452258

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Волынов М. А.

Москва-2013

Оглавление

Введение.......................................................................................................................4

Глава 1: Современные подходы для решения задач о моделировании паводковых и прорывных волн для обоснования защитных мероприятий..........9

1.1 Анализ недавних наводнений и мероприятий по защите сельскохозяйственных земель.................................................................................9

1.2 История развития теории о моделировании паводковых и прорывных волн ..................................................................................................................................14

1. 3 Выводы по главе..............................................................................................23

Глава 2. Оценка влияния исходных данных на точность математического моделирования паводковых и прорывных волн....................................................25

2.1 Обзор точности получаемых исходных данных для моделирования движения жидкости в открытых руслах..............................................................25

2.2 Геоинформационные технологии в математическом моделировании.......27

2.3 Оценка влияния донной шероховатости на точность математического моделирования волны в случаях сухого и смоченного русла...........................30

2.4 Анализ результатов моделирования паводковых и прорывных волн в зависимости от уровня воды в нижнем бьефе.....................................................41

2.5 Выводы по главе...............................................................................................50

Глава 3. Разработка методики моделирования речного потока при прохождении экстремальных расходов...........................................................................................51

3.1 Создание технологии обоснования противопаводковых мероприятий.....51

3.2 Калибровка модели..........................................................................................63

3.3.Верификация методики....................................................................................70

3.4 Выводы по главе...............................................................................................82

Глава 4. Расчеты и сопоставление результатов моделирования..........................84

4.1 Описание созданной методики и программного средства для оперативного моделирования распространения паводковых и прорывных

волн..........................................................................................................................84

4.1 Расчет при использовании инструмента MIKE 11........................................90

4.2 Расчет по разработанной методике................................................................96

4.3 Выводы по главе...............................................................................................98

Глава 5. Апробация методики получения инженерных обоснований противопаводковых мероприятий и сравнение с другими программными продуктами.................................................................................................................99

5.1 Инженерные обоснования противопаводковых мероприятий................99

5.2 Выводы по главе.............................................................................................110

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................112

Список литературы:................................................................................................115

Введение

Актуальность темы:

В последние годы увеличилось количество чрезвычайных ситуаций, которые привели к значительному ухудшению качества земель и ущербу населенным пунктам. Так, например, наводнение в Амурской области в 2013 году привело к гибели посевов сельскохозяйственных культур на площади в 627,4 тыс. га. Эвакуировано 1727 человек из затопленных поселений. Летом 2012 года из-за наводнения в Крымске погибло 168 человек, пострадало 53107 человек, было разрушено 1200 домов, наводнение уничтожило около 150 га посевов, ущерб оценен в 70 миллионов рублей. Для восстановления разрушенных земель требуются огромные затраты, которые намного превышают средства, требуемые для проведения противопаводковых мероприятий. На ликвидацию последствий наводнения в Крымске было потрачено свыше 15 миллиардов рублей, в то время, как гидротехническая защита города от наводнения оценивается в 5 миллиардов рублей.

Наиболее распространенными способами защиты от затопления являются строительство дамб или создание польдерных систем. Ввиду значительной протяженности объектов защиты для определения параметров защитных сооружений перспективно применение численного гидродинамического моделирования. На его основе оценивается распространение паводковых и прорывных волн и проводится расчет зон затопления в речной долине.

Использование существующих программных средств для определения зон потенциального затопления в результате прохождения паводка или волны прорыва возможно только высококвалифицированными специалистами с использованием дорогостоящего оборудования, при этом их стоимость достаточно велика. В тоже время применяемые методики моделирования и программные продукты не предлагают оперативного решения для задач, связанных с оценкой последствий катастрофических паводков. Разработка экспресс-технологии моделирования паводковых и прорывных волн для обоснования мероприятий по

защите сельскохозяйственных земель от затопления, является актуальным

4

направлением научных исследований.

Под экспресс-технологией мы понимаем научную деятельность, позволяющую оперативно и эффективно обосновать мероприятия по защите сельскохозяйственных земель от затопления.

Целью исследований является обоснование мероприятий по защите сельскохозяйственных земель от затопления на основе оперативного компьютерного моделирования распространения паводковых и прорывных волн.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- проведен анализ существующих способов борьбы с затоплением земель и связанных с ними гидротехнических мероприятий;

- обоснованы требования к исходным данным, необходимым для проведения исследований по определению типа и состава противопаводковых мероприятий; проведено исследование погрешностей, возникающих в различных методах расчета зон затопления в результате распространения паводка или волны прорыва и найдены упрощённые способы их учёта;

- разработаны алгоритм, метод, создана компьютерная программа для оперативного моделирования распространения паводковых и прорывных волн, основанная на современных геоинформационных технологиях; разработан способ калибровки гидродинамической модели;

- проведено численное двумерное моделирование на основе разработанного метода возможного паводка на реке Малый Узень с определением зоны затопления, значений расходов, продольных и поперечных скоростей, отметок свободной поверхности водного потока, времени добегания и продолжительности затопления поймы в требуемых створах, необходимых для обоснования инженерных защитных мероприятий;

- выполнено сопоставление результатов численного моделирования с данными, полученными для выбранного водного объекта с использованием других программных продуктов;

- определены состав мероприятий и параметры гидротехнических сооружений, защищающих населённые пункты и сельскохозяйственные земли на исследуемой территории от затопления.

Объектом исследований являются водные объекты (водохранилища и реки), земли сельскохозяйственного назначения, противопаводковые гидротехнические сооружения. Предметом исследования являются численные методы гидродинамического моделирования, а также мероприятия по защите земель сельскохозяйственного назначения от затопления.

Методика исследований базируется на обобщении общепринятых методов проведения математического моделирования прохождения паводковых и прорывных волн. Разработка алгоритмов и программная реализация основаны на методических рекомендациях по моделированию открытых русловых потоков с использованием математического представления систем уравнений Сен-Венана, а также с использованием методов описания турбулентных течений в открытых руслах. Создание программы для определения участков затопления осуществлялось на языке программирования С#, с использованием среды разработки Microsoft Visual Studio 2012 с применением современных геоинформационных технологий.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

- разработана новая экспресс-технология обоснования мероприятий, защищающих сельскохозяйственные земли от затопления, на основе созданного алгоритма и компьютерной программы, позволяющей определять параметры паводковых и прорывных волн и зоны затопления с ранжированием их по глубине;

- разработан новый метод оперативного моделирования распространения паводковых и прорывных волн с полуавтоматической калибровкой модели, использующий современные геоинформационные технологии для определения параметров сооружений инженерной защиты сельскохозяйственных земель;

- разработаны требования к исходным данным, необходимым для инженерного обоснования противопаводковых мероприятий на основе оперативного

моделирования волны паводка или волны прорыва с использованием современных компьютерных технологий.

Основные положения, выносимые на защиту:

- экспресс-технология получения инженерного обоснования необходимых противопаводковых мероприятий, основанная на методике компьютерного оперативного моделирования распространения паводковых и прорывных волн;

- метод моделирования, позволяющий проводить расчеты распространения волны паводка или волны прорыва с использованием спутниковых данных о рельефе для определения территорий потенциально попадающих под затопление в результате чрезвычайной ситуации;

- теоретическое обоснование исходных данных, необходимых и достаточных для инженерного обоснования противопаводковых мероприятий на основе оперативного моделирования с использованием современных компьютерных технологий.

Практическая значимость проведенных исследований заключается в разработанной экспресс-технологии, на основе нового метода и созданной компьютерной программы для гидродинамического моделирования прохождения прорывных и паводковых волн по речной долине для обоснования необходимых инженерных мероприятий, защищающих сельскохозяйственные земли от затопления.

Достоверность результатов исследований подтверждается теоретическими положениями гидравлики, гидродинамического моделирования, опытом практического применения численного моделирования для решения задач, связанных с прохождением паводков. Результаты, полученные по разработанной технологии моделирования, согласуются с данными, полученными с использованием известного программного комплекса MIKE 11 в одномерной постановке, требующего существенно больших временных, организационных и финансовых затрат.

Апробация результатов исследований. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы были доложены на Международ-

7

ной научно-практической конференции «Роль мелиорации и водного хозяйства в инновационном развитии АПК» (Московский государственный университет природообустройства, г. Москва 16-20 апреля 2012 г.); У-ой Международной конференции молодых ученых и специалистов "Инновационные технологии и экологическая безопасность в мелиорации" (ВНИИ "Радуга" г. Коломна 17-19 октября 2012 г.); Международной научно-практической конференции «Мелиорация и проблемы восстановления сельского хозяйства России» (Костяковские чтения) (ВНИИГиМ Россельхозакадемии, г. Москва 20-21 марта 2013 г.); Международной научно-практической конференции «Проблемы комплексного обустройства техноприродных систем», (Московский государственный университет природообустройства, г. Москва 16-18 апреля 2013).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах, в том числе 2 работы из списка изданий, рекомендованных ВАК.

Структура, объем и содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, общих выводов, библиографии и приложений; изложена на 125 страницах машинописного текста, иллюстрирована 39 рисунками, содержит 15 таблиц, список литературы включает 117 наименований, в том числе 26 зарубежных авторов.

Глава 1: Современные подходы для решения задач о .моделировании паводковых и прорывных волн для обоснования защитных мероприятий

1.1 Анализ недавних наводнений и мероприятий по защите сельскохозяйственных земель.

В настоящее время известно множество примеров чрезвычайных ситуаций (ЧС) связанных с затоплением, вызванных распространением паводковых и прорывных волн.

В настоящее время в России стоит задача защиты сельскохозяйственных земель и населенных пунктов от затопления. Затопление сельскохозяйственных земель возникает как при пропуске крупномасштабных паводков, так и других природных, так и техногенных факторах, таких как:

- при прохождении экстремальных расходов возможно переполнение водохранилища и нарушение штатной работы сбросных сооружений, что приводит к переливу воды через гребень плотины и образованию прорана;

- вследствие длительных сроков эксплуатации возможен износ основных сооружений плотины и гидромеханического оборудования, что может провести к образованию прорана в теле плотины;

- вследствие ошибок персонала, связанных с отсутствием мониторинга опасных ситуаций и недостаточности прогнозных данных по паводкам;

- вследствие возможного террористического акта, приводящего к разрушению плотины.

Приведем некоторые случаи наводнений, которые нанесли значительный ущерб сельскохозяйственным землям и населенным пунктам.

Наводнения в Якутии в мае 2013 года тогда ущерб от масштабного весеннего паводка составил почти 1 миллиард рублей. По данным МЧС в зоне затопления оказались около 500 домов, в которых проживало более 1700 человек, (рис. 1)

Рис. 1. Наводнение в Якутии (май 2013 г.)

Одним из наиболее масштабных оказалось наводнение на Дальнем Востоке в августе 2013 года. (рис. 2) В результате снежной и поздней зимы в районе бассейна реки Амура и выпадением с июля по август больше годовой нормы осадков произошло формирование крупномасштабного паводка в середине лета. Существующие гидроузлы не смогли сдержать такое количество воды. К примеру на Зейской ГЭС максимальный расход воды составляет 5000 м3/с, в то время, как приточность воды в водохранилище доходила до 9000 м3/с. В свою очередь сыграли вырубка лесов и пожары поскольку леса выполняют значительную водоохранную функцию, задерживая большую часть выпадающих осадков. В результате от наводнения на Дальнем Востоке пострадало более чем 135 000 человек. В Дальневосточном федеральном округе пострадало от паводка около 14 000 домов, 1600 километров дорог, 174 моста, 825 социально значимых объектов. Гибель сельскохозяйственных культур в результате наводне-

ния на Дальнем востоке произошла на площади 390 800 га., по данным Министерства сельского хозяйства РФ ущерб составил 8,2 млрд. рублей.

Рис. 2. Наводнение на Дальнем Востоке (август 2013г.)

Попытки разрешить конфликт между необходимостью использования пойменных и прибрежных земель и убытками от возможных наводнений предпринимались неоднократно многими специалистами. Но до сих пор этот конфликт не разрешен. Для решения задачи о возможности использования прибрежных земель необходимо проводить анализ возможного ущерба при наводнениях. В сельскохозяйственных районах особенно велики убытки вызванные затоплением сельскохозяйственных угодий, вследствии ежегодных паводков. Наводнения наносят ущерб сельскохозяйственным культурам, повреждает различные инженерные и мелиоративные системы.

Современные проблемы землепользования, требуют контроля и достоверного прогноза качественного состояния земель в результате возможных чрезвычайных происшествий, связанных с затоплением земель.

В случае прохождения паводка или волны прорыва значительно ухудшается качество земель. Даже кратковременный подъем воды в реке во время паводка может вызвать затопление прибрежных земель, что неизменно повлечет за собой значительные убытки, связанные, как с возможной потерей урожая, так и с ухудшением качества земель. В случае разрушения напорного фронта плотины наблюдается наиболее опасная ситуация. В таком случае образовавшаяся волна прорыва нанесет огромный ущерб, возможно затопление не только сельскохозяйственных, но и земель населенных пунктов, что принесет катастрофический ущерб.

В качестве мер по предупреждению ущерба, вызванного возможным наводнением, необходимо проводить такие инженерно-технические мероприятия, как:

- мониторинг и регулирование паводкового стока рек с использованием различных инженерных сооружений: плотин, дамб, укрепление берегов рек, с�